1、562023 adio Engineering Vol.53 No.1doi:103969/jissn10033106202301008引用格式:刘嵩，孔鸿滨，肖皇培基于 TVNS 的敏捷对地观测卫星自主动作规划算法J 无线电工程，2023，53(1):5663 LIU Song，KONG Hongbin，XIAO HuangpeiAutonomous Action Planning of Agile Earth Observing Satellite Algorithm Based on TVNS J adio Engineering，2023，53(1):5663基于 TVNS 的敏捷对地
2、观测卫星自主动作规划算法刘嵩，孔鸿滨，肖皇培(广州城市理工学院 计算机工程学院，广东 广州 510800)摘要:针对敏捷对地观测卫星自主动作规划问题，建立了基于时间线约束网络的问题模型。通过对模型的分析，归纳出 9 种卫星动作序列，确定了各种动作序列之间的衔接关系，并在此基础上设计了动作时间的计算和调整方法，提出了基于三阶段变邻域搜索(Three-stage Variable Neighborhood Search，TVNS)的敏捷对地观测卫星自主动作规划算法。算法以任务调度结果作为初始解，分 3 个阶段，使用 2 种邻域结构进行变邻域搜索，实现了任务到动作的转换。通过实验证明了基于 TVNS
3、 的敏捷对地观测卫星自主动作规划算法的有效性。关键词:敏捷对地观测卫星;自主动作规划;变邻域搜索中图分类号:TP391文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):文 章 编 号:10033106(2023)01005608Autonomous Action Planning of Agile Earth ObservingSatellite Algorithm Based on TVNSLIU Song，KONG Hongbin，XIAO Huangpei(School of Computer Engineering，Guangzhou City University of Tech
4、nology，Guangzhou 510800，China)Abstract:To address the autonomous action planning of agile earth observing satellites，a model based on constraint network ontimelines is constructed Through the analysis of the model，9 action sequences are summed up，and the link relation between differentaction sequenc
5、es are confirmed Then，the calculation and adjustment method of action time is designed;and an autonomous actingplanning of agile earth observing satellite algorithm based on Three-stage Variable Neighborhood Search(TVNS)is presented Thealgorithm takes the task scheduling result as initial solution，a
6、nd uses two neighborhood structures to conduct variable neighborhoodsearch by three-stage，thus achieve the transformation from mission to action Experimental results show the effectiveness of autonomousacting planning of agile earth observing satellite algorithm based on TVNSKeywords:agile earth obs
7、erving satellites;autonomous action planning;variable neighborhood search收稿日期:20220914基金项目:广东省普通高校特色创新类项目(2021KTSCX171)Foundation Item:Supported by Special Innovation Project of EducationalCommission of Guangdong Province of China(2021KTSCX171)0引言传统管控模式下，卫星依靠地面上注的动作指令来完成观测和数据回传任务。上注指令前，地面首先要预估卫星状态，再
8、根据用户需求提前为卫星制定任务执行方案，然后再将方案转换成相应的卫星动作指令。该过程会受到地面预估误差、星地通信时间窗口等限制，而且指令一旦上注无法随意变更，这将导致卫星很可能错过对重点目标的最佳成像时机，无法快速灵活地根据自身状态应对随时可能到达的动态观测需求。为了解决上述问题，各国学者越来越重视卫星自主任务调度技术方面的研究18，但关于卫星自主动作规划方面的研究较少。自主任务调度和自主动作规划考虑的约束不同9，比如任务调度不会考虑卫星动作对电量的消耗和姿态转换时间等1011。因此，任务调度结果并不能直接转换成一个有效的动作执行序列，只有解决了自主动作规划问题，才能真正实现卫星的自主性，从而
9、实现对地观测数据的智能化实时服务1214。针对卫星自主动作规划问题，文献 15 提出了一种启发式算法，该算法首先根据概率选择动作序列，确定动作序列中的各个动作，然后再根据动作序信号与信息处理2023 年 无线电工程 第 53 卷 第 1 期57列的类型，在任务集合中选择动作序列所对应的任务，并根据任务确定每个动作的执行时间。由于动作序列和任务的选择都是随机的，所以搜索过程存在盲目性，很难在有限的迭代次数中找到最优解。针对上述不足，本文提出了一种基于三阶段变邻域搜 索(Three-stage Variable Neighborhood Search，TVNS)的敏捷对地观测卫星自主动作规划算法。
10、算法考虑了卫星在工作过程中需要执行的 9 种卫星动作，通过仿真实验验证了该算法的有效性。1问题描述与建模敏捷对地观测卫星自主动作规划问题可以描述为:面对随时可能到达的观测需求，敏捷对地观测卫星能够在不需要或较少依靠地面人员干预的情况下，自主制定动作规划方案，在快速响应动态观测需求、提高观测时效性的同时，实现以尽可能少的资源消耗获取尽可能大的观测收益。本文使用时间线约束网络建模方法对问题进行建模，该方法能够针对离散事件动态系统进行建模，文献 1617 对该方法进行了详细阐述。模型考虑了 9 种卫星动作，分别是对地观测动作 ob，用于完成对地面目标的观测;数据回传动作 dl，用于将目标图像数据回传
11、至地面站;姿态转换动作 sw，用于使卫星从一种姿态转换到另一种姿态，从而观测不同的目标;对日定向动作 sp，用于将太阳帆板保持正对太阳，从而使充电速率达到最大;对地定向动作 ge，用于实现三轴稳定对地定向，使卫星持续保持最低能量消耗状态;相机开机动作 obon和天线开机动作dlon，用于使相机或天线达到工作状态;相机关机动作 oboff和天线关机动作 dloff，用于使相机和天线结束工作状态。模型中将每个动作的开始时刻和结束时刻按时间先后顺序进行编号，第 1 个动作的开始时刻的编号为 1，即在时间编号 1 处开始执行，最后一个动作的结束时刻的编号为 h，即在时间编号 h 处结束执行。ti表示时
12、间编号 i 处的具体时间。如果用 a 表示 9 种卫星动作中的任意一种，则 ai表示动作 a 在时间编号 i 处的状态，如 ai=1 表示动作 a 在 ti处开始执行，ai+1=0 则表示动作 a 在 ti+1处结束执行。sa表示动作 a 的开始时间，ea表示动作 a 的结束时间。11模型的输入输出模型输入:任务序列 sequence 可以是一个经过任务调度后的任务序列，也可以是一个按时间窗口先后顺序进行排序的任务序列。任务序列中每个观测任务 j 所对应的优先级 wj，占用固存大小 cj，观测持续时间 oj和数据回传持续时间 dj，能够对任务 j进行观测的卫星圈次的集合 Mj，以及在圈次 k
13、对任务 j 进行观测时，所对应的观测时间窗口的开始时间 sj，k和结束时间 ej，k。数据回传时间窗口集合 I 中每个数据回传时间窗口 i 所对应的开始时间 bi和结束时 间 ri。卫 星 固 存 最 大 值 C。电 量 的 上 限ENmax，电量的下限 ENmin，姿态转换速度 MS。还包括每个地影区、阳照区的开始和结束时间。模型输出:任务序列 sequence 中每个任务 j 所对应的决策变量 xj，k和 yj，i。如果卫星可以在圈次 k 对任务 j 进行观测，即该观测任务能够转换成具体的卫星动作，则 xj，k=1;否则 xj，k=0。如果任务 j 的观测数据在数据回传窗口 i 中被回传，
14、即该数据回传任务能够转换成具体的卫星动作，则 yj，i=1;否则yj，i=0。还包括执行每个任务的具体动作和每个动作的开始时间和结束时间。12目标函数与约束条件优化目标是使得完成观测任务和数据回传任务的累积收益最大，目标函数为:maxjJkMjiIwj(xj，k+yj，i)。(1)约束条件:i 1，h1，(ai=1)(ai+1=0)(oboni+obi+oboffi+dloffi+dli+dloni+spi+gei+swi=1)0mmiC0mmi+1CENmineniENmaxENmineni+1ENmax，(2)式中，mmi和 eni分别表示在时间编号 i 处的剩余固存和电量。任何动作都存在
15、执行的结束时刻，任何2 个动作不能同时执行。任意时刻的卫星固存都不能超出卫星最大固存限制。任意时刻的卫星电量都不能超出卫星电量上限和下限。i 1，h2，(oboni=1)(swi+2=1)(tii+1=tii+obonmin)(mmi+1=mmi)，(3)式中，obonmin表示相机开机动作持续时间。相机开机动作之后会连续执行姿态转换动作，动作执行期间卫星固存不变，电量减少。i 3，h，(oboffi=1)(obi2=1)(ti=ti1+oboffmin)(mmi+1=mmi)(eni+1=eni)，(4)信号与信息处理582023 adio Engineering Vol.53 No.1式中
16、，oboffmin表示相机关机动作持续时间。相机关机动作一定在观测动作之后连续执行，动作执行期间卫星固存不变，电量不变。i 1，h3，(dloni=1)(dli+2=1)(ti+1=ti+dlonmin)(mmi+1=mmi)(eni+1=eni)，(5)式中，dlonmin表示天线开机动作持续时间。天线开机动作之后会连续执行数据回传动作，动作执行期间卫星固存不变，电量不变。i 3，h，(dloffi=1)(dli2=1)(ti+1=ti+dloffmin)(mmi+1=mmi)(eni+1=eni)，(6)式中，dloffmin表示天线关机动作持续时间。天线关机动作一定在数据回传动作之后连续执行，动作执行期间卫星固存不变，电量不变。i 1，h2，(obi=1)(oboffi+2=1)(swi+2=1)，(7)观测动作之后可以连续执行相机关机动作或者是姿态转换动作。i 1，h2，(dli=1)(dloffi+2=1)(dli+2=1)，(8)数据回传动作之后可以连续执行天线关机动作或者是数据回传动作。i 1，h4，(obi=1)(swi+2=1)(obi+4=1)(ti+4tiobma
