小尺度卫星集群能够利用多成员之间的空间基线和重叠观测机会，支持同步观测与移动目标接力跟踪，但长期相对轨道漂移和多类型任务的资源竞争制约了协同能力的发挥。为此，需要在初始状态设计阶段抑制自然漂移，并结合构型演化形成的观测条件，协调卫星选择、观测时段与任务执行次序。
本文提出由低漂移初始状态设计与共享资源任务规划顺序衔接的分层方法，整体框架如图 1所示。构型设计层以能量匹配（Energy Matching, EM）解析解为基础，统一摄动条件下坐标转换与参考相位定义，在保持初始相对位置不变的条件下，采用综合学习粒子群优化（Comprehensive Learning Particle Swarm Optimization, CLPSO）修正三维初始相对速度，通过相对轨迹峰谷包络离散程度与半周期位置对称偏差评价长期构型稳定性。任务规划层依据传播星历计算目标可见窗口，在载荷离轴角、跟踪转率、持续观测时长、任务间调姿和资源互斥约束下，分别采用窗口插入、卫星对与同步时段联合选择、逐时隙卫星—目标匹配，组织单星凝视、双星同步观测和移动目标跟踪。联合规划按移动跟踪、双星观测、单星凝视的顺序安排任务，通过共享卫星时间线协调资源占用，并结合持续跟踪奖励与负载惩罚减少切换、分散任务。

图 1 低漂移构型与多类型协同观测的分层任务设计框架
为验证算法的有效性，分别开展了6颗从星的长期构型保持和30颗任务卫星的多类型观测规划的仿真实验。EM-CLPSO优化后的6星算例经35天轨道传播后，三维相对轨迹与面内投影仍保持稳定包络（如图 2和图 3所示），径向半轴约0.5 km、迹向半轴约1 km；径向、迹向和法向最大漂移分别为0.168 m、2.980 m和4.360 m。全部星对在轨迹采样点上的最小间距不低于282.36 m，为标称构型的星间分离提供了几何依据。

图 2 EM-CLPSO方法的6颗从星在LEO条件下35天轨道外推结果展示图

图 3 EM-CLPSO方法的6颗从星35天轨道外推结果在 平面的投影图
任务规划算例设置72 h任务时域、10 s时间步长，考虑摄动，载荷离轴角上限为15°、姿态转率上限为1.2°/s，包含150个静态目标和10个移动目标。独立规划采用40 s连续凝视要求，单星与双星任务分别完成149项和138项，完成率为99.33%和92.00%（如表 1所示）。联合规划对同一组静态目标分别设置单星和双星需求，采用30 s凝视要求及不低于5°的双星观测夹角，300项静态任务全部完成；30颗卫星均参与任务，离散卫星—时隙资源冲突数为0，负载Jain公平指数为0.8674。由于凝视时长不同，上述完成率不能直接用于判定联合规划优于独立规划。移动目标跟踪利用了98个可见目标时隙中的74个，可见窗口内跟踪率为75.51%，联合规划保持了独立跟踪的执行安排（如图 4所示）；集群联合可见率和全任务期跟踪率分别为0.03781%和0.02855%，表明该算例仍受可见机会稀少的限制。
表 1 静态观测任务规划结果

规划方式	连续凝视时长(s)	完成数/需求数	完成率
独立单星凝视	40	149 / 150	99.33%
独立双星同步观测	40	138 / 150	92.00%
联合规划中的单星凝视	30	150 / 150	100%
联合规划中的双星同步观测	30	150 / 150	100%

图 4 移动目标可见窗口内的跟踪率与实际执行时隙分布
本文面向空间协同探测任务的总体设计，构建了基于构型保持的分层任务规划方法，形成从低漂移初始状态设计到多类型观测排班的计算流程。上层以EM和CLPSO优化改善初始状态设计，下层通过共享时间线协调单星凝视、双星观测与移动目标跟踪，并以分层指标支撑方案比较。该方法为评估有限资源条件下卫星集群的长期构型适用性与协同任务能力提供了系统仿真基础。后续将通过长弧段对照试验、任务参数敏感性分析及维护机动预算评估，明确构型稳定性改善对任务收益和推进剂需求的实际影响。

空间探测任务设计,卫星集群,构型保持,能量匹配,协同任务规划