低轨卫星具身自主体的多模态世界状态推理方法
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国家科技计划雄安新区科技创新专项 (2024XAGG0025); 国家自然科学基金 (62402054)


A Multimodal World-state Reasoning Method for Embodied Autonomous Agents on Low-earth-orbit Satellites
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    摘要:

    针对低轨卫星连续任务中多模态状态分散、硬约束耦合和异常后全局重规划代价高等问题,本文提出一种基于多模态世界状态的任务规划与异常恢复方法。方法首先将可见光/遥感图像、星上遥测序列、轨道环境上下文与任务语义对齐到统一决策时刻,构建带可用性掩码的统一世界状态层;随后在任务—资源—环境—动作动态图上进行硬约束传播,并结合状态转移模型评估未来可达性;再通过预测—观测残差定位异常及其影响路径,仅在受影响时间窗口内执行局部恢复控制。训练阶段使用满足相同硬约束的MILP离线求解器生成教师轨迹,先进行行为克隆预训练,再在数字孪生环境中闭环交互并进行优势加权更新。在自建低轨卫星数字孪生基准上的实验表明,所提方法在任务成功率、异常恢复成功率和约束满足率上分别达到89.8%、81.6%和96.3%,较最强基线分别提升6.7、12.2和3.3个百分点,同时保持59 ms的在线决策时延。结果说明,上述四项机制能够在数字孪生连续任务场景中改善规划可执行性与局部恢复质量。

    Abstract:

    This paper presents a multimodal world-state method for task planning and anomaly recovery in low-Earth-orbit (LEO) satellite missions, where heterogeneous observations, tightly coupled hard constraints, and costly global replanning make closed-loop autonomy difficult. The method aligns imagery, telemetry, orbital context, and mission semantics at each decision instant to form a unified world-state layer with modality-availability masks. It then propagates hard constraints over a dynamic task-resource-environment-action graph and uses a learned transition model to assess future reachability. Anomalies and their impact paths are localized through prediction-observation residuals, after which recovery is restricted to the affected temporal window. For training, an offline MILP solver subject to the same hard constraints generates teacher trajectories; behavior-cloning pretraining is followed by closed-loop interaction and advantage-weighted updates in the digital twin. On a self-built LEO digital-twin benchmark, the method achieves task success, recovery success, and constraint satisfaction rates of 89.8%, 81.6%, and 96.3%, respectively, outperforming the strongest baseline by 6.7, 12.2, and 3.3 percentage points while maintaining 59 ms online latency. These results support the four proposed mechanisms within the digital-twin setting.

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引用本文

李倩,黄茜,王哲,王尚广.低轨卫星具身自主体的多模态世界状态推理方法.软件学报,2027,38(5):

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  • 收稿日期:2026-04-22
  • 最后修改日期:2026-08-20
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  • 在线发布日期: 2026-09-14
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