基于任务耦合约束及时间受限窗口的卫星测试任务自动化编排

来源：电子与信息学报杂志2025年第12期北京时间：

作者：李朕, 虞志刚, 章扬, 朱雪田, 解宁宇, 杨帆

单位：中国星网网络创新研究院有限公司 北京 100029

摘要：近年来，空间在轨资产规模持续扩张，卫星星座建设步伐显著加快，卫星发射数量快速攀升，在轨测试需求急剧增加，而受限于地面站数量和可见弧段资源，测试机会高度稀缺，“星多站少、弧段稀缺”的矛盾日益突出。传统以人工预编排为主的卫星任务规划方式，因决策周期长、规划效率低、调度易出错等缺点，难以适应大规模、多任务和高耦合的复杂测试场景，亟需发展高效的在轨测试任务自动化规划技术，提升星地可见弧段的测试利用效率。为解决上述问题，该文提出卫星任务自动化规划技术，以支撑未来星地一体化系统在建设与运维全生命周期中的高效性与可靠性。首先，建立任务滑块模型及时间窗口模型，通过设计基础任务编排约束以及专有任务编排约束，构建卫星任务通用约束范式，提出非凸约束转换方案；其次，选取星地链路测试为典型应用场景，在可见弧段极度受限的星地链路中，以可编排的任务数量为优化目标，提出基于任务耦合约束及时间受限窗口的卫星任务自动化编排模型，实现测试任务自动化编排的同时，进一步提高星地可见弧段的利用效率；最后，以星地链路测试作为典型的在轨测试场景，该文通过涉及多个低地球轨道卫星和有限可见弧段的仿真实验，对所自主编排框架进行了评估。仿真结果表明，所提方法能够有效地调度测试任务，同时严格满足所有运行约束。与包括遗传算法、禁忌搜索和粒子群优化在内的传统启发式算法相比，该方法性能显著提升，使调度的星地链路测试任务总数增加了约1.9～2.3倍。结果进一步表明，在高度受限的可见窗口条件下，所提模型能够充分利用可用弧段并避免资源冲突，从而显著提高星地链路的利用效率。

关键词：自动化任务编排, 任务滑块, 时间窗口, 约束满足, 混合整数规划

基金资助：北京市科技新星计划(20240484748)，国家自然科学基金(62201534)