《卫星星座任务规划新方法》

近年来，存在使用微纳级卫星应用于对地观测和自动识别系统等卫星系统的趋势。卫星数量亦在增加，以降低所获数据的时间分辨率（如重访时间）或为物联网等应用提供持续服务。对于由数百颗卫星组成的星座，需要星上自动化以在物联网等应用中提供所需的共同任务；然而，对于高分辨率成像或合成孔径雷达卫星系统而言，由于任务复杂性和可靠性要求，地面任务规划仍然至关重要。作为此问题的解决方案，目前有少数通用或半通用任务规划软件在使用。另一方面，开发一种适用于各类卫星系统任务的通用任务规划工具是一项具有挑战性的研究，或者可能无法实现100%的通用性。所执行任务类型的差异甚至卫星自身的缺陷都会导致任务规划需求的变化，继而需要修改软件。本研究介绍了一款新的任务规划软件及其所采用的方法。所提出的软件旨在通过使用配置参数来减少修改需求，并在需要修改时降低修改成本和时间。

卫星任务规划软件是一种根据卫星/任务约束和资源来规划单颗或多颗卫星任务的工具，它能高精度计算执行任务所需的参数，并旨在从卫星系统中获得最大效益。随着各部门对卫星能力和通过遥感获取图像的日益增长的需求，自动化已被采纳，这提高了任务规划过程的速度和可靠性。由于针对不同任务或特性的卫星系统开发成本高昂，任务规划软件的通用性也是一个重要问题。任务规划中存在多个需要解决的非线性优化问题。学术研究已解决了这些问题。在这些研究中，除了解决方法外，成本函数也可能不同。这些研究中使用的约束和搜索算法在Qamar等人[1]的文献中进行了总结。卫星系统任务规划的通用方法是开发特定于系统的（定制）任务规划软件。TerraSAR-X卫星的任务规划软件即为一例。为TerraSAR-X卫星任务规划开发的软件架构及运行期间获得的经验在Maurer等人[2]的文献中有所描述。DEIMOS-2卫星的任务规划软件也是一款定制软件，但它同时也是哨兵-2号卫星任务规划软件的基础[3]，并且该软件目前已在市场上提供。为DEIMOS-2任务规划开发的软件架构在Tonetti等人[4]的文献中有所描述。此外，也有关于非均质系统（如合成孔径雷达与光学卫星协同）任务规划的研究。Wang等人[5]和Vongsantivanich等人[6]的研究可作为非均质系统任务规划的实例。然而，不同类型的有效载荷可能需要不同类型的输入（如合成孔径雷达卫星的入射角）。因此，在我们的软件中，同一系统内应仅定义相同（或相似）类型的卫星。目前，关于星上任务规划的研究也在进行中。星上任务规划的优势在于，卫星对自身位置的了解远比通过地面定轨过程计算的位置精确得多。Liu和Yang[7]对比展示了其星上优化算法的结果。卫星在图像采集过程中应遵循的参考姿态数据也需在任务规划中计算。在星上规划中，此数据也需在卫星上计算。Ekinci和Gulmammadov[8]提出了一种可用于星上参考姿态计算的算法。星上任务规划仍是研究课题。关于能实现多大程度的地面独立性（例如为光学卫星从气象数据获取云量百分比）也存在问号。

市场上有商用软件可用。对于通用任务规划软件，目前使用的例子包括Orbit Logic公司的CPAW（采集规划与分析工作站）、GMV公司的FlexPlan以及Elecnor Deimos公司的Plan4EO。CPAW软件中使用的规划问题解决方法在Herz[9]的文献中给出。观察到所评审的软件中使用了两种不同方法。商用现成品软件开发者的一种方法是开发软件核心（包含优化算法等模块），并开发或重新生成特定软件模块以满足客户需求。此方法的主要缺点是额外增强成本高昂。另一种方法是在软件内部使用脚本语言来定义用户规则和卫星操作任务。此方法的主要缺点是用户需要了解脚本语言，并需付出全部努力根据其系统定制软件。STM公司正在开发一款新一代任务规划软件，该软件将用于规划STM公司的LAGARI对地观测卫星系统任务（该卫星预计发射日期为2022年第二季度）。该软件将成为STM公司空间产品系列的关键部分，将为新的星座项目服务。该软件是一款基于网络的应用程序，其首个版本已准备就绪。STM公司的任务规划软件被开发成尽可能适用于多种任务，能够在多颗卫星和多个地面站的系统中使用，并支持快速开发和更新。其目的还在于自动生成任务计划，无需用户干预。本文介绍了STM公司任务规划软件中的方法及计划生成的流程。