空间信息网络多平台协同对地观测任务规划方法研究

We examine multi-platforms cooperation earth observation task planning problem for the Spatial Information Networks (SIN), which is comprised by earth observation satellite, Unmanned Aerial Vehicle (UAV), airship, ground station, and other platforms. With considering earth observation and data transmission platform resource attribute, observation mechanism, use constraint, and observation requirements, SIN resource are distributed, and execution time are determined by cooperative optimization method for each observation task, so to obtain complementary advantages for spatial platforms, and resource utilization efficiency and overall observing income are enhanced. We construct multi-platforms cooperation earth observation task planning architecture by Multi-Agent theory. With the same target of overall observing income for each platform, we construct multi-platforms cooperation earth observation task planning model based on game theory. Under the Nash optimal multi-platforms distributed optimization framework, each platform optimize own objective on the premise of other platforms’ optimum solution, so as to realize Nash optimal for the whole cooperation task planning. Distributed optimization algorithm is proposed to solve local optimization problem for each spatial platform based on cooperative co-evolution. This study has great significance to enrich SIN resource scheduling theory and methods, enhance SIN resource utilization efficiency, and satisfy the multi-platforms cooperation earth observation military and civilian demand.

研究由对地观测卫星、无人机、飞艇和地面站等组成的空间信息网络多平台协同对地观测任务规划问题。综合考虑对地观测和数传平台的资源属性、观测机理、使用约束、以及用户观测需求，通过协同优化方法为各观测任务分配合理的空间信息网络资源并确定执行时间，充分发挥多空间平台的互补优势，提高资源的利用效率和整体观测收益。基于Multi-Agent理论，建立多空间平台协同对地观测任务规划体系结构。基于博弈论，每个空间平台都以最大化整体观测效益为目标，建立协同对地观测任务规划模型。在纳什最优的分布式优化求解框架下，每个空间平台在已知其它平台最优解的前提下，优化自身的目标，进而使整个协同任务规划达到纳什最优。基于合作协同进化思想，设计分布式优化求解算法，对每个空间平台的本地优化问题进行求解。该研究对于丰富空间信息网络资源调度理论和方法，提高空间信息网络资源利用效率，满足多空间平台协同对地观测的军民需求具有重要意义。

空间信息网络是以空间平台（如同步卫星或中、低轨道卫星、平流层气球和有人或无人驾驶飞机等）为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。作为国家重要基础设施，空间信息网络在服务远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输、航天测控等重大应用的同时，向下可支持对地观测的高动态、宽带实时传输，向上可支持深空探测的超远程、大时延可靠传输。.实现空间信息网络多平台协同工作相关调度理论和方法的改进和突破，是空间信息网络服务于军民应用的迫切需求。利用空间信息资源的互补优势进行协同对地观测是对地观测领域的新趋势，对地观测卫星、飞艇和无人机等多空间平台联合执行对地观测任务成为各航天大国重要的发展方向。.面向灾害监测、反恐维稳、应急救援等对地观测应用目标，研究对地观测卫星、飞艇、无人机等组成的空间信息网络多平台协同对地观测任务规划问题。结合多空间平台协同对地观测任务规划问题中任务的时间窗、任务序列的开放性以及敏捷卫星姿态转换的时间依赖性等特点，设计多空间平台协同对地观测工作机制，各空间平台完成对地观测任务，并将对应的观测数据传输到地面；面向对地观测的典型应用，构建了一系列对地观测任务和数据传输任务协同任务规划模型，将所有空间平台执行的观测任务、敏捷对地观测卫星和飞艇执行的数据传输任务看作是有向图中的点，同一观测平台执行两个先后序列任务时位置之间的姿态转换时间或巡航时间看作是有向图中的边，从而将问题映射为具有时间依赖性的多时间窗口开放式车辆路径问题；将观测任务和数据传输任务映射为无向图的点，将各任务在时间窗的冲突映射为无向图中的边，从而将问题映射为图染色问题；开发了一系列多空间平台任务规划应用的算法，并且基于应用案例，验证了算法的性能，仿真实验表明，针对不同规模的算例，算法能够在较短的时间内获得满意的解。.该研究为建立多空间平台协同对地观测任务规划系统提供理论支撑，充分发挥各平台互补优势，提高空间数据获取效率，更好地服务于多空间平台协同对地观测的军民应用，满足复杂多样的对地观测需求。