探討基于遙感衛星星座的任務規劃方法

張棟

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

隨著我國衛星星座技術的創新和應用，遙感衛星星座的任務規劃，成為當前國內重要的研究議題，遙感衛星星座具有覆蓋范圍廣、重訪時間短、時間分辨率低等特點，因此，開展衛星星座任務規劃成為行業發展的趨勢。一方面，遙感衛星星座的科研工作，需要借助多種科學研究技術以及研究手段進行實施和開展，另一方面，針對遙感衛星星座的任務規劃，以設定為單目標以及多目標的方式進行研究，能夠快速解決衛星星座任務規劃中的問題。

1 遙感衛星任務規劃預處理技術以及規劃模型

1.1 遙感衛星任務規劃預處理技術

遙感衛星任務規劃預處理技術，主要是根據用戶的實際需求以及衛星本身能力進行分析和研究，將用戶的復雜任務結合多種衛星能力進行分解，進行規劃實施的應用技術。我國著名教授賀人杰教授在該領域中提出一系列的理論和創新，尤其是對于偏移參數的有效引入，將分解條帶進行相互重疊，從而實現衛星資源有效利用，規避了美國科學家Walton J等無法解決的技術問題。同時，中國科學家白保存教授，在其博士論文中，利用動態分解措施，對目標區域按照觀測機會進行技術分析，改變了傳統理念中，先分解的技術流程，而是根據任務規劃的結果來確定分解結果，為任務預處理技術提供了新的思路[1]。

該理念的提出，將衛星和遙感載荷等一系列內容進行有效的整合和梳理，實現復雜任務的有效規劃和實施。不僅如此，我國科學家再接再厲，以甘嵐[1]教授為代表的科研學者，根據MapX軟件的目標動態分解方法，提高了衛星成像的快速響應能力，同時還實現任務規劃問題模型的有效增加，提升了問題模型的應用范圍，助力相關技術的進一步提升和改善。

1.2 遙感衛星任務規劃模型

遙感衛星任務規劃模型，主要分為圖論模型、線性整數規劃模型以及背包模型、約束模型等。以圖論模型為例，任何一種模型的應用，都可能在某一種角度中，顯現出衛星成像中的約束問題，同時表明在相關約束中，不同規劃模型計算的數據存在一定的差異和影響。因此，在進行各項規劃模型的研究過程中，需要進一步強化模型的適用范圍以及應用價值。我國著名科學家龔勝平[2]教授在進行成像綜合任務規劃的模型創建問題中，有效驗證了任務規劃過程中的性能。另外，王軍民博士針對遙感衛星中規劃過程中產生的不確定條件，進行魯棒性的模型調度，結合國內多個學者的技術研發和實用研究，進一步提升模型的應用價值和應用實效。

2 遙感衛星星座任務規劃分析

2.1 遙感衛星星座任務規劃的主要流程

遙感衛星星座任務規劃的主要流程和單個遙感衛星的任務規劃，存在一定的共同性，其主要流程為，將對應的任務信息進行分析，任務數據進行預處理，利用規劃算法的自動化水平，設置相應的實現目標，多次迭代結果集，提升對應的結果評價，最終對任務的完成情況進行分析和驗證。遙感衛星任務規劃的主要處理要素包括，衛星資源、數傳資源、測控資源三種資源。遙感衛星星座任務規劃環節，是地面管控的核心內容，包括數據預處理、任務建模以及優化算法分析三個流程。由于用戶在提交任務時，基本不會指定相關任務的資源，導致在固定周期內無法實現任務與遙感衛星星等相關內容的有效關聯。因此，在進行任務規劃前，務必要將用戶的各項任務數據進行分解和判斷。將任務分解后，需要在有效周期內，確保所有任務能夠被載荷成像范圍覆蓋，實現對應任務有效拍攝。不僅如此，在應用過程中，還能夠有效判斷任務點位與衛星圖像關聯和影響。在進行求解過程中，需要對優化算法結果進行分析評價，確保得到最優化分解方案，從而實現對應的計算目標。通常，模型采用算法以模擬退火算法、遺傳算法以及Dijkstra算法為主，需要根據用戶提交的任務類型進行數據建模，從而選擇合適的算法[2]。

2.2 遙感衛星星座成像過程約束分析

成像任務約束，主要是當衛星飛行到某一區域，相關區域至少被一個成像載荷所覆蓋，需要考慮成像任務能夠按照既定目標有效完成。首先，需要考慮任務的時效性，同時考慮任務無法執行時以及執行完畢時對應的結果。其次，需要考慮遙感載荷的設備情況，能夠滿足對成像任務的基本要求和分辨率要求。最后，在進行光照條件以及氣候條件等問題的分析時，需要考慮相應的云量要求、光照條件是否滿足，從而判定成像任務的執行情況。

對數傳載荷數傳任務的約束。基于每個數傳載荷安裝的方位角以及俯仰角等進行分析，能夠得出數傳載荷的使用約束，尤其是當衛星與中繼星建鏈存在遮擋時，需要考慮對應的約束條件能否滿足要求。對地面數傳任務的約束，需要考慮地域限制對天地建鏈的實際影響。當遙感衛星運行到地面站上空時，需要考慮地面能否跟蹤接收的約束條件。

2.3 遙感衛星星座單目標任務規劃

遙感衛星星座單目標任務規劃，包括基于遙感衛星星座任務規劃的圖論模型，基于SA算法單目標任務規劃，基于遺傳算法的單目標任務規劃仿真以及基于數學規劃模型的單目標任務規劃。遙感衛星星座在執行任務時，需要變換對應存儲器存儲數據，并將存儲器數據按照一定規則進行存儲。將每個成像段對應的存儲文件，按照不同應對方式進行選擇，依次建立圖論模型。根據分段方式以及圖論模型的創建流程，強化對數據信息的分析和研究。例如，在數據下載過程中，需要選擇不同的星載存儲器進行任務數據的下傳，并確保數據延遲時間在可控范圍內。對應重要程度更高的任務，優先采用實傳模式，成像任務對比其他環境下的任務，時效性更加顯著。在規劃過程中，需要考慮重要性、優先性原則，要結合星載存儲器的容量以及遙感載荷記錄速率等一系列數據，綜合考量星載存儲器的利用效率。

基于圖論的思想和理念，使用改進后的SA算法進行目標的任務規劃，根據安排任務的執行情況驗證算法的實踐效果。改進后的SA算法能夠對單目標任務進行科學管理，尤其是對應的決策矢量函數以及目標函數的映射關系，根據對應的關系進行分析和研究，結合計算機進行梳理和探索，以非支配選擇遺傳算法，實現對單目標的有效優化，從而提升算法的精準性和有效性。在進行衛星成像星座任務規劃時，通過對其進行改進和強化，能夠實現計算流程的有效優化，尤其是引入精英解的策略過程中，在形成新父代種群前，舊父代和子父代會合為一體，并進行非支配排序以及擁擠度計算等一系列內容。

基于數學規劃模型的單目標任務規劃仿真，需要建立對應的數學規劃模型，同時對遙感衛星星座的各項變量進行研究。通常，成像任務安排要考慮時間窗口約束、地面站衛星的通信約束、星上能源約束、存儲約束等相關因素的影響。光遙感器務必要結合光照條件和云量等級進行約束分析。成像任務的云量等級約束如果沒有達到相應的條件和要求，遙感數據后續處理也會受很大影響。通過對單目標任務規劃進行仿真，能夠進一步提升模型的創建成效，結合遺傳算法等計算方式，明確假定成像任務的分界點和任務目標。通過對遙感衛星模型在MATLAB環境的分析和研究，能夠進一步提升對應案例和數據，從而實現規劃任務的有效完成，對衛星的規劃工作起到一定的助力和支持。

2.4 遙感衛星星座基于目標區域的多目標任務規劃

遙感衛星星座基于目標區域的多目標任務規劃，主要包括區域目標動態分解技術、NSGA2算法的應用以及區域目標分解的多目標任務規劃仿真。相關的流程與單目標大致相同，但是由于多目標的任務設定，需要將區域目標的分解狀態進行細化和研究，對區域目標進行動態分解，然后結合NSGA2算法的應用，將程序偽代碼以及流程圖進行詳細分析，最終借助數學模型的方式，實現多目標任務規劃的有效實施。

2.5 遙感衛星星座任務規劃的注意事項

遙感衛星星座任務規劃的注意事項，首先要考慮用戶對應目標的要求和內容，根據用戶需求進行技術劃分和技術研究，同時針對數據的差異性影響和多種任務分解模式進行梳理和判斷。其次，借助現代化計算方式，采用數據建模以及數學函數的計算策略，能夠進一步優化數據的精準性，但是相關數據的實現與用戶的任務需求，存在一定的差異。一方面，相關計算過程中，可能存在若干影響因子未能有效采集，導致在實踐過程中，缺乏有效的措施和方法，另一方面，在實踐過程中，不少任務規劃的數據信息，由于環境因素或者計算因素等方面的影響，導致相關數據出現一定的偏差。最后，在進行星座任務規劃時，由于任務的分解和實施，是多方面的影響結果，需要保障任何一項環節的有效性和合理性。不少任務的規劃方案與分解策略，未能形成固定的模式和標準，產生的規劃結果集為綜合方向的較優解[3-5]。

3 結語

綜上所述，通過分析星座能力，探索對應的約束條件，同時借助圖論模型、數學模型，融合遺傳算法和模擬退火算法，提升對任務的分解成效，結合對應的分析技術，以單目標、多目標的形式進行任務分析。借助衛星任務規劃過程的分析和研究，從而助力衛星技術的深度發展和持續創新。