陈衍景祝佳;陶峰
【摘 要】作为一类具有大范围、快速机动能力的对地观测卫星，敏捷成像卫星在提高卫星观测效率的同时，也使得卫星需求的筹划与调度变得更加的复杂和困难，给卫星需求筹划技术带来了新的挑战。针对敏捷成像卫星的多种特殊工作模式，分析了敏捷成像卫星需求筹划的技术特点和约束条件，从工程应用实际出发，建立了一套基于复杂需求分解和动态规划调整的敏捷卫星地面需求筹划系统，并根据实际的应用需求，给出了相应的应用实例，最后进一步展望了未来敏捷成像卫星需求筹划的发展方向。%As a class of earth observing satellites with capability of large-scale and rapid attitude maneu-ver,agile satellites have improved the efficiency of satellite observations. Meanwhile they also make the planning and dispatching of satellite requirements become more complex and difficult and bring a new chal-lenge for satellite requirements planning technology. According to the variety of special work modes of agile satellite,the technical features and constraint condition of agile satellite requirements planning are ana-lyzed. In consideration of the actual situation of engineering applications,an agile satellites ground require-ments planning system based on complex requirements decomposition and dynamic planning and adjustment is set up. According to the actual application requirements, an application example of agile satellite re-quirements planning system is also introduced. Finally, the prospect of future agile satellite requirements planning technology is described.
【期刊名称】《电讯技术》
【年(卷),期】2016(056)005
【总页数】9页(P508-516)
【关键词】敏捷成像卫星;需求筹划;对地观测;应用探析
【作 者】祝佳;陶峰粗铅
【作者单位】中国西南电子技术研究所，成都610036;西安卫星测控中心 宇航动力学国家重点实验室，西安710043
胆盐
【正文语种】中 文
【中图分类】TN80;TP399
随着成像卫星应用需求的不断提高，成像卫星平台及载荷技术也在不断地发展，高分辨率敏捷成像卫星就是根据未来卫星应用需求和技术发展趋势而设计研制的新一代先进卫星。
目前，国外已经成功研制并发射了多颗敏捷成像卫星，例如欧洲的Pleiades-1A、SPOT-6，美国的GeoEye-1、WorldView-2等，它们都具有大范围和快速的姿态机动能力。凭借这些能力，敏捷成像卫星可以在短时间内获取大量的遥感数据，并在国土测绘、灾害监测、农业资源管理、森林防护等多个领域发挥了巨大作用［1］。
随着敏捷成像卫星平台能力的不断提升，其工作模式和任务需求也变得更加复杂多样，能够参与的卫星应用类型也更加灵活多变，这些同时也给敏捷卫星的需求筹划技术带来了新的问题和挑战。 美国宇航局的Globus等人［2］指出对于敏捷成像卫星这类对地观测卫星而言，其需求筹划系统的主要难点在于约束条件的复杂多样和巨大的求解搜索空间，建议通过尽量安排高
优先级的需求来解决问题。欧洲空间局的Lemaitre等人［3］针对敏捷卫星需求调度问题，提出了将筹划模型简化为单星单轨道的需求筹划与任务调度问题。Habet等人［4］采用禁忌搜索算法来实现敏捷卫星任务需求的优化调度和冲突消解。国内的李玉庆等人［5］提出采用模拟退火算法与遗传算法相结合的方式来解决三轴稳定卫星的点目标任务筹划问题，但不适用于复杂工作模式。陈宇宁等人［6］基于蚁算法提出了针对敏捷成像卫星的优化调度方法，并给出了相应的调度方案，但其筹划模型只是针对点目标的简单需求，同样没有涉及复杂的工作模式。向仍湘［7］设计了一种针对敏捷卫星不同需求任务的筹划问题求解框架，涉及了区域目标分解、综合调度和立体成像需求等。孙凯等人［8］针对敏捷卫星的复杂任务需求，采用前瞻启发式算法来进行任务规划，有一定的算法效率。郭浩等人［9］从密集任务聚类的角度出发，设计了基于最大最小蚂蚁系统的聚类算法，提升了应急条件下的需求筹划能力。虽然针对敏捷卫星的需求筹划调度问题，国内外都已经开展了一系列的研究工作［10-11］，但不少研究往往只关注于算法理论上的改进与计算，忽视了许多在工程实现中会遇到的实际问题，因而有必要从实际工程应用需求的角度出发，研究更为实用的敏捷卫星需求筹划技术。
本文对敏捷成像卫星的需求筹划系统展开研究，针对其特殊的工作模式和约束条件，分析
筹划模型的特点及关键技术，给出需求筹划流程及应用示例，以期为相关领域的研究人员提供参考。
之所以被称为敏捷卫星，就是相较于以往的非敏捷卫星，这一类卫星拥有更为灵活的姿态机动能力和更大的姿态机动范围。表1给出了国外主要敏捷卫星的相关参数。
以往的非敏捷类卫星最多只有一个方向的自由度，也就是围绕翻滚轴做垂直于星下点轨迹的横向侧摆机动，能够进行观测的时间窗口较为狭小。而敏捷成像卫星拥有3个方向的自由度，卫星可以同时围绕翻滚、俯仰、偏航3个轴进行姿态机动，也就是说同时具备了在侧摆和俯仰姿态下的成像观测能力，如图1所示。特别是通过调整观测时的俯仰角，使得敏捷成像卫星可以通过前视、正视、后视等不同的姿态在一个更为宽广的时间窗口内，自由地对地面目标进行观测，更为灵活地选择观测的起止时间，从而消除以往很多观测需求之间所存在的观测时间冲突问题，提供了更强大的观测能力和更多的观测自由。
金评 媒图2给出了一组敏捷成像卫星与非敏捷成像卫星在观测方式方面的对比示例。如图所示，沿星下点轨迹有3个待观测的任务需求目标，对于非敏捷卫星而言，目标的观测起止时间是确定的，由于目标2与目标3的观测起止时间存在重叠，因而这两个需求是相互冲突的，在筹
划时只能安排其中一个进行观测；而对于敏捷卫星而言，由于具有了俯仰方面的自由度，卫星与目标之间的可见时间窗口大大增加，通过在较为宽广的可见时间窗口内合理地调整安排不同目标的观测起止时间，可以使得上述的任务需求冲突得到消解，3个观测需求就可以在卫星的一次过境机会内全部安排完成观测。
观测方式的灵活性和观测机会的延长使得敏捷成像卫星有可能完成更多数量和更多类型的观测任务需求。然而，敏捷成像卫星在显著提高观测效率的同时，其相应的需求筹划和任务调度问题也变得更为复杂。除了与非敏捷卫星一样要选择观测需求和观测时间窗口之外，还需要决定不同观测需求的次序、观测需求在其时间窗口内的具体起止时间等。而且，前后两个需求动作之间存在能量和姿态的转换，使得卫星约束条件的表现形式与非敏捷卫星相比有着很多的不同。因此，需要通过建设合理先进的地面需求筹划系统来发挥敏捷成像卫星的强大对地观测能力，使其应用效益达到最大化。
3.1 问题描述
敏捷成像卫星需求筹划问题可以这么描述∶用户对于某颗敏捷成像卫星提出了一组观测需求，每个观测需求有各自对应的工作模式和需求优先级，敏捷卫星对于每个观测需求所对
应的地面目标有一个可见时间窗口，在这个窗口内需要安排一个时间段作为需求的开始和结束时间。
敏捷成像卫星需求筹划与任务调度问题是一类典型的资源受限型筹划调度问题，因为对于一颗敏捷成像卫星而言，其运行轨道、姿态机动能力、有效载荷能力、数传链路、星上固存容量以及电源等资源条件都是相对固定的，敏捷卫星只能在这些限定资源的基础上满足有限的观测需求。对敏捷成像卫星进行需求筹划的目的就是要在这些有限的资源条件下，实现卫星各类任务需求的优化安排，按照特定工作模式及卫星平台自身的各类约束和使用规则，合理筹划调度，让用户的需求得到最大程度的满足，从而使得敏捷成像卫星系统的应用效能得到充分发挥。
卫星的需求筹划和调度问题本身就属于一类非确定性多项式难（NP-hard）问题，而敏捷成像卫星因其更强的对地观测能力，大幅增加了卫星可进行观测的工作模式，筹划的可行性方案空间明显增大，使得需求筹划问题复杂性和寻优难度大幅提高。这类问题需要在特定目标下寻最优解来实现一定程度上的最优化筹划，解的优化程度与计算的复杂度成正比，为了寻求更加优化的筹划结果，往往要付出更大计算复杂度的代价。在卫星的实际工程应用中，需求筹划问题往往要同时兼顾筹划结果的合理性和筹划计算的复杂度。
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3.2 需求与约束分析
3.2.1 复杂工作模式约束钓鱼岛的前世今生
由于敏捷成像卫星具有灵活的姿态机动能力，因而可以完成一些复杂工作模式的任务需求［12］，这些复杂的工作模式也存在一些相应的约束条件［13］。
（1）单轨大范围多目标成像需求
敏捷卫星按照用户的需求，在卫星姿态机动的可覆盖范围内对地面的指定目标进行成像观测，这类目标需求大多为点目标，且空间距离较近，需要发挥敏捷卫星快速机动的能力来完成，单个目标成像时间不宜过长。
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