多星在軌自主協同任務規劃仿真試驗系統設計

王壯 鄭峰 張海 崔本杰 岳曉惠

(1 上海衛星工程研究所， 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星來獲取局部或全球信息已遠遠不夠，多星組網進行編隊協同探測任務，已成為對地遙感發展的必然趨勢[1]。

多星協同系統通常具備多智能體在軌自主任務規劃能力，在執行任務過程中，能夠根據任務的變化、環境的變化、衛星自身狀態的變化，從可用的資源中選擇、確定出最適應動態變化和任務需求的觀測資源配置及協同行動策略，實現資源的動態利用和高效管理，在一定約束條件下，提升協同效能[2-3]。

目前，國內對于星群任務規劃軟件開發驗證系統的研究多處于基礎架構搭建、算法開發或地面樣機開發階段[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劃、自主星上數據處理等多個領域，缺乏系統性聯試，實際效能難以完整展示。對于單星地面仿真支持系統的研究比較多見，比如面向姿軌控系統的閉環仿真系統，通過模擬敏感器、動力學和執行機構的數學模型，與姿軌控計算機軟件閉環測試[6]。相關研究主要聚焦于多星自主任務規劃、多源衛星在軌數據融合、系統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境有較大的差異。自主任務協同全鏈路中的關鍵環節相互之間有比較復雜的關聯關系，各項研究工作相對獨立的驗證環境難以滿足或覆蓋與實際應用相匹配的時變環境，導致技術驗證不充分，驗證覆蓋不全面[8-11]，而多星協同任務規劃系統往往更為復雜，多目標、多載荷、多場景協同，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接口，并能根據在軌數據予以調優。

多星協同自主任務規劃軟件作為完成空間任務和挖掘多星協同系統潛能的核心，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，若對多星協同系統軟件功能測試不充分，輕則導致衛星功能測試失敗，重則對衛星上的產品與設備造成嚴重的損害[12]。目前，針對多星協同的仿真驗證手段并不豐富，現有衛星仿真測試多針對編隊或單星進行，對功能復雜、需要在軌協同、頻繁信息交互的多星系統支持仿真能力不足，尚未見到能夠支持多星協同星載自主規劃軟件地面閉環仿真驗證的方法及系統。因此，本文針對上述情況設計了多星協同任務規劃試驗系統，首先對仿真試驗系統建設任務進行了分析，介紹了多星協同任務規劃系統，分析了任務規劃系統的驗證難點，研究了試驗系統設計要點；然后對試驗系統進行了設計與實現，主要包括系統頂層設計、系統工作模式建立以及系統工作流程分析；最后，對試驗系統進行了仿真驗證。

1 仿真試驗系統建設任務分析

1.1 多星協同任務規劃系統介紹

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

圖1 多星協同任務規劃功能模塊

多顆衛星通過組網、編隊飛行、多星多載荷協同應用、在軌數據處理、在軌信息融合、星間信息快速分發，獲取綜合信息，實現多源信息融合應用、目標發現即確認，提高目標觀測的準確性和時效性。多星自主任務規劃系統通過星間低速網絡交互傳輸各星的位置、狀態、發現目標、任務規劃結果等信息，規劃各星觀測任務和星間數據傳輸任務，執行缺省地面任務分配條件下的多星自主協同作業，獲取多源信息，實現目標快速識別確認。

1.2 多星協同任務規劃驗證難點分析

根據協同模式的復雜度，該系統主要針對面向區域搜索查證的多目標成像任務的協同任務規劃驗證。

在多星協同各模式中，海上執行應急搜救任務，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，發送至成像星執行多體制、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劃如圖2所示。

圖2 集中式引導任務規劃圖

對系統處理環節及驗證情況分析如下。

1)多目標區域搜索查證成像任務規劃

多源載荷廣域搜索態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，查證分配規則根據目標重要度、地理分布、誤差特性優選成像衛星以合適的成像模式予以捕獲，根據載荷特征、機動能力、成像模式等，進行合理分配、快速分發。需解決多目標多載荷多模式任務優選分配問題。

引導隊列中的目標是經多載荷、多搜索手段發現傳輸過來的，同一目標可能被多次發現，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)按優先級排序的目標引導隊列生成

多級排序是指，隊列數據依據一個屬性進行排序后，可能出現較多該屬性相同的情況，這時將屬性相同的數據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，有可變的數據包發送頻率、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，可提高任務規劃算法對實際任務需求的適應性，將優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、區域等級、是否聚焦、重要度、置信度、定位誤差、信息源組合個數。

表1 目標隊列多級排序規則

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；定位誤差取較小；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，在仿真系統與原型系統之間建立起的一種相似映射度量，它刻畫了仿真系統與原型系統在靜態結構和動態行為兩方面的重合程度。為適應多型衛星、目標和環境模型，應對復雜任務驗證需求，驗證系統的構建，需重點保證仿真系統的置信度，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，例如軌道姿態模型、載荷模型、場景模型參數需與現實盡可能保持一致，參數化的模型能夠根據實際衛星在軌表現進行修訂完善。置信度的高要求還要兼顧地面系統的執行效率，避免一味的追求個別模型的過于真實而拖慢系統的運行周期、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星獲取目標圖像，驗證系統需全流程支撐星上系統的開發及驗證，例如純數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，多星聯試階段驗證衛星實體間協同有效性，在軌試驗階段進行有效復盤和推演，在軌調優階段進行星上參數修正與綜合效能提升等。星上系統與地面系統形成驗證閉環，在各研制階段需支持數字模型、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。通過導入快速重現仿真工況，具備對在軌遙測或打包數據中模型配置所需參數的自動提取和配置，實現在軌工況的快速復盤。為了提高系統驗證及調優效率，各仿真實體應能調整仿真速率，在星上與地面系統同步的前提下，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節的運行過程。

4)保證系統測試覆蓋性的有效措施

測試覆蓋性的提升，體現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現引導成像任務規劃這一類任務，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、校驗錯誤等模擬數據包錯誤進行野值剔除。通過提高數據包收發頻率來進行網絡數據吞吐壓力測試；通過衛星功能失效、環境云遮檔測試任務規劃流程的適應性等。

2 仿真試驗系統設計與實現

多星在軌自主協同仿真試驗系統是基于多星快速響應的集成驗證系統，可進行衛星及載荷設置、目標庫設置等，并進行任務規劃，對過程在場景中實時顯示，或回放已產生的在軌數據，復盤在軌任務規劃軟件的執行情況，同時支持在軌相關參數調優。

2.1 系統頂層設計

星載計算機負責自主任務規劃，地面測試負責模擬成員星及場景，生成與星上交互的數據，進行星上系統與地面系統聯合閉環試驗驗證，圖5給出了仿真試驗系統示意圖。

圖5 仿真系統示意圖

衛星與地面測試系統可以通過TCP/IP、RS422串口進行連接。地面測試通過模擬各成員星給衛星做數據，模擬自主任務規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生載荷目標數據包，繼而執行目標成像任務。仿真系統總體過程如圖6所示。

圖6 仿真系統總體過程圖

在開發人員完成算法、模型開發后，規劃和仿真用戶基于多星在軌自主協同場景仿真的主界面，進行需求的輸入，系統將需求分解為任務；接著調用任務規劃算法，規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和期望軌道的跟蹤控制，將控制結果轉化為衛星姿態數據、軌道數據、狀態數據等，分別輸入到載荷仿真模型、執行機構仿真模型、敏感器仿真模型和星間協同仿真模型。所有仿真數據和軟件運行中間數據保存在仿真數據庫中，再從數據庫發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 系統工作模式

仿真系統具備地面仿真測試模式、在軌數據回放、數據驅動調參3種模式。

地面仿真測試模式模式下地面對場景、目標、衛星、任務進行配置，與星載計算機實時閉環數據交互，模擬多星載荷、軌道、動作、任務執行過程，如圖7所示。該模式以仿真場景為外圍激勵，驗證星上任務規劃軟件功能，實現星上任務規劃軟件的快速迭代開發。

圖7 地面仿真測試模式示意圖

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

在軌數據驅動調參模式以在軌載荷數據源為輸入，顯示目標場景，同時作為任務規劃輸入，如圖9所示。重新進行新的任務規劃，獲取規劃的結果，用于作為調整星上參數的參考，多次運行，評估，以獲取最優解。搜索載荷進行目標搜索發現，對發現的目標進行引導信息組包、發送。

圖9 在軌數據驅動調參模式示意圖

2.3 系統工作流程

多星在軌自主協同仿真系統用于多顆成員星、目標、環境的仿真模擬，地面仿真系統與星載計算機物理設備通過有線連接，執行信息交互收發，開展實時閉環仿真。仿真系統包括場景配置模塊、目標設置模擬模塊、衛星參數設置模擬模塊、星載計算機軟件模塊、地面注數及遙測評估模塊等如圖10所示。

圖10 仿真驗證系統模塊

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。目標設置模擬模塊可以設置區域目標分布特性及屬性，通過軟件內目標隨機生成算法(蒙特卡洛隨機算法、均勻隨機算法、正態隨機算法)，按區選取，并對隨機數量、生成經緯度、屬性信息、運動軌跡、航向航速進行設置。通過衛星參數設置模擬模塊將軌道根數，位置速度、姿態機動時間參數的系數，滾動機動邊界，滾動切換最大角度設置好。注數生成軟件模塊可對各種任務模式的相關參數進行調整，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模擬的成員星分發任務，通過星上與地面的有線連接，模擬星間網絡任務分發至成員星的過程，將解析結果發送數據包給任務規劃測試系統模擬的各顆成員星，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劃結果、星上運行狀態、地面測試系統模擬的多星任務執行信息。效能評估模塊可實現任務規劃性能評估、算法驗證功能評估以及任務規劃效能定量化評估。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、衛星狀態數據顯示、多星相對運動顯示以及任務規劃結果執行演示。注數包生成模塊實現了任務注數、可調參數、數據包模擬等。

3 仿真驗證

基于多星多目標優選分配、多次動態規劃為例，對某在軌多星自主任務規劃系統進行仿真試驗。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。試驗平臺中，綜合電子計算機中運行多星協同自主任務規劃軟件，集成驗證系統具備模擬目標模型、場景模型、衛星模型功能，可與自主任務規劃軟件形成閉環測試環境，如圖11所示。

圖11 多星在軌自主協同仿真系統部署圖

某在軌星群系統對地表某區域執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(Automatic Identification System,AIS)載荷開機，地面注入態勢底圖重點區域。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、星內引導包數據下卸處理，對此次任務時間段內各引導包進行解析，將引導包的目標信息導入至仿真軟件，同時在任務區隨機設置一些其他目標，將所有搜索星發現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、星內載荷送來的目標引導數據進行接收、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，但是經緯度所表征的目標位置相對較近，利用1.3節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，可提高衛星觀測效率。通過多級排序后的引導隊列(以區域等級高-重要度高-定位誤差小-置信度高優先)可以得到引導目標優選后分配給成員星的最佳成像觀測路徑，如圖13所示。

由成像規劃結果可以看出，鄰近目標在規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，而依據圖13中每次任務規劃目標的分布情況可以看出，在相關約束下，選出優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劃方案。

圖13 4顆成像星成像規劃路徑圖

4 結束語

本文對多星在軌自主協同任務規劃仿真試驗系統進行了分析研究，通過建立仿真模型能夠實現融合物理實況數據、在軌應用數據、仿真數據的效果，繼而形成信息物理測試數據，最終獲得更加全面與準確的多星協同任務規劃信息，實現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劃軟件與地面仿真子系統模擬的成員星進行實時數據交互，可視化閉環驗證多星協同星載自主規劃軟件的有效性，提供了星上自主任務規劃系統研制與測試保障的關鍵工具，提升星上任務規劃系統的測試充分性、可靠性和安全性。后續在如何尋找最優規劃方案、衛星組網模式，如何獲得衛星在軌狀態以及觀測數據以后預先模擬衛星規劃，使其能持續優化星座資源，如何確定最優目標和達到最大資源利用率方面進行研究。