计算资源与气象环境约束下的遥感卫星自主任务管理问题研究

Commercial remote sensing and military space require remote sensing satellites to have the abilities of autonomous operation, rapid response, enhanced efficiency, and increased economic benefits, which pose great challenges to the current ground-based satellite management system. Therefore, the development of an onboard autonomous mission management system for remote sensing satellites is necessary and urgent. Compared to computers at ground, the onboard computational resource is very limited, which will put great constraint on the form of models and the performance of algorithms. Moreover, the status and capability of satellite is often changed in orbit due to the decay or malfunction of its equipments, which will lead the premade mission plan infeasible. Furthermore, meteorological factors such as cloud, rain and so on will damage the value of images taken by satellite, or even make them useless. Thus, considering the above three important problems, we study autonomous mission management of remote sensing satellites under the constraint of computational resource and meteorological environment in this project, and some challenging issues deserve further investigation including the following:.(1) Design of multimodal dynamic management mechanism to deal with multisource mission, variation of satellite’s status and capacity, and the influence of meteorological environment;.(2) Design of data-driven parameter interval estimation method to model satellite’s status and capacity in real time, and design of optimal solution for each management mode under the computational constraint, in order to meet their time requirements, respectively;.(3) By utilizing an onboard cloud detector integrated with a two-dimensional gimballing system, a rapid perception and decision-making method for the influence of cloud and other meteorological factors is developed, so as to obtain effective candidate imaging paths before satellite taking image.

商业遥感与军事航天领域对遥感卫星的使用提出了智能自主、快速响应、效能提升、效益倍增的强烈需求，对于目前基于天地大回路的地面卫星管控方式提出了极大挑战，因此亟需开展星上实现的自主任务管理系统的研究。考虑到卫星计算资源受限对于问题建模方式与求解算法性能的制约，卫星能力状态变化对于任务规划方案可行性的影响，以及云层等气象环境因素对于成像效果的影响这三类突出问题，本项目拟开展计算资源与气象环境约束下的遥感卫星自主任务管理问题研究，主要的研究内容包括：（1）设计面向多源任务输入、卫星能力状态变化以及气象环境影响的多模式融合动态滚动任务管理机制；（2）以硬件资源约束下的算法性能最优为目标，设计数据驱动的参数区间迭代估计方法实时估计卫星能力状态，针对不同任务管理模式分别设计满足时间特性要求的优化求解方法；（3）设计基于“星载引导相机-云台”实现的云层等气象环境目标在轨快速自主感知、决策方法。

商业遥感与军事航天领域对遥感卫星的使用提出了智能自主、快速响应、效能提升、效益倍增的强烈需求，对于目前基于天地大回路的地面卫星管控方式提出了极大挑战，为此本项目开展了星上实现的自主任务管理系统的研究。考虑到卫星计算资源受限对于问题建模方式与求解算法性能的制约，卫星能力状态变化对于任务规划方案可行性的影响，以及云层等气象环境因素对于成像效果的影响这三类突出问题，本项目开展了计算资源与气象环境约束下的遥感卫星自主任务管理问题研究，主要的研究内容包括：.（1）设计了面向卫星能力状态变化以及气象环境影响的多模式融合的动态任务管理机制。.（2）提出了计算资源约束下的自主任务管理问题建模与求解方法，设计了任务规划约束条件参数化表征方法及数据驱动的实时估计方法，并将相关结果扩展到多星情况，提出了多智能体协同任务自主分配方法。.（3）研究了面向云层等气象环境信息自主快速感知与决策问题，设计了基于“星载引导相机-云台”实现的云层等气象环境目标在轨快速自主感知、决策方法。.（4）搭建了全数字仿真软平台和由二维云台及其控制器试验样机、引导相机模拟样件、星载计算机试验样机、运行卫星动力学的地面测试设备等组成半物理仿真硬平台，开展了上述方法的仿真验证与评价，通过全数字仿真平台验证了本项目的全部研究内容，验证了研究成果的有效性；在此基础上，通过半物理试验系统，进一步在星载环境下验证了“气象环境信息感知决策逻辑与时序设计”以及“云台指向于星体机动协同控制策略”等研究成果，证明了本项目提出的各类算法具备在星载环境下运行的可行性。