（管理科学与工程专业论文）基于mas的分布式成像卫星系统任务规划与控制问题研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 由现代智能成像小卫星组成的分布式成像卫星系统是未来对地观测卫星系统 发展的主要趋势，分布式成像卫星系统具有智能性和分布性的特点是一神“敏 捷”卫星系统分布式成像卫星系统的任务规划与控制是在充分考虑分布式成像 卫星系统特点的基础上，面向动态观测环境，将多个观测任务没有冲突地分配给 分布式成像卫星系统中最合适的卫星执行，并通过自动推理得到各个卫星的具体 动作方案，从而自主控制卫星完成各个观测任务耳前，无论是在国内还是国外， 对分布式成像卫星系统的任务规划与控制问题的研究都是一个崭新的前沿课题， 而且随着现代小卫星系统、分布式卫星系统的快速发展，以及对多星任务规划技 术、卫星自主运行技术研究的不断深入，使得本文问题的研究无论是在理论上还 是应用上都有非常重要的意义本文在深入了解分布式成像卫星系统的组成和运 行特点的基础上，提出了分布式成像卫星系统的任务规划与控制框架，探索了分 布式成像卫星系统的星群任务规划方法，卫星自主控制模型及其求解算法，并最 终开发实现了一个原型系统本文的主要研究内容和刨新研究成果如下： 首先，在分析成像卫星工作原理及分布式成像卫星系统工作过程的基础上， 将整个问题分为两个层次的决策子问题进行求解根据分布式成像卫星系统的分 布性和智能性特点，采用a g e n t 及多a g e n t 系统( m u l t i - a g e n ts y s t e m ，简称m a s ) 的思想研究分布式成像卫星系统，给出了种高可靠性的分布式成像卫星系统 m a s 结构及智能成像卫星a g e n t 的分层混合结构模型，并以此为基础，分析了基 于m a s 的分布式成像卫星系统的任务规划与控制机理与特点，提出了基于m a s 的任务规划与控制框架。 其次，提出了基于多a g e n t 协商的分布式动态任务规划方法，对传统的合同 网协商协议进行改进，提出了基于约束的诚实合同网协议，采用招投标的方式对 星群进行任务调度，重点研究了投标活动中任务插入导致的时间窗口约束和电源 约束的满足性判断方法，给出了相应的检验算法根据分布式成像卫星系统的运 行特点，提出了基于推进剂消耗和任务均衡指标的各种优化规则，并通过实例研 究对各种规则的性能进行了比较，给出了规则使用策略 第三，分析了基于层次任务网络( h i e r a r c h i c a lt a s kn e t w o r k ，简称h 1 n ) 的 规划方法对卫星自主控制闯题的适用性，给出了相应的求解框架。首先采用规划 域定义语言建立了智能成像卫星的规划域模型，然后采用基于h t n 的规划方法对 卫星自主控制问题进行了求解，开发了两种基于任务网络的导引式状态空间搜索 算法。通过实例分析验证了基于h t n 的规划方法可以实现对卫星自主控制问题的 快速求解。 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 最后，设计实现了一个星座形式的分布式成像卫星系统任务规划与控制原型 系统，给出了该系统的一个应用实例，综合验证了本文提出的基于多a g e m 协商 的分布式动态任务规划方法、基于h t n 规划的卫星自主控制方法、相应的算法以 及原型系统的有效性。 主题词；分布式成像卫星系统，任务规划，自主控制，多a g e n t 系统，层次 任务网络，合同网协议 第“页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t e di m a g i n gs a t e l l i t es y s t e mc o m p o s e do f m o d e r ni n t e l l i g e n ts m a l li m a g i n g s a t e l l i t e si st h em a i ne a r t ho b s e r v i n gs a t e l l i t ea p p l i c a t i o ns y s t e m i nt h ef u t u r e d i s t r i b u t e di m a g i n gs a t e l l i t es y s t e mi sak i n do fa g i l es a t e l l i t es y s t e mt h a ti si n t e l l i g e n t a n dd i s t r i b u t e d n cp r o b l e mo fm i s s i o np l a n n i n ga n do o n t r o lf o rt h ed i s t r i b u t e d i m a g i n gs a t e l l i t es y s t e mi sd e f i n e da s ：c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s t r i b u t e d i m a g i n gs a t e l l i t es y s t e m a n dt h er e q u i r e m e n to fd y n a m i co b s e r v i n ge n v i r o n m e n t s t l m c i e n t l y , a s s i g nv a i l o r so b s e r v i n gm i s s i o n st o t h es a t e l l i t e sa m o n gd i s t r i b u t e d i m a g i n gs a t e l l i t es y s t e mo p t i m a l l y t h e ng e n e r a t et h ed e t a i la c t i o np l a no f e v e r y s a t e l l i t e t h m u 曲a u t o m a t i c a l l yr e a s o n i n g ，s o 嬲t oc o n t r o lt h es a t e l l i t ea u t o n o m o u s l yt oc o m p l e t e t h eo b s e r v i n gm i s s i o n s t h em i s s i o np l a n n i n ga n dc o n t r o lp r o b l e mf o rd i s t r i b u t e d i m a g i n gs a t e l l i t es y s t e mi s s t i l lab r a n dn e wp r o b l e mf o rr e s e a r c h e r se i t h e ri n s i d eo r o u t s i d et h ec o u n t r ya tp r e s e n t a st h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms i n a i ls a t e l l i t ea n d d i s t r i b u t e ds a t e l l i t es y s t e mr a p i d l y , a n dt h er e s e a r c ho fm i s s i o np l a n n i n gt e c h n o l o g yf o r m u m s a t e l l i t e sa n da u t o n o m o u ss a t e l l i t et e c h n o l o g yg r o w i n go n , t h ei n v e s t i g a t i o no l a s u c hp r o b l e m si so fg r e e ts i g n i f i c a n c eb o t hf r o mt h et h e o r yo ra p p l i c a t i o nv i e w p o i n t s b a s e do nt h eu n d e r s t a n d i n go fc o m p o n e n t sa n do p o r a t i o no fd i s t r i b u t e di m a g i n g s a t e l l i t es y s t e m ，t h i st h e s i sp r o v i d e saf r a m e w o r kf o rm i s s i o np l a n n i n ga n dc o n t r o lo f d i s t r i b u t e di m a g i n gs a t e l l i t es y s t e m , i n v e s t i g a t e sm i s s i o np l a n n i n gt e c h n o l o g yf o r s a t e l l i t ec l u s t e r , a u t o n o m o u sc o n t r o lm o d e la n da l g o r i t h mf o rs a t e l l i t e 。a tl a s t , a p r o t o t y p eo fm i s s i o np l a n n i n ga n dc o n t r o ls y s t e mf o rd i s t r i b u t e ds a t e l l i t es y s t e mi s d e v e l o p e d n em a i nc o n t e n t sa n df r u i t so f t h i sp a p e r a r eo u t l i n e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h i st h e s i sd i v i d e st h ew h o l ep r o b l e mi n t ot w os u bd e c i s i o np r o b l e m sb a s e d o na n a l y z i n gt h ei m a g i n gp r i n c i p l eo fs a t e l l i t ea n dt h eo p e r a t i n gp r o c e s so fs a t e l l i t e s y s t e m t h em e t h o db a s e do na g e n ta n dm u l t i - a g e n ts y s t e m ( m a 鼬i su s e dt or e s e a r c h d i s t r i b u t e di m a g i n gs a t e l l i t es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t e da n di n t e l l i g e n ta t t r i b u t e s o fd i s t r i b u t e di m a g i n gs a t e l l i t es y s t e m ，s oa st oak i n do fm a ss t r u c t u r ew i t hh i g i i r e l i a b i l i t yf o rd i s l r i b u t e di m a g i n gs a t e l l i t es y s t e ma n dah i e r a r c h i c a lm i x e da g e n t s t r u c t u r ef o rs i n g l es a t e l l i t e 眦d e s i g n e ds e p a r a t e l y b a s e do nt h e s es t r u c t u r e s , t h i s t h e s i sa n a l y z e st h em e c h a n i s mo fm i s s i o np l a n n i n ga n dc o n t r o lb a s e do nm a s ，a n d p r o p o s e st h em i s s i o np l a n n i n ga n dc o n t r o lf r a m e w o r kb a s e do nm a sf o rd i s t r i b u t e d i m a g i n gs a t e l l i t es y s t e m s e c o n d l y , t h i st h e s i sp r o p o s e sad i s t r i b u t e dd y n a m i cm i s s i o np l a n n i n ga p p r o a c h b a s e do nm u l t i a g e n tn e g o t i a t i o n 1 1 1 i sa p p r o a c hi m p r o v e so nt h et r a d i t i o n a lc o n t r a c t - n e t p r o t o c o la n dac o n s t r a i n t s - b a s e dh o n e s tc o n t r a c t - n e tp r o t o c o li sd e s i g n e de v e n t u a l l y , w h i c hs c h e d u l e st h eo b s e r v i n gm i s s i o n so fs a t e l l i t ec l u s t e rb ym e a n so fb i d d i n g n e m e a n so ff e a s i b i l i t yt e s tf o rm i s s i o ni n s e r t i o ni sp r e s e n t e da n dt h ea l g o r i t h m sf o r 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 v e r i f y i n gt h es a t i s f i a b i l i t y o fc o r r e s p o n d i n gt i m ew i n d o wc o n s t r a i n ta n dp o w e r c o n s t r a i n ta r cg i v e ni nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o nc h a r a c t e ro fd i s t r i b u t e d s a t e l l i t es y s t e m t h er o l e so fo p t i m i z i n gt h ef i l e lc o n s u m i p t i o na n dt h ei n d e xo fm i s s i o n t r a d e - o f fa r ep r o p o s e d t h i st h e s i sa l s oc o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e s er u l e s ，a n d s u g g e s t st h es t r a t e g yo f u t i l i z i n gr u l e s 1 1 l i r d i y t h i st h e s i sa n a l y z e st h ea p p l i c a b i l 时o f h t n - b a s c dp l a n n i n ga p p r o a c hf o r a u t o n o m o u sc o n t r o ip r o b l e mo fs a t e l l i r e t h ed o m a i nm o d e lo fi n t e l l i g e n ts a t e l l i t ei s c o n s t r u c t e du s i n gp l a n n i n gd o m a i nd e f i n i t i o nl a n g u a g e ，a n dt h e nt h ea u t o n o m o u s c o n t r o lp r o b l e mo fs a t e l l i t ei ss o l v e db yt h eh t n - b a s e dp l a n n i n ga p p r o a c h 。t h i st h e s i s p r o v i d e st w og u i d e ds t a t es p a c cs e a r c ha l g o r i t h m sb a s e do nt a s kn e t w o r k a tl a s t , a n e x a m p l ei sg i v e nt od e m o n s t r a t et h a tt h eh t n - b a s e dp l a n n i n ga p p r o a c hc a ns o l v et h e a u t o n o m o u sc o n t r o lp r o b l e mo f s a t e l l i t ee f f e c t i v e l y l a s t l y , t h i st h e s i sd e v i s e sa n dr e a l i z e st h ep r o t o t y p eo fm i s s i o np l a n n i n ga n d c o n t r o ls y s t e mf o rc o n s t e l l a t i o n ，i na d d i t i o n ，t h i st h e s i sg i v e sa ne x a m p l ea n ds o l v e si t b yt h ep r o t o t y p es y s t e m t h er e s u l t sv e i l f yt h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dd i s t r i b u t e d d y n a m i c m i s s i o n p l a n n i n ga p p r o a c h f o rd i s t r i b u t e d i m a g i n g s a t e l l i t e s y s t e m ， h t n b a s e da u t o n o m o u sc o n t r o la p p r o a c hf o rs i n g l es a t e l l i t e , c o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m s , a n dp r o t o t y p es y s t e m k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e di m a g i n gs a t e l l i t es y s t e m m i s s i o n a u t o n o m o u sc o n t r o l 。m u l t i - a g e n ta y s t e m h i e r a r c h i c a lt a s k c o n t r a c t - n e tp r o t o c o l p l a n n i n g n e t w o r k 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表4 1 基于招投标的任务规划方法与简单贪婪算法的性能比较8 8 表4 2 不同规则下的解的性能 表4 3 不同规则对s i m p l 问题的求解顺序 表5 1s t r i p s 和a d l 语言对于规划问题表示的比较 表5 2 卫星自主规划模型中的谓词定义及描述 表5 3 卫星自主规划模型中的函数定义及描述 表5 a 卫星自主规划问题实例 表5 5 算法对不同实例的求解指标比较 表6 1 卫星轨道参数 表6 2 卫星的主要技术参数及遥感器参数 表6 3 分布式卫星系统观测任务集 表6 4 任务8 的候选时间窗口信息 表6 5t s i n g h u a l1 7 对任务s 的投标书。 表6 6 任务8 的任务执行合同 1 0 0 1 1 0 1 1 9 表6 7 所有任务的执行合同 表6 8 应用不同规则得到的合同方案比较 1 2 2 表6 9 动作方案执行过程中的所有中阔状态 1 2 2 1 2 4 1 2 7 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图l i l 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图4 i 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 。1 3 n a s a 戈达德空间飞行中心设计的未来遥感器网络的结构4 t e c h s a t 2 1 计划任务示意图。5 c s a t 想定的层次结构6 r a x - p s 系统原理图1 0 论文研究思路。2 0 光机扫描仪和推帚式扫描仪的成像原理示意图 星载遥感器观测范围与实际观测场景的关系示意图2 2 卫星系统运行的组织过程2 4 分布式卫星系统任务规划与控制问题的求解思路。3 2 问题的基本输入输出要素。3 6 a g e n t 基本结构 。3 8 思考型a g e n t 基本结构。3 9 反应型a g e n t 基本结构。4 0 联邦式结构的多a g e n t 系统。4 3 不同智能水平的卫星a g e n t 4 4 卫星系统的各种多a g e n t 结构4 5 分布式卫星系统的多a g e n t 结构 智能卫星a g e n t 的多层混合结构4 9 基于m a s 的任务规划与控制层次结构5 3 合同网模型。 a g e n t 之间的交互协调模型 卫星a g e n t 的投标过程 最早可准备就绪时问与最早可开始执行时间的示意图。6 9 活动的后移空余时间示意图6 9 时间窗口约束的满足性检验过程。7 3 方案a 对应的插入情况示意图7 3 方案b 对应的插入情况示意图7 4 系统任务转化关系 任务规划流程。 任务管理a g e n t 任务监测流程。8 4 卫星a g e n t 任务监测流程 两种规则下的推进剜消耗量比较8 9 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 1 4 两种规则下的负载均衡率比较9 0 图5 1 基于h t n 规划的卫星自主规划问题求解框架 图5 2 智能对地观测卫星的系统结构 图5 3 域文件格式 图5 4 问题文件格式 图5 5 加入资源容量约束的动作模型 图5 6 加入持续时间约束的动作模型 图5 7 转向动作的动作模型 9 8 9 8 图5 8 照相机开机动作的动作模型 图5 9 照相机关机动作的动作模型 图s 1 0 照相机校准动作的动作模型 图5 。1l 照相机成像动作的动作模型 图5 1 2 图5 1 3 1 0 1 成像任务及其分解方法模型 观测任务及其分解方法模型 图5 1 4 任务分解流程图 1 0 1 1 0 2 图5 1 5t n b f s s 算法流程图 图5 1 6t n b b s s 算法流程图 图5 1 7 图5 1 8 1 0 4 t n b f s s 与t n b b s s 的求解代价比较 t n b f s s 与n 帕b s s 的c p u 时间比较 图6 1 原型系统构成 1 0 8 。1 l l 。1 1 2 图6 2 原型系统系统的运行框架 图6 3 分布式卫星系统星座示意图 。1 1 5 图6 4 不周规则下任务合同在不周卫星上的分布 1 1 6 1 1 7 1 2 5 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特剐加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：基王坠鳗金查式盛鱼里星丞统堡盔赶刿生整剑间塑盈塞 学位论文作者签名：l 建堡；叠日期：加。占年口月加日 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并匈国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阒；可以将学位论文的金部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：基王世垃金盔耋盛篮里星丞统堡垒赶划生整剑闺塑盈究 学位论文作者签名：i 叁垩i 亟日期：砌年o 月佑日 作者指导教师签名：i 雪：丝过日期：呻年。月，。日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 自从1 9 5 7 年第一颗人造卫星上天后，全世界总计发射了5 0 0 0 多颗人造卫星 航天技术给人类进步和文明带来了巨大的影响，航天工业已成了一门新兴的高技 术产业在早期的五六十年代，人类发射的卫星规模、重量较小，功能也较单一， 七十年代以后，随着航天技术的不断成熟，人们对卫星性能要求的不断增加以及 大功率运载火箭的研制成功，卫星质量变得越来越重，技术也越来越复杂化这 虽能满足人们的客观需要，但也带来投资大、风险高、研制周期长、新技术不能 及时应用等一系列问题。八十年代末期出现的现代小卫星，及时应用了当代的高 新技术，极大的提高了。功能密集度”，采用了新的设计概念和科学的管理方法， 实现了卫星的低成本、小质量、小体积，高性能、短研制周期【i 】 现代小卫星快速、灵活、高效，成本低廉，便于组网，因此成为未来卫星发 展的一个主要趋势】。在小卫星技术发展的不断推动下美国在上世纪末推出了 “新盛世计划( n e wm i l l e n n i u mp r o g r a m ) ”【4 】，在该计划中提出“更快、更好、 更省”的方针，其中很重要的个思想是以分布式空间系统来完成复杂的大卫星 难以完成的功能或替代越来越复杂的大卫星功能与传统的单个大型卫星系统不 同。所谓分布式空间系统( d i s t r i b u t e ds p a c es y s t e m ) 【7 司是指一个包含两颗或多颗 航天器及与其相互协同的基础设施的闭环系统，该系统可以实现探测数据的获取、 信息处理及分析并向不同用户分发。完成特定的功能。在分布式空间系统中，多 个航天器在空间上分布成网，以星座( c o n s t e l l a t i o n ) 、星簇( c l u s t e r ) 、星队( f l e e t ) 和编队( f o r m a t i o n ) 辑o o 】等不同的分布系统结构形成空闾虚拟平台( s p a c ev i r t u a l p l a t f o r m ) ，协同完成同一项功能，在共用的系统级上成为一个虚拟整体本文研 究的航天器主要是成像卫星，因此所谓的分布式空间系统主要是指分布式成像卫 星系统( d i s t r i b u t e di m a g i n gs a t e l l i t es y s t e m ，简称d i s s ) ，以下本文所称的分布式 卫星系统均指分布式成像卫星系统 与传统的大型单个卫星系统相比，分布式卫星系统具有许多优势： ( 1 ) 每个卫星都更小、更轻、更简单和更易于制造； ( 2 ) 经济性使得许多卫星组成的星群比制造一颗大型卫星便宜； ( 3 ) 星群能适应任何一个卫星失效的情况，失效卫星可以被逐步替代； ( 4 ) 星群可以重组其中卫星的轨道，以优化不同的任务。 由于分布式卫星系统具有大型卫星无法比拟的优点，同时又更适合未来发展 的器要，已成为未来卫星系统发展的主要趋势美国空军在空军2 0 2 5 作战构想 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 中就提出：“由小卫星组成的分布式星座系统是为作战提供实时连续信息服务的主 要手段，也是有效的反卫星武器。” 虽然分布式卫星系统具有高可靠性、低成本、可重构、可升级、容错性好等 特性，但同时也面临着诸多挑战。一方面，分布式卫星系统主要由多个微小成像 卫星( 甚至纳星) 组成，卫星数量的增加使得采用传统的地面控制方式需要耗费 大量的人力物力，通信和命令的负担加重，最终带来高昂的运营成本。由于尺寸 限制，小卫星一般不能装载大型天线和发射大的射频功率，故一般也不易利用中 继卫星系统进行测控通信，这就要求小卫星在大部分时间内能自主管理和自主工 作【1 另一方面，由于卫星本身的复杂性、分布式结构复杂、多卫星之间的紧密 联系以及运行环境的未知性和不确定性，导致分布式卫星系统的运行环境常常是 动态变化的，卫星在执行任务的过程中常常会遇到许多动态情况。因此，分布式 卫星系统必须能持续感知环境，并依据动态信息对整个系统的任务做出有益的、 快速的调整，这也是分布式卫星系统控制的一个显著特点。 综合以上因素可以得出结论，采用传统的地面控制方式无法解决分布式卫星 系统带来的技术和应用方面的挑战，必须在充分考虑分布性、自主性这两个特点 的基础上，研究新的分布式卫星系统控制技术和方法。近年来，随着科学技术发 展的日新月异，人们已经将这类复杂的控制问题投注于智能控制技术，特别是卫 星系统的自主运行技术。例如，美国国家航空航天局( n a s a ) 在2 0 0 1 年1 月提 出的发展智能分布式航天器计划中，就将自主运行技术作为一项关键技术 1 2 1 3 1 。 对单个航天器来说，其自主运行是指航天器在无人干涉的情况下，在较长的 工作时间内，完成各种常规操作，同时进行予系统监测、故障监测，特别是在故 障情况下或未知环境中具备自适应、自调节、自免疫、容错及自恢复等功能航 天器要实现自主运行，首先要能够感知自身的状态和外部环境，并保证在不与地 面人员联系的情况下长时间的工作，即航天器要具备自主生存能力；其次，在时 间期限和能源约束等条件下，能进行合理的动作规划并完成指定任务，即航天器 要具有自主完成用户任务的能力 对整个分布式卫星系统来说，其作为一个空间虚拟观测平台，可以在星际链 路技术( 如无线电、激光等通信技术) 的支持下，通过对整个系统进行自主的分 布式管理，以降低对地面测控资源的依赖，并通过星载的自动任务规划与控制系 统，优化航天器资源的利用，更好地完成各种静态和动态任务，并最终实现整个 系统的自主运行 可见，要实现分布式卫星系统的自主运行，需要解决分布式卫星系统全局与 单个卫星局部两个层面的智能控制问题，在全局上，要对整个分布式卫星系统的 任务进行自动规划和调度；在局部上，要在全局任务规划方案的指导下，对单个 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 卫星的具体动作进行自主规划，实现对卫星的自动控制这两个问题是解决整个 分布式卫星系统智能控制问题的两个相对独立的阶段，彼此之间具有紧密的逻辑 关联性，同时又具有各自不同的特点和难点 目前已经有一些有关分布式卫星系统及其智能控制方面的研究和相关原型系 统( 有关这些研究在下节将详细介绍) 但是这些研究大多集中在对单个航天器智 能控制的研究，缺乏对整个分布式卫星系统的智能控制问题进行从结构到模型、 算法以及最终软件系统的完整分析，并且大多数研究都还没有脱离原有的卫星控 制模式，不能很好满足动态观测环境的需要。随着分布式卫星系统应用需求的日 益迫切，如何通过对其进行合理的规划与控制，使其具有面向动态环境的自适应 观测能力，是当前需要解决的一个重要问题。本论文的出发点正是在这样一种背 景下，力图解决上述问题 1 2 国内外相关研究现状 分布式卫星系统及其智能控制问题在世界范围内都还处于一种预先研究阶 段，如前一小节所述，其研究集中在两个方面，一个是单星的自主控制，还有就 是面向多星多任务的分布式卫星系统任务规划与调度。考虑到相关研究均与某一 类分布式卫星系统计划项目有关，本文下面首先对现有的分布式卫星系统计划项 目进行简单介绍，然后分别从分布式卫星系统任务规划技术以及单星自主控制技 术方面对国外有关分布式卫星系统的智能控制问题研究进行回顾和总结，最后对 与本文研究相关的理论研究进行总结和介绍。 1 2 1 分布式卫星系统研究现状 1 2 1 1 遥感器网络( s e n s o r w e b ，s w ) 1 1 4 , 1 & i 6 , 1 7 1 2 0 0 0 年1 1 月2 1 日，n a s a 新盛世计划对地观测系列中的第一颗卫星e a r t h o b s e r v i n g - i ( e o - 1 ) 顺利升空，其目的是开发和测试一些对地成像应用中采用的创新 技术针对未来的对地观测应用，n a s a 在e o 1 项目报告中指出，下代的科学 观测系统采用的观测策略将是在一个动态环境中，使用多个遥感器以提供高品质 的监控能力、自身一致性分析能力及有信息的决策能力。为此，其提出了一种重 要的分布式卫星系统概念遥感器网络( s e n s o rw e b ，s w ) ，并在2 0 0 1 年基于 e 0 _ l 进行了一系列的试验。 遥感器网络是指将地面的和天基的设备连接起来，以自主的、协作的方式完 成观测任务集，其结构如图i i 所示在运行过程中，遥感器网络的观测活动可以 被不同的事件触发，遥感器网络针对这些事件组成专门的遥感器星座，进行相应 的观测活动，在给定的时间内，尽可能侠的提供尽可能详细的观测数据。遥感器 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 网络的关键技术主要包括事件的探测技术、探测信息的监控技术、观测要求的自 主生成和观测任务的自动调度技术等，目的是获取具有较高时间、空间和光谱分 辨率的数据。 图1 1n a s a 戈达德空间飞行中心设计的未来遥感器网络的结构 遥感器网络的应用目前主要包括洪水、火山爆发、森林火灾的监控以及基于 云层监测的重复观测任务，网络中的卫星包括m o d i s ( t e r r a 和a q u a ) 、g o e s 和 e o i 。其中m o d i s 用于探测热点地区的洪水、火山及森林火灾等自然现象，g o e s 提供近实时的云层覆盖信息，e o 1 用于对热点地区进行观测。有关自然现象和云 层覆盖的信息被检测到以后，触发对这些热点地区的观测活动，这些观测活动与 研究人员提出的观测活动一起作为触发源，提供给e o 1 的地面及星上任务规划与 调度系统，任务规划与调度系统将这些观测活动转换成具体的观测任务，并对其 进行科学的调度执行，观测结果被迅速反馈给任务规划中心，根据其成像质量进 行重调度，整个系统是一个闭环控制系统。 研究人员分别针对以上应用做了相关的实验。结果表明，通过将不同的卫星 组合起来能有效的降低未来空间任务的成本，提高任务完成的效率。另一方面， 不同卫星的联合运行也大大提高了系统对动态事件的快速反应能力，并能获得更 深层次的观测信息 1 2 1 2t e c h s a t 2 1 计划1 1 8 1 9 , 2 0 l 1 9 9 5 年，美国空军新世界展望空间技术组( n e ww o r l dv i s t a ss p a c et e c h n o l o g y p a n e l ) 首次提出对用小卫星编队取代大型卫星的技术挑战和优点进行探索研究。 1 9 9 7 年，美国空军研究实验室( a f r l ) 阐述了一个分布式空间任务概念一 t e c h s a t 2 1 ( 全称为2 l 世纪技术卫星) ，即“通过编队飞行的多个卫星的合作以执 行监视任务”计划最初的研究面向地面移动目标识别( g m t i ) 和合成孔径雷达 成像( s a r ) ，其任务示意图如图1 2 所示。 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 圈1 2t e c h $ a 2 1 计魁任务示意图 1 9 9 8 年，航字公司概念设计中心( a e r o s p a c ec o r p o r a t i o nc o n c e p t u a ld e s i g n c e n t e r ) 通过对不同的天基g m t i 概念进行权衡比较，分析验证了小卫星编队系统 的性能，结果证明小卫星编趴的生命周期成本至少比大型卫星系统节约5 0 而 且，小卫星编队系统有更好的灵活性，可以执行的任务类型很广 t e c h s a t 2 1 计划为期一年的技术实验飞行原定于2 0 0 3 年1 1 月启动，后又推迟 到2 0 0 6 年1 月实验飞行包含一个有三颗小卫星组成的星群，卫星重量为1 5 0 k g ， 飞行在5 5 0 k i n 孰i 聱上。这个星群可以为不周的任务阶段重构小卫星的轨道，测试 不同的任务应用。 1 2 1 3t h r e ec o r n e rs a t e l l i t ec o b s t e l l a t i o n ( 3 c s a t ) i z l n l 1 9 9 5 年，美国空军科研办公室和国防高级研究计划局联合发布了一个有l o 所 大学参与的为期两年的项目。项目的目标是纳星的设计、装配和飞行被选中的 各个大学组成多个技术组，提出了相应的纳星计划，对编队飞行和分布式系统技 术进行验证，其中比较有代表性的是3 c s a t 星座 3 c s a _ r 是a s u 、c u 和订垤s u 三所美国大学的分布式纳星系统联合项目，这 个星座由三个几乎相同的纳星组成，于2 0 0 1 年发射，以实证立体成像、编队飞行， 蜂窝电话通信以及刨新的命令和数据处理技术。其想定层次结构如图1 3 所示，其 中a s u i 、c u i 、n m s u i 是地面控制站，分别是3 c s a t i - - 3 c s a t 3 的唯控制站， 对其它卫星贝i j 共享控制权 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 3c s a t 想定的层次结构 3 c s a t 有两个主要的目标，一个是小的( 2 5 0 m ) 和高动态( 表示卫星a g e n t j 在当前所拥有的必须完成的观测任务集， r 弓= “，巧，f ，) ，乃可以为空，其大小随着任务规划的进行而 变化，如新任务的加入、原有任务的执行完毕等都会改变该任务 集： 表示卫星j 对任务的可见时问窗口，可见时间窗口与卫星的侧 摆角一对应，总得来说，侧摆功能增加了卫星的可见范围，不 同的侧摆角度卫星的可见范围也不同。本文对时间窗口的计算包 加i 3 含对应的侧摆角度计算，时间窗口数据中也包含相应的侧摆角度 数据，因此，任何一个时间窗口帆都可以表示为一个五元组： j r j ，s t ，e t ，剐) 表示卫星j ，对任务的可见时间窗口集合， r 形# 。 9 硼= 叫，弼，怫) ； 表示卫星j ，在t 时刻所拥有的可用电源数量，电源是一种累积性 资源，其有最大容量限制，假定为户d 降，峨，其可用数量会随卫 p d 矽( f ) ： 星的活动演化而变化，如侧摆活动消耗电源而太阳能帆板的充 。 电活动则增加电源电源信息属于卫星的私有信息，每一个卫星 a g e n t 都只知道自己的电源信息而不知道其它a g e n t 的电源信 息 在多a g e n t 环境中，星群的任务规划的过程可以表述为一个五元组： “1 ) 其中各个符号的意义描述如下： 1 ) t 是分布