遙感衛星滾動式動態任務規劃技術

劉曉麗，楊 斌，高朝暉，何川東

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.北京市遙感信息研究所，北京 100192)

遙感衛星滾動式動態任務規劃技術

劉曉麗1，楊 斌2，高朝暉1，何川東2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.北京市遙感信息研究所，北京 100192)

面對應急任務常態化趨勢，通過分析衛星任務管控系統快速響應需求，提出了滾動式動態任務規劃技術方法，研究了動態任務規劃問題的求解過程，分析了動態任務規劃滾動時間窗口選取策略、前瞻式任務與資源處理策略和星上資源連續使用原則等。該方法在遙感衛星任務管控系統中的工程化應用將能夠大大提升系統應急任務快速響應時效性，降低任務動態調整復雜度，規避星上任務頻繁調整風險。該方法將為面向任務快速響應的新一代任務管控系統建設奠定技術基礎。

動態任務規劃；滾動式任務規劃；應急快速響應；衛星任務管控

0 引言

現有的遙感衛星任務管控系統，為配合日常值班，大多采用以天為周期批處理式的任務規劃方式[1]，每顆衛星一般一天進行一次任務規劃，一次規劃安排24 h內的觀測任務[2]。雖然在解決資源沖突方面比較有效，當在軌運行衛星數量較多時，任務量大幅增長，并且任務動態變化頻繁，任務快速響應要求較高時，這種針對常規普查任務跨距較長的靜態管控流程[3]，在面對突發事件緊急調整任務時，應急任務插入可能會影響到24 h的星上任務執行，任務調整不夠靈活、快捷，經常需要取消星上指令進行重新上注新指令，存在衛星安全風險，值班人員工作壓力大，并且用戶提交觀測需求需要等待1～2天時間才能安排執行[4]。目前針對應急任務快速調整任務規劃方法的研究大多是基于已有任務規劃方案進行應急任務插入動態方案調整，如文獻[5]基于目標無圈有向圖模型，引入延遲非支配路徑的概念,提出基于標記更新的成像路徑搜索算法解決應急成像調度問題，文獻[6]設計了一種基于自由度規則的動態啟發式求解算法，文獻[7]提出了綜合考慮任務合成、修復和向后移位的多星動態應急調度算法。這些文獻中都沒有關注星上任務的應急調整，但在實際工程中，不涉及星上任務調整的應急動態調整任務規劃，時間并不是很緊急，完全可以進行重新規劃，對于相應任務規劃區間的任務指令已經上注衛星開始執行的情況，必須要對星上指令進行取消、替換等操作?，F有的應急調整模式由于要頻繁調整星上任務，無法應付應急常態化任務管控。未來任務管控系統建設對系統智能化、自動化與任務快速響應能力提出了更高要求，現有面向常規普查任務的固定值班周期任務控制模式已不能滿足應急常態化情況下任務快速調整的時效性要求，縮短衛星任務規劃時間區間勢在必行，采用面向快速響應任務的滾動式動態任務管控模式，在上層進行集中任務與資源統籌預分配基礎上，在下層進行滾動式單星動態任務規劃，提升各衛星任務規劃的相對獨立性和對應急任務的快速動態調整能力，縮短從需求受理到獲取數據的時間周期，從而提高系統的快速響應能力[8]。目前已有初步的理論研究[9]，但研究還不夠深入，沒有切合工程實踐，也沒有提出可直接用于工程實現的方法。

1 動態任務規劃方法

動態規劃是運籌學的一個分支，是求解決策過程最優的數學方法，其最終目的是確定各決策變量的取值，以使目標函數達到極大或極小。由美國數學家Bellman R E 等人在研究多階段決策過程的優化問題時提出，他們把多階段過程轉化為一系列單階段問題，利用各階段之間的關系，逐個求解，解決了這類過程優化問題。動態規劃的基本思想是將待求解的問題分解為若干子問題(階段)，按順序求解子階段，前一子問題的解，為后一子問題的求解提供了有用的信息。在求解任一子問題時，列出各種可能的局部解，通過決策保留那些有可能達到最優的局部解，丟棄其他局部解。依次解決各子問題，所有子問題解決后即解決了初始問題[10]。

動態規劃是求解多階段優化決策類問題的一種方法，是考察問題的一種途徑，而不是一種算法。所以必須對具體問題進行具體分析，運用動態規劃的原理和方法，建立相應的模型，然后再用動態規劃方法去求解。

動態規劃按照問題的時間或空間特征，把問題分為若干個階段。將問題發展到各個階段時所處的各種客觀情況用不同的狀態表示出來。每一階段的決策僅依賴于前一階段的狀態，由決策所采取的動作使狀態發生轉移，成為下一階段決策的依據。從而，一個決策序列在不斷變化的狀態中產生。這個決策序列產生的過程稱為多階段決策過程，如圖1所示。

圖1 多階段決策過程

在多階段決策過程中，動態規劃方法是既把當前一段和未來一段分開，又把當前效益和未來效益結合起來考慮的一種最優化方法。因此，每段決策的選取是從全局來考慮的。在求整個問題的最優策略時，由于初始狀態是已知的，而每段決策都是該段狀態的函數，故最優策略所經過的各段狀態便可逐段變換得到，從而確定了最優路線?？梢园讯嚯A段決策問題的求解過程看成一個連續的遞推過程。在求解時，各狀態前面的狀態和決策，相對其后面的子問題，相當于初始條件，并不影響后面過程的最優策略。所以，動態規劃方法解題的基本思路，是將一個多階段決策問題轉化為依次求解多個單階段的決策問題，從而簡化計算過程。

2 動態任務規劃在遙感衛星任務規劃中的應用

2.1 遙感衛星滾動式動態任務規劃

遙感衛星動態任務規劃即將原來以天為單位的長周期任務規劃問題劃分為若干個子階段的任務規劃過程，選擇一天可用的多個業務測控時機，以測控時間周期進行劃分，進行多次任務規劃，每個階段任務規劃稱為一個子任務規劃。

相對于常規任務分時段、分批次的到達模式，應急常態化下的衛星觀測任務以動態方式不斷到達系統。為滿足任務的時效性需求，系統需要通過多次規劃完成所有任務的規劃。針對應急任務具有動態變化性和快速保障的特點，可以采用基于滾動優化策略的動態規劃方法。該方法以滾動推進的形式選擇任務進行規劃，可及時調整任務規劃方案以適應和跟蹤系統狀態的變化，因此能夠有效應對任務動態到達對系統負載的影響。

現有常規任務規劃方式一般按天進行一批次任務規劃，在一次任務規劃過程中首動作安排固存清除，從頭開始記錄任務，任務規劃周期內將所有安排的觀測任務全部安排數據下傳，衛星姿態復位，一次任務規劃與下一次任務規劃之間相對獨立。

動態任務規劃與現有常規任務規劃方式主要區別不僅在于規劃周期縮短，關鍵在于單次任務規劃區間內星上存儲與平臺姿態等沒有復位，因此各次任務規劃之間并不是獨立的，本次任務規劃與前一次、后一次任務規劃之間存在星地資源使用的關聯關系，即前一次任務規劃結束后的星地資源使用狀態會影響后一次任務規劃的決策。但每一輪任務規劃過程中采用的優化搜索算法、優化策略以及各星的約束處理功能等，與原先的任務規劃沒有太大不同，仍然可以采用原先的方法，也可根據需要進行調整[8]。

2.2 滾動式動態任務規劃定義

定義狀態空間Φ：

Φ=(T，M，E，A)，

式中，T為已安排觀測但未安排回放任務集；M為固存占用容量；F為固存已占用未回放文件號；E為上一輪規劃結束星上剩余能源；A為上一輪規劃結束衛星停留姿態角度、數傳天線角度等。

基于狀態空間的定義，一次完整的任務規劃的狀態可表示為：

Φ=Φ1∪Φ2∪…Φn。

則n+1輪任務規劃的初始狀態為第n輪任務規劃的完成狀態，即

(1)

設Q為Φ中包含的任務集(初始狀態為待安排任務集，完成狀態為已安排任務集)，即

一次完整的任務規劃最終安排任務為：

相鄰2輪任務規劃之間必須滿足以下約束：

Φn+1(t)-Φn(t)>p，

(2)

式中，p為相鄰2次載荷動作時間間隔，即前一次任務規劃最后一個動作結束時間與下一輪任務規劃首動作時間間隔必須滿足載荷動作時間間隔約束(不同的動作類型，間隔時間有所不同)。該約束也適用于每輪任務規劃內任意相鄰2個動作。

2.3 滾動式動態任務規劃的求解過程

動態任務規劃[9]的求解過程為多輪任務規劃之間狀態的轉移[10]，而每一輪任務規劃子問題的求解仍然采用原先的各類智能任務規劃算法與各衛星的約束處理實現,如遺傳算法[11-12]、粒子群算法[13]和蟻群算法[14]等。狀態轉移就是根據上一階段的狀態進行決策來導出本階段的狀態。

相鄰2輪任務規劃之間要滿足式(2)的載荷動作間隔約束。n輪任務規劃中固存容量、星上能源和平臺姿態的使用是連續的，即滿足式(1)的約束，即單輪任務規劃并不一定要保證數據平衡、能源平衡與資源平衡，但在衛星整體任務規劃中要保證數據平衡、能源平衡與姿態平衡[15]。

狀態Φn到Φn+1的轉換方法：以Φn中的固存容量、星上能量和平臺姿態等作為Φn+1任務規劃的初始狀態開始新一輪任務規劃，通過在Φn中獲取未回放的所有任務Tn，在Φn+1中進行數傳任務與接收資源安排，并且數傳任務中安排回放的固存文件號必須包含Φn中已記錄的固存文件號，每一輪任務規劃過程中都需要在初始的固存容量、星上能源和平臺姿態狀態基礎上進行載荷與平臺使用約束的檢驗。n+1輪任務規劃完成后的狀態作為n+2輪任務規劃的初始狀態,以此類推，通過多輪滾動式任務規劃狀態的轉移，實現整體連續的任務規劃，即為滾動式動態任務規劃[8]，如圖2所示。

圖2 動態規劃流程

對于一次滾動式動態任務規劃，可以采用各類啟發式優化搜索算法進行求解，與傳統的任務規劃算法沒有太大區別，本文不再介紹。只是優化評價函數需要根據動態任務規劃特點進行調整。

目前常用的任務規劃算法優化評價函數一般采用所有任務各因素加權求和的方式[11，16]，表達式為：

式中，rt為任務安排比率，對于點目標任務該值為1，對于區域目標任務則為多個元任務對目標的整體覆蓋率；pe為各因素對目標函數的貢獻值；we為各因素權重。

該目標函數的優點是：可通過調整各目標因素的收益權重來實現用戶不同的規劃策略要求[13]。針對動態任務規劃特點，將優化評價函數調整如下：

3 滾動式動態任務規劃策略設計

3.1 滾動時間窗口選取策略

滾動優化策略的基本思想是將任務按照到達順序劃分為具有一定交疊，但隨著規劃時刻不斷向前推進的任務集合，稱為滾動窗口。在每次規劃時，僅對當前滾動窗口內的任務進行規劃，隨著規劃時間窗口的推進，新任務被不斷加入，而完成規劃的任務退出任務隊列，從而實現滾動窗口的更新。滾動優化策略的優點是能夠將復雜的動態規劃問題分解為多個簡單的靜態規劃子問題，并以子問題優化解的組合代替原問題的最優解，從而降低原問題求解的難度，并及時納入應急任務，縮短從任務提交到安排執行之間的等待時間。

滾動優化策略的一個關鍵因素是如何確定滾動窗口。滾動窗口用于存儲參與當前規劃的任務與接收資源[10]。

衛星任務規劃由于受固存和回放資源的限制，導致觀測任務序列數量不可能無限膨脹，在2次回放動作之間的目標數量和觀測時長受固存和回放資源的限制，所以，以回放時刻劃分滾動窗口相對比較合理。目前，對于高分辨率衛星，由于一次成像圖像數據量很大，需要頻繁回放，且基于固存的隨機回放能力與任務對接收站與接收時效性的要求，觀測任務可能會跨區間回放，另外，由于回放時間區間與測控時間區間不匹配，生成的指令無法及時上注。因此按照回放時間區間進行任務規劃在目前是不可行的。若將來每個地面站都具備測控上行能力也同時具備數據接收能力，則可以按照回放時間區間進行滾動時間窗口的劃分。

任務的最終執行完成，必須有業務測控時段進行遙控指令上注衛星執行?？梢酝ㄟ^縮短測控時間間隔，提高有效載荷控制指令上注頻率，在緊急情況下，還可臨時申請應急測控資源，從而提高衛星任務快速反應和精細化管理能力，因此，采用測控時間區間作為滾動式任務規劃時間區間針對當前地面站使用現狀來說是合理可行的。

以測控時間段為任務規劃區間雖然可以提高衛星對應急任務的保障能力，但是，由于受衛星測控資源的限制，目前衛星2次測控時間間隔一般在小時級，隨著動態任務下達的隨機性提高，不可預知未來觀測任務的分布情況；同時，由于衛星受固存與回放資源的限制，如果任務規劃時完全不考慮后續回放資源，有可能出現前面規劃的觀測任務無法進行數據下傳，或者前面規劃的任務太多導致后面無法安排其他任務。所以，為了避免上述情況，每次任務規劃時必須考慮回放資源，即衛星任務規劃的任務滾動窗口為測控時間間隔，而資源滾動窗口可能大于測控時間窗口。理想情況，若接收站都具有測控上行能力，則測控時間窗口與回放窗口一致，在上注下一圈任務指令的同時，完成上一圈任務的接收。按測控時間將單次任務規劃細分為多次連續任務規劃，并上注有效載荷控制指令，即為基于測控周期的滾動式任務規劃。

任務規劃工作時機選擇確定：從當前時間之后，查找該衛星最早可用的測控時段，在該測控時段之前預留任務管控工作時間與測控注入準備時間，為總的測控準備時間，測控時段開始時間前推準備時長的時間點，在該時刻之前，不再受理任務，即為本次滾動式任務規劃的工作時間上限T0，開始進行任務規劃，即為任務規劃工作時機。

滾動式任務規劃時間窗口的選擇確定：最近的測控時段結束時刻，向后預留任務執行前置時間長度(姿態機動時間、指令執行延時、與上次動作間隔時間等)，到下一個可用的測控時段結束時刻，即為一次滾動式任務規劃的任務滾動時間窗口[T1+Δt,T2]，T1為最近一個測控窗口的結束時間，T2為下一個測控窗口的結束時間，如圖3所示。

圖3 滾動時間窗口選取示意

而任務規劃需要考慮本次任務區間未回放任務在最近一個回放窗口能否完全回放，因此任務規劃的資源滾動時間窗口[T1,T3]，T3為與任務滾動時間窗口結束時間最近的接收窗口開始時間。需要說明的是，多次滾動任務規劃之間任務滾動窗口是連續的，而資源滾動窗口是交疊的，因為上次滾動窗口內未回放的任務需要與本次滾動窗口的任務一起進行數據回放。若地面站在測控的同時可以進行數據接收，則任務滾動時間窗口與資源滾動時間窗口一致。

3.2 前瞻式任務與資源處理策略

若本輪任務規劃結束前有任務無可回放資源時，嘗試前瞻獲取下一輪最近可用的接收資源，并統籌考慮下一輪同一回放時間段內已下達的任務進行任務安排，若無下達任務時，根據時間長度與任務間隔時間進行任務預估，生成的方案中去掉時間超出本輪規劃區間的內容，這樣可以保證本輪未回放的任務在下一輪中有足夠接收資源安排回放，又可以不影響下一輪重要任務的回放，盡量使最終解趨近全局最優。即全局考慮任務規劃方案的優化性，本輪任務規劃時前瞻式考慮下一輪任務規劃中可用的接收資源與同一資源回放時段內的已下達任務情況，單輪任務規劃按照資源滾動時間窗口考慮任務與資源的安排，最終任務規劃結果按照測控時間窗口生成[17]。

3.3 星上資源連續使用原則

每輪滾動式任務規劃之后，需要記錄星上固存使用情況與未回放任務，包括固存已使用容量，固存記錄文件號，每個文件號對應的任務信息以及容量，還需要記錄星上能量與衛星姿態角度等會對后續任務規劃產生影響的星上資源狀態，每輪滾動式任務規劃時，需要提取前一輪任務規劃結束記錄的星上資源狀態，作為本輪規劃的初始輸入。更進一步，星上狀態在每個載荷動作后都進行記錄，這樣從任意動作之后都可以開始新一輪任務規劃。

4 結束語

本文提出的滾動式動態任務規劃技術方法面向突發事件的遙感衛星動態管控新模式[18]，將動態規劃方法應用到衛星任務規劃，基于測控周期將常規一天的任務規劃分解為多輪動態任務規劃過程，突發應急任務能夠及時在最近的滾動時間窗口中進行快速安排，并基于前瞻式任務與資源處理策略使整體任務規劃過程趨于最優。本文方法在提升任務規劃時效性的同時兼顧優化性，與現有的應急任務動態調整任務規劃技術相結合，能夠滿足面向任務快速響應的遙感衛星任務管控新要求。通過原型系統進行試驗驗證，本文方法能夠解決現有系統面臨的應急快速響應迫切需求，將為建設高效的新型智能任務管控系統[19]奠定技術基礎。

[1] 張學慶,馬萬權,高朝暉,等.衛星管理控制體系結構研究[J].無線電工程，2006,36(5):36-61

[2] 王士成.衛星運行控制系統混合模式架構研究[J].無線電工程,2013,43(3):1-3,23.

[3] 陳磊勇,陳英武,賀仁杰,等.多觀測衛星任務調度系統的設計與實現[J].計算機工程與設計,2018,29(8):2 089-2 092.

[4] 劉洋,譚躍進.一種有新任務到達的多衛星動態調度模型與方法[J].系統工程理論與實踐，2005(4):35-41.

[5] 王鈞 ,李軍,陳慧中,等.一種應急條件對地觀測衛星成像調度方法[J].電子學報，2008,36(9):1 715-1 722.

[6] 王軍民,李菊芳,譚躍進.有新任務插入的多星動態調度模型與算法研究[J].系統仿真學報,2009,21(12):3 522-3 527.

[7] 王建江，朱曉敏，吳朝波，等.面向應急條件的多星動態調度方法[J].航空學報,2013,34(5):1 151-1 164.

[8] 賀川，邱滌珊，朱曉敏，等.基于滾動優化策略的成像偵察衛星應急調度方法[J].系統工程理論與實踐，2013，33(10)：2 685-2 694.

[9] 趙娟,樊超.動態規劃方法的應用研究[J].計算機時代,2014(2):28-30.

[10] 張利寧,祝江漢,李皓平.多維動態規劃在對地觀測衛星調度中的應用[J].計算機仿真,2007,24(5):25-29.

[11] 高朝暉,岳群彬,李偉.遺傳算法在成像衛星計劃編制中的應用[J].無線電工程,2013,43(12)：37-40,60.

[12] 徐雪飛，李建華，沈迪，等.基于量子遺傳算法的航空通信頻率動態分配[J].電訊技術，2015,55(12)：1 311-1 317.

[13] 韓偉,張學慶.一種基于離散粒子群的多星任務規劃算法[J].無線電工程，2015，45(1):1-4.

[14] 黃雙臨,馬冬青,方冬梅,等.基于改進蟻群算法的衛星數傳調度[J].無線電工程，2015,45(7):27-30.

[15] 陽書昭,賀仁杰,邢立寧.基于可配置規則的敏捷衛星任務規劃問題研究[J].科學技術與工程,2015,15(28):209-216.

[16] 國曉博,劉金燦,周紅彬.分布式衛星系統數傳調度研究[J].無線電通信技術，2016，42(4)：29-32.

[17] 孫凱,白國慶,陳英武,等.面向動作序列的敏捷衛星任務規劃問題[J].國防科技大學學報，2012，34(6):141-147.

[18] 王鵬,劉曉東,郭建恩,等.面向突發事件的遙感衛星動態管控模式[J].無線電工程，2015，45(11)：60-63.

[19] 張吉祥,郭建恩.智能對地觀測衛星初步設計與關鍵技術分析[J].無線電工程,2016,46(2):1-5.

Research on Rolling Dynamic Mission Scheduling Technique for Remote Sensing Satellites

LIU Xiao-li1,YANG Bin2,GAO Zhao-hui1,HE Chuan-dong2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China; 2.BeijingRemoteSensingInformationInstitute,Beijing100192,China)

Considering the trend of fast response to user’s dynamic missions,through the analysis of construction requirements of the mission management and control system for fast emergency response,the technique of rolling dynamic mission scheduling is presented.This technique will improve the timeliness of emergency mission response and avoid risk of altering the task injected into the satellite,and lay a foundation for developing a new generation mission management and control system.

dynamic mission scheduling;rolling mission scheduling;fast emergency response;satellite mission management and control

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.14

劉曉麗,楊斌,高朝暉,等.遙感衛星滾動式動態任務規劃技術[J].無線電工程,2017,47(9):68-72.[LIU Xiaoli,YANG Bin,GAO Zhaohui，et al.Research on Rolling Dynamic Mission Scheduling Technique for Remote Sensing Satellites[J].Radio Engineering,2017,47(9):68-72.]

TP391

A

1003-3106(2017)09-0068-05

2017-02-21

中國博士后科學基金資助項目(2015M580217)。

劉曉麗 女，(1976—)，高級工程師。主要研究方向：智能信息處理、航天任務管控。

楊 斌 男，(1977—)，高級工程師。主要研究方向：航天任務管控。