王壯 鄭峰 張海 崔本杰 岳曉惠

(1 上海衛(wèi)星工程研究所， 上海 201109) (2 上海航天電子技術研究所，上海 201109)

隨著人們對空間信息支持的依賴越來越大，通過一兩顆或某一類衛(wèi)星來獲取局部或全球信息已遠遠不夠，多星組網(wǎng)進行編隊協(xié)同探測任務，已成為對地遙感發(fā)展的必然趨勢[1]。

多星協(xié)同系統(tǒng)通常具備多智能體在軌自主任務規(guī)劃能力，在執(zhí)行任務過程中，能夠根據(jù)任務的變化、環(huán)境的變化、衛(wèi)星自身狀態(tài)的變化，從可用的資源中選擇、確定出最適應動態(tài)變化和任務需求的觀測資源配置及協(xié)同行動策略，實現(xiàn)資源的動態(tài)利用和高效管理，在一定約束條件下，提升協(xié)同效能[2-3]。

目前，國內(nèi)對于星群任務規(guī)劃軟件開發(fā)驗證系統(tǒng)的研究多處于基礎架構搭建、算法開發(fā)或地面樣機開發(fā)階段[4-5]。存在的問題主要有兩點：一是成果技術成熟度不高，大多處于地面原理樣機階段；二是成果分散于自主任務規(guī)劃、自主星上數(shù)據(jù)處理等多個領域，缺乏系統(tǒng)性聯(lián)試，實際效能難以完整展示。對于單星地面仿真支持系統(tǒng)的研究比較多見，比如面向姿軌控系統(tǒng)的閉環(huán)仿真系統(tǒng)，通過模擬敏感器、動力學和執(zhí)行機構的數(shù)學模型，與姿軌控計算機軟件閉環(huán)測試[6]。相關研究主要聚焦于多星自主任務規(guī)劃、多源衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)融合、系統(tǒng)綜合效能評估等幾個方面[7]。其工作在具體開展中大多相對獨立，研究的輸入條件和約束條件與實際應用環(huán)境有較大的差異。自主任務協(xié)同全鏈路中的關鍵環(huán)節(jié)相互之間有比較復雜的關聯(lián)關系，各項研究工作相對獨立的驗證環(huán)境難以滿足或覆蓋與實際應用相匹配的時變環(huán)境，導致技術驗證不充分，驗證覆蓋不全面[8-11]，而多星協(xié)同任務規(guī)劃系統(tǒng)往往更為復雜，多目標、多載荷、多場景協(xié)同，對信息流、時間鏈、精度鏈配合要求很高，需要地面充分驗證，并且需要充分預留調優(yōu)接口，并能根據(jù)在軌數(shù)據(jù)予以調優(yōu)。

多星協(xié)同自主任務規(guī)劃軟件作為完成空間任務和挖掘多星協(xié)同系統(tǒng)潛能的核心，其功能需求復雜且方案迭代較多，需具備較高的可靠性和安全性，若對多星協(xié)同系統(tǒng)軟件功能測試不充分，輕則導致衛(wèi)星功能測試失敗，重則對衛(wèi)星上的產(chǎn)品與設備造成嚴重的損害[12]。目前，針對多星協(xié)同的仿真驗證手段并不豐富，現(xiàn)有衛(wèi)星仿真測試多針對編隊或單星進行，對功能復雜、需要在軌協(xié)同、頻繁信息交互的多星系統(tǒng)支持仿真能力不足，尚未見到能夠支持多星協(xié)同星載自主規(guī)劃軟件地面閉環(huán)仿真驗證的方法及系統(tǒng)。因此，本文針對上述情況設計了多星協(xié)同任務規(guī)劃試驗系統(tǒng)，首先對仿真試驗系統(tǒng)建設任務進行了分析，介紹了多星協(xié)同任務規(guī)劃系統(tǒng)，分析了任務規(guī)劃系統(tǒng)的驗證難點，研究了試驗系統(tǒng)設計要點；然后對試驗系統(tǒng)進行了設計與實現(xiàn)，主要包括系統(tǒng)頂層設計、系統(tǒng)工作模式建立以及系統(tǒng)工作流程分析；最后，對試驗系統(tǒng)進行了仿真驗證。

1 仿真試驗系統(tǒng)建設任務分析

1.1 多星協(xié)同任務規(guī)劃系統(tǒng)介紹

多星協(xié)同任務規(guī)劃系統(tǒng)通常具備多智能體在軌自主任務規(guī)劃能力，多體制衛(wèi)星對選定目標序列進行綜合遙感。在執(zhí)行任務過程中，能夠根據(jù)任務的變化、環(huán)境的變化、衛(wèi)星自身狀態(tài)的變化，從可用的資源中選擇、確定出最適應動態(tài)變化和任務需求的觀測資源配置及協(xié)同行動策略，實現(xiàn)資源的動態(tài)利用和高效管理，在一定約束條件下，提升協(xié)同效能，如圖1所示。

圖1 多星協(xié)同任務規(guī)劃功能模塊

多顆衛(wèi)星通過組網(wǎng)、編隊飛行、多星多載荷協(xié)同應用、在軌數(shù)據(jù)處理、在軌信息融合、星間信息快速分發(fā)，獲取綜合信息，實現(xiàn)多源信息融合應用、目標發(fā)現(xiàn)即確認，提高目標觀測的準確性和時效性。多星自主任務規(guī)劃系統(tǒng)通過星間低速網(wǎng)絡交互傳輸各星的位置、狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)目標、任務規(guī)劃結果等信息，規(guī)劃各星觀測任務和星間數(shù)據(jù)傳輸任務，執(zhí)行缺省地面任務分配條件下的多星自主協(xié)同作業(yè)，獲取多源信息，實現(xiàn)目標快速識別確認。

1.2 多星協(xié)同任務規(guī)劃驗證難點分析

根據(jù)協(xié)同模式的復雜度，該系統(tǒng)主要針對面向區(qū)域搜索查證的多目標成像任務的協(xié)同任務規(guī)劃驗證。

在多星協(xié)同各模式中，海上執(zhí)行應急搜救任務，通常需要多手段目標粗識別定位載荷作為搜索引導源，實時生成目標引導隊列，發(fā)送至成像星執(zhí)行多體制、高分辨圖像獲取，通過多源信息融合，精準判別目標身份。采用集中式引導成像任務規(guī)劃如圖2所示。

圖2 集中式引導任務規(guī)劃圖

對系統(tǒng)處理環(huán)節(jié)及驗證情況分析如下。

1)多目標區(qū)域搜索查證成像任務規(guī)劃

多源載荷廣域搜索態(tài)勢引導信息合批處理后，生成的引導隊列已包含多個目標的經(jīng)緯度、重要度、置信度、成像偏好、定位精度、信源組合等豐富的描述信息，查證分配規(guī)則根據(jù)目標重要度、地理分布、誤差特性優(yōu)選成像衛(wèi)星以合適的成像模式予以捕獲，根據(jù)載荷特征、機動能力、成像模式等，進行合理分配、快速分發(fā)。需解決多目標多載荷多模式任務優(yōu)選分配問題。

引導隊列中的目標是經(jīng)多載荷、多搜索手段發(fā)現(xiàn)傳輸過來的，同一目標可能被多次發(fā)現(xiàn)，若直接對引導信息目標進行任務插入，會導致同一目標被反復加入任務隊列。又因為某載荷前瞻性過強，會導致始終占用成像資源。故在任務分配周期觸發(fā)后，對引導隊列中目標的引導信息進行融合處理。如圖3所示，不同目標、相同目標可基于鄰近目標判斷準則進行判別。

圖3 鄰近目標判斷示意圖

任務隊列內(nèi)相同目標判定基于鄰近判斷準則，即：地球表面上兩個目標之間的距離小于其定位誤差半徑之和時，判定兩個目標未同一目標。目標判定鄰近后，進行融合處理。

假設，

M1=(x1,y1)

(1)

M2=(x2,y2)

(2)

式中：(xi,yi)表示目標的經(jīng)緯度坐標。令

ey=b×|y1-y2|×π/180

(3)

ex=b×|x1-x2|×cos(y2)×π/180

(4)

式中：b為地球赤道半徑；π/180.0是度轉弧度。

(5)

式中：e1和e2分別為目標1和目標2的定位誤差。若上述條件成立，則認定兩個目標為鄰近目標，進行融合處理。

2)按優(yōu)先級排序的目標引導隊列生成

多級排序是指，隊列數(shù)據(jù)依據(jù)一個屬性進行排序后，可能出現(xiàn)較多該屬性相同的情況，這時將屬性相同的數(shù)據(jù)再次按照另一個屬性排序，依次類推，直至獲得預期結果。

每種搜索載荷可送出目標引導信息，有可變的數(shù)據(jù)包發(fā)送頻率、各異的目標定位精度、置信度、特征等信息，星上需對原始引導信息進行預處理，鎖定重要目標、剔除虛假目標，提供詳查指示，生成按優(yōu)先級排序的目標引導隊列。

針對綜合引導信息處理輸出的目標隊列，對目標隊列進行多級排序，可提高任務規(guī)劃算法對實際任務需求的適應性，將優(yōu)先偵查目標放在隊列前面，其多級排序設計見表1。以1-7代表7個屬性，6752341代表排序原則為：是否超大目標、區(qū)域等級、是否聚焦、重要度、置信度、定位誤差、信息源組合個數(shù)。

表1 目標隊列多級排序規(guī)則

目標引導信息在鄰近融合后，遵循以下排序原則：參與融合的目標保留原始目標號；信息源組合模式相同；重要度取較大；置信度取較大；定位誤差取較??；是否是超大目標取較大；位置信息取定位誤差較小的信源位置信息，提升目標定位精度；成像偏好取重要度等級較高的目標。

1.3 仿真試驗系統(tǒng)設計要點研究

1)兼顧置信度與運行效率

置信度是針對驗證目的，在仿真系統(tǒng)與原型系統(tǒng)之間建立起的一種相似映射度量，它刻畫了仿真系統(tǒng)與原型系統(tǒng)在靜態(tài)結構和動態(tài)行為兩方面的重合程度。為適應多型衛(wèi)星、目標和環(huán)境模型，應對復雜任務驗證需求，驗證系統(tǒng)的構建，需重點保證仿真系統(tǒng)的置信度，如圖4所示。對于模型、連接和場景模擬，通常都有不同的具體要求，例如軌道姿態(tài)模型、載荷模型、場景模型參數(shù)需與現(xiàn)實盡可能保持一致，參數(shù)化的模型能夠根據(jù)實際衛(wèi)星在軌表現(xiàn)進行修訂完善。置信度的高要求還要兼顧地面系統(tǒng)的執(zhí)行效率，避免一味的追求個別模型的過于真實而拖慢系統(tǒng)的運行周期、降低2D/3D場景顯示的流暢度，降低多種工況遍歷驗證的效率。

圖4 仿真置信度示意圖

2)滿足各階段、不同連接關系的驗證需求

自主任務規(guī)劃工作過程涉及到較多的輸入輸出實體，如接收地面指控及不同類型載荷的搜索結果，控制多顆不同類型成像衛(wèi)星獲取目標圖像，驗證系統(tǒng)需全流程支撐星上系統(tǒng)的開發(fā)及驗證，例如純數(shù)字仿真階段驗證方案流程及算法，桌面半物理試驗階段驗證時序及接口，整星試驗階段驗證與整星相容性，多星聯(lián)試階段驗證衛(wèi)星實體間協(xié)同有效性，在軌試驗階段進行有效復盤和推演，在軌調優(yōu)階段進行星上參數(shù)修正與綜合效能提升等。星上系統(tǒng)與地面系統(tǒng)形成驗證閉環(huán)，在各研制階段需支持數(shù)字模型、實體單機、整星的有線或無線連接。

3)場景易于配置并支持超實時功能

驗證系統(tǒng)應能支持場景、軌道、載荷、目標的快速配置功能，例如通過設置向導或批量配置功能一鍵生成多組衛(wèi)星和目標的模型，能夠保存場景及實體的各種配置。通過導入快速重現(xiàn)仿真工況，具備對在軌遙測或打包數(shù)據(jù)中模型配置所需參數(shù)的自動提取和配置，實現(xiàn)在軌工況的快速復盤。為了提高系統(tǒng)驗證及調優(yōu)效率，各仿真實體應能調整仿真速率，在星上與地面系統(tǒng)同步的前提下，通過調快加速掠過動作較少的等待時間，通過調慢細致核查關鍵環(huán)節(jié)的運行過程。

4)保證系統(tǒng)測試覆蓋性的有效措施

測試覆蓋性的提升，體現(xiàn)在試驗流程和試驗工況的設計與遍歷性上。對于本文針對的海上搜索發(fā)現(xiàn)引導成像任務規(guī)劃這一類任務，目標身份、行為、分布等存在很大的不確定性，場景配置功能應能夠在框選的任務仿真區(qū)域批量、隨機生成大量目標及運動特性，并支持調整。星上任務規(guī)劃軟件有測試算法可靠性的需求，因此各類輸入給星上軟件的目標、軌道、任務等，應能進行故障注入，例如用全OxFF或Ox00配置、校驗錯誤等模擬數(shù)據(jù)包錯誤進行野值剔除。通過提高數(shù)據(jù)包收發(fā)頻率來進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)吞吐壓力測試；通過衛(wèi)星功能失效、環(huán)境云遮檔測試任務規(guī)劃流程的適應性等。

2 仿真試驗系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

多星在軌自主協(xié)同仿真試驗系統(tǒng)是基于多星快速響應的集成驗證系統(tǒng)，可進行衛(wèi)星及載荷設置、目標庫設置等，并進行任務規(guī)劃，對過程在場景中實時顯示，或回放已產(chǎn)生的在軌數(shù)據(jù)，復盤在軌任務規(guī)劃軟件的執(zhí)行情況，同時支持在軌相關參數(shù)調優(yōu)。

2.1 系統(tǒng)頂層設計

星載計算機負責自主任務規(guī)劃，地面測試負責模擬成員星及場景，生成與星上交互的數(shù)據(jù)，進行星上系統(tǒng)與地面系統(tǒng)聯(lián)合閉環(huán)試驗驗證，圖5給出了仿真試驗系統(tǒng)示意圖。

圖5 仿真系統(tǒng)示意圖

衛(wèi)星與地面測試系統(tǒng)可以通過TCP/IP、RS422串口進行連接。地面測試通過模擬各成員星給衛(wèi)星做數(shù)據(jù)，模擬自主任務規(guī)劃計算機的外部的真實信息交互，隨軌道飛行，建立星地目標時空關系，在特定地理位置按時序產(chǎn)生載荷目標數(shù)據(jù)包，繼而執(zhí)行目標成像任務。仿真系統(tǒng)總體過程如圖6所示。

圖6 仿真系統(tǒng)總體過程圖

在開發(fā)人員完成算法、模型開發(fā)后，規(guī)劃和仿真用戶基于多星在軌自主協(xié)同場景仿真的主界面，進行需求的輸入，系統(tǒng)將需求分解為任務；接著調用任務規(guī)劃算法，規(guī)劃成為單星任務序列、異步任務序列、同步任務序列和任務間約束。這些任務序列轉化為控制期望和約束，作為動力學與控制仿真的輸入。動力學與控制仿真完成各任務期望姿態(tài)和期望軌道的跟蹤控制，將控制結果轉化為衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等，分別輸入到載荷仿真模型、執(zhí)行機構仿真模型、敏感器仿真模型和星間協(xié)同仿真模型。所有仿真數(shù)據(jù)和軟件運行中間數(shù)據(jù)保存在仿真數(shù)據(jù)庫中，再從數(shù)據(jù)庫發(fā)送給自主任務管理場景仿真顯示界面，以2D/3D和曲線形式顯示出來。最后，將用戶需求和預期仿真效果與實際運行效果，進行仿真評估。

2.2 系統(tǒng)工作模式

仿真系統(tǒng)具備地面仿真測試模式、在軌數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)驅動調參3種模式。

地面仿真測試模式模式下地面對場景、目標、衛(wèi)星、任務進行配置，與星載計算機實時閉環(huán)數(shù)據(jù)交互，模擬多星載荷、軌道、動作、任務執(zhí)行過程，如圖7所示。該模式以仿真場景為外圍激勵，驗證星上任務規(guī)劃軟件功能，實現(xiàn)星上任務規(guī)劃軟件的快速迭代開發(fā)。

圖7 地面仿真測試模式示意圖

在軌數(shù)據(jù)驅動回放模式下不進行多星協(xié)同，只顯示過程的所有執(zhí)行步驟，如圖8所示。利用在軌運行過程中收集到的數(shù)據(jù)包(目標隊列數(shù)據(jù)包、任務規(guī)劃結果數(shù)據(jù)包、成員星軌道姿態(tài)數(shù)據(jù)包等)進行回放，解析每個數(shù)據(jù)包里的信息，利用該真實信息驅動動畫場景，使各個衛(wèi)星進行姿態(tài)機動、成像、數(shù)傳等各個動作回放，展示任務規(guī)劃結果和成員星任務執(zhí)行過程。

在軌數(shù)據(jù)驅動調參模式以在軌載荷數(shù)據(jù)源為輸入，顯示目標場景，同時作為任務規(guī)劃輸入，如圖9所示。重新進行新的任務規(guī)劃，獲取規(guī)劃的結果，用于作為調整星上參數(shù)的參考，多次運行，評估，以獲取最優(yōu)解。搜索載荷進行目標搜索發(fā)現(xiàn)，對發(fā)現(xiàn)的目標進行引導信息組包、發(fā)送。

圖9 在軌數(shù)據(jù)驅動調參模式示意圖

2.3 系統(tǒng)工作流程

多星在軌自主協(xié)同仿真系統(tǒng)用于多顆成員星、目標、環(huán)境的仿真模擬，地面仿真系統(tǒng)與星載計算機物理設備通過有線連接，執(zhí)行信息交互收發(fā)，開展實時閉環(huán)仿真。仿真系統(tǒng)包括場景配置模塊、目標設置模擬模塊、衛(wèi)星參數(shù)設置模擬模塊、星載計算機軟件模塊、地面注數(shù)及遙測評估模塊等如圖10所示。

圖10 仿真驗證系統(tǒng)模塊

場景配置模塊可以對場景開始時間、仿真步長、倍率等進行設置，較大程度反應場景狀態(tài)。目標設置模擬模塊可以設置區(qū)域目標分布特性及屬性，通過軟件內(nèi)目標隨機生成算法(蒙特卡洛隨機算法、均勻隨機算法、正態(tài)隨機算法)，按區(qū)選取，并對隨機數(shù)量、生成經(jīng)緯度、屬性信息、運動軌跡、航向航速進行設置。通過衛(wèi)星參數(shù)設置模擬模塊將軌道根數(shù)，位置速度、姿態(tài)機動時間參數(shù)的系數(shù)，滾動機動邊界，滾動切換最大角度設置好。注數(shù)生成軟件模塊可對各種任務模式的相關參數(shù)進行調整，可對任務單類型進行選擇，充分適應任務的多變性和復雜性。中樞星向地面仿真子系統(tǒng)模擬的成員星分發(fā)任務，通過星上與地面的有線連接，模擬星間網(wǎng)絡任務分發(fā)至成員星的過程，將解析結果發(fā)送數(shù)據(jù)包給任務規(guī)劃測試系統(tǒng)模擬的各顆成員星，包括任務啟動字、工作模式、任務時段等。遙測顯示模塊可以顯示任務規(guī)劃結果、星上運行狀態(tài)、地面測試系統(tǒng)模擬的多星任務執(zhí)行信息。效能評估模塊可實現(xiàn)任務規(guī)劃性能評估、算法驗證功能評估以及任務規(guī)劃效能定量化評估。2D/3D演示模塊包括動畫顯示界面、操作按鈕、可見性顯示界面以及通信連接界面，該模塊支持顯示包括在軌多星軌道運行仿真、衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示、多星相對運動顯示以及任務規(guī)劃結果執(zhí)行演示。注數(shù)包生成模塊實現(xiàn)了任務注數(shù)、可調參數(shù)、數(shù)據(jù)包模擬等。

3 仿真驗證

基于多星多目標優(yōu)選分配、多次動態(tài)規(guī)劃為例，對某在軌多星自主任務規(guī)劃系統(tǒng)進行仿真試驗。綜合電子計算機選用在軌中樞星鑒定單機，與仿真軟件集成為半物理仿真驗證系統(tǒng)。試驗平臺中，綜合電子計算機中運行多星協(xié)同自主任務規(guī)劃軟件，集成驗證系統(tǒng)具備模擬目標模型、場景模型、衛(wèi)星模型功能，可與自主任務規(guī)劃軟件形成閉環(huán)測試環(huán)境，如圖11所示。

圖11 多星在軌自主協(xié)同仿真系統(tǒng)部署圖

某在軌星群系統(tǒng)對地表某區(qū)域執(zhí)行了多目標分散觀測任務，其中，電子信號探測載荷均工作在全頻段模式，船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)載荷開機，地面注入態(tài)勢底圖重點區(qū)域。通過遙測下行，得到在軌搜索星獲得的真實目標信息，見表2。

在軌星載軟件運行時，會將星間、星內(nèi)引導包數(shù)據(jù)下卸處理，對此次任務時間段內(nèi)各引導包進行解析，將引導包的目標信息導入至仿真軟件，同時在任務區(qū)隨機設置一些其他目標，將所有搜索星發(fā)現(xiàn)的目標全部導入至仿真軟件得到目標分布，如圖12所示。

圖12 引導目標分布圖

中樞星實時對星間、星內(nèi)載荷送來的目標引導數(shù)據(jù)進行接收、存儲。通過鄰近目標融合，目標較近則被融合成一個目標，例如目標1、9、15，他們的目標屬性相對一致，但是經(jīng)緯度所表征的目標位置相對較近，利用1.3節(jié)中目標鄰近算法可以將多個鄰近目標融合成一個目標進行一次成像，可提高衛(wèi)星觀測效率。通過多級排序后的引導隊列(以區(qū)域等級高-重要度高-定位誤差小-置信度高優(yōu)先)可以得到引導目標優(yōu)選后分配給成員星的最佳成像觀測路徑，如圖13所示。

由成像規(guī)劃結果可以看出，鄰近目標在規(guī)劃過程中通過鄰近目標融合被剔除，篩選出的成像目標均在成員星可成像范圍內(nèi)，而依據(jù)圖13中每次任務規(guī)劃目標的分布情況可以看出，在相關約束下，選出優(yōu)先級高的目標進行成像，最終獲得合理且高效的成像任務規(guī)劃方案。

圖13 4顆成像星成像規(guī)劃路徑圖

4 結束語

本文對多星在軌自主協(xié)同任務規(guī)劃仿真試驗系統(tǒng)進行了分析研究，通過建立仿真模型能夠實現(xiàn)融合物理實況數(shù)據(jù)、在軌應用數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)的效果，繼而形成信息物理測試數(shù)據(jù)，最終獲得更加全面與準確的多星協(xié)同任務規(guī)劃信息，實現(xiàn)了多星在軌信息的共享與增值。通過真實的星上計算機運行自主任務規(guī)劃軟件與地面仿真子系統(tǒng)模擬的成員星進行實時數(shù)據(jù)交互，可視化閉環(huán)驗證多星協(xié)同星載自主規(guī)劃軟件的有效性，提供了星上自主任務規(guī)劃系統(tǒng)研制與測試保障的關鍵工具，提升星上任務規(guī)劃系統(tǒng)的測試充分性、可靠性和安全性。后續(xù)在如何尋找最優(yōu)規(guī)劃方案、衛(wèi)星組網(wǎng)模式，如何獲得衛(wèi)星在軌狀態(tài)以及觀測數(shù)據(jù)以后預先模擬衛(wèi)星規(guī)劃，使其能持續(xù)優(yōu)化星座資源，如何確定最優(yōu)目標和達到最大資源利用率方面進行研究。