对地观测卫星体系结构设计与优化系统的制作方法

本发明属于对地观测卫星技术领域，具体涉及对地观测卫星体系结构设计与优化系统。

背景技术

随着航天技术的快速发展，对地观测卫星也由早期的单星模式逐渐发展为星座模式，卫星分辨率越来越高，基本实现了对地观测的全天时、全天候、全方位覆盖。随着对地观测卫星数量的急剧增加，光学遥感卫星、sar遥感卫星的类别越来越多，功能越来越复杂，如何在卫星数量增加的同时，实现对地观测卫星体系结构的优化设计，是一个亟待解决的问题，主要需求体现在以下三个方面：

一是对地观测卫星体系具备可见光、微波、高光谱、红外等多种观测手段，具备时空协调、全天候、全天时的对地观测能力。体系中每一颗卫星的探测能力和技术手段、工作模式不同，其搭载平台运行方式也不同，这就需要通过协同工作方案规划，设计各个平台的工作方式、调用流程、相互协同补充的配置方案等，为各个任务的顺利完成提供可操作的参考方案。

二是对地观测卫星体系为满足各用户单位的大规模任务需求，需将体系内各种观测平台、手段综合统筹，才能充分发挥体系内各个观测平台的能力，提升对地观测卫星体系任务响应速度和能力。在对地观测卫星体系按照预定方案的常规运行中，需要考虑各个观测平台、载荷的控制、调度与维护，观测体系还需与通信、导航等相关资源相互协作，共同完成系统的正常功能。这就需要常规运行方案不仅能够兼顾各个观测资源的能力配置，也要能够最大限度降低体系维护成本。通过对各个观测资源的调度方案进行计算试验，给出方案的定量评价是进行对地观测卫星体系运控优化的基本条件。与此同时，对地观测卫星体系还需要能够最大限度的支持应急任务。

三是对地观测卫星体系具有技术先进、构成复杂、不确定性因素较多等特点，其建设周期长、技术风险高、经费投入大，体系能力不是各功能系统的简单叠加，建设规划与管理应用需从整体上加以考虑，以实现各个系统的最佳组合与协同配合。体系构建的配置方案与建设发展方案，是对地观测卫星体系的总体方案，唯有通过全体系、全应用的计算试验，才能考察方案的合理性，针对计算试验暴露的问题提出改进的策略建议，可为对地观测卫星体系发展决策提供参考，为方案优化提供依据。随着对地观测卫星体系规模的扩大，分系统类别的增多，其构成异构特性愈发突出、不确定性因素增多，系统复杂性加大，传统的仿真系统难以支持这种规模和不确定性的试验。

目前国内外学者针对对地观测卫星涉及的载荷技术、任务规划技术、应用技术等开展了大量卓有成效的工作，但是尚没有涉及对地观测卫星体系结构设计与优化。

为了更好地开展对地观测卫星体系结构设计与优化，本发明提出对地观测卫星体系结构设计与优化系统。基于平行系统理论和多智能体建模方法构建的与真实系统平行映射的对地观测卫星体系人工子系统，是进行体系结构设计与优化的基本试验验证平台，它为对地观测卫星体系运控策略、配置方案、组织架构、数据功能流程等方案的实验验证，提供了一种可操作的技术途径。对地观测卫星体系结构设计与优化系统以建立对地观测卫星体系人工子系统为核心，构建对地观测卫星体系内所有对象的智能体模型资源库，通过运控策略和结构参数的配置形成人工系统试验脚本，并以人工系统的自运行状态和执行试验任务的关键参数为基础，进行对地观测卫星体系多任务协同应用能力，常规运行与应急任务处置能力，体系结构功能的兼容与拓展能力的评估。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供对地观测卫星体系结构设计与优化系统，包括以下子系统：

子系统1：对地观测卫星体系人工子系统；

对地观测卫星体系人工子系统是对地观测卫星体系结构设计与优化系统的核心部分，它由光学遥感卫星、sar遥感卫星、支持系统、用户、环境、目标等几类agent组成，通过数据交互服务和agent的自演化、自运行，完成对地观测卫星体系功能与应用的模拟。

基于agent的模型体系构建是实现对地观测卫星体系人工子系统的关键。agent通过对考察对象事件反应、状态演化及交互约束的统一建模，可以在计算环境中模拟离散事件、连续状态的演变过程。人工系统的优势是以个体agent作为系统的基本运行单元，可以反应对地观测卫星体系内的组织结构、交互关系、影响制约等，为考察对地观测各个探测系统性能以外的运行控制、环境变化等因素的影响，提供了一种可行的工具。

基于agent的建模思想采用自底向上的自然描述方法，即将目标系统按照自然的方式抽象为对应的agent，然后分别对各类agent进行刻画描述，最后将各类agent组建在一起，构成一个完整的基于agent的模型。

agent建模的主要工作是将考察的对象实体转化为独立的agent，用属性和行为描述对象实体的特征。agent属性是能反映自身性能且区别于其它agent的标志性指标，包含身份代码、状态集合等。行为是agent内在与外在活动的表现，内部活动能够用于描述agent所指代的具体对象及其内部状态的修改过程，外部活动用于描述各agent之间以及agent与环境之间交互的行为。

卫星系统agent模块包含光学遥感卫星、sar遥感卫星等天基观测平台子agent。每个观测设备均根据其特征参数(分辨率)和行为规律(轨道变更、开启停机)构建相应的智能体对象，它们之间的交互作用主要是数据传输，可以通过数据传输标定速率和传输时间来描述数据传输过程。

支持系统agent模块包含的智能体单元有中继卫星，通信转发器，信息传输设备等观测保障设备子agent。支持系统将观测单元获得的信息通过支持系统单元发送到信息中心，实现体系能数据流的传递。中继卫星、通信转发器通常受到通信带宽等客观条件限制，通过构建具有传输上限的智能体单元，能够模拟资源限制条件下的系统运行状态。

用户、环境目标agent模块包含用户agent、目标agent和环境agent。用户agent主要模拟用户的应用需求产生，目标agent主要模拟对地观测象的位置、行为等属性，环境agent主要模拟影响对地观测卫星体系运行的各种环境要素。

在建模过程中，先实现大系统层次的agent体系构建，再根据任务需求逐步深入，向分系统、单元系统深入。agent建模过程并不是要求所有模型和行为描述都尽可能的使用高精度模型。可以采用多分辨率建模方法对系统进行不同层次的抽象，高分辨率模型描述系统低层次、操作层次的微观特性，抓住实体的细节和具体现象；低分辨率模型则描述系统高层次、决策层次的宏观特性，更好地揭示实体宏观的、本质的属性。在对地观测卫星体系agent建模中，各个对象的行为、响应，可以采取低分辨率模型，而观测平台本身可以采用高分辨率模型，模拟整个飞行及执行功能过程的状态演化。

当各个层次的agent模型建立完毕后，需要建立相应的软件模型，并组成软件模块。通过相关性分析，将密切交互和影响的agent软件模块组装在一起，可以有效的减少交互通信量，减轻系统运行负担。agent软件模块组装成可运行的模块后，需要一定的运行调度机制。可采用agent模块单线程运行，人工系统单进程的系统架构，由大系统配置和调度多个人工系统进程，从而实现多个样本的同时计算试验，也可为大规模并行计算创造条件。

通过对对地观测卫星体系人工子系统中各个实体对象的运行数据与性能参数采集，产生对地观测卫星体系能力评估子系统的数据资源，为体系能力的评估奠定基础。

子系统2：对地观测卫星体系能力评估子系统；

对地观测卫星体系能力评估子系统由评估工具和数据库组成，主要功能是实现对地观测卫星体系性能仿真和系统应用效能评估，其目的是评估在该体系支持下用户需求的满足程度。对地观测卫星体系能力评估子系统利用仿真实验结果数据进行统计分析，根据评估指标和评估模型得出对地观测卫星体系性能值和系统的应用效能值。在此过程中评估工作主要集中在两个方面：一是评估方案的制定，包括选取评估指标和关联的仿真实验；二是仿真数据的获取、处理和表现。评估方案的制定包括选取评估指标，利用评估方法开展仿真实验。仿真数据主要是通过计算实验获取，分析计算试验影响因素，利用正交设计、析因法等优化计算实验方案，设置执行参数实现多次实验任务的对比和评估。

对地观测卫星体系能力评估子系统具有以下功能：①能够方便地编辑、存储评估方案。评估方案由评估方案描述、相关评估指标和仿真实验方案组成；②能够对评估方案进行添加，修改，删除；③能够支持评估方案的仿真数据的处理，并为数据的表现提供友好的界面；④系统应提供多种评估数据表现形式供评估者选择；⑤能够完成对评估报告及其相关文档的输出工作。

评估方案编辑模块包括方案属性编辑，关联评估指标选取，关联仿真实验方案，该模块主要针对不同的评估任务生成评估方案。评估数据处理模块主要是对仿真数据的处理和指标数值的获取。评估数据表现模块主要是对处理后的评估数据进行表现和分析。评估报告生成模块应能自动生成包括评估方案、评估数据和评估结论在内的完整的评估报告。

子系统3：综合演示子系统；

综合演示子系统通过采集对地观测卫星体系关键状态参数，由其二维、三维及数据可视化功能模块进行对地观测卫星体系状态的综合显示。综合演示子系统应用高性能图形处理计算机，为系统配置、效能评估、状态监控系统提供可视化输出，并采用专业投影设备形象化展示人机交互界面和计算试验状态；

子系统4：对地观测卫星体系设计与运控策略配置子系统；

对地观测卫星体系设计与运控策略配置子系统规划对地观测卫星体系运行策略，生成运行脚本，完成人工系统状态设定与更新机制的设计，作为对地观测卫星体系人工子系统运行的输入配置。

对地观测卫星体系结构设计与优化系统，支持实际对地观测卫星体系的状态输入，基于对地观测卫星体系人工子系统与实际对地观测卫星体系的平行演化，通过对地观测卫星体系能力评估子系统提出优化建议，形成新的对地观测卫星体系建设方案，从而科学指导实际对地观测卫星体系的建设发展。

附图说明

图1为本发明提供的对地观测卫星体系结构设计与优化系统结构图；

图2为对地观测卫星体系能力评估子系统结构图；

图3为对地观测卫星体系评估指标；

图4为多层次模糊综合评判法的实现过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结合图1，本发明提供对地观测卫星体系结构设计与优化系统，包括以下子系统：

子系统1：对地观测卫星体系人工子系统；

对地观测卫星体系人工子系统是对地观测卫星体系结构设计与优化系统的核心部分，它由光学遥感卫星、sar遥感卫星、支持系统、用户、环境、目标等几类agent组成，通过数据交互服务和agent的自演化、自运行，完成对地观测卫星体系功能与应用的模拟。

基于agent的模型体系构建是实现对地观测卫星体系人工子系统的关键。agent通过对考察对象事件反应、状态演化及交互约束的统一建模，可以在计算环境中模拟离散事件、连续状态的演变过程。人工系统的优势是以个体agent作为系统的基本运行单元，可以反应对地观测卫星体系内的组织结构、交互关系、影响制约等，为考察对地观测各个探测系统性能以外的运行控制、环境变化等因素的影响，提供了一种可行的工具。

基于agent的建模思想采用自底向上的自然描述方法，即将目标系统按照自然的方式抽象为对应的agent，然后分别对各类agent进行刻画描述，最后将各类agent组建在一起，构成一个完整的基于agent的模型。

agent建模的主要工作是将考察的对象实体转化为独立的agent，用属性和行为描述对象实体的特征。agent属性是能反映自身性能且区别于其它agent的标志性指标，包含身份代码、状态集合等。行为是agent内在与外在活动的表现，内部活动能够用于描述agent所指代的具体对象及其内部状态的修改过程，外部活动用于描述各agent之间以及agent与环境之间交互的行为。

卫星系统agent模块包含光学遥感卫星、sar遥感卫星等天基观测平台子agent。每个观测设备均根据其特征参数(分辨率)和行为规律(轨道变更、开启停机)构建相应的智能体对象，它们之间的交互作用主要是数据传输，可以通过数据传输标定速率和传输时间来描述数据传输过程。

支持系统agent模块包含的智能体单元有中继卫星，通信转发器，信息传输设备等观测保障设备子agent。支持系统将观测单元获得的信息通过支持系统单元发送到信息中心，实现体系能数据流的传递。中继卫星、通信转发器通常受到通信带宽等客观条件限制，通过构建具有传输上限的智能体单元，能够模拟资源限制条件下的系统运行状态。

用户、环境目标agent模块包含用户agent、目标agent和环境agent。用户agent主要模拟用户的应用需求产生，目标agent主要模拟对地观测象的位置、行为等属性，环境agent主要模拟影响对地观测卫星体系运行的各种环境要素。

在建模过程中，先实现大系统层次的agent体系构建，再根据任务需求逐步深入，向分系统、单元系统深入。agent建模过程并不是要求所有模型和行为描述都尽可能的使用高精度模型。可以采用多分辨率建模方法对系统进行不同层次的抽象，高分辨率模型描述系统低层次、操作层次的微观特性，抓住实体的细节和具体现象；低分辨率模型则描述系统高层次、决策层次的宏观特性，更好地揭示实体宏观的、本质的属性。在对地观测卫星体系agent建模中，各个对象的行为、响应，可以采取低分辨率模型，而观测平台本身可以采用高分辨率模型，模拟整个飞行及执行功能过程的状态演化。

当各个层次的agent模型建立完毕后，需要建立相应的软件模型，并组成软件模块。通过相关性分析，将密切交互和影响的agent软件模块组装在一起，可以有效的减少交互通信量，减轻系统运行负担。agent软件模块组装成可运行的模块后，需要一定的运行调度机制。可采用agent模块单线程运行，人工系统单进程的系统架构，由大系统配置和调度多个人工系统进程，从而实现多个样本的同时计算试验，也可为大规模并行计算创造条件。

通过对对地观测卫星体系人工子系统中各个实体对象的运行数据与性能参数采集，产生对地观测卫星体系能力评估子系统的数据资源，为体系能力的评估奠定基础。

子系统2：对地观测卫星体系能力评估子系统；

对地观测卫星体系能力评估子系统由评估工具和数据库组成，主要功能是实现对地观测卫星体系性能仿真和系统应用效能评估，其目的是评估在该体系支持下用户需求的满足程度。对地观测卫星体系能力评估子系统利用仿真实验结果数据进行统计分析，根据评估指标和评估模型得出对地观测卫星体系性能值和系统的应用效能值。在此过程中评估工作主要集中在两个方面：一是评估方案的制定，包括选取评估指标和关联的仿真实验；二是仿真数据的获取、处理和表现。评估方案的制定包括选取评估指标，利用评估方法开展仿真实验。仿真数据主要是通过计算实验获取，分析计算试验影响因素，利用正交设计、析因法等优化计算实验方案，设置执行参数实现多次实验任务的对比和评估。

对地观测卫星体系能力评估子系统具有以下功能：①能够方便地编辑、存储评估方案。评估方案由评估方案描述、相关评估指标和仿真实验方案组成；②能够对评估方案进行添加，修改，删除；③能够支持评估方案的仿真数据的处理，并为数据的表现提供友好的界面；④系统应提供多种评估数据表现形式供评估者选择；⑤能够完成对评估报告及其相关文档的输出工作。图2给出了对地观测卫星体系能力评估子系统结构图。

评估方案编辑模块包括方案属性编辑，关联评估指标选取，关联仿真实验方案，该模块主要针对不同的评估任务生成评估方案。评估数据处理模块主要是对仿真数据的处理和指标数值的获取。评估数据表现模块主要是对处理后的评估数据进行表现和分析。评估报告生成模块应能自动生成包括评估方案、评估数据和评估结论在内的完整的评估报告。

进行对地观测卫星体系能力评估，第一步就是要建立合理的性能和效能评估指标体系。结合对地观测卫星任务，图3给出了对地观测卫星体系评估指标。

由于对地观测卫星体系复杂，涉及很多模糊因素，而且多数定量指标不具备相同的量纲，所以须借助模糊隶属函数将其无量纲化；另一方面，多数评价指标属于综合指标，可根据模糊综合评判理论进行层次分解，模糊评判所包含的评价指标权重确定问题引入层次分析法予以解决。图4给出了多层次模糊综合评判法的实现过程示意图。

子系统3：综合演示子系统；

综合演示子系统通过采集对地观测卫星体系关键状态参数，由其二维、三维及数据可视化功能模块进行对地观测卫星体系状态的综合显示。综合演示子系统应用高性能图形处理计算机，为系统配置、效能评估、状态监控系统提供可视化输出，并采用专业投影设备形象化展示人机交互界面和计算试验状态；

子系统4：对地观测卫星体系设计与运控策略配置子系统；

对地观测卫星体系设计与运控策略配置子系统规划对地观测卫星体系运行策略，生成运行脚本，完成人工系统状态设定与更新机制的设计，作为对地观测卫星体系人工子系统运行的输入配置。

对地观测卫星体系结构设计与优化系统，支持实际对地观测卫星体系的状态输入，基于对地观测卫星体系人工子系统与实际对地观测卫星体系的平行演化，通过对地观测卫星体系能力评估子系统提出优化建议，形成新的对地观测卫星体系建设方案，从而科学指导实际对地观测卫星体系的建设发展。

本发明提供的对地观测卫星体系结构设计与优化系统主要基于平行系统理论和多智能体建模方法构建，对地观测卫星体系人工子系统是对地观测卫星体系结构设计与优化系统的核心，它载入运控策略和体系结构信息后，开展计算实验研究，通过体系能力评估子系统获得系统效能的量化指标，支持产生下一步优化建议；通过综合演示子系统实现系统状态变量的可视化显示和分析，支持体系能力的展示和评估。系统支持实际对地观测卫星体系的状态输入，通过对地观测卫星体系能力评估子系统提出优化建议，形成新的对地观测卫星体系建设方案，具体具有以下优点：

(1)为对地观测卫星体系提供一体化平行试验环境，通过对地观测卫星体系状态参数接入，可以实现人工系统与自然系统的相互映射和平行发展，形成一个不断完善的闭环系统，可以为对地观测卫星体系部署方案的改进、运行控制策略的评估提供支持；

(2)为对地观测卫星体系发展战略和规划提供支持，新型观测系统、新型应用任务的不断出现，将对已有的观测体系提出新的挑战，新的技术创新也会带来新型的应用模式和应用需求，通过人工系统的平行演化，不断适应现实系统的发展，能够在策略层面进行计算试验和方案评估，以数字试验的方式进行新型技术方案和任务过程的模拟，可为对地观测卫星体系发展战略和规划提供技术支撑。

(3)为对地观测卫星体系功能展示提供仿真演示环境，人工系统的agent对象，和现实系统一一对应，通过agent对现实系统对象的功能和事件响应模型，可以模拟对地观测卫星体系的工作过程、功能流程，为各种复杂过程的仿真演示提供了模拟环境。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。