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深空探测任务中多任务优先级调度技术研究1

深空探测任务中多任务优先级调度技术研究

摘要

深空探测任务具有高成本、高风险、长周期和复杂环境等特点，多任务并行执行已

成为提高探测效率的必然选择。本文系统研究了深空探测任务中多任务优先级调度技

术，旨在解决资源受限条件下的任务冲突与优化问题。报告首先分析了深空探测任务调

度面临的挑战，包括通信延迟、能源约束、计算资源有限等特殊约束条件；其次，构建

了基于多层次优先级评估的调度理论框架，融合了任务科学价值、资源需求、时间窗口

等多元因素；然后提出了自适应动态调度算法，结合了机器学习预测与经典优化理论；

最后设计了完整的验证方案与实施路径。研究表明，该技术可提升深空探测任务执行效

率1520%，降低资源冲突率30%以上，为我国深空探测工程提供关键技术支撑。本报

告内容涵盖理论基础、技术路线、实施方案、风险分析等完整体系，可为相关科研人员

与工程实践提供系统参考。

引言与背景

1.1深空探测任务发展现状

深空探测作为航天活动的重要组成部分，已成为衡量国家航天科技实力的重要标

志。根据国际航天研究机构统计，截至2023年，全球共实施深空探测任务超过250次，

其中火星探测占比约40%，小行星与彗星探测占比25%，木星及外太阳系探测占比15%。

我国深空探测事业虽起步较晚，但发展迅速，自2007年嫦娥一号任务以来，已成功实

施月球探测、火星探测等多次任务，形成了”绕、落、回”完整技术体系。根据《2021中

国的航天》白皮书，我国计划在2030年前实施小行星采样、木星系探测等任务，多任

务并行需求日益迫切。

深空探测任务面临极端环境挑战：通信延迟从数分钟到数十分钟不等，地球与火星

之间单向通信延迟可达420分钟；能源供应受太阳能板效率限制，外太阳系探测需依赖

放射性同位素热电发生器(RTG)；计算资源受限于航天器载计算机性能，通常为地面同

代产品性能的1/101/5。这些约束条件使得深空探测任务调度比地面系统更为复杂，需

要专门的优化理论与方法。

1.2多任务调度技术重要性

随着深空探测任务数量增加和复杂度提升，单一任务模式已难以满足科学探索需

求。美国NASA的”火星2020”任务同时执行地质采样、大气探测、生命迹象有哪些信誉好的足球投注网站等多

重科学目标；欧空局”木星冰卫星探测器”(JUICE)需协调对木星及其三颗卫星的观测任

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务。多任务并行可显著提高科学产出，但同时也带来资源冲突、时序约束、优先级决策

等新问题。

优先级调度技术是多任务管理的核心，直接影响任务成功率和科学价值实现。传

统固定优先级方法难以适应深空探测动态环境，需要发展自适应、智能化的调度策略。

根据IEEE航天系统会议数据，采用先进调度技术的深空任务可提高科学数据获取量

2535%，降低能源消耗1520%。因此，研究深空探测多任务优先级调度技术对我国航天

事业发展具有重要战略意义。

1.3研究目标与意义

本研究旨在建立适用于深空探测的多任务优先级调度技术体系，具体目标包括：构

建多维度任务优先级评估模型，设计自适应动态调度算法，开发仿真验证平台，形成工

程应用指南。研究成果将直接服务于我国深空探测工程，提升任务规划与执行效率。

从科学价值看，该技术可优化有限资源下的科学目标实现，最大化探测产出；从工

程价值看，可降低任务风险，提高系统可靠性；从战略价值看，可增强我国深空探测任

务自主规划能力，减少对地面控制的依赖。特别是在深空自主运行趋势下，星载智能调

度技术将成为未来深空探测器的核心能力之一。

研究概述

2.1研究范围界定

本研究聚焦于深空探测任务执行阶段的优先级调度问题，不包括任务设计、发射等

前期阶段。研究对象为航天器载多任务调度系统，考虑的约束条件包括：能源约束(功

率预算)、计算约束(CPU时间)、存储约束(数据容量)、通信约束(带宽与窗口)、时序

约束(任务先后关系)等。研究场景涵盖行星表面探测、轨道器科学观测、小行星飞越

等多种典型任务类型。

研究不涉及具体载荷设备的控制细节，而是从任务层面进行调度优化。时间尺度考

虑从秒级到任务周期级(数天至数月)的多层次调度问题。研究假设航天器具备基本的

自主计算