（信息与通信工程专业论文）面向卫星任务规划的专家系统应用技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 卫星任务规划是卫星运控系统的核心部分，在目标特性、卫星有效载荷能力、 地面接收资源等多种约束条件下，确定卫星工作模式，完成卫星、地面站资源和 数据传输资源的优化分配，对于充分利用星地资源，最大限度地发挥多星观测效 能，提高卫星运控系统的指挥效率具有至关重要的作用。 论文以应用需求为指导，将专家系统应用到卫星任务规划中，提出了面向卫 星任务规划的专家系统设计方案，对面向卫星任务规划的专家系统的知识表示方 法、推理机制和解释机制等关键技术进行了深入研究，论文主要的研究内容和创 新点如下： 1 、在对卫星任务规划业务进行深入分析的基础上，指出现有卫星任务规划面 临的问题，进而提出了面向卫星任务规划的专家系统的求解方案，并针对求解方 案进行了面向卫星任务规划的专家系统的设计。 2 、针对卫星任务规划问题的特点，建立了卫星任务规划知识库，提出了两种 形式的知识表示方法：基于c l 口s 的标准知识表达和扩充的中文产生式系统的知 识表达方法，进而实现了两种知识表达方式下知识库的知识转换和知识共享。 3 、基于c l s 推理引擎进行了卫星任务规划推理机的设计，推理机采用正向 推理机制、基于上下文的规则搜索控制策略、基于场景的阶段控制策略及针对性 排序的冲突消解控制策略，最后设计了集合运算符以实现卫星任务规划中的集合 推理操作。 4 、采用预置文本法与追踪解释法相结合的方法设计了卫星任务规划解释器， 其中预置文本法对用户的“w h y ”型问题进行解答，追踪解释法对用户的“h o w 型问题进行解答。 5 、实现了面向卫星任务规划的专家系统，为生成优化的卫星任务规划方案提 供了决策支持，提高了卫星任务规划的效率。 主题词：卫星任务规划专家系统知识表示控制策略c l i p s 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t s a t e l l i t es c h e d u l i n gi sc o r ec o n t e n to fs a t e l l i t ec o n t r o ls y s t e m i tc a nd e t e r m i n e w o r k i n gm o d e lo fs a t e l l i t e sa n dr e a s o n a b l ya l l o c a t er e s o u r c e sb e t w e e ns a t e l l i t e sa n d s t a t i o nu n d e rt h er e s t r i c t i o no fo b j e c tc h a r a c t e r i s t i c s ，s a t e l l i t ep a y l o a da n ds t a t i o ne t c i t p l a y saq u i t ei m p o r t a n tr o l ei nt a k i n gf u l la d v a n t a g e so ft h er e s o u r c e so fs a t e l l i t e sa n d s t a t i o n s ，m a x i m i z i n gt h ee f f i c i e n c yo fs a t e l l i t e so b s e r v i n ga n di m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c eo fs a t e l l i t ec o n t r o ls y s t e m g u i d e db yt h en e e d so fa p p l i c a t i o n , t h i sa r t i c l ea p p l i e de x p e r ts y s t e mt os a t e l l i t e s c h e d u l i n g ，m a d e a l li n t e n s i v e s t u d yt ok n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ，r e a s o n i n g m e c h a n i s ma n di n t e r p r e t a t i o nm e c h a n i s mo fs a t e l l i t e s c h e d u l i n g ，a n dp r o p o s e da m e t h o df o rt h ed e s i g no fe x p e r ts y s t e m h e r ea r ei t sm a j o rc o n t e n t sa n di n n o v a t i o n p o i n t s ： 1 、o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gs a t e l l i t es c h e d u l i n gt a s ki nd e p t h ，i ti n d i c a t e dt h e p r o b l e m so fe x i s t i n gs a t e l l i t es c h e d u l i n gs y s t e m ，a n dp r o p o s e das o l u t i o no fe x p e r t s y s t e mf o rs a t e l l i t es c h e d u l i n g a i m e da tt h es o l u t i o n ，i td e s i g n e da ne x p e r ts y s t e mf o r s a t e l l i t es c h e d u l i n g 2 、a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i co fs a t e l l i t es c h e d u l i n g ，i tb u i l tak n o w l e d g eb a s ef o r s a t e l l i t es c h e d u l i n ga n dp r o p o s e dt w of o r m st or e p r e s e n tt h ek n o w l e d g eo fs a t e l l i t e s s c h e d u l i n g ，t h a t i sc l i p sk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o na n dt h ee x p a n d e dc h i n e s e p r o d u c t i o ns y s t e m i tr e a l i z e dt h ek n o w l e d g e - s h a r i n ga n dk n o w l e d g e - e x c h a n g i n g b e t w e e nt h et w od i f f e r e n tk n o w l e d g eb a s e s 3 、i td e s i g n e da ni n f e r e n c ee n g i n eo fs a t e l l i t es c h e d u l i n go nt h eb a s i so fc l i p s r e a s o n i n ge n g i n e i ta d o p t e dp o s i t i v e - g o i n gi n f e r e n c em e c h a n i s m ，c o n t e x t - c o n t r o l s t r a t e g yo fr u l e ss e a r c h ，s c e n e - c o n t r o ls t r a t e g yo fp h a s ec o n t r o la n ds p e c i f i cs o r to f c o n f l i c tr e s o l u t i o nc o n t r o ls t r a t e g y ，a n dd e s i g n e dc o l l e c t i o no p e r a t o r sf o rt h er e a s o n i n g i ns a t e l l i t ek n o w l e d g ec o l l e c t i o n s 4 、i tc o m b i n e dp r e f a b r i c a t e dt e x tm e t h o da n dt r a c ki n t e r p r e t a t i o nm e t h o da n d d e s i g n e di n t e r p r e t e ro fs a t e l l i t es c h e d u l i n g 5 、i tr e a l i z e d e x p e r ts y s t e mf o rs a t e l l i t es c h e d u l i n g ，p r o v i d e ds u p p o r to f d e c i s i o n 。m a k i n g t o c r e a tr e a s o n a b l ea n do p t i m a ls c h e d u l i n g ，a n di m p r o v e dt h e e f f i c i e n c yo fs a t e l l i t es c h e d u l i n g k e yw o r d s ：s a t e l l i t es c h e d u l i n ge x p e r ts y s t e mk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n c o n t r o ls t r a t e g yc l i p s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 元规则表结构4 5 表4 。1 专家系统规则表一5 7 表4 2 资源使用规则表5 8 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 图3 图4 图4 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图目录 对地观测任务指挥控制过程一3 对地观测卫星任务实施过程1 0 卫星访问地面站冲突示意图1 2 专家系统的一般组成结构图15 解释机制的构成图18 f s s e s 系统组成框图2 1 f s s e s 系统的技术组成图2 3 f s s e s 系统应用流程2 5 对象属性值结构图3 8 f s s e s 系统的推理机制流程4 4 卫星任务规划的三类场景的激活模式图4 6 卫星任务规划推理阶段示意图4 9 面向卫星任务规划的专家系统功能组成图5 6 面向卫星任务规划的专家系统知识库结构图5 7 面向卫星任务规划的专家系统主要输入输出信息5 9 专家系统知识库维护人机交互界面。6 0 专家系统规则查询人机交互界面6 0 任务检测过滤界面6 1 面向卫星任务规划的专家系统推理结果界面6 1 第1 v 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人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：亘自里星堡垒拯刿鲍童窒丕统廑旦垫盎盟窒 学位论文作者签名：丛生 日期：2 ，。矗年，1 月j 手日 学位论文版权使用授权书 本人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向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阅；可以将学位论文的全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：亘自里星堡垒拯划鲍童塞丕统廑周笾丕盈窒 学位论文作者签名：丑生垒 日期：。a 年j j 月j 日 作者指导教师签名：f 毛杰堕 日期：卯髟年，月，孚日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 对地观测卫星，通过空间遥感仪器获取地球目标的图像和数据，已成为拍摄 地球表面图像，勘探和研究地球资源、监视和测量地球环境的重要手段，对资源、 环境以及各行各业的规划起着不可替代的作用【1 】【2 】。目前，对地观测卫星的指挥控 制技术受到各个大国的不断重视，卫星任务规划作为卫星指挥控制技术的关键， 已成为目前研究的重点。本文以对地观测卫星任务规划为背景进行课题研究。 1 1 课题研究背景 对地观测，即对地球观测( e a r t ho b s e r v m g ) ，源于8 0 年代中期美国对地观测系 统o s ) 。对地观测卫星，是从太空对地球表面资源进行观测，获取用户感兴趣的 地球目标图像并把图像传回地面的卫星。具有观测时间长、观测范围广、能够连 续高时效地观测地球表面、不受地形等自然条件限制的特点，在土地利用、矿产 资源、农业、水利、交通、能源、环境与灾害、发展与生态等全球观测和科学测、 量领域中起着越来越重要的作用。因此，对地观测卫星在国民经济建设和科技进 步中具有极其重要的应用价值，已成为获取地球资源的重要手段。根据成像机理 的不同，我们可以把对地观测卫星分为：可见光成像卫星、红外成像卫星和合成 孔径雷达( s a r ) 成像卫星。其中可见光成像卫星具有很高的地面分辨率，但只能在 白天无云的条件下工作；红外成像卫星，能昼夜工作，具有一定的识别伪装能力 和较高的温度分辨率。合成孔径雷达成像卫星具有全天候、全天时工作能力，具 有一定的识别伪装能力1 1 j 【2 j 【4 1 。 自从1 9 5 7 年前苏联发射第一颗人造地球卫星以来，各国已向空间发射了5 0 0 0 余颗卫星或空间飞行器，其中相当大部分为对地观测卫星，中国共发射4 8 颗卫星， 包括1 7 颗对地观测遥感卫星。目前，拥有自行研制和发射人造卫星能力的国家已 有8 个( 俄、美、法、日、中、英、印度和以色列) ，2 0 多个国家和地区拥有自己 研制的卫星。越来越多的国家和地区开始发展卫星及其相关应用技术，以便在政 治、军事、经济等方面在国际上争取主动1 】【3 】【刀【l o 】【l l 】【1 2 】。 美国是目前成像卫星系列最多，技术最强的国家。自从1 9 6 0 年成功发射世界 第一颗用于军事侦察的高分辨率对地观测卫星以来，美国的成像卫星已经发展了 六代。6 0 年代美国发射第一颗回收型成像卫星锁眼系列k h 1 ，7 0 年代发射第一 颗传输型成像卫星k h 1 1 ，地面分辨率为0 1 5 m 。1 9 8 8 年发射第一颗“长曲棍球 雷达成像卫星，分辨率为0 3 m ，1 9 8 9 年发射第六代成像侦察卫星k h 1 2 ，其分 辨率达到了0 1 m ，观测幅宽为4 0 5 0 k m ；在商业成像卫星方面，7 0 年代研制出 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一代资源卫星即陆地卫星( l a n d s a t ) 系列，1 9 9 9 年发射的i k o n o s 2 卫星分辨率 达到了l m ，2 0 0 1 年发射的q u i c k b i r d 一2 卫星分辨率达到0 6 1 m 。俄罗斯的成像卫 星至今也发展了七代，其资源系列卫星的分辨率为2 m 7 m ，之后又利用s a r 成像 的a l m a z 1 等卫星，卫星分辨率发展到了零点几米。法国的地球资源卫星( s p o t ) 系列，从1 9 8 6 年的s p o t 1 到2 0 0 2 年的s p o t 5 ，其全色片分辨率已经达到2 5 m 。 我国于1 9 7 7 年开始发射返回式对地观测卫星，并于1 9 9 9 年成功发射了第一颗长 寿命、传输型遥感卫星c b e r s 1 ，这是我国地球资源航天遥感的里程碑，结束了 我国完全依赖国外资源卫星数据的历史。近1 0 多年来，除了原有卫星系列传感器 不断更新换代之外，新一代成像卫星纷纷发射升空。其他如巴西、日本、加拿大、 印度及欧洲空间局等也相继研制发射了许多卫星，其遥感数据向高空间分辨率、 高时间分辨率和高光谱的方向发展。 对地观测卫星在一定高度的轨道上运行，根据用户需求对地球上的资源进行 成像，所获取的图像数据通过数据传输通道或中继卫星传输至地面站，也可以通 过胶卷返回舱传回地面，地面数据处理中心通过分析判读图像数据，来获取用户 需要的各种有价值的信息。 对地观测任务指挥控制过程实施如下：首先用户提出任务请求，地面运控系 统根据任务需求的目标特性、时间要求、覆盖性要求等因素，卫星资源的轨道信 息、有效载荷能力、优先级等因素，地面接收资源的设备接收能力及优先级等因 素，业务规则，以及卫星各项约束条件( 包括能量约束、太阳高度角约束、星载 存储器容量约束、阴影区影响约束等) 进行卫星任务规划，然后地面运控系统依 据卫星任务规划的结果生成卫星载荷控制指令，经地面测控系统将载荷控制指令 发送至卫星执行，卫星执行后将获取的任务目标数据发送至地面应用系统，地面 应用系统对任务目标数据进行数据处理和综合分析，生成用户所需的产品，并最 终将产品转发给用户。对地观测任务指挥控制过程如图1 1 所示【5 】【6 】【8 】： 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 乏z 飞 图1 1 对地观测任务指挥控制过程 从上图可以看出，卫星任务规划在整个对地观测指挥控制过程中起着关键的 作用，其结果直接影响到对地观测系统的观测任务执行效果。 随着空间对地观测技术的发展，世界各国都越来越多地采用小卫星星座系统 技术实现空间运行，在地面分辨率和重复观测时间间隅上更好地满足用户的需求。 目前，在轨运行的卫星数量和种类越来越多，与此同时，用户对卫星的需求也逐 渐增多，日益多样化。多星组网和多星任务需求使得卫星任务规划面临星地资源 的优化分配问题，问题的复杂度随着卫星资源的增长而增加。对卫星资源进行合 理安排、充分利用以最大化满足用户需求，己成为迫切需要解决的问题。 对地观测卫星运行于特定的轨道高度上在同一轨道圈内可以对星下点的多 个地面目标实施观测，每个目标都只有有限的观测时间窗口，为了获取尽可能多、 尽可能重要和覆盖效果尽可能好的地面目标，充分利用宝贵的卫星资源，需要对 在什么时间、采用何种模式、对哪些目标实施观测进行规划。规划后的结果就称 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 为卫星任务规划方案，相应的过程就称为卫星任务规划【7 】【引。 在我国卫星任务规划技术发展之初，需要大量的卫星设计工程师、有效载荷 设计工程师与卫星用户合作，凭着积累的经验对用户需求和卫星各项约束条件进 行分析，制定出一个合理可行的规划方案。这种传统的规划方式消耗了大量的人 力、物力和财力，造成了资源利用率低且规划效益不高的问题，因而有必要改变 这种传统的规划方式。随着用户需求的多样化和在轨卫星数目的不断增加，以往 的人工规划方式已经不能满足规划需求。为此，必须针对不同用户的任务需求和 多个卫星资源信息及约束条件进行分析处理，对可能发生的用户意外需求还必须 制订出科学合理的应变规划方案。显然，这一问题的复杂性实际上已超出了人们 常规的决策能力，唯有借助智能高效的规划系统才可能有效地解决。 因此，构建智能高效的卫星任务规划系统有助于更有效的利用卫星资源，合 理安排各个卫星的工作任务，合理利用地面站资源，实现星地资源的优化分配和 均衡调整，实现对地观测数据的优质获取和高效传输，达到最大化满足用户需求 的目的。 随着我国航天事业的迅速发展，卫星在通信广播、导航定位、地球资源和环 境监视、军事侦察、测绘和气象各领域得到广泛应用，如何更好、更快、更高效 地进行卫星任务规划，进而有效合理地使用星地资源，以实现更佳的投入产出比， 成为了一个亟待解决的问题。按照卫星规划的要求，搭建智能化的卫星任务规划 平台，将任务合理分配给不同的卫星，确定卫星工作模式，完成卫星、地面站的 分配和均衡调整，生成卫星任务规划方案，使尽可能多和尽可能重要的目标数据 以最合理最迅速的方式被相应的卫星获取，更有效的发挥卫星价值 7 】【9 】【1 0 1 。 1 2 课题研究现状 本课题着重研究面向卫星任务规划的专家系统技术，因此，本文的研究现状 围绕卫星任务规划与专家系统两方面进行阐述： 一、 卫星任务规划 卫星任务规划是个复杂的问题，多采用根据卫星的约束条件建立问题分析模 型，并采用相应的智能搜索算法进行问题的求解【5 】【6 1 。 h a r r i s o n 4 1 】根据成像约束条件建立了整数规划模型，使用穷尽搜索的思想求解 规模较小的任务调度问题。b e n s a n a 4 3 1 ，v e r f a i l l i e 叫在s p o t 任务调度研究中提出一 种值约束满足问题( v a l u e dc o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o np r o b l e m ，v c s p ) 模型，采用了 类似于分支定界法的r u s s i a nd o l ls e a r c h 算法，但未考虑卫星与地面站之间的数据 传输。g a b r e l 4 4 j 在成像约束的有向无圈图的基础上应用标记校正的思想求取多目标 条件成像路径。张帆【6 】同样在有向无圈图模型的基础上提出了基于最早生成优先策 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 略和基于侧视角度最小优先策略的多目标最短路径算法。贺仁杰【l 列建立成像任务 的约束满足问题模型和混合整数规划模型，使用禁忌搜索算法对相应的问题模型 进行。美国国家航空航天局( n a s a ) 针对多颗卫星及小卫星群使用遗传算法开发 了多个原型及实用系统【4 5 j 。 中国科学院空间科学与应用研究中心提出了卫星模型、推理机支持下的智能 规划与调度技术结构和采用分层a g e n t 控制的自主控制系统【1 5 】【1 6 】【1 刀。 除了上述任务调度技术，还出现了有关任务调度的通用商用软件系统【5 】【6 】。 目前通用商用软件系统有美国v e r i d i a n 公司开发的通用资源、事件、活动调 度系统【47 j ( g e n e r i cr e s o u r c ee v e n ta n da c t i v i t ys c h e d u l e r ) 系统、美国a n a l y t i c a l g r a p h i c si n c 4 引，a g i 公司在2 0 0 3 年5 月推出的卫星工具包( s a t e l l i t et o o lk i t ， 简称s t k ) 软件的调度模块s t k s c h e d u l e r 和v e r i d i a n 公司的g r e a s 专用于 构建卫星任务规划及资源调度应用的软件平台。此外美国n a s a 的j p l ( 美国喷 气推进实验室) 的a l 工作组专门研究开发了a s p e n 【1 8 】【5 0 】【5 l 】【1 9 1 【4 9 】通用的计划与调 度环境的软件系统，a s p e n 是一个基于人工智能技术的可以重构应用系统的开发 工具，实现了任务规划与调度框架的模块化，主要用于航天器日常运行中的规划 与调度。作为a s p e n 的应用，在“新盛世计划 的第一个近地卫星e o i 和美国 海军u f o 1 卫星中采用了由a s p e n 自主生成的运行规划表。 此外，在j p l 的a i 工作组的配合下c o l o r a d o 空间保障学院的j w i l i i s 和 s s i e w e r t 等为其1 9 9 7 年7 月上天的d a t a c h a s e r ( s t s 8 5 的搭载飞行试验) 有 效载荷开发了d c a p s ( d a t a c h a s e r 自主规划与调度) 系统【1 9 】【4 5 1 。 二、 专家系统应用 专家系统是人工智能领域应用研究最活跃和最广泛的领域之一，同时也是最 成功的领域之一。从1 9 6 5 年到1 9 6 8 年，d e n d r a l 3 4 】系统在美国斯坦福大学的研 制成功，标志着专家系统的诞生。2 0 世纪7 0 年代，一批技术相对成熟的专家系统 的成功，关于专家系统通用性研究的骨架系统和通用表示语言的思想己形成。1 9 7 7 年，e a f e i g e n b a u m 教授在第五届国际a i 联合会上提出了知识工程的概念，代表 专家系统技术已基本成熟。到了8 0 年代，专家系统从研究性质逐步走向商品化。 目前，专家系统己成为世界各国最热门的竞争性研究课题，日本、美国、英国等 国家纷纷将其列为国家重点研究项目 2 h 2 2 】【2 4 1 1 3 5 】【3 6 】。 目前，出现了一批通用程度不等、类型不同的专家系统工具【2 2 】【3 9 】应用于航天 领域，包括骨架开发工具和语言开发工具。骨架开发工具具有快速方便的开发性 能，但应用范围很窄，只能用来解决与原系统相类似的问题 2 2 】；语言开发工具是 专门用于构造和调试专家系统的通用程序设计语言，并不与具体的体系和范例有 紧密联系，所提供给用户的是建立专家系统所需的基本机制，用户可以通过一定 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的手段来影响其控制策略，因此适用范围比骨架型工具广泛的多。但使用比较困 难，用户不易掌握，同时对于具体的领域知识的表达也比骨架型工具困难【2 2 1 。 从p r o s p e c t o r 系统派生出来的k a s ( k n o w l e d g ea c q u i s i t i o ns y s t e m ) 是一 种骨架型系统，已经用来开发空间飞机机型识别专家系统；在语言型工具中，r o s i e ( r u l e - - - o r i e n t e ds y s t e mf o ri m p l e m e n t i n ge x p e r t i s e ) 是第一个专家系统的通用程序 设计系统，已用它开发了空战规划专家系统，其特点是基于规则和面向英语解释； 另一个著名的语言工具k e e ( k n o w l e d g ee n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ) 建造了卫星失灵 诊断的实用专家系统，它把基于框架、基于规则和面向对象的方法结合在一起， 提供了一种多范例程序设计环境，由于可做非单调推理，适用于设计范围较大的 实用专家系统。c l i p s 是美国航空航天管理局( n a s a ) 推出的一种通用产生式语 言型专家系统工具，具有与o p s 5 相似的语言推理和表示能力，但功能更强，推理 效率更高，同时c l i p s 规则与e c l i p s e 、j e s s 规则的语法表现形式极为相似【2 5 1 ，由 于它具有推理效率高、可移植性好、成本低和易于与外部集成的特点，已经广泛 应用于航天的各个领域【3 0 】【3 l 】【3 3 】f 3 7 】【3 8 】【5 2 】【5 3 1 。 在我国航天应用领域，专家系统主要用于设备故障诊断方面【3 0 】【3 1 】【3 3 】【5 2 】【5 ”，如 航天器故障诊断专家系统、空间推进器故障诊断专家系统、卫星姿态控制故障诊 断专家系统和航天发射决策支持系统等都已经开发研制。 三、 现有研究的特点 1 目前普遍的问题求解思路是结合卫星有效载荷特点对卫星约束条件进行 抽象，在此基础上建立恰当的任务规划模型，并采用相应的智能搜索算法进行求 解。 2 各国卫星系统性能指标及工作模式差异较大，这使得相应的模型、算法不 具有可移植性，产生了多种类型不同的任务规划模型及其对应的算法；目前已有 少数通用或专用的卫星任务规划调度软件系统，都不能完全满足实际中具体的卫 星任务规划要求。 3 针对多颗卫星规划的系统结构和处理模式仍处于研究和探索阶段，可检索 的资料不多，其理论模型和求解方法的研究都还很不完善。 4 各国的对地观测卫星系统的卫星约束条件差别较大，因此现有的卫星任务 规划研究并不完全适合国内的卫星任务规划的实际应用需求。 5 专家系统虽已广泛应用于航天各个领域，但在卫星任务规划领域的应用还 处于开发研制阶段，目前尚无卫星任务规划专家系统的开发实例。 1 3 论文研究内容与组织结构 1 3 1 论文的研究内容 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 本文以我国实际应用的某卫星地面运控系统中的任务规划子系统为背景，提 出了面向卫星任务规划的专家系统的设计思想，并对其中的关键应用技术进行了 研究，为充分利用有限的星地资源，发挥它们的最大综合效益，高效制定卫星任 务规划方案提供了基础。 本文的主要研究内容及成果包括： 1 对对地观测卫星的任务规划问题进行了分析，提出以专家系统技术来解决 卫星任务规划现存问题的解决方案。 分析了对地观测卫星任务规划中的各种因素和现存问题，对专家系统的基本 技术进行了概述，讨论了为什么要以专家系统技术来解决卫星的任务规划现存问 题，提出了面向卫星任务规划的专家系统的设计思想，给出了面向卫星任务规划 的专家系统的总体结构设计方案。 2 提出了面向卫星任务规划的专家系统得知识表达方法。 针对卫星任务规划问题的特点，提出了使用两种知识表达形式的综合知识表 达方法：c l i p s 标准知识表示和扩充的中文产生式系统的知识表示。采用了c l i p s 标准知识表示，以利用它高效的推理引擎；基于c l i p s 标准知识表示建立了扩充 的中文产生式规则模型，提出了扩充的中文产生式系统的知识表示，来表达卫星 任务规划知识。同时，设计了语法转换器来解决两种不同知识表达下知识库之间 的知识共享和知识转换问题，设计了语法解析器来解析后续规划算法中需要使用 的资源使用规则。 3 研究了面向卫星任务规划的专家系统的推理机制。 结合卫星任务规划的实际业务需求，基于c l i p s 推理引擎设计了面向卫星任 务规划的专家系统的推理机。该推理机采用正向推理机制、基于上下文的搜索控 制策略、基于场景的阶段控制策略和针对性排序的冲突消解控制策略，同时设计 了集合运算符，来解决卫星任务规划中的集合推理问题，使推理机更适应卫星任 务规划的实际需求。 4 研究了面向卫星任务规划的专家系统的解释机制。 讨论了专家系统的解释机制，基于正向推理机制，采用预置文本法与追踪解 释法相结合的解释机制，并依据该机制设计了本系统的解释器。 5 基于上述关键技术，实现了面向卫星任务规划的专家系统。 该系统的构建和运行，验证了本文研究技术的可行性和有效性。 1 3 2 论文的组织结构 本文的内容组织如下： 第一章，绪论。主要介绍了课题的研究背景与现状，课题的研究内容和本文 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 内容的组织结构。 第二章，面向卫星任务规划的专家系统的总体结构。首先分析了卫星对地观 测过程及特点，面向卫星任务规划业务，分析了现有卫星任务规划中存在的问题。 然后分析了专家系统的技术特点，提出了采用专家系统来解决现存卫星任务规划 问题的新思路，最后给出了面向卫星任务规划的专家系统的总体结构设计方案。 第三章，面向卫星任务规划的专家系统的关键技术研究。首先提出了采用两 种知识表达形式的综合知识表达方法，来表达面向卫星任务规划的专家系统的知 识。其中，c l i p s 的标准知识表示只能表达规划知识中的专家系统知识。在对c l i p s 标准b n t ( b a c k u s - n a u rf o r m ) 范式进行扩充的基础上，建立了扩充的中文产生式 系统模型来表达面向卫星任务规划的专家系统的知识。然后基于c l i p s 推理引擎， 采用上下文限制的推理控制策略、场景限制的阶段控制策略和针对性排序的冲突 消解策略，来提高任务规划的推理效率，实现系统对整个规划的流程控制。在集 合推理运算方面，引入了集合运算符，来解决面向卫星任务规划的专家系统的中 的集合逻辑推理问题。最后采用预置文本法与追踪解释法相结合的方法进行了任 务规划系统解释器的设计。 第四章，面向卫星任务规划的专家系统的系统实现。针对我国卫星任务规划 的实际需求，设计实现了面向卫星任务规划的专家系统。首先介绍面向卫星任务 规划的专家系统框架设计的思想以及系统的运行流程，接着给出专家系统的模块 化设计，对各个模块的功能进行了详细阐述。 第五章，总结与展望。主要是对已有工作的体会和总结，以及对下一步工作 的展望。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章面向卫星任务规划的专家系统总体结构 通过对上一章现有研究的特点进行分析，我们发现目前卫星任务规划应用系 统存在几个方面的不足，首先卫星模型的设计与具体卫星载荷设备结合紧密，系 统不具有一般性和通用性；其次，系统规划数据量大，采用常规的智能搜索算法 求解速度慢：再次，在目前的规划系统中，卫星工作模式很难通过算法来确定； 最后，由于规划系统的差异，尚未考虑多星数据下传中地面站任务冲突的影响。 鉴于此，本章根据我国卫星任务规划的特点，提出了采用专家系统来解决卫星任 务规划中所面临的问题。 本章首先分析了卫星对地观测过程及特点，在对卫星任务规划问题进行分析 基础上，指出了现有卫星任务规划中的不足和存在的问题。然后分析了专家系统 的技术特点，提出了采用专家系统来解决现有卫星任务规划问题的新思路，并对 面向卫星任务规划的专家系统进行了总体的架构设计。 2 1 卫星任务规划问题分析 为了对卫星任务规划问题进行分析，我们在上一章对地观测卫星任务实施过 程分析基础上，进一步对数据获取活动和数据下传活动进行概述。 2 1 1 对地观测卫星任务实施过程概述 对地观测卫星围绕地球飞行，运行于自身的特定轨道上，获取所需目标的图 像信息并将目标的图像信息记载在胶片或磁记录器上，通过回收或无线电传输方 式送回地面，地面数据处理中心对接收的图像信息进行加工处理和判读识别，将 处理后的数据转发给用户，以满足各类用户需求。 因此，对地观测卫星的任务主要是根据用户请求获取用户感兴趣目标的对地 观测数据。根据对地观测卫星任务的工作流程，对地观测卫星任务主要可分为两 部分活动：观测数据获取和观测数据下传。对地观测卫星任务实施过程如图2 1 所 示： 第9 页 国防科学技术丈学研究生院硕士学位论文 酾蹲五。； 图2 1 对地观测卫星任务实施过程 1 、观测数据获取： 观测数据获取是指对地观测卫星利用卫星机载设备，如可见，红外成像光谱仪、 s a r 等，对用户感兴趣地面目标进行观测，将观测所得的数据存储于星载存储器 上的过程： 在对地观测数据获取活动过程中，卫星只有在观测目标的可视时问窗口时， 才能实施观测任务，即当卫星对目标具有可访问性时，才能对目标实施观测。由 于需要观测的目标数日较多，而星载存储器容量有限，当图像数据超出存储器容 量限制时，卫星无法继续实施观测。因此卫星需要及时的进行观测数据下传，以 满足更多的对地观测需求。 2 、观测数据下传： 观测数据下传是指当卫星飞经地面站上空时，将所获取的图像数据通过数据 传输通道直接传回地面站，或是通过胶卷返回舱或中继卫星传回地面站，以供地 面数据处理人员进行处理的过程。 在观测数据下传过程中，卫星通过信号传输通道将观测信息传输给地面站跟 踪接收系统。同上观测数据获取类似，卫星只有在地面站跟踪接收范围内，即卫 星与地面站存在可视时间窗口时，才能进行数据下传。一般来说，可视窗口从几 分钟到十几分钟不等。目前，我国的地面站跟踪接收系统大部分位于我国境内， 当卫星在境外实施观测后，一般都需要飞回境内才能进行观测数据下传，因此星 载存储器往往满载。由于星地间数据传输速率的限制，在有限的可视时阃窗口内， 满载卫星无法在一个地面站内下传所有的观测数据，因此多地面站联合接收成为 第1 0 页 隰， 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 可能。 由上可知，对地观测任务就是根据用户请求获取用户感兴趣目标的数据的活 动。因此，卫星实施观测任务的主要目的是为了满足各类用户需求。目前，随着 卫星技术的不断发展，尽管在轨运行的卫星数量不断增加，但相对于迅速增长的 用户需求，有限的卫星成像资源仍然显得异常宝贵。如何利用有限的卫星资源， 针对不同用户的任务需求进行卫星任务规划，实现星地资源的有效分配和均衡调 整，对于有效、充分、合理的发挥对地观测卫星系统的能力显得至关重要。 2 1 2 卫星任务规划问题 卫星任务规划需要考虑观测目标的随机分布特性和复杂观测需求，受限于地 面站的数据传输约束，以及不同载荷类型卫星对不同需求任务的满足程度，同时 需要分析数据传输和观测任务规划的相互影响，并消解多星访问同一地面站的冲 突。由于受到的约束限制复杂，不同约束间耦合性比较高，同时需要考虑多种影 响因素，是一个非常复杂的问题。另外受限于我国目前航天技术发展现状，与国 外卫星应用中软硬件发展存在的若干差异，使得我国卫星应用中约束情况尤其复 杂，这在一定程度上使得卫星任务规划问题更复杂。 所谓卫星任务规划就是面向卫星观测的应用需求，综合考虑观测卫星的载荷 使用特点，以及固定和机动地面站等接收资源，根据不同的优化规划模式和观测 任务类型，采用不同的规划策略进行规划，为各卫星和地面站分配任务，确定卫 星工作模式，生成满足不同任务类型的卫星观测方案和数据接收方案。 其中任务是指依据目标区域可访问性原则，确定的点目标对地观测任务。而 目标区域可访问性原则是指卫星可以访问的目标，即根据卫星轨道参数，确定卫 星可以观测的地面目标。 卫星任务规划包括两项核心业务：星地资源的分配和卫星工作模式的确定。 一、星地资源的分配 星地资源的分配主要涉及三种资源：卫星有效载荷、跟踪接收地面站和数据 传输资源。如何在有限的时间内合理进行资源分配，实现资源的最大化利用，以 获取尽可能多、尽可能重要和覆盖效果尽可能好的目标信息，是我们需要解决的 卫星任务规划问题之一。 因此，卫星任务规划问题，是一个权衡各种因素来分配各卫星任务和各地面 站任务以达到综合效益指标最大化的问题，该问题的难点在于多颗卫星对于同一 目标进行观测、单颗卫星对于同一目标的重访以及多颗卫星在同一时段内访问同 一地面站时的任务分配问题。 1 ) 多星对于同一目标进行观测及单星对同一目标的重访 第l l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 卫星围绕地球飞行和地球的自转使得卫星观测范围可以覆盖一定的地面区 域，可以通过对卫星轨道的计算来确定卫星的对地覆盖范围。由于不同卫星的轨 道设计不同，其对应的对地覆盖范围也不同，但卫星在运行过程中覆盖区域可能 会出现交叠，因此同一地面目标由于落在不同卫星的覆盖范围内，就有可能被不 同卫星在不同的时刻观测。除了有特殊要求，一般只需要对e l 标进行一次观测。 为了避免同一个目标在一次任务规划时间段内被多个卫星观测，需要合理安排卫 星资源，尽量避免卫星重复观测任务。同时，每隔一段时间，对地观测卫星会对 某一地面目标进行周期性的访问，我们称为卫星对目标的重访。由于卫星的有效 载荷使用约束以及卫星姿态和侧视调整时间隔约束的影响，卫星对目标的重访往 往会对后续目标的观测产生影响，因此必须对卫星资源进行统筹安排，使得每个 卫星能观测到更多、更好、更重要的目标。 多星在同一时段内访问同一地面站 卫星对地面目标实施观测后需要将观钡4 数据传输给跟踪接收地面站。当多颗 卫星经过同一地面站时，可能会产生过站时间上的重叠。如图2 2 所示，s a t l 和 s a l 2 同时经过地面站s t a t i o n l 。由于跟踪接收地面站的一套设备在某一数据接 收时间范围内只能对一颗卫星进行数据下传活动，因此，多颗卫星同时对地面站 的访问，就造成了卫星数据下传的冲突，我们称为地面站任务冲突。因此，卫星 任务规划系统需要综合考虑卫星因素和地面站因素，来消解地面站任务冲突问题， 使得地面站能够接收数据量仅可能大，尽可能重耍的目标观测数据。 图22 卫星访问地面站冲突示意图 二、卫星工作模式的确定 卫星任务规划同时涉及卫星工作模式的确定问题，卫星工作模式的使用，直 接影响到卫星观测结果。为各个任务选定卫星工作模式实际上就是对任务中的卫 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 星工作模式进行规划问题，是卫星任务规划的另一项核心业务。卫星工作模式的 确定与地面目标的特性、用户任务的需求和先验知识的完备性有关。如何在有限 的时间内合理确定卫星的工作模式，以满足不同的用户需求，也是我们需要解决 的卫星任务规划问题。 因此，卫星任务规划就是从大量的用户任务需求中，选择满足复杂约束条件 下的优化的星地任务分配方案，依据全局优化原则，确定卫星工作模式，它属于 一个复杂的组合优化问题。在多星规划系统中，如果把单个卫星从整个系统中剥 离出来，独立