自治对地观测卫星星地协同规划模型及方法研究

随着航天科技的发展，逐步出现了具有一定星上自治能力的对地观测卫星，以及由多颗存在星间通信链路的自治对地观测卫星组成的自治卫星飞行编队，传统的卫星运控方式难以充分发挥自治卫星及卫星编队星上自主规划能力的优势。本项目针对自治卫星及卫星编队任务规划调度技术这一新而复杂的问题展开研究，提出了星地协同的调度方式，将地面多星统筹规划优化性好与星上自主规划适应能力强的优势有机结合。建立星地协同规划框架模型、信息流传模型；提出基于神经网络进化技术的多星地面滚动式调度方法，可根据任务执行反馈信息动态调整卫星观测计划；建立基于无环路有向图模型的卫星自主规划数学模型，并提出相应星上自主规划算法，有效避免星上规划失效现象发生；建立基于MAS (Multi-Agent System)的卫星编队星上协同规划模型，提出适应不同拓扑结构的卫星编队任务协同算法；并构建仿真实验系统验证本项目各关键技术的可用性和有效性。

本项目针对自治卫星及卫星编队任务规划调度技术这一新而复杂的问题展开研究，主要研究工作及取得的成果如下：.（1）建立了自治卫星及卫星飞行编队星地协同规划模型。基于Holonic（子整体）概念建立了自治卫星及卫星飞行编队协同任务规划框架模型，以描述卫星编队、成员卫星及卫星载荷均表现出整体-部分协调统一的关系，基于上述工作研究了多层次的整体与部分之间的规划调度流程，信息流转方式等。建立了自治卫星及飞行编队协同规划流程描述模型，并提出了基于Pi演算的流程描述与验证方法。.（2）研究了适应星上自主规划的多星地面滚动式调度方法。面向卫星及卫星飞行编队对地观测任务规划与数传作业规划等两个问题，研究地面滚动式规划方法，建立了异构多星MAS（Multi-Agent System）复杂观测任务连续协同规划模型，提出了基于三阶段市场机制的协同规划方法。针对自治卫星及卫星飞行编队观测任务动作序列可能持续改变的特点，提出了基于离散量子行为粒子群算法的滚动式数传资源无损迁移学习调度算法。能够有效解决自治卫星多星地面滚动式调度问题。.（3）提出了自治对地观测卫星星上自主规划方法。针对单颗自治卫星，基于图论方法建立了自治卫星对地观测活动无环路有向图模型，将自治卫星任务规划问题转化为动态多目标图最短路径搜索问题，并提出了对地观测活动标记更新最短路径搜索算法。为了适应星载计算机计算能力较弱的特性，避免因精确算法计算量过大而产生的规划失效，基于剪枝策略提出了卫星星上自主规划近似算法，并分析了近似算法的近似性能及时间复杂度。并通过实验验证了算法的正确性和有效性。.（4）复杂拓扑结构下自治对地观测卫星飞行编队协同规划方法。针对多载荷卫星飞行编队研究复杂拓扑结构下卫星多层次协同任务规划问题特点，提出了合同网与黑板模型相结合的观测任务分配混合协商方法。针对未来星上计算机计算能力更强的情况，我们引入了基于神经网络和进化计算的混合学习方法，通过不断的样本积累与在线学习的方式，帮助改善自治对地观测卫星任务协同的规划效果，提出了基于混合学习的自治卫星飞行编队分布式协同任务分配方法。能够有效解决自治对地观测卫星飞行编队任务协同规划问题。.（5）构建了自治对地观测卫星及卫星编队星地协同规划仿真实验系统，促进本研究成果向产业化方向转化。