陆地生态系统碳监测卫星自主任务规划研究

低轨遥感卫星往往以全球或全国范围内的特定地物为探测目标。为提高卫星在轨运行的自主性,文章提出了一种面向地物目标属性的遥感卫星自主任务规划方法。首先外推出预报点90 min后的星下点经纬度,并根据星载地图和太阳高度角,得到预报点的阳照/阴影、陆地/海洋、境内/境外属性。对地物目标属性信息进行平滑处理后,根据各载荷的地物目标属性,识别出各载荷的工作任务时间段,可实时实现提前约1个轨道圈的载荷自主任务规划。

低轨星座传感器资源调度的自主任务规划建模方法

低轨星座传感器资源的优化调度是复杂多约束下的任务规划问题,为了满足多个运动目标全程跟踪与监视的资源实时优化调度需求,提出一种星上自主快速求解的规划模型.在对自主任务规划问题进行详细建模的基础上,考虑各项约束条件与优化因素,将原问题转化成简易的0-1线性整数规划模型,并构建多目标跟踪试验场景对所提方法进行了仿真验证.仿真结果表明,基于简易规划模型的资源调度可实现多目标的全程跟踪与监视.

深空探测器多智能体强化学习自主任务规划

针对深空探测器执行附着任务时各子系统协同规划自主性、快速性和自适应性的要求,提出一种基于近端策略优化方法的多智能体强化学习协同规划,将单智能体近端策略优化算法与多智能体混合式协作机制相融合,设计了一种多智能体自主任务规划模型,并引入噪声正则化优势值解决多智能体集中训练中协同策略过拟合的问题。仿真结果表明,多智能体强化学习自主任务规划方法能根据实时环境变化,对智能自主优化小天体附着任务的协作策略适时调整,与改进前的算法相比提高了任务规划成功率和规划解的质量,缩短了任务规划的时间。

面向智能敏捷卫星的自主任务规划与调度

针对卫星机动能力提升和场景需求更加复杂的实际,设计了一种面向智能敏捷卫星的启发式调度方法。基于智能敏捷卫星系统,给出了调度问题的模型化描述;在此基础上,给出了滚动调度的自主任务规划调度框架,并基于系统延时指令和实时指令两个工作模式,在调度时机决策上分别采用混合触发机制和动态触发机制,并在调度算法上分别采用基于规则和优先级的启发式算法。另外,为了验证模型与算法在实际星上环境的表现,在板卡硬件上完成调度系统的设计与实现,并进行仿真实验,用以测试硬件系统的调度效果和延迟时间。

北京三号A卫星自主任务规划地影快速预报方法

星上自主任务规划是北京三号A卫星的一项创新性技术,显著提升了卫星的好用、易用性和智能化水平。为了满足自主任务规划的高实时性要求,文章提出了一种卫星进/出地影时刻的快速预报方法。首先,基于太阳-地球-卫星的相对位置关系,建立了每个轨道圈内卫星进/出地影时刻的解析估算模型和进/出地影时刻卫星满足的非线性方程;然后,基于获得的进/出地影时刻的估计值,使用对分法迭代求解非线性方程,获得进影和出影时刻的精确结果。仿真结果表明:在星载处理器上使用该方法预报一天的地影时间耗时约1.1 s,计算速度比现有星上预报算法提升了约100倍,具有较高工程应用价值。

敏捷卫星动中成像自主任务规划算法

针对敏捷卫星动中成像(APBI)自主任务规划所涉及的关键算法进行了研究。首先,基于载荷幅宽和卫星轨道设计了区域目标斜条带拼幅成像垂轨条带划分算法;其次,建立了描述观测点位置与成像时间关系的连续可导的斜条带成像轨迹模型,进而推导出了敏捷卫星动中成像的三轴姿态规划算法;再次,为了发挥出卫星的最大机动能力,提出了一种基于六阶多项式姿态机动模型的动中成像任务间最短姿态机动时间求解算法;然后,设计了兼顾观测效率与质量的两级任务优化调度算法,包括基于分支定界算法与两种裁剪枝规则的及早观测搜索和观测队列最佳窗口倒序平移,在最大化观测目标数量的基础上将成像质量调整到最优;最后,在星载处理器上进行了仿真实验,仿真结果证明了本文所提算法的正确性和有效性。

基于轨道系太阳矢量的卫星自主任务规划设计

为了减少地面人工操作失误带来影响,增加卫星在轨任务执行成功率,本文对太阳同步近圆轨道卫星星上自主任务规划进行了探讨,提出了一种根据轨道系太阳矢量规划载荷任务的方法.利用轨道系太阳矢量,推导卫星与太阳的相对位置和角度变化,计算出卫星载荷任务的起止时刻等关键点,进而控制星上单机进行任务观测.结果表明,该方法可显著减少卫星执行任务时所需要地面上注的指令条数,减少由于地面上注时延带来的观测误差,本文所提方法可为相关卫星自主任务规划提供工程借鉴,为未来提供星上在轨智能决策提供理论参考.

敏捷成像卫星自主任务规划方法

在观测需求动态变化的情况下,由于存在时间窗口限制等因素,地面根本无法快速调整卫星的观测方案。为快速响应需求变化,唯有让卫星具备自主任务规划能力。对敏捷成像卫星自主任务规划问题进行了研究,提出将规划、决策、执行和信息反馈相结合的自主任务规划模式与框架,介绍了框架结构和模块功能。在分析问题主要约束条件的基础上建立了问题模型,提出一种滚动规划启发式算法,利用连续的多次局部规划替代一次性全局规划。通过实验表明了问题模型、自主任务规划模式与框架的合理性,验证了算法的有效性。

北京三号卫星自主任务规划设计与在轨应用

北京三号卫星是2021年6月发射的一颗具备智能化、超高敏捷、动中成像等特征的新型敏捷遥感卫星,自主任务规划作为其一项创新性技术,显著提升了卫星的好用易用性和智能化水平.本文介绍了北京三号卫星的运行模式和载荷工作模式;详细阐述了自主任务规划的设计,包括梳理了任务规划的核心功能与关键技术指标,提出了基于国产DSP处理器的自主任务规划硬件系统设计,设计了从地面原始任务信息上注到星上规划各分系统元任务块输出的自主任务规划完整信息流,并详细介绍了自主任务规划软件的各个功能模块及其实现方法;最后,总结了过去一年北京三号卫星自主任务规划在轨测试与应用情况,规划快速、准确、协调,其稳定优异的表现证明了设计的合理性和有效性.

一种支持自主任务规划调度的航天器系统建模方法

在对航天器系统建模方法和任务规划域建模方法全面分析的基础上,提出了一种支持自主任务规划调度的航天器系统建模方法。然后,通过对完成自主交会对接的追踪航天器系统实例建模详细说明了该方法。最后在搭建的验证环境中,对构建的可执行航天器系统模型和基于该模型实现的自主任务规划调度系统进行了多次不同想定的仿真推演。验证结果说明:该方法不仅能够满足航天器自主任务规划调度的需求,而且具有很好的可重用性和可扩展性。

基于分布估计算法的多无人飞行器自主任务规划研究

针对多无人飞行器(unmanned aerial vehicle,UAV)执行多任务的分布式自主任务分配进行了研究。首先采用分布估计算法对各UAV进行各自的独立任务分配,在此基础上,考虑时序约束及任务效能,基于相邻通信信息进行各UAV间的分布式任务冲突消解,提出多优势个体协调机制,以充分提高系统的整体效能,减少通信消耗,仿真结果表明了任务分配模型的正确性及求解方法的有效性。

一种快速响应型小卫星的自主任务规划设计与应用

浦江一号卫星是由上海航天技术研究院研制的一颗快速响应型小卫星,于2015年9月成功发射,卫星质量347 kg,运行在高度481 km的太阳同步轨道。为高效、高精度识别定位地面大范围广泛而随机分布的电磁辐射目标,浦江一号卫星提出了基于单星电磁信号监测载荷与光学成像载荷综合应用的在轨自主任务规划方案。在轨应用表明:该设计解决了电磁信号监测与光学成像高效协同难题,实现了星上自主任务规划时间快于0.10 s,引导指向精度优于0.10°,单次任务连续引导目标数量多于10个,为后续多手段遥感卫星的综合应用及在轨自主任务规划设计提供借鉴。

高分三号卫星自主任务规划设计与在轨验证

对高分三号(GF-3)卫星的工作模式以及地面操作指令形式进行介绍,在此基础上设计了自主任务规划,提出单次记录、单天线单站边记边放、单天线双站边记边放等9种自主任务规划编排指令模板。自主任务规划设计在GF-3卫星常规执行任务中的应用结果表明:设计合理、操作便捷,能有效地提高GF-3卫星的好用易用性,可为后续SAR卫星设计提供参考。

基于注意力神经网络的对地观测卫星星上自主任务规划方法

星上自主任务规划是对地观测卫星自主运行的关键技术之一,近年来得到了研究人员的高度关注。考虑到星上计算资源有限,以及星上任务、资源动态变化等特点与挑战,现有研究主要采用启发式搜索算法对卫星星上自主任务规划问题进行求解,但这类算法还有待进一步优化。文中首先构建了一种新的观测任务序贯决策框架。基于该框架,对地观测卫星可以实时决策要执行的观测任务,而无须预先生成任何观测方案。然后,将注意力机制和循环神经网络相结合,设计了观测任务决策模型、任务特征表示方法以及模型训练方法,提出了一种基于注意力神经网络的观测任务序贯算法;最后,基于多组随机数据对所提算法、两种深度学习算法以及两种启发式在线搜索算法进行了比较。实验结果表明,所提方法的平均响应时间不到已有深度学习算法的1/5,收益误差远低于启发式搜索算法,证实了所提方法的可行性和有效性。

一种面向卫星在轨自主任务规划的快速精准轨道预报方法

卫星在轨自主任务规划需要高精度的轨道预报数据,计算待观测目标的可成像时间窗口、成像姿态需求,结合其他约束条件来完成任务规划过程。针对卫星星上计算资源有限的情况,为了减少轨道预报过程的资源消耗、满足自主任务规划的需求,提出一种在长周期的轨道预报中预报精度高、资源消耗少的轨道预报方法。基于两行根数(two-line element,TLE)及简化普适摄动模型,以多条轨道数据作为输入,迭代计算生成TLE,完成轨道预报,并计算轨道预报误差和模拟观测目标的成像参数初值误差,进行定量评价。实验结果表明,所提方法仅需少量输入数据即可完成72 h的轨道预报,预报精度优于4 km,平均耗时12.76 s,在长周期的轨道预报中预报精度高、运行速度快;使用轨道预报数据计算模拟观测目标的开始成像时间误差优于0.2 s,三轴方向上的成像姿态初值误差均优于0.03°,小于智能遥感卫星珞珈三号01星相机成像过程姿态指向精度指标。所提方法预报精度高,需求的时空资源少,对于星上在轨自主任务规划具有重要意义。

语义描述驱动的启明星一号自主任务规划方法

卫星任务规划是合理配置卫星资源,获取有效数据的重要途径。针对启明星一号卫星在无用户观测需求时存在的资源浪费问题,提出一种语义描述驱动的启明星一号自主任务规划方法。首先通过分析对地观测目标的特征及其对遥感数据的需求特点,构建了全球任务语义描述模型,为卫星的自主任务规划提供了基础数据库。然后基于该描述模型,设计了一种卫星自主任务规划方法,通过构建任务规划模型,能够实现对高价值目标的自主规划,提高卫星数据获取效率,最大程度地发挥卫星的在轨应用价值。最后基于启明星一号对该模型进行了方案验证,证明了该方法的可行性,可适用于不同类型遥感卫星,在未来遥感星群实时智能服务应用中能够发挥一定的价值。

深空探测器任务规划认知图谱及多属性约束冲突检测

针对深空探测器任务规划中多子系统协同机制中的多约束问题,提出一种深空探测任务规划认知图谱构架及多属性约束冲突检测方法。采用图表示方法实现任务规划的知识建模,将状态转移图解构为三元组实现任务规划过程中的规则匹配,并基于图模型推理方法提出多属性约束冲突检测算法,从而实现多子系统任务规划的认知推理和约束冲突检验。使用不同规模的深空探测任务规划算例对本文方法进行了仿真实验,实验结果显示与遗传算法、传统启发式算法、带约束的启发式算法及进化神经网络算法相比,本文方法可有效缩短规划的求解时间,缩小解空间并且降低内存消耗,有效提升了深空探测任务规划的成功率和可行性。

采用混合遗传算法的敏捷卫星自主观测任务规划

为改进敏捷卫星观测大规模地面目标点时传统的遗传算法求解效率低下的问题,提高智能优化算法的求解效率,改进了传统的遗传算法,提出了禁忌退火遗传混合算法。首先,考虑到航天器在观测地面目标点的过程中所面临的时间约束、姿态轨道动力学约束等多种约束条件,建立了相应的适应度函数。所提出的适应度函数能够兼顾高观测收益与低观测能耗,反应了实际工程问题的观测需求。随后,为改进传统遗传算法的变异过程,提出了禁忌退火变异方法。这一变异方法在个体变异寻优的过程中,引入了禁忌搜索方法与Metropolis法则,提高了算法搜寻到全局最优解的概率,加快了算法的收敛速度。研究结果表明,与传统的遗传算法相比,禁忌退火遗传混合算法节省了约40%的算法运行时间,该算法的运行效率也高于退火遗传算法、禁忌遗传算法等其他种类改进的遗传算法,从而验证了禁忌退火遗传混合算法求解敏捷观测卫星任务规划问题的高效性。

基于多Agent的遥感星座自主协同任务规划

随着星载计算能力的提升和遥感星座应急速度需求的提高,遥感卫星星座自主且快速地生成观测计划成为一个关键问题.为提高星座自主任务规划的协同性和高效性,提出了一种自适应的分布式协同规划方法.基于多agent方法,设计了星上自主管理与星间任务协同机制和一种基于时间窗适应度的启发式任务规划算法.并基于S698PM嵌入式原理样机进行了仿真实验,在观测收益方面与集中式规划模式的求解Gap约为0.25%,在规划耗时、负载均衡及大规模问题适应性方面明显优于其他规划模式.

在轨实时引导多星成像任务规划方法研究

针对遥感卫星在轨自主任务规划的强时效需求和依赖地面系统的现状,通过分析卫星的轨道特性和多载荷工作配合的方式,提出了一种面向在轨实时引导成像的多星自主任务规划方法。文章首先根据成像的要求,将卫星载荷对目标的可见性,统一转化为“时间-姿态”信息,在保留有效信息的前提下对轨道递推模型合理简化,设计了卫星成像的无冲突任务序列生成方法,并为优化成像收益设计了临机调整策略。仿真结果表明:面向在轨实时引导成像的多星自主任务规划方法能实现将多目标向多星系统的分配,增加临机调整策略后,可实时地通过用高收益目标替代低收益目标的方式提高整个规划方案的成像收益,所提出的方法有效,研究结果可为多星在轨自主任务规划技术研究提供参考。