空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)展綜述

蒲奕錚 張柏楠 張永（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部）

1 引言

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，有關(guān)宇宙學(xué)的觀測(cè)和理論都得到了快速發(fā)展，人類對(duì)宇宙起源演化、物質(zhì)組成及其相互作用機(jī)理都有了更深入的認(rèn)識(shí)。與此同時(shí)，科學(xué)研究對(duì)天文觀測(cè)手段也提出了更高的要求，用于進(jìn)行觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡也隨之不斷發(fā)展。空間望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行在宇宙空間中，不受地球自轉(zhuǎn)、大氣透過(guò)率和穩(wěn)定性等地面外部因素的影響，擁有比地基望遠(yuǎn)鏡更長(zhǎng)的觀測(cè)窗口、更寬的觀測(cè)頻譜和更高的觀測(cè)精度。基于以上背景，為了支撐天文學(xué)的發(fā)展，獲取更多的科學(xué)成果，建造空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行天文觀測(cè)是必然的發(fā)展方向。然而，空間望遠(yuǎn)鏡造價(jià)高昂，建造及維護(hù)成本極高，為了保證望遠(yuǎn)鏡在生命周期內(nèi)能夠取得足夠多的觀測(cè)成果，需要對(duì)其觀測(cè)任務(wù)進(jìn)行合理的規(guī)劃，盡可能提高其觀測(cè)效率。

國(guó)際上空間望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)起步較早，出于提高觀測(cè)效率和保障望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行的目的，天文觀測(cè)領(lǐng)域高度重視任務(wù)規(guī)劃研究，各種任務(wù)規(guī)劃軟件在各型號(hào)望遠(yuǎn)鏡上得到了實(shí)踐驗(yàn)證，并在型號(hào)間的繼承過(guò)程中得到了迭代優(yōu)化。以美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）為代表，其在研制哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）的同時(shí)開(kāi)展了“科學(xué)規(guī)劃交互知識(shí)系統(tǒng)”（Spike）的研究工作，并將Spike系統(tǒng)泛用化后沿用在了斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡（SST）、遠(yuǎn)紫外光譜探測(cè)器衛(wèi)星（FUSE）、錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡（CXO）、斯巴魯望遠(yuǎn)鏡（Subaru）、詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）等一系列地基或空間天文觀測(cè)設(shè)施的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中。由于各個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)以及攜帶的儀器設(shè)施并不相同，它們進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃時(shí)面臨的困難與采用的方法也并不一致。但望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)規(guī)劃問(wèn)題也存在很大的共性，在解決這些規(guī)劃問(wèn)題時(shí)，一般將其建模為約束滿足問(wèn)題進(jìn)行求解，并通過(guò)長(zhǎng)期規(guī)劃和短期規(guī)劃相結(jié)合的方式構(gòu)建完整的規(guī)劃流程。

本文對(duì)國(guó)外三個(gè)典型的空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研，并就它們規(guī)劃系統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)，系統(tǒng)架構(gòu)以及規(guī)劃算法進(jìn)行了介紹，能夠?yàn)槲覈?guó)空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

2 空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)規(guī)劃問(wèn)題

空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)任務(wù)是考慮望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行的具體情況，結(jié)合科學(xué)任務(wù)的需求，為觀測(cè)任務(wù)確定具體執(zhí)行時(shí)間，保證可觀測(cè)時(shí)間得到充分利用。空間望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行在宇宙空間中，受到運(yùn)行軌道所在的宇宙空間條件、衛(wèi)星平臺(tái)能力等各種不同約束，導(dǎo)致其規(guī)劃問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜約束條件下的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。問(wèn)題難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：

1）根據(jù)望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行軌道不同，規(guī)劃時(shí)考慮約束條件不同。運(yùn)行在近地軌道的望遠(yuǎn)鏡需要考慮地球遮擋、地氣雜散光以及南大西洋異常區(qū)等約束；運(yùn)行在拉格朗日L2點(diǎn)或其他軌道的望遠(yuǎn)鏡不需要考慮這些問(wèn)題，但需要根據(jù)其設(shè)計(jì)需要考慮動(dòng)量卸載、熱控平衡等其他約束。

2）在傳統(tǒng)的規(guī)劃問(wèn)題中，約束條件一般用構(gòu)建懲罰函數(shù)、生成不等式判斷條件等方法來(lái)進(jìn)行處理。但空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)過(guò)程中受到的約束條件復(fù)雜，且需要調(diào)用仿真模塊對(duì)望遠(yuǎn)鏡軌道、姿態(tài)進(jìn)行計(jì)算，無(wú)法通過(guò)單一方式進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，必須對(duì)約束進(jìn)行完整建模判斷。

3）望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)規(guī)劃受到其科學(xué)目標(biāo)的約束。如巡天觀測(cè)強(qiáng)調(diào)對(duì)天區(qū)的覆蓋；超新星觀測(cè)強(qiáng)調(diào)對(duì)突發(fā)任務(wù)的調(diào)度；部分觀測(cè)任務(wù)需要重復(fù)進(jìn)行，且不同任務(wù)之間存在先后順序的約束。這些科學(xué)目標(biāo)會(huì)對(duì)規(guī)劃系統(tǒng)提出額外的需求。

4）在進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃時(shí)需要考慮平臺(tái)的具體性能，不同望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)、攜帶的觀測(cè)載荷、平臺(tái)的構(gòu)型布局不同，其觀測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)也需要針對(duì)望遠(yuǎn)鏡自身的特點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

5）觀測(cè)任務(wù)數(shù)量極大，例如HST每年需要進(jìn)行10000~30000次觀測(cè)。這導(dǎo)致空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)規(guī)劃問(wèn)題是多項(xiàng)式復(fù)雜度困難問(wèn)題（NP-Hard Problem），隨著目標(biāo)數(shù)量增大而變得極為復(fù)雜，難以用傳統(tǒng)規(guī)劃方法解決，且難以找到全局最優(yōu)解。

6）規(guī)劃周期長(zhǎng)，空間望遠(yuǎn)鏡的壽命一般為數(shù)年，HST甚至已經(jīng)運(yùn)行了32年。規(guī)劃系統(tǒng)需要統(tǒng)籌安排整個(gè)規(guī)劃周期內(nèi)的觀測(cè)任務(wù)，保障望遠(yuǎn)鏡全生命周期內(nèi)的觀測(cè)效率。

3 國(guó)外空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)規(guī)劃技術(shù)發(fā)展情況

美國(guó)在空間望遠(yuǎn)鏡的研制發(fā)射以及巡天研究方面一直處于領(lǐng)先地位，NASA于1986年發(fā)射了第一顆天文紅外衛(wèi)星IRAS并成功進(jìn)行了首次天基巡天觀測(cè)，之后又發(fā)射了“宇宙背景探測(cè)者”（COBE）衛(wèi)星、HST、廣域紅外巡天探測(cè)器（WISE）、斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡等多顆天文衛(wèi)星及空間望遠(yuǎn)鏡。歐洲航天局（ESA）也已經(jīng)發(fā)射過(guò)赫歇爾空間望遠(yuǎn)鏡（Herschel）、蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡（Gaia）等進(jìn)行天文觀測(cè)。為了對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)任務(wù)進(jìn)行合理的規(guī)劃，提高觀測(cè)效率，達(dá)成科學(xué)目標(biāo)，國(guó)際上對(duì)于空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)任務(wù)的規(guī)劃方法有較為深入的研究，各種任務(wù)規(guī)劃軟件在各型號(hào)望遠(yuǎn)鏡上得到了實(shí)踐驗(yàn)證，并在型號(hào)間的繼承過(guò)程中得到了迭代優(yōu)化。下面將對(duì)具有代表性的HST、JWST和歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡（Euclid）的規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

HST在軌照片

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡

HST是美國(guó)于1990年發(fā)射的大口徑空間望遠(yuǎn)鏡。HST主鏡直徑2.5m，搭載了用于光學(xué)觀測(cè)、紫外波段觀測(cè)的多種觀測(cè)儀器[1]。HST作為人類歷史至今為止工作時(shí)間最長(zhǎng)的空間望遠(yuǎn)鏡，在32年的服役歷史中拍攝了海量的照片，為天文學(xué)發(fā)展提供了寶貴的數(shù)據(jù)。HST觀測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)以及優(yōu)化過(guò)程也為空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)展提供了有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。

（1）HST規(guī)劃問(wèn)題特點(diǎn)

為了讓昂貴的HST得到充分利用，NASA從科學(xué)界收集了很多觀測(cè)提案作為待選任務(wù)，其待觀測(cè)任務(wù)數(shù)量遠(yuǎn)超實(shí)際觀測(cè)能力。因此對(duì)觀測(cè)序列進(jìn)行規(guī)劃，保證可觀測(cè)時(shí)間得到充分利用進(jìn)而完成科學(xué)研究目標(biāo)，對(duì)HST來(lái)講至關(guān)重要。但觀測(cè)任務(wù)的龐大數(shù)量以及觀測(cè)過(guò)程中存在的眾多約束條件決定了HST的觀測(cè)序列優(yōu)化是一個(gè)非常困難的工程問(wèn)題。

在整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中，對(duì)HST產(chǎn)生最多限制的便是其在近地軌道運(yùn)行時(shí)的眾多約束條件。在規(guī)劃時(shí)首先需要確定在觀測(cè)過(guò)程中HST受到的各種外部和內(nèi)部約束條件。NASA將HST受到的約束條件分為如下幾類[2]：①絕對(duì)約束，包括日月規(guī)避角、南大西洋異常區(qū)等軌道觀測(cè)條件限制。②相對(duì)約束，包括觀測(cè)任務(wù)的先后順序、相同窗口內(nèi)執(zhí)行的分組約束、最小化姿態(tài)機(jī)動(dòng)次數(shù)的集中觀測(cè)約束。③資源約束，包括數(shù)據(jù)容量約束、通信窗口約束、能源約束。在綜合考慮全部的約束條件后，就可以給出觀測(cè)任務(wù)在時(shí)間軸上的可觀測(cè)窗口[3]。HST觀測(cè)規(guī)劃的目標(biāo)即是為觀測(cè)任務(wù)在可行的觀測(cè)窗口中找到最佳窗口，同時(shí)使在軌可觀測(cè)時(shí)間內(nèi)完成的觀測(cè)任務(wù)總數(shù)達(dá)到最大。

（2）HST觀測(cè)規(guī)劃方法

在進(jìn)行觀測(cè)規(guī)劃時(shí)，NASA對(duì)科學(xué)家提出的科學(xué)觀測(cè)提案進(jìn)行篩選并對(duì)格式進(jìn)行處理,將這些觀測(cè)提案轉(zhuǎn)化為望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)指向、相對(duì)和絕對(duì)約束等信息，發(fā)送給規(guī)劃系統(tǒng)[4]。具體規(guī)劃方法分為長(zhǎng)期規(guī)劃和短期規(guī)劃兩個(gè)部分。

HST觀測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)流程

為了滿足HST對(duì)大量受到復(fù)雜約束的任務(wù)進(jìn)行編排的需求，NASA研發(fā)了Spike系統(tǒng)用于HST觀測(cè)序列的長(zhǎng)期規(guī)劃。Spike系統(tǒng)最初采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，將各種約束條件整合進(jìn)入代價(jià)函數(shù)，最終通過(guò)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練使得觀測(cè)序列整體的代價(jià)函數(shù)達(dá)到最小[5]。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法之后被啟發(fā)式算法替代，但其對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的思想被沿用在了后續(xù)的算法中。Spike通過(guò)啟發(fā)式算法將一年內(nèi)的觀測(cè)任務(wù)按照時(shí)間窗口劃分到以周為單位的任務(wù)組中，從而完成了長(zhǎng)期規(guī)劃。Spike系統(tǒng)集成的Spike工具包提供了約束滿足問(wèn)題的對(duì)象類和優(yōu)化函數(shù)的接口，沿用在了JWST、甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）、Saburu等其他航天器上，用于解決它們的各種規(guī)劃問(wèn)題[6-7]。

Spike系統(tǒng)的規(guī)劃結(jié)果作為輸入提供給短期規(guī)劃系統(tǒng)——“科學(xué)規(guī)劃與調(diào)度系統(tǒng)”（SPSS），其功能是在長(zhǎng)期規(guī)劃的基礎(chǔ)上進(jìn)行短期規(guī)劃，將每個(gè)任務(wù)安排到具體的時(shí)間窗口上。除了觀測(cè)任務(wù)的執(zhí)行外，SPSS系統(tǒng)將望遠(yuǎn)鏡在軌執(zhí)行的軌道維持、數(shù)傳通信等飛行任務(wù)納入了考慮范圍。SPSS建立了包括動(dòng)力學(xué)部分在內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡詳細(xì)模型，在此基礎(chǔ)上采用貪婪算法作為調(diào)度策略，并基于評(píng)價(jià)算法對(duì)任務(wù)的執(zhí)行難易度、科學(xué)價(jià)值、觀測(cè)效率和其他因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，將每一個(gè)任務(wù)安排到局部最優(yōu)的時(shí)間窗口上[8]。

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡

JWST是NASA設(shè)計(jì)的6.5m口徑大型望遠(yuǎn)鏡，經(jīng)多次推遲后最終于2021年12月25日發(fā)射。JWST采用先進(jìn)的分塊可展開(kāi)式主鏡，搭載了4種紅外探測(cè)儀器，將在HST的基礎(chǔ)上開(kāi)展進(jìn)一步的宇宙觀測(cè)，探尋宇宙大爆炸早期形成的物體，研究星系演化的方式并觀測(cè)銀河系外行星系統(tǒng)[9]。

JWST總裝完成后測(cè)試照片

（1）JWST規(guī)劃問(wèn)題特點(diǎn)

JWST的運(yùn)行軌道位于日地拉格朗日L2點(diǎn)，觀測(cè)環(huán)境與近地軌道大為不同：JWST不再受到地球遮擋和南大西洋異常區(qū)的影響，且更容易定位導(dǎo)星，相對(duì)于近地軌道的HST等望遠(yuǎn)鏡擁有更大的觀測(cè)窗口和更好的觀測(cè)條件。JWST巨大的遮光罩能夠阻擋來(lái)自太陽(yáng)、地球和月亮等天體的光線，為觀測(cè)儀器提供良好的觀測(cè)環(huán)境[10]。

因?yàn)槔窭嗜誏2點(diǎn)的軌道為JWST帶來(lái)了長(zhǎng)時(shí)間、不間斷的觀測(cè)窗口，因此，它的長(zhǎng)期觀測(cè)規(guī)劃與有明確開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間的時(shí)間驅(qū)動(dòng)的地面以及地球軌道望遠(yuǎn)鏡不同，采用的是“基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)”（Event Driven Operations）的規(guī)劃。每一項(xiàng)觀測(cè)任務(wù)的描述文件中將包含最早開(kāi)始時(shí)間、最晚開(kāi)始時(shí)間和最晚結(jié)束時(shí)間，只要觀測(cè)任務(wù)能夠在規(guī)定的時(shí)間窗口中完成即可。但JWST也有必須在時(shí)序上進(jìn)行安排的任務(wù)，如軌道維持以及太陽(yáng)光壓的動(dòng)量卸載。這些任務(wù)將嚴(yán)格按照需要執(zhí)行的時(shí)間點(diǎn)來(lái)進(jìn)行安排[11]。

（2）JWST觀測(cè)規(guī)劃方法

雖然在規(guī)劃時(shí)沒(méi)有采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)的規(guī)劃方式，但與HST相同，JWST也采用了長(zhǎng)短期結(jié)合的觀測(cè)序列規(guī)劃方式，并沿用了為HST開(kāi)發(fā)的Spike系統(tǒng)作為規(guī)劃引擎。

JWST觀測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)架構(gòu)

JWST長(zhǎng)期規(guī)劃（LRP）的任務(wù)是考慮一年內(nèi)的任務(wù)池，并優(yōu)化整個(gè)觀測(cè)序列，在確定每個(gè)觀測(cè)任務(wù)的觀測(cè)窗口的基礎(chǔ)上將其平滑地分配到整個(gè)周期中。LRP將導(dǎo)星可獲取數(shù)量作為重要優(yōu)化指標(biāo)，并會(huì)將指向相近的任務(wù)分在同一組內(nèi)，以最小化組內(nèi)任務(wù)之間的姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度。長(zhǎng)期規(guī)劃需要隨著觀測(cè)實(shí)際執(zhí)行結(jié)果、運(yùn)行中出現(xiàn)的異常來(lái)對(duì)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)更新[12]。

JWST的短期規(guī)劃方法與HST也較為相似，對(duì)幾周長(zhǎng)度的觀測(cè)任務(wù)組進(jìn)行規(guī)劃，并將規(guī)劃結(jié)果加入到短期規(guī)劃（STS）基線中,STS基線將包含未來(lái)2~3周內(nèi)的詳細(xì)觀測(cè)規(guī)劃。短期規(guī)劃的主要任務(wù)是最大化觀測(cè)效率，主要優(yōu)化目標(biāo)包括最小化觀測(cè)之間的姿態(tài)機(jī)動(dòng)次數(shù)、減少動(dòng)量卸載次數(shù)、最小化觀測(cè)時(shí)間線上的空白時(shí)間。JWST將觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃描述為多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題[11],通過(guò)基于差分進(jìn)化方法的第三代廣義差分進(jìn)化算法（GDE3）進(jìn)行解決[13]。GDE3引入了了第二代非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）中非支配排序的概念，能夠較好地完成對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的進(jìn)化計(jì)算。

歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡

Euclid空間望遠(yuǎn)鏡是ESA目前在建的1.2m口徑寬視場(chǎng)空間望遠(yuǎn)鏡，軌道運(yùn)行在日地拉格朗日L2點(diǎn)[14]。Euclid主要的科學(xué)任務(wù)為研究有關(guān)暗能量和暗物質(zhì)的基本問(wèn)題，被設(shè)計(jì)優(yōu)化以用于觀測(cè)弱引力透鏡效應(yīng)和進(jìn)行星系分類兩種天文學(xué)任務(wù)，計(jì)劃在6年內(nèi)對(duì)15000平方度的天區(qū)進(jìn)行廣域巡天觀測(cè)，并對(duì)40平方度的天區(qū)進(jìn)行深度巡天[15]。為了對(duì)Euclid的觀測(cè)任務(wù)進(jìn)行合理的安排規(guī)劃，ESA開(kāi)發(fā)了Euclid 巡天系統(tǒng)（ESS）[16]。

Euclid空間望遠(yuǎn)鏡

（1）Euclid規(guī)劃問(wèn)題特點(diǎn)

Euclid的觀測(cè)任務(wù)同樣受到約束條件的限制，如軌道限制、太陽(yáng)方位角限制、大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)次數(shù)限制等。以上這些會(huì)對(duì)Euclid的觀測(cè)任務(wù)產(chǎn)生影響的約束條件由任務(wù)控制中心收集整理，并合理分配到任務(wù)執(zhí)行的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行處理[17]。

由于巡天觀測(cè)是Euclid的主要任務(wù)，其任務(wù)規(guī)劃面臨的最大難點(diǎn)是保證在有限的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)海量天區(qū)的觀測(cè)覆蓋。這導(dǎo)致Euclid的規(guī)劃流程與其他望遠(yuǎn)鏡存在較大的差別，Euclid巡天工作組通過(guò)建立“巡天參考定義”（RSD）來(lái)對(duì)6年任務(wù)周期內(nèi)的巡天任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。由于Euclid位于日地拉格朗日L2點(diǎn)，各天區(qū)的觀測(cè)窗口長(zhǎng)度較長(zhǎng)，可觀測(cè)時(shí)間較為集中，因此，RSD在規(guī)劃時(shí)會(huì)在滿足約束條件的前提下將相鄰的天區(qū)分在同一組，在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)一片相鄰天區(qū)進(jìn)行集中觀測(cè)以提高觀測(cè)效率。RSD最終給出了計(jì)劃內(nèi)的15000平方度的廣域巡天和40平方度深度巡天的任務(wù)規(guī)劃結(jié)果[18]。

由于Euclid任務(wù)的特殊性與巡天優(yōu)化的復(fù)雜性，在開(kāi)發(fā)具體的巡天任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)時(shí)較難完整沿用其他望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)，只能繼承這些系統(tǒng)的部分組件。ESA針對(duì)Euclid的任務(wù)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了ECTile系統(tǒng)來(lái)完成RSD的構(gòu)建工作。

（2）Euclid觀測(cè)規(guī)劃方法

ECTile將觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃分為兩個(gè)階段。第一階段，ECTile將首先對(duì)預(yù)計(jì)能取得極大科學(xué)成果的天區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，之后再將剩余的時(shí)間用于對(duì)廣天區(qū)的巡天觀測(cè)。第一階段觀測(cè)目標(biāo)的共同特點(diǎn)是目標(biāo)的觀測(cè)價(jià)值較高，在給定時(shí)間內(nèi)可觀測(cè)窗口短，觀測(cè)方位甚至觀測(cè)指向固定，大部分為深場(chǎng)觀測(cè)。在完成對(duì)高價(jià)值目標(biāo)的編排后，第二階段將進(jìn)行“廣域巡天”（EWS）規(guī)劃，Euclid的大部分工作時(shí)間將用于進(jìn)行EWS觀測(cè)。

ECTile第二階段規(guī)劃流程

為了保證規(guī)劃結(jié)果能夠覆蓋全部待觀測(cè)天區(qū)，Euclid對(duì)天區(qū)進(jìn)行切分，從最大到最小劃分為有價(jià)值區(qū)域、天區(qū)資源、天區(qū)塊。通過(guò)逐層劃分將大面積天區(qū)拆分為小塊天區(qū)，并在每個(gè)天區(qū)塊內(nèi)執(zhí)行具體的任務(wù)規(guī)劃。有價(jià)值區(qū)域指全部待觀測(cè)天區(qū)的集合，天區(qū)資源指在給定的巡天時(shí)間窗口內(nèi)能夠進(jìn)行觀測(cè)的連續(xù)天區(qū)，天區(qū)塊則是在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步劃分出的更小區(qū)塊，作為規(guī)劃的基本單元。

ECTile采用“傳播算 法”(Diffusion Algorithm)進(jìn)行每個(gè)天區(qū)塊內(nèi)的觀測(cè)序列規(guī)劃。完成了每個(gè)天區(qū)塊內(nèi)的觀測(cè)規(guī)劃后，ECTile將不同的天區(qū)塊按照先后順序連接起來(lái)，在每個(gè)巡天觀測(cè)窗口內(nèi)將可觀測(cè)時(shí)間填滿，并按照緯度從高到低依次完成對(duì)各天區(qū)的觀測(cè)，最終完成對(duì)全部區(qū)域的巡天覆蓋。

4 結(jié)束語(yǔ)

空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)能夠合理安排望遠(yuǎn)鏡任務(wù)的具體執(zhí)行時(shí)間，保障望遠(yuǎn)鏡順利在軌運(yùn)行，從而達(dá)成其科學(xué)探測(cè)目標(biāo)，具有極高的工程應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)展歷程的研究，可以得出以下結(jié)論：

從設(shè)計(jì)思路來(lái)看，各型號(hào)望遠(yuǎn)鏡均通過(guò)長(zhǎng)期規(guī)劃與短期規(guī)劃分工的方式構(gòu)建了規(guī)劃系統(tǒng)。長(zhǎng)期規(guī)劃考慮部分約束條件進(jìn)行全局優(yōu)化，保證科學(xué)目標(biāo)能夠順利完成；短期規(guī)劃結(jié)合詳細(xì)約束條件確定任務(wù)在時(shí)間線上的具體執(zhí)行時(shí)間，保證規(guī)劃結(jié)果能夠順利在軌執(zhí)行。同時(shí)，望遠(yuǎn)鏡的規(guī)劃系統(tǒng)之間具有繼承性，如HST的Spike系統(tǒng)沿用在了JWST等一系列后續(xù)型號(hào)中。

從設(shè)計(jì)約束來(lái)看，不同望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)、運(yùn)行軌道所處的空間環(huán)境、搭載的科學(xué)載荷不同，需要對(duì)其約束條件進(jìn)行完整識(shí)別和具體分析，從而有針對(duì)性地進(jìn)行規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并保證規(guī)劃結(jié)果滿足約束條件。

從規(guī)劃算法來(lái)看，各望遠(yuǎn)鏡在前人研究的基礎(chǔ)上針對(duì)自身任務(wù)型號(hào)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的規(guī)劃算法。如HST針對(duì)約束復(fù)雜、任務(wù)數(shù)量大的特點(diǎn)采用啟發(fā)式算法結(jié)合貪婪算法進(jìn)行規(guī)劃；JWST針對(duì)觀測(cè)窗口長(zhǎng)、優(yōu)化指標(biāo)多的特點(diǎn)采用了任務(wù)為導(dǎo)向的多目標(biāo)優(yōu)化算法；Euclid針對(duì)巡天觀測(cè)覆蓋面積大的特點(diǎn)對(duì)天區(qū)進(jìn)行逐層劃分，并在小塊天區(qū)內(nèi)使用了前瞻算法。

在我國(guó)研制空間望遠(yuǎn)鏡的同時(shí)，也需要進(jìn)行其配套的觀測(cè)規(guī)劃系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。需要針對(duì)望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)需求、運(yùn)行軌道、平臺(tái)能力等影響因素設(shè)計(jì)合理的規(guī)劃系統(tǒng)，從而保障望遠(yuǎn)鏡在軌安全運(yùn)行，順利達(dá)成科學(xué)目標(biāo)。