（管理科学与工程专业论文）对地观测分布式卫星系统任务协作问题研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 对地观测是获取空间对地信息、促进地球系统科学和空间信息科学等学科发 展的重要支柱。随着现代小卫星技术，尤其是卫星自主运行技术研究的不断深入， 人们开始趋向于利用多颗智能观测小卫星构成对地观测分布式卫星系统，通过星 间自主协作来完成越来越繁杂的空间观测任务。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，同时也面临着星间相对导航、构型 保持、分布式控制、多星协同等诸多挑战。本文则是在此背景下，利用m u l t i a g e n t 理论的思想和方法，从高层以普适性的角度研究分布式卫星系统中各成员卫星之 间是如何根据所需完成的观测任务目标，在动态环境下进行自主协作的相关理论 与方法。这即是本文的研究目标。 具体来说，本文所研究的对地观测分布式卫星系统任务协作指的是面向未来 分布式卫星系统自主协作运行的发展趋势，就对地观测任务，考虑如何通过协商 机制，在满足任务约束的条件下，以完成任务总耗能最小为原则对系统成员卫星 进行任务优化分配的过程。其目的在于通过并行性提高任务的完成率。目前，无 论国内还是国外，关于对地观测分布式卫星系统任务协作方面的研究都是一个崭 新的前沿课题，具有一定的前瞻性。因而，这使得本文问题的研究无论是理论上 还是应用上都有着重要的意义。本文在分析对地观测分布式卫星系统自主协作运 行模式的基础上，提出了一种面向自主协作的系统体系结构模型，并由此从协商 和任务优化分配两方面展开了任务协作机制的研究。主要研究内容和创新研究成 果如下： 首先，根据对地观测分布式卫星系统自主协作运行模式的基本特征和总体功 能要求，利用m u l t i - a g e n t 理论，在分析现有分布式卫星系统体系结构的基础上， 从组织结构和控制结构两个侧面对系统进行描述，提出了一种适应动态观测环境 的两级系统层次混合体系结构模型。另外，又考虑到系统自主协作运行，既要求 多星之间相互协作的能力，又要求单星内部自治能力。因而，在构建层次化多维 a g e n t 抽象结构模型的基础上，又进一步提出了一种面向任务协作的卫星自主控制 结构模型，使之不仅具备单星自治，同时也具有多星协作的功能。 其次，在体系结构模型研究的基础上，借鉴m a s 理论中的合同网协议，就其 在分布式卫星系统应用中的不足，并考虑卫星间在招投标过程中可能出现的多种 情况，对该协议进行扩充；同时引入信任度、合作频度等b d i 心智状态参数，形 成b d i 心智状态模型。将该模型与扩充合同网协议相结合，提出一种基于b d i 的 分布式卫星系统协商机制。机制中详细描述了实现扩充合同网协议的b d i 行为驱 动规则，这些规则有助于改善协作质量，从而使系统具有较好的适应性和灵活性， 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 用于系统任务协作问题的求解。 第三，根据对地观测分布式卫星系统任务协作的特点和一些基本假设，构建 了任务优化分配问题的数学模型。针对该模型，基于b d i 扩充合同网协议，从任 务招标、投标和评标三方面研究了d s s 如何自主运行实现任务分配的过程，并在 此基础上考虑到d s s 处于动态不确定的观测环境，进一步就典型动态观测任务的 分配机制进行了分析和讨论。 招标过程中，考虑到频繁通信会加重网络负载的情况，给出了一种招标筛选 策略及其相应的f i r s t _ 随机选择算法。该策略主要思想是结合投标方卫星以往 完成观测任务的历史记录，对卫星进行筛选招标，以减轻网络负载和通信量； 投标过程中，引入后移空余时间概念，从时间约束和能源约束两个方面来判 断投标方卫星是否有“能力 来完成招标的观测任务，并给出相应时间约束和能 源约束的检验算法，分析了算法的时间复杂度； 评标过程中，基于集覆盖的概念，将任务分配问题转化为集覆盖问题。以系 统完成观测任务总耗能最小为原则，提出一种严格启发式优化算法，同时证明了 算法的收敛性，给出了算法搜索结果上确界和算法时间复杂度，并通过实例将该 算法与简单贪婪算法从分配效果方面作了比较。 最后，设计了一个基于m u l t i a g e n t 的对地观测分布式卫星系统任务协作原型， 并通过一个具体应用示例来说明本文提出的模型、算法以及原型系统在实际中是 如何应用的，验证了本文所提出的任务协作理论与方法的合理性和有效性。 主题词：对地观测，分布式卫星系统，任务协作，多a g e n t 系统，体系结构， 合同网协议，任务分配 第i i 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 e a r t ho b s e r v a t i o ni sav e r yi m p o r t a n ta p p r o a c ht og a i n i n ge a r t ho b s e r v a t i o n i n f o r m a t i o n , i m p r o v i n ge a r t hs y s t e ms c i e n c e ，s p a c ei n f o r m a t i o ns c i e n c ea n ds oo n w i 廿l t h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms m a l ls a t e l l i t e s t e c h n i q u e se s p e c i a l l yt h a to fs a t e l l i t e s a u t o n o m o u so p e r a t i o n , t h e r ei sa ni n c r e a s i n gd e s i r ei nm a n yo r g a n i z a t i o n st ou s e d i s t r i b u t e ds a t e l l i t e ss y s t e m ( d s s ) ，i n c l u d i n gc o n s t e l l a t i o n sa n df l e e t s ，t oa c c o m p l i s h m o r ea n dm o r ec o m p l e xe a r t ho b s e r v a t i o nm i s s i o no b j e c t i v e sb ya u t o n o m o u ss p a c e c r a f t w o r k i n gt o g e t h e rc o l l a b o r a t i v e l yi nd s s n 圯v i s i o no fw h a tc a nb ea c h i e y e df r o m s p a c ei sn ol o n g e rb o u n db yw h a ta ni n d i v i d u a ls a t e l l i t ec a na c c o m p l i s h r a t h e r , t h e f u n c t i o n a l i t yc a nb es p r e a do v e ran u m b e ro fc o o p e r a t i n gs a t e l l i t e s n 伧r e a s o n sf o rt h i s p a r a d i g ms w i t c ha r em a n y ，i n c l u d i n gt h ei n c r e a s e dp r o d u c t i o nr a t e st od e c r e a s eu n i t c o s t ，a n db e t t e rp e r f o r m a n c ei nt e r m so fm i s s i o ns c i e n c e , f a u l tt o l e r a n c e ， r e c o n f i g u r a b i l i t ya n du p g r a d e a b i l i t y w i mt h e s ef a rr e a c h i n gb e n e f i t s ，h o w e v e r ，c o m e sa n e ws e to fc h a l l e n g e s ，i n c l u d i n gr e l a t i v en a v i g a t i o n , c o n f i g u r a t i o nm a i n t e n a n c e ， d i s t r i b u t e dc o n t r o l ，m u l t i - s a t e l l i t ec o o p e r a t i o na n ds o0 1 1 ，1 1 1 ek e yt e c h n o l o g yt h a tw i l l e n a b l em u l t i p l e ，d i s t r i b u t e ds a t e l l i t e st oa c h i e v et h e i rp o t e n t i a li sc o o r d i n a t e di n t e l l i g e n t a u t o n o m y w h a t e v e r , d s so p e nu pt h eo p p o r t u n i t yt oa c h i e v en e wc a p a b i l i t i e sw h i l e u s i n gr e l a t i v e l yi n e x p e n s i v e ，p e r h a p sd i s p o s a b l ec o m p o n e n t s b a s e do ni t , t h eo b j e c t i v e o ft h i sp a p e ri st om a k eag e n e r a lr e s e a r c ho nr e l e v a n tt h e o r ya n dm e t h o d so fe a r t h o b s e r v a t i o nt a s k sc o o p e r a t i o nf o rd s si nt h ed y n a m i cc i r c u m s t a n c e sb ym u l t i - a g e n t t h e o r y i nd e t a i l ，e a r t ho b s e r v a t i o nt a s kc o o p e r a t i o nf o rd s si nt h i sp a p e ri sd e f m 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 fa u t o n o m o u so p e r a t i o nc o o p e r a t i v e l yf o rd s sa n dt h e r 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 ts u f f i c i e n t l y , v a r i o u so b s e r v i n gt a s k sa r e a l l o c a t e dt ot h es a t e l l i t e si nd s so p t i m a l l y 诵mc o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o no ft h e s et a s k s 1 1 1 eu l t i m a t eo b j e c to ft a s kc o o p e r a t i o ni st om a k eu s eo fn e g o t i a t i o nm e c h a n i s mt o a c c o m p l i s hg e n e r a lo b s e r v a t i o nt a s ke f f e c t i v e l yo nt h eb a s i so ft h el o w e s tc o n s u m p t i o n o fe n e r g y , s oa st oi m p r o v et h er a t eo f a c c o m p l i s h m e n t s c u r r e n t l y ，t h er e s e a r c ho ne a r t ho b s e r v a t i o nt a s kc o o p e r a t i o nf o rd s si sab r a n d n e wt o p i c ，n om a t t e rd o m e s t i c a l l yo ra b r o a d s o ，i tm a k e so b rr e s e a r c hi m p o r t a n ta n d s i g n i f i c a n t i nb o mo ft h e o r ya n dp r a c t i c e b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f a u t o n o m o u sc o o p e r a t i o nm o d e lf o re a r t ho b s e r v a t i o nd s s ，w ep o i n t e do u tt h e a u t o n o m o u sc o n t r o la r c h i t e c t u r em o d e lf o rd s s ，a n dt a s kc o o p e r a t i o nm e c h a n i s mb a s e d o ni t c o o p e r a t i o nm e c h a n i s mi n c l u d e sn e g o t i m i o na n dt a s ko p t i m a la l l o c a t i o n 硼1 c m a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o no ft h i sp a p e ra r eo u t l i n e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dg e n e r a l l yf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t o fe a r t ho b s e r v a t i o nd s s ，w eh o l dt h a ti ti sn e c e s s a r ya n df e a s i b l et oa d o p tm u l t i p l e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a g e n ts y s t e m ( m a s ) t h e o r yt oi n s t r u c tt h er e s e a r c ho na u t o n o m o u sc o n t r o lo fd s s t h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fc o m m o n l y u s e da u t o n o m o u sc o n t r o l a r c h i t e c t u r e so fd s si sd i s c u s s e d b a s e do ni t , w ed e p i c tt h es y s t e mt h r o u g h o r g a n i z a t i o ns t r u c t u r ea n dc o n t r o ls t r u c t u r e s o ，ah y b r i ds y s t e m a t i c h i e r a r c h i c a l s t r u c t u r em o d e lw i t ht w ol e v e l si sp u tf o r w a r dt of u l f i l la u t o n o m o u sc o o r d i n a t i o n d e m a n d so fd s su n d e rt h ed y n a m i cc i r c u m s t a n c e s m o r e o v e r , t h es t u d yo ns a t e l l i t e a u t o n o m ya th o m ea n da b r o a di ss t i l li nt h ee a r l ys t a g e ，a n dt h e r ea r en o ta n yg u i d e l i n e s o rf r a m e w o r k st of o l l o wt i l ln o w an o v e la g e n tm o d e lo ns a t e l l i t ec o n t r o la r c h i t e c t u r e i so u t l i n e d , a n dt h ec o m p o n e n t s ，f u n c t i o n sa n dr e l a t i o n s h i p so fa g e n t si nt h ea r c h i t e c t u r e a r ea n a l y z e d i t i s d e s i g n e d f o rm u l t i s a t e l l i t e sc o o r d i n a t i o na n ds a t e l l i t e s e l f - g o v e r n m e n t , t h u si th a sg e n e r a l i t yt os o m ee x t e n t s e c o n d l y ，t h e r ea r es o m ed r a w b a c k si nt r a d i t i o n a lc o n t r a c tn e tp r o t o c o lf o rd s s ，s o w ee x t e n dt h ep r o t o c o lb ym a st h e o r y i nt h i sp a p e r , t h ec o n v e r s a t i o np o l i c i e sf o r e x t e n d e dc o n t r a c tn e tp r o t o c o la n daf o r m a t i o nm o d e lf o rb d im e n t a ls t a t e ，s u c ha st r u s t d e g r e e ，c o o p e r a t i o nf r e q u e n c ya n ds oo n , a r ep r o p o s e di na c c o r d a n c ew i t hs e l f l e s s c h a r a c t e r i s t i c so fs a t e l l i t e sa g e n ti nd s s c o m b i n i n gt h ee x t e n d e dp r o t o c o la n dt h e s e m o d e l s ，an e g o t i a t i o nm e c h a n i s mi nd s si sp r e s e n t e d as e r i e so fd e t a i l e dr u l e so f a c t i o nb a s e do nb d ia g e n ta l es e tf o r t hi nt h em e c h a n i s mt oe n s u r eab e t t e rc o o p e r a t i o n b e t w e e na g e n t sa n dh i g h e rf l e x i b i l i t yo fs y s t e m t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e sa n ds o m eb a s i ch y p o t h e s e sa b o u te a r t h o b s e r v a t i o nt a s kc o o p e r a t i o nf o rd s s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo nt a s ko p t i m a l a l l o c a t i o ni sp u tf o r w a r d b a s e do nt h em o d e la n db d i - e x t e n d e dc o n t r a c tn e tp r o t o c o l ， w es t u d yt a s ko p t i m a la l l o c a t i o nf o rd s si na l lt h ep r o c e s s e so fa n n o u n c i n g ，b i d d i n g a n da w a r d i n g ，a n df i g u r eo u tc o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m b a s e do ni t , c o n s i d e r i n gd s si s u n d e rt h ed y n a m i cc i r c u m s t a n c e s ，t h ea l l o c a t i o nf o rs o m et y p i c a ld y n a m i ct a s k si sm a d e f a r t h e rs t u d y i na n n o u n c i n gp r o c e s s ，c o n s i d e r i n gf r e q u e n tc o m m u n i c a t i o nb u r d e n i n gn e t w o r k l o a d ，w er a i s eam e t h o df o rs c r e e n i n gb i d d e r s ，w h i c hi n v o l v et h eh i s t o r i cr e s u l ta b o u t c o m p l e t i n gs i m i l a rt a s k , a n ds e tf o r t hc o r r e s p o n d i n gm u l t i l e v e lf i r s t - nr a n d o m s e l e c t i o na l g o r i t h m i nb i d d i n gp r o c e s s ，c i t i n gt h ec o n c e p t i o no f b a c k w a r dt i m es l a c k , w ej u d g ew h e t h e r b i d d e re n a b l ea c c o m p l i s ht h eo b s e r v a t i o nt a s kb yi n s p e c t i n gt a s kc o n s t r a i n t ss a t i s f a c t i o n b o t l lo ft i m ew i n d o wc o n s t r a i n ta n d e n e r g y c o n s t r a i n t m e a n w h i l e ， w el i s t c o r r e s p o n d i n gt e s t i n ga l g o r i t h m so ft i m ew i n d o wc o n s t r a i n ta n de n e r g yc o n s t r a i n t , a n d a n a l y z et h e i rt i m ec o m p l e x i t y i na w a r d i n gp r o c e s s ，t a s ka l l o c a t i o ni ss w i t c h e dt os e t - c o v e r i n g s o ，诵n lt h e p r i n c i p l eo fl o w e s tg e n e r a le n e r g y c o n s u m p t i o nf o rc o m p l e t i n go b s e r v a t i o nt a s k , w e f i g u r eo u tak i n do fg r e e d yh e u r i s t i ca l g o r i t h m ，t e s t i f yi t sc o n v e r g e n c e ，a n dg i v ei t s s e a r c h i n gs u p r e m u ma n dt i m ec o m p l e x i t y m o r e o v e r , w ec o m p a r ea l l o c a t i o ne f f e c to f 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 t h ea l g o r i t h mw i ms i m p l eg r e e d ya l g o r i t h mt h r o u g hac a s e f i n a l l y ，w ed e s i g n ap r o t o t y p eo fm u l t i a g e n tb a s e de a r t ho b s e r v a t i o nt a s k c o o p e r a t i o no fd i s t r i b u t e ds a t e l l i t es y s t e m , a n do f f e ra c a s et oe x p l a i nh o wt h ed e p i c t e d m o d e l ，a l g o r i t h ma n dp r o t o t y p ew o r k sa n dt oi d e n t i f yr e a s o n a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo f 0 1 1 1 t a s kc o o p e r a t i o nt h e o r y k e yw o r d s e a r t ho b s e r v a t i o n ，d i s t r i b u t e ds a t e l l i t e ss y s t e m ( d s s ) ，t a s k c o o p e r a t i o n ，m u l t i - a g e n ts y s t e m ( m a s ) ，a r c h i t e c t u r e ，c o n t r a c tn e tp r o t o c o l ， t a s ka l l o c a t i o n 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表1 1 表3 1 表5 1 表6 1 表6 2 表6 3 表6 4 表6 5 表6 6 表6 7 表6 8 表6 9 表 目录 t e c h s a t 2 1 计划的研究情况11 卫星a g e n t 的角色与职能的映射关系5 4 基于集覆盖的任务优化分配算法与简单贪婪算法的性能比较1 1 8 卫星轨道参数1 2 6 卫星的主要技术参数及遥感器参数1 2 7 d s s 观测任务目标集12 8 任务1 6 的候选可见时间窗口1 3 0 s u b s a t 0 3 对任务1 6 的投标书1 3 1 s u b s a t - 0 5 对任务1 6 的投标书1 3 1 各工作卫星a g e n t 的合同任务集投标书1 3 2 工作卫星a g e n t 任务优化分配结果1 3 5 简单贪婪算法得到的工作卫星a g e n t 任务分配结果1 3 7 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1星座5 图1 2 飞行编队5 图1 3d s s 支撑技术7 图1 4a f r l 分布式卫星系统11 图1 5 “a - t r a i n 卫星编队1 2 图1 6 总体思路2 8 图2 1 对地观测卫星工作过程31 图2 2 对地观测d s s 任务协作问题求解过程4 5 图3 1m a s 结构形式51 图3 2 现有d s s 自主协作运行体系结构模型5 2 图3 3d s s 两级系统层次混合控制结构5 6 图3 4 层次化的多维a g e n t 抽象结构模型视图5 9 图3 5a g e n t 内部组织结构框架5 9 图3 6 面向自主协作的卫星控制结构a g e n t 模型6 0 图4 1基于合同网的任务协商过程6 8 图4 2 扩充合同网管理卫星a g e n t 会话策略7 0 图4 3 扩充合同网工作卫星a g e n t 会话策略7 1 图4 4b d i 形成关系7 3 图4 5 基于扩充合同网模型的d s s 协商过程8 2 图5 1 任务分配示意图8 5 图5 2w a 的三个子集9 1 图5 3 卫星a g e n t 投标过程。9 5 图5 4 吒落于时间窗口外的情况示意图9 7 图5 5 兀落于t 时间窗口内的情况示意图9 7 图5 6 赡一。后移空余时间m z j - - p 。9 7 图5 7 任务约束检验流程。1 0 2 图5 8 管理卫星a g e n t 流程10 8 图5 9 工作卫星a g e n t 流程10 8 图5 1 0 系统任务转化关系1 1 2 图5 1 1 任务能源消耗值与搜索空间的关系1 1 6 图5 1 2 一种简单贪婪算法1 1 8 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图6 1p e o t c d s s 系统组成结构121 图6 2p e o t c d s s 系统工作流程1 2 3 图6 3 对地观测分布式卫星系统示意图1 2 6 图6 4 观测目标分布图。12 8 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第1 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 学位论文作者签名：= 毒瓣 日期：7 年j 朋如 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) 学位论文作者馘：二垒盎 作者指导教师签名：弓址 日期：呻年，瑚如 日期：叫年文月吝日 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 2 0 世纪以来，信息科学和技术突飞猛进的发展，使得人类社会正由工业化社 会向信息化社会转变，并推动着现实经济活动和社会活动。其中，通过空间获取 信息、应用信息的能力，可以说是衡量个国家综合国力的重要指标和决定战争 胜负的关键因素。空间对地观测及其应用已经成为能给社会经济发展、国家安全、 环境保护、能源开发等领域的需求直接带来效益，且不可替代的航天技术体系， 是发展航天技术的核心使命之一。而现代卫星技术的发展和应用，正使得这种的 “能力 得以迅速提高。 事实上，自第一颗人造地球卫星发射成功以来，卫星技术经历了近四十年的 发展。大容量、多用途、长寿命、高效率的大型卫星一直是技术发展的主流，并 成功地应用于社会、经济、军事、科研等各个领域，为人类带来了可观的社会和 经济效益。但随着科技进步与经济发展，特别是数字地球概念的提出，人们对各 类地球遥感信息的需求大幅度增加，空间观测任务越来越复杂和繁多，这使得卫 星功能越来越复杂化，卫星体积和质量也相应更加大型化，从而导致卫星研制、 发射和运营技术愈加复杂；研制周期长、冗余性高；开发、生产、运行和维护费 用迅速膨胀，风险也越来越大，在某种程度上已很难满足未来实际的应用需求。 同时，卫星功能复杂化又使其技术上的可靠性和管理上的安全性不可避免地下降 了，从而增加了失效概率。上述原因一方面使已经发展航天技术的国家面临资金 紧张，项目风险性增大的严峻局面，从而处于一种进退两难的尴尬境地；另一方 面，又使一些计划发展航天高科技的国家或集团不得不重新审视自身的经济与技 术实力。 在此背景下，八十年代末期现代小卫星技术蓬勃发展起来了。特别是新的设 计思想和大量高新技术( 如计算机技术、微机电技术、新材料技术、卫星光学技 术等) 不断涌现，使得小卫星的发射与运营已成为现实。由此，一个很重要的理 念诞生了，那就是以多颗小卫星构成分布式卫星系统，通过多星自主协作来完成 传统复杂大卫星难以实现的空间任务目标或者替代越来越复杂的大卫星功能。 这种观点认为虽然单颗小卫星的功能无法与大卫星相比，但随着任务和功能 的复杂化，大卫星研制成本大幅度增加，风险也就越来越大。这样由多颗小卫星 以星座或编队方式形成分布式卫星系统，则不仅能完成单颗大卫星的功能，而且 可能降低成本和风险。因而，相对于单颗大卫星，小卫星组成分布式卫星系统具 有诸多优势【1 2 1 1 3 1 ：( 1 ) 由于小卫星体积小、质量轻、结构简单、功能密度大、成本 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 和能耗低以及研制周期短等，使得系统生产和发射的规模“经济化”，可以采用 一箭多星的方式发射，削减了初始运营的成本。同时能简化日常的操作维护，进 而减少卫星的全寿命费用；( 2 ) 采用分布式结构，卫星间相互协作运行可以使系统 具有更高的可靠性和生存能力，卫星部署快速灵活，机动性强，便于实现构形保 持、碰撞规避等功能。由于故障或损失的卫星成员可以很快地得到增补，更容易 保证数据的连续性，容错性能更好；( 3 ) 容易对各卫星轨道进行调整而重新配置多 星构型，以适应于各种不同的复杂任务；( 4 ) 通过卫星相互协作，系统可以获得更 好的性能和更广的用途，如立体观测、长测量基线和大幅度缩短重复观测周期等 等。 但遗憾的是对于到底是不是需要卫星“分布协作这个问题始终存在着相反 态度【4 】。持传统观点的研究人员坚持认为分布式卫星系统在运营过程中所付出的代 价超出了系统在构建和发射时的节省。即便是使用很多小卫星组网能够获得比单 颗大卫星更好的性能，但由于小卫星数量多，从生产和发射成本的角度来讲，也 并不意味着有多大的改善。这还没有考虑分布式卫星系统运行时的新技术( 如“协 作”) 、通信、能源等问题的复杂性以及由此带来的风险。 事实上，这两种看法都是正确的，是从不同侧面来看待需要还是不需要“分 布协作 的问题。本文所持的观点是分布式卫星系统不是万灵药，它不能解决所 有空间应用问题。不能盲目地崇信“分布一，也不能盲目地对之否定。问题在于 根据具体应用确立“分布的程度”。 实际上，群体通过协作来完成任务所达到的效果要比单个个体完成同一任务 时要好，这是不可否认的事实。多颗观测小卫星构成分布式卫星系统实施对地观 测，从信息获取的角度而言，所涌现的最突出优点在于克服单一卫星观测能力的 不足，从而提供信息融合所需的丰富信息源。单一遥感器的时空覆盖范围和分辨 率有限，而且不同遥感器的观测“能力 各有不刚5 1 。例如，可见光相机具有较高 的分辨率，成像质量较高，但受天时和天气的限制，夜晚和天气状况较恶劣时不 能获取信息，或获取信息的质量很差；微波遥感的最大特点是不受日照和云雨气 象的限制，具有全天时全天候遥感的能力，而且对某些地物有一定的透视能力。 此外，各种目标通常具备多种特征属性，而单一遥感仅能够探测其部分特征，这 使得在各种环境因素的影响下，卫星获得的信息可能不完整、不精确和不可靠， 也就不能为目标识别提供充分的信息。而采用多个不同类型的遥感卫星，实施分 布式观测，能够以多尺度的时间、空间、谱段分辨率获得多时段、多重空间覆盖、 多谱段、多极化的目标电磁特征信息。这些信息能够相互验证和互补，减少目标 特征理解的不确定性，增加特征提取的全面性和精确性。通过适用的多源信息融 合理论和技术，可达到对目标的综合感知，大幅度提高识别能力、定位精度、状 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 态和行为的判断及预测能力。另一方面，分布式卫星系统的自主协作观测还可以 避免繁杂的地面支持、建立更加精确的观测环境模型、避免无用数据的采集和观 测时机的丧失，以及改善空基干涉仪的性能等等【6 j 。 因而，多颗观测小卫星构成分布式卫星系统通过相互协作共同完成对地观测 任务，能够突破单颗卫星的局限性，并获得单颗卫星所不能够达到的新的功能和 性能，同时也有可能大幅度降低航天飞行任务的成本【7 】【8 】。 另一方面，目前卫星系统运行的几乎所有指挥控制指令，如轨道机动、姿态 变换、能源调度、数据下传等，都是由地面测控系统发出的，多数卫星任务是时 间程序驱动的，遥感器获取的数据也几乎完全由地面处理，系统几乎不具备“智 能性 。 由于未来对空间信息获取的需求大幅度增加，空间运行卫星的数量必然会剧 增，所执行的空间观测任务也越来越复杂，这样多星分布式自主协作工作模式将 成为主体，也就导致了基于地面的传统测控运营模式面临以下一系列挑战【9 】： ( 1 ) 空间系统经常需要在很短的时间内对意外事件进行应急处理，而且某些任 务需要快速响应，卫星间的快速协调也需要实时地进行信息交互，但由于存在测 控限制、通信延迟以及受限的通信带宽和时间窗口、即便地面系统采用自动化工 作模式，也不足以从根本上解决问题； 。 ( 2 ) 部署地面测控系统仍然受到地域等多方面的限制； ( 3 ) 系统卫星数目以及获取并要下传的信息数量大幅度增加，对于整个系统的 控制、通信、协调和地面运营支持带来了困难，若采用传统的运营模式，地面系 统的压力加大，使得通信和命令的负担加重，不能实时处理分布式卫星系统故障 和各种突发事件，费用更为高昂； ( 4 ) 协作执行任务的分布式卫星系统，往往对各卫星平台和有效载荷的相对位 置和姿态精度要求非常高，地面测控系统常常无法满足其要求。 ( 5 ) 卫星数目增加有可能导致地面控制人员的突增，这也就有可能成为分布式 卫星系统的故障源，从而进一步成为分布式卫星系统维护和发展成本上升的根本 原因之一。 即，传统的应用于少数单颗卫星的测