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面向动态环境的成像卫星自主任务规划
方法的研究
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如意！
卫星任务规划是对地观测卫星任务管控平台的重
要组成部分，是影响卫星使用效能的主要因素之一，
其作用主要是解决成像卫星任务管理过程中的资源利
用和任务冲突问题，优化卫星的使用效益。
传统卫星观测活动中，卫星的在轨活动都是由地
面站事先做好计划方案，然后经由合适的上行链路上
传至卫星离线执行的，这种方式要求有足够的星地通
信时间以及相对稳定的运行环境，由于星地交互频繁，
这种方式的运行成本较高。
随着各种复杂的观测活动的日益开展和深入，高
度依赖地面站控制的方式己经越来越不适应未来航天
任务的需要，在对地观测活动中，对地观测卫星可以
和地面通信的时间大约只占在轨时间的5%-10%。在
动态环境下(例如观测区域上空出现云层、卫星故障、
观测任务不定时上注、取消己安排任务及任务属性变
化等)，地基任务规划与资源调度系统没有足够的时间
对卫星进行规划方案调整，导致观测任务无法完成，
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出现大量无用产品，造成观测资源浪费。比如，在2008
年汉川地震救援和雪灾救援等非作战军事行动中，我
国的对地观测卫星系统虽然发挥了重要作用，但缺乏
自主性、灵活性，导致快速响应能力的欠缺，不能及
时捕捉有利气象条件和实现快速重访，致使有关灾情
的信息获取手段更多的受制于国外卫星系统。 因此，
有必要改进传统的卫星的控制方式，研究星载的自主
规划系统，使卫星能够根据实时的任务信息、卫星状
态信息、外部环境及其他条件，自主的进行决策，控
制卫星完成各种任务。
卫星自主任务规划是指卫星能够实时的接收地面
站上传的任务，并根据当前卫星的状态和任务的环境
制定出合理的计划，最后将任务转换为指令控制卫星
活动。与传统的卫星任务规划相比，卫星自主任务规
划各个动作之间具有较强的逻辑关系，在规划求解的
时候，这种逻辑性可以用来指导搜索的方向，大大节
省整个规划问题的求解时间。卫星自主任务规划能够
快速处理突发事件、提升观测效率，降低地面管控复
杂性。其具体的过程如图1,
本文在单星模式下，结合预案、前瞻及动态调整
或重规划三个方面提出了面向动态环境的成像卫星自
主任务规划方法，并结合卫星实际数据验证该方法的
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性育旨。
1)预案在卫星自主任务规划中可以作为一个宏观
调控的工具，即在任务规划开始时由地面站提供初步
的规划方案。
2)鉴于自主任务规划的复杂性，在求解方法中设
计了前瞻过程，并提出“锁定时间段”。在任务规划过
程中，将前瞻时间步长内前t时间段作为“锁定时间”，
该时间段内的规划方案不受新加入任务的影响，在这
t时间段之后再根据新加入任务进行任务规划。如图2，
算法将第一个前瞻步长T时间内任务安排好，即完成
了一次规划。下一次规划开始前，在上一前瞻步长的
“锁定时间”后选取时间段T作为新的前瞻步长，并且
从新的前瞻步长的起始时间开始选定时间段t作为新
的“锁定时间”。在有/无预案情况下，具体前瞻过程如
图3-4。
3)使用动态调整或重规划对任务序列进行优化。
算法中，动态调整包括增加新加入的任务、删除原方
案中的任务以及局部搜索。算法同时设置了“阂值”用
于判断是否进行重规划。在下一次规划时动态任务的
比例高于某个阈值，或者经过动态调整后卫星完成任
务数目低于某个阂值时，安排重规划。
卫星自主任务规划求解算法基本流程如图5，基
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本步骤如下，
步骤1:选定前瞻时间步长为T，前瞻1个时间步
长，并更新前瞻时间步长内的任务信息;
步骤2:对前瞻步长内的任务安排观测。在安排观
测序列过程中，本文设计了多种排序规则，以提高解
的多样性。同时，考虑时间约束，并且充分利用存在
冲突的时间窗;
步骤3:判断前瞻步长内是否有待安排任务，如果
不存在，则执行原有方案中“锁定时间段”之内的任务，
并返回步骤1。如果存在，转入步骤4;
步骤4:判断新加入的任务中包含的应急任务是否
满足重规划阂值，如果满足，转到步骤7。如果不满
足，则转入步骤5;
步骤5:动态调整，将新加入的任务安排至当前前
瞻步长内的规划方案中。调整时，前瞻步长的“锁定时
间”内任务不变，在该“锁定时间”之后即新的前瞻步长
内进行任务的插入、删除或者邻域搜索等过程;
步骤6:判断当前前瞻步长内的任务完成率是否满
足重规划阈值，如果满足，则该时间段内任务进行重
规划。如果不满足，说明动态调整之后的任务序列为
有效序列，不需要进行重规划，转到步骤8;
步骤7:重新安排当前前瞻步长内的观测;
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步骤8:安排任务回传。根据不同的回传策略，得
到综合回传序列，当前时间窗未安排的任务保留到后
面的回传时间窗进行安排;
步骤9:对当前的规划结果进行评价;
步骤10:判断是否满足终止条件，如果满足，则输
出最优序列。
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