基于计算机视觉与星上规划的航天器自主

对地观测卫星的成像任务，从排程、上注指令到星上执行，中间存在一段不短的等待时间。这份 MIT 博士论文要回答的正是这段等待带来的问题：当卫星终于按下快门时，目标可能已经被云层遮住，任务就此落空。作者 Shreeyam Kacker 把思路转向动态任务（dynamic tasking, DT），即把自主性搬到星上，让航天器根据当下观测到的条件快速反应，而不是在地面上提前把一切算好。论文由 Kerri L. Cahoy 担任答辩委员会主席，Olivier de Weck、Planet Labs 的 Kiruthika Devaraj 任委员，NASA JPL 的 Steve A. Chien 与 Planet Labs 的 Işıl Demir 担任读者，2025 年 9 月提交至 MIT 航空航天系。

论文设定的场景是一颗被指派任务的地球观测卫星，目标是对地球陆地上的预定目标成像，而自主性要解决的具体问题是规避云层。作者给出的量级是：云遮挡可能导致多达 66% 的成像任务失败。研究没有走端到端学习路线，而是在既有航天器排程工作的基础上，把混合整数线性规划（MILP）排程器作为主排程算法。DT 也不直接塞进全局问题，而是构造一组启发式，用来估计「向前多看一步」的动作值多少。这些启发式从两个方向搭建：一是对排程问题做简化与约束后借助次序统计量推导，二是用大量合成数据训练卷积神经网络。

感知来源方面，论文考虑了两种路径：一是星上视觉，二是利用地球静止轨道（GEO）气象卫星的信息——对后者不做详细的数据管线分析，而是把信息延迟参数化。此外，论文还提出把全局状态分片的方法，使数据能在卫星星座中高效存储与更新，让这些启发式以极小的改动在整個星座上继续可用。

结果分两种情形。当所有任务价值相等时，论文测试的全部 DT 方案——气象信息与视觉两类都算——在所有试验中都优于传统排程器，按无云拍摄计算的总排程效用提升幅度在 40% 到 100% 之间，具体取决于所用 DT 方法。换句话说，把自主性放到星上，在这组设定下不是边际改善，而是数量级上可见的差异。

但当任务效用服从帕累托分布时，情况明显变难。全知排程与传统排程之间的差距大幅收窄，缩到总效用的 4% 以内；只有单一一种 DT 方法能稳定胜过传统排程。作者把这归因于环境变得显著更困难：收益与损失不对称。这意味着 DT 的价值高度依赖于任务价值如何分布——目标均质时红利可观，目标价值悬殊时，多数启发式难以稳定占优。

对实践而言，论文的取向值得注意：它没有许诺一个通用的星上自主方案，而是承认运营落地与星上边缘计算的现实约束，在既有排程框架上做增量式改造，并给出了在星座层面分摊状态的办法。这意味着工程团队可以把 DT 当作排程器的可插拔增强，而非推倒重来；同时也提示，评估这类方案时必须明确任务价值的分布假设，否则 40%–100% 的提升在真实任务组合中未必复现。论文关于 GEO 气象信息的部分停留在延迟参数化层面，不构成对数据管线的结论。

这支研究适合卫星任务设计、星上自主运行与对地观测任务规划方向的同行阅读。读完能拿走的，是一套以 MILP 排程器为核心、辅以两类启发式的 DT 架构，一组在等价值与帕累托分布两种情形下的对照结果，以及状态分片这一面向星座的工程手段。边界也需看清：对气象信息只做了延迟参数化而非管线分析；效用对比基于论文自身的仿真设定；单一 DT 方法在帕累托情形下「稳定胜出」的结论，本身也说明其余方法在该环境下不够可靠。

Spacecraft Autonomy through Computer Vision and Onboard Planning by Shreeyam Kacker MEng Aeronautical Engineering, Imperial College London, 2020 S.M. Aeronautics and Astronautics, Massachusetts Institute of Technology, 2022 Submitted to the Department of Aeronautics and Astronautics in partial fulfillment of the requirements for the degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY IN AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS at the MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY September 2025 © 2025 Shreeyam Kacker. This work is licensed under a CC BY-NC-ND 4.0 license. The author hereby grants to MIT a nonexclusive, worldwide, irrevocable, royalty-free license to exercise any and all rights under copyright, including to reproduce, preserve, distribute and publicly display copies of the thesis, or release the thesis under an open-access license. Authored by: Shreeyam Kacker Department of Aeronautics and Astronautics