李志亮，　李小將，　王志恒

(1. 裝備學(xué)院 研究生管理大隊(duì), 北京 101416；　2. 裝備學(xué)院 航天裝備系, 北京 101416)

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敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題研究現(xiàn)狀與展望

李志亮1，李小將2，王志恒1

(1. 裝備學(xué)院 研究生管理大隊(duì), 北京 101416；2. 裝備學(xué)院 航天裝備系, 北京 101416)

摘要任務(wù)規(guī)劃是敏捷衛(wèi)星執(zhí)行對(duì)地觀測任務(wù)的有效支撐和重要保證，為深刻理解和準(zhǔn)確把握敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃研究中的關(guān)鍵問題，對(duì)國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)分析，并對(duì)下一步研究進(jìn)行展望。首先闡述了敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題的描述要素、分類方法和求解難點(diǎn)，然后從點(diǎn)目標(biāo)、區(qū)域目標(biāo)、立體成像、長條帶目標(biāo)4個(gè)方面梳理了敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的研究進(jìn)展;最后分析了目前研究中存在的成像模式研究較少、規(guī)劃模型不完善、評(píng)價(jià)方法單一等問題，并結(jié)合發(fā)展需求，提出需要從多種成像模式下的任務(wù)規(guī)劃、敏捷衛(wèi)星組網(wǎng)協(xié)同和自主任務(wù)規(guī)劃、高效的求解算法等方面展開進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞敏捷衛(wèi)星；任務(wù)規(guī)劃；工作模式；資源調(diào)度；優(yōu)化算法

Current Status and Prospect of Agile Satellite Mission Planning

LI Zhiliang1，LI Xiaojiang2，WANG Zhiheng1

(1. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China；2. Department of Space Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractMission planning is an essential support and important guarantee for an agile satellite to implement earth observation missions. To deeply understand and accurately grasp key issues of agile satellite mission planning, the paper makes conclusive analysis on the relevant researches home and abroad and brings out prospects for further research. First of all, the paper illustrates the description elements, classification method and difficulty in solving process of agile satellite mission planning, and then concludes the research progress of agile satellite mission planning in four respects including point target, regional target, three-dimensional imaging and strip target. In the end, the paper analyzes the issues existing in current research like less imaging mode research projects, incomplete planning model and a single assessment method. Combining with the development needs, the paper proposes that the further research should be conducted in respects like mission planning under multi-mode imaging, agile satellite networking and collaboration and independent mission planning and efficient solving algorithm.

Keywordsagile satellite; mission planning; working mode; resource scheduling; optimization algorithm

敏捷衛(wèi)星是指有效載荷固定在衛(wèi)星平臺(tái)上，依靠姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)、俯仰和偏航3個(gè)軸向機(jī)動(dòng)的衛(wèi)星[1-2]。相比于傳統(tǒng)對(duì)地觀測衛(wèi)星，敏捷衛(wèi)星在對(duì)地觀測過程中具有前視、正視、后視能力，機(jī)動(dòng)性能更強(qiáng)、觀測時(shí)間窗口更長、任務(wù)沖突的解決方式更多，而且視軸的變化與成像過程可以同時(shí)進(jìn)行。目前，各航天大國已研制發(fā)射了多顆敏捷衛(wèi)星，如美國的IKONOS-2衛(wèi)星、WorldView系列衛(wèi)星,法國的PLEIADES星座等。敏捷衛(wèi)星在軍事偵察、抗震救災(zāi)、反恐維穩(wěn)等應(yīng)急任務(wù)中能夠發(fā)揮觀測能力強(qiáng)、時(shí)效性高的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景，是新型衛(wèi)星發(fā)展的重要方向。

敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃是對(duì)地觀測應(yīng)用中的核心問題，研究敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題的意義在于，當(dāng)面臨用戶提出的復(fù)雜任務(wù)或應(yīng)急任務(wù)時(shí)，能夠利用有限的衛(wèi)星資源更好地完成觀測任務(wù)，提高衛(wèi)星的利用率，同時(shí)使多個(gè)衛(wèi)星的負(fù)載均衡，避免資源浪費(fèi)或過度負(fù)荷。敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃是一個(gè)復(fù)雜約束下尋求最優(yōu)解的問題，國內(nèi)外學(xué)者從敏捷衛(wèi)星工作模式、姿態(tài)機(jī)動(dòng)策略、任務(wù)規(guī)劃模型及求解算法等方面開展了研究，并取得了一定的成果。本文在分析敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題描述、分類和難點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，梳理了敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域的相關(guān)研究成果，并指出需要進(jìn)一步解決的問題。

1敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題分析

1.1問題描述

描述敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題的要素一般包括：規(guī)劃時(shí)間范圍、敏捷衛(wèi)星資源、觀測任務(wù)、地面站資源、約束條件和優(yōu)化目標(biāo)等。規(guī)劃時(shí)間范圍是執(zhí)行觀測任務(wù)的開始和結(jié)束時(shí)間，敏捷衛(wèi)星資源描述包括衛(wèi)星運(yùn)行軌道、星載遙感器類型和分辨率、姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度和速度、星上能量和存儲(chǔ)容量等。

約束條件一般包括衛(wèi)星使用約束和任務(wù)需求約束。衛(wèi)星使用約束條件包括：敏捷衛(wèi)星對(duì)地觀測和數(shù)據(jù)回傳有時(shí)間窗口約束；對(duì)不同目標(biāo)觀測時(shí)的姿態(tài)調(diào)整有最大側(cè)擺角度和最快機(jī)動(dòng)速度限制；星上能量和存儲(chǔ)容量限制等。任務(wù)需求約束包括：目標(biāo)的地理位置；觀測的時(shí)效性要求；圖像類型和分辨率要求；每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)要求；立體成像和長條帶目標(biāo)成像約束等。優(yōu)化目標(biāo)包括:最大化優(yōu)先級(jí)之和、任務(wù)完成度、目標(biāo)覆蓋率，最小化單個(gè)衛(wèi)星工作負(fù)荷、能量消耗等。

綜上描述要素和約束條件，敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的描述是在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)，根據(jù)用戶任務(wù)需求(目標(biāo)位置、分辨率、優(yōu)先級(jí)等)和衛(wèi)星屬性(軌道參數(shù)、機(jī)動(dòng)性能、星上能量和存儲(chǔ)等)，結(jié)合地面站屬性(地理位置、時(shí)間窗口等)，將有限的敏捷衛(wèi)星資源分配給多個(gè)觀測任務(wù)，并確定任務(wù)執(zhí)行時(shí)間和動(dòng)作序列，以最大限度滿足用戶需求。

1.2問題分類

從不同的角度出發(fā)，敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題可以分為多種：按照衛(wèi)星資源的多少，分為單星任務(wù)規(guī)劃和多星任務(wù)規(guī)劃；按照任務(wù)需求類型，分為常規(guī)任務(wù)規(guī)劃和動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃；按照優(yōu)化目標(biāo)類型，分為單優(yōu)化目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃和多優(yōu)化目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃等。

有的學(xué)者基于敏捷衛(wèi)星的工作模式劃分，敏捷衛(wèi)星的工作模式?jīng)Q定了敏捷衛(wèi)星能夠完成的任務(wù)類型。國內(nèi)外學(xué)者基于姿態(tài)控制對(duì)敏捷衛(wèi)星的工作模式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，張新偉等[3]設(shè)計(jì)了4種工作模式：(1) 多點(diǎn)目標(biāo)成像模式；(2) 同軌多條帶拼接成像模式；(3) 同軌立體成像模式；(4) 動(dòng)態(tài)掃描成像模式。Barschke等[4]學(xué)者針對(duì)高機(jī)動(dòng)性能的敏捷衛(wèi)星設(shè)計(jì)了4種工作模式：多點(diǎn)目標(biāo)成像、長條帶掃描、大區(qū)域觀測、立體成像。與張新偉等學(xué)者的設(shè)計(jì)有所不同，Barschke所考慮的條帶掃描不一定沿軌跡方向。

依據(jù)敏捷衛(wèi)星的工作模式，按照觀測目標(biāo)類型，敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃分為面向點(diǎn)目標(biāo)、區(qū)域目標(biāo)、立體成像目標(biāo)、長條帶目標(biāo)的任務(wù)規(guī)劃。

1.3問題難點(diǎn)

1) 用戶需求復(fù)雜，資源選擇多樣。由于敏捷衛(wèi)星靈活的機(jī)動(dòng)性能，用戶提出不同于傳統(tǒng)成像需求的復(fù)雜需求，如直拍直傳需求、寬幅區(qū)域多條帶拼接需求、立體成像需求等。此外，由于觀測時(shí)間窗口的延長和增多，同一個(gè)目標(biāo)可以出現(xiàn)在多顆敏捷衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)，如何選擇資源以更小的消耗、更短的時(shí)間完成任務(wù)也是規(guī)劃的難點(diǎn)。

2) 觀測任務(wù)動(dòng)作多，時(shí)間次序不確定。敏捷衛(wèi)星執(zhí)行觀測任務(wù)的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作包括對(duì)地觀測、姿態(tài)機(jī)動(dòng)、數(shù)據(jù)回傳、對(duì)地面站定向、對(duì)日定向等，其中，對(duì)地觀測和數(shù)據(jù)回傳的開始時(shí)間不確定，而且對(duì)于多個(gè)目標(biāo)，觀測次序不確定，對(duì)于多種戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，其執(zhí)行次序也不確定。這些動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間和次序的不確定性增加了規(guī)劃的難度。

3) 問題約束條件多，建模復(fù)雜度高。問題建模的約束條件包括對(duì)地觀測和數(shù)據(jù)回傳時(shí)間窗口約束、觀測角度約束、姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度和速度約束、能量消耗約束、星上存儲(chǔ)約束等，而且這些約束相互耦合和制約。另外，模型的目標(biāo)函數(shù)不僅包括最大化優(yōu)先級(jí)之和，還有最小化機(jī)動(dòng)次數(shù)、能量消耗、資源使用負(fù)載等。

4) 組合優(yōu)化程度高，求解算法設(shè)計(jì)難。對(duì)于一般約束的任務(wù)，規(guī)劃問題可以抽象為機(jī)器調(diào)度問題、旅行商問題、指派問題，但隨著任務(wù)復(fù)雜程度的提高和約束條件的增多，模型變得越來越復(fù)雜，最優(yōu)解的搜索難度增大，求解算法的復(fù)雜度成指數(shù)增長，這種情況下，設(shè)計(jì)適應(yīng)性強(qiáng)、求解效率高、資源占用小的算法成為一個(gè)難點(diǎn)。

2敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃研究現(xiàn)狀

根據(jù)對(duì)地觀測目標(biāo)類型的不同，下面從面向點(diǎn)目標(biāo)、區(qū)域目標(biāo)、立體成像和長條帶目標(biāo)的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃4個(gè)方面進(jìn)行論述。

2.1面向點(diǎn)目標(biāo)的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃

點(diǎn)目標(biāo)是指半徑小于10 km的圓形區(qū)域，一般可由敏捷衛(wèi)星單次拍攝完成觀測[2]369，點(diǎn)目標(biāo)特點(diǎn)是分布范圍廣、隨機(jī)性強(qiáng)，在局部區(qū)域分布密集。目前，針對(duì)點(diǎn)目標(biāo)成像任務(wù)規(guī)劃的策略主要分為2種：一是將分布范圍廣的點(diǎn)目標(biāo)作為單獨(dú)的元任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃；二是將分布密集的多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)作為聚類任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃。

2) 針對(duì)密集點(diǎn)目標(biāo)的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃。針對(duì)密集點(diǎn)目標(biāo)觀測任務(wù)，許多學(xué)者研究了多點(diǎn)目標(biāo)任務(wù)聚類方法，Cohen[11]研究了星載遙感器對(duì)多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的覆蓋問題，該聚類方法僅限于固定觀測角度。徐雪仁等[12]考慮了衛(wèi)星側(cè)視和有效載荷開機(jī)時(shí)間約束，通過計(jì)算得出適合于多個(gè)目標(biāo)的側(cè)擺角度，以一次性完成觀測。邱滌珊等[13-14]分析了多點(diǎn)目標(biāo)任務(wù)聚類過程中滾動(dòng)擺角、俯仰擺角和過渡時(shí)間約束，構(gòu)建了聚類圖模型，設(shè)計(jì)了基于MMAS的聚類算法，并進(jìn)一步對(duì)多星密集點(diǎn)目標(biāo)觀測任務(wù)進(jìn)行了研究，提出了改進(jìn)的蟻群優(yōu)化求解算法。唐忠興等[15]將同軌多點(diǎn)連續(xù)觀測問題轉(zhuǎn)化為多條帶觀測姿態(tài)機(jī)動(dòng)策略問題，提出一種基于時(shí)序有向無圈圖的敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)優(yōu)化算法。

目前，面向點(diǎn)目標(biāo)的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃研究中具有代表性的是Lematre、Dilkina、Grasset-Bourdel、邱滌珊等人的相關(guān)文獻(xiàn)，他們所建的模型逐漸完善，考慮了很多實(shí)際約束條件，提出對(duì)密集點(diǎn)目標(biāo)采用任務(wù)聚類的策略進(jìn)行規(guī)劃，不足是目標(biāo)函數(shù)比較單一，在大規(guī)模點(diǎn)目標(biāo)觀測任務(wù)下采用改進(jìn)或混合算法的求解方法效率并不高。

2.2面向區(qū)域目標(biāo)的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃

區(qū)域目標(biāo)是指范圍在20～100 km的多邊形區(qū)域[2]369，一般需要分割成多個(gè)條帶進(jìn)行觀測。區(qū)域目標(biāo)的特點(diǎn)是覆蓋面積大、不規(guī)則，目前針對(duì)區(qū)域目標(biāo)成像任務(wù)規(guī)劃的策略主要包括2個(gè)層次：首先把區(qū)域目標(biāo)分割為多個(gè)條帶，然后把分割后的每一個(gè)條帶作為元任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃。

1) 面向區(qū)域目標(biāo)的任務(wù)分解。對(duì)區(qū)域目標(biāo)任務(wù)分解多采用以下3種方法：

(1) 依據(jù)單景分解，Walton[16]將問題轉(zhuǎn)化為集合覆蓋問題，將區(qū)域目標(biāo)分解為多個(gè)單獨(dú)場景，得到便于觀測的條帶。Rivett等[17]采用網(wǎng)格化對(duì)區(qū)域目標(biāo)分解成單景。

(2) 采用預(yù)定義的參考系統(tǒng)分解，如Landsat陸地觀測衛(wèi)星和SPOT系列衛(wèi)星。

2) 基于區(qū)域目標(biāo)分解的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃。在敏捷衛(wèi)星區(qū)域目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃方面，Verfaillie等[20]在利用固定寬度對(duì)區(qū)域目標(biāo)分解的基礎(chǔ)之上建立了數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，很多學(xué)者的研究都是基于該模型；Cordeau等[21]針對(duì)該模型提出基于禁忌搜索的改進(jìn)算法。在之后的研究中，Habet、Vasquez[22]利用一致性和飽和配置采樣與局部枚舉相結(jié)合的系統(tǒng)搜索方法，提高禁忌搜索算法的有效搜索空間，并通過與動(dòng)態(tài)規(guī)劃在簡化的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題上的對(duì)比，驗(yàn)證了算法的有效性。Bianchessi等[23]建立了多星、多軌道、多用戶問題模型，提出利用列生成算法得到收益上界的禁忌算法。Tanpattanakul等[24]提出了多用戶需求下敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的多目標(biāo)優(yōu)化模型，提出2個(gè)目標(biāo)函數(shù)：最大化收益之和，最小化用戶收益差別，在問題求解上提出一種有偏隨機(jī)鍵遺傳算法(Biased Random Key Genetic Algorithm, BRKGA)。在進(jìn)一步研究中Tanpattanakul通過改變種群迭代次序提出一種基于二進(jìn)制指標(biāo)的多目標(biāo)局部搜索算法(Indicator-Based Multi-Objective Local Search,IBMOLS)，計(jì)算結(jié)果表明該方法在運(yùn)算時(shí)間上更有優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)方面，章登義[25]針對(duì)衛(wèi)星應(yīng)急對(duì)地觀測強(qiáng)時(shí)效性的需求，研究了敏捷衛(wèi)星同軌多條帶拼接成像任務(wù)規(guī)劃問題，在計(jì)算敏捷衛(wèi)星測擺角、幅寬和觀測時(shí)間的基礎(chǔ)上提出一種動(dòng)態(tài)幅寬分割區(qū)域目標(biāo)的動(dòng)態(tài)分解方法以獲得最小調(diào)姿時(shí)間。孫凱等[26]針對(duì)敏捷衛(wèi)星對(duì)地觀測多條帶拼接需求，將多敏捷衛(wèi)星聯(lián)合對(duì)地觀測任務(wù)規(guī)劃問題分解為任務(wù)資源匹配和單星任務(wù)處理2個(gè)子問題，在單星對(duì)多條帶拼接任務(wù)處理上采用基于后移滑動(dòng)策略的任務(wù)安排和沖突處理與局部搜索相結(jié)合的方法，有效地提高了求解效率。

當(dāng)前，Verfaillie、Cordeau、Habet、Vasquez等人的研究從固定寬度分解區(qū)域目標(biāo)到動(dòng)態(tài)分解，從多軌覆蓋到同軌多條帶拼接，研究的針對(duì)性越來越強(qiáng)。同時(shí)也存在一些不足：對(duì)區(qū)域目標(biāo)任務(wù)分解的研究或面向全球參考系統(tǒng)，提供一種廣泛適用的分解方法，或針對(duì)某一種衛(wèi)星遙感器，擴(kuò)展性較差，而且忽略了子任務(wù)相互關(guān)聯(lián)對(duì)后續(xù)規(guī)劃的影響；此外，在構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)時(shí)往往忽略了任務(wù)完成度。

2.3面向同軌立體成像的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃

同軌立體成像是指敏捷衛(wèi)星在觀測時(shí)間窗口內(nèi)，對(duì)目標(biāo)從不同角度進(jìn)行2次或2次以上的觀測以得到立體圖像的成像模式。

國內(nèi)方面，張永生等[29]分析了IKONOS衛(wèi)星的同軌立體成像模式，通過改變遙感器指向采集第一幅影像，經(jīng)過姿態(tài)調(diào)整，大約100 s后對(duì)目標(biāo)進(jìn)行第二次觀測。向仍湘[30]借鑒動(dòng)態(tài)規(guī)劃調(diào)度的思想提出分階段實(shí)現(xiàn)敏捷衛(wèi)星同軌立體成像，即第一階段將立體成像目標(biāo)作為普通目標(biāo)安排觀測任務(wù)，第二階段將對(duì)立體成像目標(biāo)的第二次觀測任務(wù)作為新任務(wù)插入已有規(guī)劃方案進(jìn)行重規(guī)劃，建立了條件約束滿足問題模型(Conditional Constraint Satisfaction Problem, CCSP)，在問題求解上，使用禁忌搜索算法。

從查閱到的文獻(xiàn)資料來看，面向立體成像的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃研究并不完善，所建模型往往把同軌立體成像假設(shè)為簡單的約束條件，并沒有考慮衛(wèi)星運(yùn)行速度、姿態(tài)機(jī)動(dòng)角速度、立體觀測角度、基高比等實(shí)際約束因素，而且問題求解效率較低。

2.4面向長條帶目標(biāo)的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃

長條帶目標(biāo)是寬度在衛(wèi)星成像幅寬內(nèi)的狹長地物目標(biāo)，一般可由敏捷衛(wèi)星單次開機(jī)完成觀測。長條帶目標(biāo)的特點(diǎn)是寬度窄,經(jīng)緯度跨越大。長條帶目標(biāo)觀測對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力和穩(wěn)定性能要求很高，國內(nèi)外學(xué)者一般基于敏捷衛(wèi)星動(dòng)態(tài)掃描工作模式進(jìn)行研究。

Jaubert等[31]研究了法國Pleiades衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)掃描模式，在該模式下衛(wèi)星通過姿態(tài)補(bǔ)償軌道運(yùn)動(dòng)在地表的牽引速度實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)成像。Aldinger等[32]研究了敏捷衛(wèi)星對(duì)條帶目標(biāo)觀測自主任務(wù)規(guī)劃中的2個(gè)關(guān)鍵要素，即衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)定向時(shí)的姿態(tài)和角速度，衛(wèi)星對(duì)2個(gè)目標(biāo)觀測時(shí)姿態(tài)轉(zhuǎn)換的可行性，并建立了衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，提出帶語義標(biāo)注的啟發(fā)式搜索算法。L?hr等[33]針對(duì)敏捷衛(wèi)星對(duì)連續(xù)復(fù)雜的條帶觀測問題，考慮了衛(wèi)星軌道運(yùn)行、姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度和速度、最大力矩等實(shí)際因素，建立了一種動(dòng)作序列規(guī)劃模型，并提出了規(guī)劃算法。

國內(nèi)方面，黃群東等[34]針對(duì)條帶目標(biāo)與星下點(diǎn)軌跡垂直的情況建立了敏捷衛(wèi)星動(dòng)態(tài)成像數(shù)學(xué)模型，并對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)角調(diào)整進(jìn)行了數(shù)值仿真，得出了姿態(tài)調(diào)整策略。潘小彤[35]考慮將密集區(qū)域的點(diǎn)目標(biāo)聚類成不同方向成像條帶，建立了敏捷衛(wèi)星動(dòng)態(tài)掃描任務(wù)規(guī)劃模型，將問題分為條帶任務(wù)分配和上層任務(wù)規(guī)劃兩層子問題，分別使用含有條帶分配策略的解算算法和基于啟發(fā)式規(guī)則的算法進(jìn)行求解。

長條帶目標(biāo)是一種特殊的任務(wù)需求，目前國內(nèi)外對(duì)長條帶目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃的研究較少，Jaubert、Aldinger、潘小彤等學(xué)者做了很多積極性的研究。不足之處是他們將條帶目標(biāo)簡化為矩形條帶，忽略了長條帶目標(biāo)不規(guī)則的實(shí)際情況。

3存在的問題與展望

從上述的研究成果可以看出，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和人員在理論和應(yīng)用方面做出了很多研究工作，并取得了很多成果，從敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題總體上分析，仍存在一些問題。

3.1存在的問題

1) 現(xiàn)有研究大多忽略了敏捷衛(wèi)星的多種成像模式。目前的研究大多是圍繞時(shí)間窗口延長、成像機(jī)會(huì)增多展開，忽略了敏捷衛(wèi)星快速機(jī)動(dòng)和穩(wěn)定性能帶來的多種成像模式，如同軌多條帶拼接、同軌立體成像、動(dòng)態(tài)掃描等成像模式。目前對(duì)多種成像模式下的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃研究往往把問題簡化成較為理想的模型，忽略了很多實(shí)際約束條件。

2) 規(guī)劃模型未考慮很多實(shí)際約束，目標(biāo)函數(shù)單一?，F(xiàn)有的研究大都基于傳統(tǒng)非敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃展開，所建立的模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)的簡化，忽略了星上存儲(chǔ)、能量、衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)速度和穩(wěn)定程度等實(shí)際約束條件。在同軌立體成像中，現(xiàn)有研究往往把對(duì)目標(biāo)進(jìn)行2次觀測作為約束條件進(jìn)行建模，忽略了立體成像角度、基高比等約束。此外，在構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)時(shí)大多采用任務(wù)收益最大，沒有考慮任務(wù)完成度和衛(wèi)星負(fù)載均衡等問題。

3) 缺少任務(wù)規(guī)劃方案和求解算法評(píng)價(jià)的研究。不同學(xué)者從不同角度對(duì)實(shí)際約束條件進(jìn)行簡化建立了規(guī)劃模型，設(shè)計(jì)了求解算法，在對(duì)任務(wù)規(guī)劃方案評(píng)價(jià)上多從任務(wù)完成度(包括觀測質(zhì)量、任務(wù)完成效益等)、資源利用率(包括衛(wèi)星資源占用、地面站資源占用等)方面考慮；在算法性能評(píng)價(jià)上主要比較計(jì)算時(shí)間和資源消耗程度。這些方法的問題在于采用隨機(jī)生成測試算例的方法并不具備通用性，而且個(gè)體的測試實(shí)驗(yàn)難以重現(xiàn)，部分學(xué)者基于層次分析法建立了可重用和易擴(kuò)展的綜合評(píng)價(jià)方法[36]，但是合理統(tǒng)一的評(píng)價(jià)規(guī)范和方法研究仍然很少。

3.2研究展望

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，敏捷衛(wèi)星向靈巧化、智能化和組網(wǎng)協(xié)同方向發(fā)展，敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的發(fā)展趨勢(shì)是由面向常規(guī)任務(wù)趨于面向復(fù)雜任務(wù)，由單星任務(wù)規(guī)劃走向多星組網(wǎng)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃，由地面集中式任務(wù)規(guī)劃走向星上自主任務(wù)規(guī)劃。筆者認(rèn)為敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃研究應(yīng)當(dāng)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

1) 多種成像模式下的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃研究?；诳焖僮藨B(tài)機(jī)動(dòng)能力，敏捷衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)多種成像模式，針對(duì)新成像模式的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃模型和算法尚不完善。其中，敏捷衛(wèi)星動(dòng)態(tài)掃描模式是應(yīng)用潛力較大的模式，通過建立任意走向的條帶，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚類點(diǎn)目標(biāo)、區(qū)域目標(biāo)的高效觀測，相關(guān)的模型和算法有待深入研究。

2) 敏捷衛(wèi)星組網(wǎng)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃研究。隨著對(duì)地觀測任務(wù)需求的增長，多顆敏捷衛(wèi)星組網(wǎng)或組成編隊(duì)以完成復(fù)雜任務(wù)逐漸成為應(yīng)用趨勢(shì)，其中，多星組網(wǎng)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問題日益突出，需要解決的問題主要有：多星協(xié)同工作方式和協(xié)同框架問題，多顆異構(gòu)衛(wèi)星的協(xié)同規(guī)劃問題，多星大規(guī)模組網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃建模與優(yōu)化求解問題。

3) 敏捷衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃研究。針對(duì)突發(fā)情況或緊急任務(wù)下快速準(zhǔn)確獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)的需求，將部分地面指控中心的集中式任務(wù)規(guī)劃轉(zhuǎn)向星上自主任務(wù)規(guī)劃可以大大提高衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)觀測的時(shí)效性，實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)的“在線規(guī)劃”。對(duì)于敏捷衛(wèi)星而言，星上自主任務(wù)規(guī)劃更有利于發(fā)揮其敏捷機(jī)動(dòng)性能，如何構(gòu)建敏捷衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃模型和設(shè)計(jì)資源占用小的算法需要進(jìn)一步研究。

4) 高效求解理論和方法研究。優(yōu)化算法始終是敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題求解的關(guān)鍵所在，很多研究表明具有一定智能的局部搜索算法在求解上有很好的應(yīng)用效果，但隨著衛(wèi)星數(shù)量和任務(wù)規(guī)模的變大，解的空間成指數(shù)增大?？梢钥紤]從以下兩方面進(jìn)行研究：一是通過任務(wù)預(yù)處理縮小解的搜索空間，如基于任務(wù)聚類的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃；二是研究分布式或并行求解算法，提高問題的求解效率。

4結(jié) 束 語

本文論述了敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域的國內(nèi)外研究進(jìn)展，分析了目前研究存在的問題，對(duì)進(jìn)一步研究的問題進(jìn)行了展望。隨著對(duì)地觀測需求的不斷提升、敏捷衛(wèi)星技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及各種新的優(yōu)化求解方法的出現(xiàn)和應(yīng)用，敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃研究將更加復(fù)雜，有必要深入探索和研究這些問題，不斷促進(jìn)敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的發(fā)展。

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(編輯：李江濤)

中圖分類號(hào)V19；TP391

文章編號(hào)2095-3828(2016)01-0069-07

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.01.015

作者簡介李志亮(1988-)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)楹教烊蝿?wù)分析與設(shè)計(jì)。lemonslee@163.com

收稿日期2015-09-30

李小將，男，教授，博士生導(dǎo)師。