空间监视网络中的异构资源协调：一种基于数据驱动优化的整体调度框架

《Acta Astronautica》：Heterogeneous resource coordination in Space Surveillance Networks: A holonic scheduling framework with data-driven optimization

　　

摘要

空间监视网络在协调太空与地面传感器任务以维护在轨物体目录方面面临诸多挑战。为解决各自主调度中心之间的运作孤立问题，本文提出了一种整体性组织框架，将该网络的调度任务系统地分为两个层级：将在轨物体分配给各调度中心，以及在各中心内部进行任务调度。基于这一框架，构建了空间监视网络异构资源联合调度模型，明确了决策变量、目标函数及约束条件。鉴于该模型的复杂性，本文还提出了数据驱动的三阶段联合调度方法。首先，利用图卷积网络分析轨道和资源特征，生成在轨物体与调度中心的分配方案及概率矩阵；接着，通过分层组合优化方法根据分配方案制定传感器任务调度计划；最后，运用带优先搜索的自适应模拟退火算法，结合概率矩阵和初始调度计划实现全局最优解。通过大量实验和对比研究，验证了所提模型与算法的有效性。

引言

随着巨型星座部署和可重复使用发射技术的进步，在轨物体数量迅速增加，这进一步凸显了空间交通管理的紧迫性[1][2]。为应对这一挑战，空间监视网络已成为空间态势感知系统中不可或缺的基础设施，其任务是通过多种异构资源对在轨物体进行协同观测，从而维护相关目录[3]。现代空间监视网络架构通常由两部分组成：一是太空中的传感器，它们能够不受地球曲率限制地持续进行几何观测，但成本高昂且控制要求复杂；二是地面上的雷达/光学系统，这类系统具备成本较低的多目标监测能力，却受到大气干扰和地理分布限制[4]。尽管这两种监测方式各有优势，但目前它们在各自独立的调度中心下运行，存在严重的协调问题。地面系统在天气适应性及全球覆盖范围方面存在局限，而太空中的观测平台则需依靠专门的遥测、跟踪与指令系统才能完成任务。这种运作上的分离尤其影响了它们满足高精度轨道调控需求的能力，比如那些需要多传感器快速协同完成的轨道机动任务。因此，为空间监视网络的异构资源开发联合调度方法便成为一项至关重要的课题。

在轨物体具有可预测的双体运动规律。空间监视网络的任务调度主要着眼于确定可见时间窗口——即太空与地面传感器可以通过光学或辐射测量方式观测特定在轨物体的时间段，以此降低轨道状态估算的误差[5]。整个调度流程包括三个阶段：任务提交、受可见时间窗口约束的规划，以及实际观测执行。地面雷达和光学系统可直接下达任务，而太空中的观测设备则需要与地面站的可见时间窗口严格同步，以便进行遥测、跟踪与指令传输以及数据回传[6][7]。太空与地面资源操作之间的这种相互依赖关系，使得空间监视网络异构资源联合调度的复杂性远远超过传统单一资源调度问题。

目前关于空间监视网络任务调度的研究主要采用两种方法论。第一类方法是短期优化策略，侧重于立即获得观测成果，典型代表为顺序规划方法[8]以及先到先服务启发式算法[9]；第二类方法则运用粒子群优化、遗传算法等进化型元启发式算法来实现长期调度优化[5][10]。然而，由于太空与地面资源在运行模式、观测能力等方面存在显著差异，空间监视网络异构资源调度模型中的约束条件呈非线性增长，导致现有方法无法直接应用。

为填补这一空白，本文提出了一种整体性组织模型，该模型将空间监视网络的层级结构系统地分解为相互协作的独立单元——即太空与地面资源调度中心[11]。基于这一框架，构建了空间监视网络异构资源联合调度模型，明确了其中的决策变量、目标函数及约束条件。为求解该模型，本文提出了数据驱动的三阶段联合调度方法。首先，利用图卷积网络分析轨道和资源特征，生成在轨物体与调度中心的分配方案[3]；接着，设计分层组合优化算法来制定传感器任务调度计划[12]；最后，开发带优先搜索的自适应模拟退火算法，进一步优化分配方案。该方法借助图卷积网络输出中蕴含的先验知识，通过温度自适应的邻域搜索机制加快收敛速度[13]。本文的主要贡献可总结如下：

• 1.
  本文通过将空间监视网络的系统层级结构与整体性组织模型相结合，提出了空间监视网络异构资源联合调度模型。该模型基于在轨物体轨道精度要求的实际工程场景设计，旨在解决太空与地面异构资源之间的协同调度问题，其建模思路可为相关工程应用提供实用参考。
• 2.
  本文提出了一种数据驱动的三阶段联合调度方法，用于高效解决空间监视网络异构资源联合调度这一NP难问题。该方法采用三级分层优化框架：首先，图卷积网络通过分析轨道特征和资源分布，将在轨物体分配到最优的调度中心；接着，分层组合优化算法用于制定各调度中心的任务安排方案；最后，自适应模拟退火算法用于优化任务分配。该算法在邻域搜索中融入历史信息，并采用自适应温度调节机制，从而加快算法收敛速度。
• 3.
  本文通过大量实验验证了所提模型与调度方法的有效性。首先，将图卷积网络与其他算法如多层感知器、支持向量机等进行了对比；其次，将分层组合优化算法与实时动态调度方法以及基于插入、移动、回溯、删除和重新插入的启发式算法进行了比较；最后，将自适应模拟退火算法与其他优化算法进行了对比。实验结果表明，所提算法的性能均优于传统基准算法。

本文的其余结构如下：第2节综述相关研究，第3节阐述问题背景，第4节构建空间监视网络异构资源联合调度模型，第5节设计三阶段联合调度算法，第6节通过多场景实验验证模型与算法的有效性，第7节给出结论。

章节要点

相关工作

空间监视网络的任务调度属于典型的NP难组合优化问题[5]。目前，相关研究尚不多见，以往研究大多聚焦于单一类型观测资源的调度问题。幸运的是，卫星资源调度研究可为这一领域提供有益借鉴，因为两者本质上都涉及可见时间窗口的分配，尽管在任务流程和模型约束方面存在显著差异[17][18]。因此，本节旨在

问题描述

空间监视网络异构资源联合调度旨在协调观测、遥测、跟踪与指令传输以及数据传输资源的使用，从而制定出合理的调度方案。在轨物体的观测过程如图1所示：用户提出观测请求，控制中心根据该请求生成指令，并通过遥测、跟踪与指令传输系统将这些指令发送给观测资源；这些资源完成观测后，将数据通过数据传输链路发送到地面接收设备；最后，地面处理中心对接收到的数据进行处理并输出结果。

空间监视网络异构资源联合调度模型

由于空间监视网络异构资源联合调度模型涉及众多不同类型的资源，为建立统一的建模框架，本文做了以下简化假设：

• 1.
  在轨物体观测任务为不可中断任务，必须连续完成。
• 2.
  地面数据传输延迟可忽略不计，数据回传可视为即时完成。
• 3.
  调度环境为静态的，不考虑资源故障或在轨物体的轨道变动情况。

三阶段联合调度算法的设计

当前空间监视网络调度实践中，调度算法的实际性能受到两大核心瓶颈的限制：首先，太空与地面资源的约束条件存在极大差异。太空中的调度不仅涉及观测约束，还包括数据传输和遥测、跟踪与指令传输链路等方面的特殊约束，而地面调度则仅涉及观测时间窗口和设备状态等约束。两者在约束维度的差异十分明显

实验分析结果

为评估所提算法的性能，本文设计了多种实验场景。第6.1节介绍实验设计，第6.2节展示实验结果，第6.3节则进行敏感性分析。

结论

本文针对空间监视网络异构资源联合调度这一重要但研究不足的难题，提出了一套系统化的解决方案。通过构建一种整体性组织模型，对空间监视网络架构进行层级化分解，本文建立了能够在遥测、跟踪与指令传输、数据传输以及轨道精度要求等实际约束条件下协调太空与地面传感器工作的数学框架。通过图卷积网络、分层组合优化算法以及自适应模拟退火算法的协同作用，所提出的三阶段联合调度方法在空间监视网络异构资源联合调度问题上实现了显著优化效果。

作者贡献说明

龙希：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿编写、方法设计、形式化分析、数据整理、概念构思。杨乐平：指导工作、方法设计、资金筹措。朱彦伟：指导工作。蔡薇薇：指导工作。黄焕：指导工作。赵晓峰：方法设计。

利益冲突声明

所有作者声明，本人不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

龙希|杨乐平|朱彦伟|蔡薇薇|黄焕|赵晓峰

中国湖南长沙，410073，国防科技大学航空航天科学与工程学院