一种基于超启发式算法的卫星任务规划方法技术

技术编号:14598160 阅读:87 留言:0更新日期:2017-02-09 02:04
本发明专利技术公开了一种基于超启发式算法的卫星任务规划方法,包括:1获得目标的优先级支配关系数据;2使用禁忌搜索算法或模拟退火亚启发式算法对优先级组合进行搜索,获得规划结果;本发明专利技术能够使用亚启发式算法对多角度优先级的启发式规则信息的组合应用进行搜索,从而能提供基于超启发式算法的、高效鲁棒的卫星成像与传输联合规划方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于卫星任务规划
,具体地说是一种多星成像与传输联合任务规划方法。
技术介绍
卫星是人类制造发射升空的机器,其在一定的轨道上飞行,绕地球运转。成像卫星可通过搭载的成像传感器,对其所经过和覆盖到的地球区域进行成像,并将图像传回给地面站,供地面用户使用。目前,成像卫星在国防、民生等多个应用领域发挥着重要的作用,如环境监测、土地勘察、目标搜索、应急救助等。卫星任务规划是卫星日常管控中重要的环节,用于处理用户对卫星资源的争用,使稀缺的卫星资源尽可能多的满足用户需求。卫星任务规划主要指卫星成像和数据传输两个动作的规划,通过任务规划,制定出各卫星对各个待观测目标的成像计划方案和数据传输计划方案。规划得到的成像计划方案包括卫星对各个待观测目标的选择以及各个待观测目标的起止成像时间,规划得到的数据传输计划方案包括各卫星对各地面站的数据传输量以及每次数据传输的起止时间。当前的任务规划技术具有如下缺点:未能充分的挖掘规划问题所包含的与目标优先级相关的启发式知识。大多数规划方法是基于亚启发式算法或基于单一的启发式规则而实现的。其中,(1)基于亚启发式算法实现的规划方法,大多数未充分的利用规划问题所包含的与目标优先级相关的启发式知识,因此,搜索的盲目性较大;(2)而基于单一的启发式规则所构造的规划方法,虽然在规划时能够为算法的迭代搜索提供一个指示的方向,从而快速的得到一个可接受的解,但是基于单一的启发式规则所构造的方法往往不能求得高质量的解。
技术实现思路
本专利技术是为了克服现有技术存在的不足之处,提供一种基于超启发式算法的卫星任务规划方法,以期能够使用亚启发式算法对多角度优先级的启发式规则信息的组合应用进行组合搜索,从而能提供基于超启发式算法的、高效鲁棒的卫星成像与传输联合规划方法。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案:本专利技术一种基于超启发式算法的卫星任务规划方法的特点是应用于由NT个目标Ns个成像卫星和NP个地面站构成的任务规划场景中;ti表示第i个目标,1≤i≤NT;sj表示第j个成像卫星,令第j个成像卫星sj的最大存储为Mmax;所述第j个成像卫星sj带有一个成像传感器,并具有同步成像和传输功能,1≤j≤Ns;pl表示第l个地面站,所述第l个地面站pl能同时接收多个成像卫星传输的成像数据,1≤l≤Np;所述规划场景中,每个目标对应一个观测收益值,记第i个任务ti对应的观测收益为f(ti);每个目标对应一个交货期,记第i个任务ti对应的交货期为h(ti);每个目标对应一个存储消耗,记第i个任务ti对应的存储消耗为c(ti);每个目标对应一个观测能量消耗,记第i个任务ti对应的观测能量消耗为e(ti);每个目标对应一个最短观测时长,记第i个任务ti对应的最短观测时长为z(ti);每个成像卫星对应一个传输速率,记第j个成像卫星sj对应的传输速率为φ(sj);以观测到的目标的总观测收益最大化作为优化目标,并按如下步骤进行规划:步骤1:获得目标的优先级支配关系数据步骤1.1、获得二维成像数据表和二维传输数据表获得所述Ns个成像卫星对NT个目标的成像访问时间窗集合D、Ns个成像卫星对NP个地面站的传输访问时间窗集合L;所述Ns个成像卫星对NT个任务的成像访问时间窗集合D为二维成像数据表,且其属性包括:目标、成像卫星、开始成像时间、结束成像时间;所述二维成像数据表D的每行数据表示所在行目标的观测机会;所述Ns个成像卫星对NP个地面站的传输访问时间窗集合L为二维传输数据表,且其属性包括:成像卫星、地面站、开始传输时间、结束传输时间;所述二维传输数据表L的每行数据表示所在行卫星的传输机会;步骤1.2、获得目标的优先级支配关系二维表R:步骤1.2.1、生成优先级支配关系二维表R,其属性包括:目标、收益的优先级后继、收益存储比的优先级后继、收益能量比的优先级后继、观测机会的优先级后继、交货期的优先级后继、状态标记flag;其中,flag=1表示相应的目标被选中,flag=0表示相应的目标未选中;所述优先级支配关系二维表R包含NT+2行,第一行为优先级编号,第二行为先头目标;其余NT的每行对应一个目标;步骤1.2.2、将NT个目标按照其各自的观测收益值从大到小排序,获得收益的有序目标序列LF;步骤1.2.3、将所述收益的有序目标序列LF中的第一个目标作为所述优先级支配关系二维表R中收益优先级后继的先头目标;遍历所述收益的有序目标序列LF,在所述优先级支配关系二维表R中,令当前遍历目标tσ的收益优先级后继指向下一个目标tσ+1,1≤σ≤NT-1;步骤1.2.4、将NT个目标按照其各自的收益-存储消耗比从大到小排序,获得收益存储比的有序目标序列LC,其中,收益-存储消耗比=观测收益值/存储消耗;步骤1.2.5、将所述收益存储比的有序目标序列LC中的第一个目标作为所述优先级支配关系二维表R中收益存储比优先级后继的先头目标;遍历所述收益存储比的有序目标序列LC,在所述优先级支配关系二维表R中,令当前遍历目标tθ的收益存储比优先级后继指向下一个目标tθ+1,1≤θ≤NT-1;步骤1.2.6、将NT个目标按照其各自的收益-能量消耗比从大到小排序,获得按收益能量比的有序目标序列LE,其中,收益-能量消耗比=观测收益值/能量消耗;步骤1.2.7、将所述收益能量比的有序目标序列LE中的第一个目标作为所述优先级支配关系二维表R中收益能量比优先级后继的先头目标;遍历收益能量比的有序目标序列LE,在所述优先级支配关系二维表R中,令当前遍历目标tω的收益存储比优先级后继指向下一个目标tω+1,1≤ω≤NT-1;步骤1.2.8、将NT个目标的观测收益值按大小分为N个等级,从而获得NT个目标根据各自的观测收益值确定的相应等级;步骤1.2.9、根据所述二维成像数据表D,获得每个目标的候选观测机会次数;步骤1.2.10、将NT个目标先按等级从大到小排序后,若是相同等级的目标,则按照候选观测机会次数从小到大排序;从而获得观测机会的有序目标序列LO;步骤1.2.11、将所述观测机会的有序目标序列LO中的第一个目标作为所述优先级支配关系二维表R中观测机会优先级后继的先头目标;遍历观测机会的有序目标序列LO,在所述优先级支配关系二维表R中,令当前遍历目标tυ的观测机会优先级后继指向下一个目标tυ+1,1≤υ≤NT-1;步骤1.2.12、将NT个目标先按等级从大到小排序后,若是相同等级的目标,则按照交货期从早到晚排序;从而获得交货期的有序目标序列LD;步骤1.2.13、将所述交货期的有序目标序列LD中的第一个目标作为所述优先级支配关系二维表R中交货期优先级后继的先头目标;遍历交货期的有序目标序列LD,在所述优先级支配关系二维表R中,令当前遍历目标tμ的交货期优先级后继指向下一个目标tμ+1,1≤μ≤NT-1;步骤1.2.14、将优先级支配关系二维表R中的状态标记flag全部初始化为“0”;步骤2、使用禁忌搜索算法或模拟退火亚启发式算法对优先级组合进行搜索,获得规划结果;步骤2.1、随机生成一个一维整数向量用以表示优先级规则的组合方案,其长度为NT,vm表示第m个分量,每个分量表示对一个优先级规则的选择,vm∈{1,2,3,4,5本文档来自技高网...
一种基于超启发式算法的卫星任务规划方法

【技术保护点】
一种基于超启发式算法的卫星任务规划方法,其特征是应用于由NT个目标Ns个成像卫星和NP个地面站构成的任务规划场景中;ti表示第i个目标,1≤i≤NT;sj表示第j个成像卫星,令第j个成像卫星sj的最大存储为Mmax;所述第j个成像卫星sj带有一个成像传感器,并具有同步成像和传输功能,1≤j≤Ns;pl表示第l个地面站,所述第l个地面站pl能同时接收多个成像卫星传输的成像数据,1≤l≤Np;所述规划场景中,每个目标对应一个观测收益值,记第i个任务ti对应的观测收益为f(ti);每个目标对应一个交货期,记第i个任务ti对应的交货期为h(ti);每个目标对应一个存储消耗,记第i个任务ti对应的存储消耗为c(ti);每个目标对应一个观测能量消耗,记第i个任务ti对应的观测能量消耗为e(ti);每个目标对应一个最短观测时长,记第i个任务ti对应的最短观测时长为z(ti);每个成像卫星对应一个传输速率,记第j个成像卫星sj对应的传输速率为φ(sj);以观测到的目标的总观测收益最大化作为优化目标,并按如下步骤进行规划:步骤1:获得目标的优先级支配关系数据步骤1.1、获得二维成像数据表和二维传输数据表获得所述Ns个成像卫星对NT个目标的成像访问时间窗集合D、Ns个成像卫星对NP个地面站的传输访问时间窗集合L;所述Ns个成像卫星对NT个任务的成像访问时间窗集合D为二维成像数据表,且其属性包括:目标、成像卫星、开始成像时间、结束成像时间;所述二维成像数据表D的每行数据表示所在行目标的观测机会;所述Ns个成像卫星对NP个地面站的传输访问时间窗集合L为二维传输数据表,且其属性包括:成像卫星、地面站、开始传输时间、结束传输时间;所述二维传输数据表L的每行数据表示所在行卫星的传输机会;步骤1.2、获得目标的优先级支配关系二维表R:步骤1.2.1、生成优先级支配关系二维表R,其属性包括:目标、收益的优先级后继、收益存储比的优先级后继、收益能量比的优先级后继、观测机会的优先级后继、交货期的优先级后继、状态标记flag;其中,flag=1表示相应的目标被选中,flag=0表示相应的目标未选中;所述优先级支配关系二维表R包含NT+2行,第一行为优先级编号,第二行为先头目标;其余NT的每行对应一个目标;步骤1.2.2、将NT个目标按照其各自的观测收益值从大到小排序,获得收益的有序目标序列LF;步骤1.2.3、将所述收益的有序目标序列LF中的第一个目标作为所述优先级支配关系二维表R中收益优先级后继的先头目标;遍历所述收益的有序目标序列LF,在所述优先级支配关系二维表R中,令当前遍历目标tσ的收益优先级后继指向下一个目标tσ+1,1≤σ≤NT‑1;步骤1.2.4、将NT个目标按照其各自的收益‑存储消耗比从大到小排序,获得收益存储比的有序目标序列LC,其中,收益‑存储消耗比=观测收益值/存储消耗;步骤1.2.5、将所述收益存储比的有序目标序列LC中的第一个目标作为所述优先级支配关系二维表R中收益存储比优先级后继的先头目标;遍历所述收益存储比的有序目标序列LC,在所述优先级支配关系二维表R中,令当前遍历目标tθ的收益存储比优先级后继指向下一个目标tθ+1,1≤θ≤NT‑1;步骤1.2.6、将NT个目标按照其各自的收益‑能量消耗比从大到小排序,获得按收益能量比的有序目标序列LE,其中,收益‑能量消耗比=观测收益值/能量消耗;步骤1.2.7、将所述收益能量比的有序目标序列LE中的第一个目标作为所述优先级支配关系二维表R中收益能量比优先级后继的先头目标;遍历收益能量比的有序目标序列LE,在所述优先级支配关系二维表R中,令当前遍历目标tω的收益存储比优先级后继指向下一个目标tω+1,1≤ω≤NT‑1;步骤1.2.8、将NT个目标的观测收益值按大小分为N个等级,从而获得NT个目标根据各自的观测收益值确定的相应等级;步骤1.2.9、根据所述二维成像数据表D,获得每个目标的候选观测机会次数;步骤1.2.10、将NT个目标先按等级从大到小排序后,若是相同等级的目标,则按照候选观测机会次数从小到大排序;从而获得观测机会的有序目标序列LO;步骤1.2.11、将所述观测机会的有序目标序列LO中的第一个目标作为所述优先级支配关系二维表R中观测机会优先级后继的先头目标;遍历观测机会的有序目标序列LO,在所述优先级支配关系二维表R中,令当前遍历目标tυ的观测机会优先级后继指向下一个目标tυ+1,1≤υ≤NT‑1;步骤1.2.12、将NT个目标先按等级从大到小排序后,若是相同等级的目标,则按照交货期从早到晚排序;从而获得交货期的有序目标序列LD;步骤1.2.13、将所述交货期的有序目标序列LD中的第一个目标作为所述优先级支配关系二维表R中交货期优先级后继的先头目标;遍历交货期的有序目标序列LD,在所述...

【技术特征摘要】
1.一种基于超启发式算法的卫星任务规划方法,其特征是应用于由NT个目标Ns个成像卫星和NP个地面站构成的任务规划场景中;ti表示第i个目标,1≤i≤NT;sj表示第j个成像卫星,令第j个成像卫星sj的最大存储为Mmax;所述第j个成像卫星sj带有一个成像传感器,并具有同步成像和传输功能,1≤j≤Ns;pl表示第l个地面站,所述第l个地面站pl能同时接收多个成像卫星传输的成像数据,1≤l≤Np;所述规划场景中,每个目标对应一个观测收益值,记第i个任务ti对应的观测收益为f(ti);每个目标对应一个交货期,记第i个任务ti对应的交货期为h(ti);每个目标对应一个存储消耗,记第i个任务ti对应的存储消耗为c(ti);每个目标对应一个观测能量消耗,记第i个任务ti对应的观测能量消耗为e(ti);每个目标对应一个最短观测时长,记第i个任务ti对应的最短观测时长为z(ti);每个成像卫星对应一个传输速率,记第j个成像卫星sj对应的传输速率为φ(sj);以观测到的目标的总观测收益最大化作为优化目标,并按如下步骤进行规划:步骤1:获得目标的优先级支配关系数据步骤1.1、获得二维成像数据表和二维传输数据表获得所述Ns个成像卫星对NT个目标的成像访问时间窗集合D、Ns个成像卫星对NP个地面站的传输访问时间窗集合L;所述Ns个成像卫星对NT个任务的成像访问时间窗集合D为二维成像数据表,且其属性包括:目标、成像卫星、开始成像时间、结束成像时间;所述二维成像数据表D的每行数据表示所在行目标的观测机会;所述Ns个成像卫星对NP个地面站的传输访问时间窗集合L为二维传输数据表,且其属性包括:成像卫星、地面站、开始传输时间、结束传输时间;所述二维传输数据表L的每行数据表示所在行卫星的传输机会;步骤1.2、获得目标的优先级支配关系二维表R:步骤1.2.1、生成优先级支配关系二维表R,其属性包括:目标、收益的优先级后继、收益存储比的优先级后继、收益能量比的优先级后继、观测机会的优先级后继、交货期的优先级后继、状态标记flag;其中,flag=1表示相应的目标被选中,flag=0表示相应的目标未选中;所述优先级支配关系二维表R包含NT+2行,第一行为优先级编号,第二行为先头目标;其余NT的每行对应一个目标;步骤1.2.2、将NT个目标按照其各自的观测收益值从大到小排序,获得收益的有序目标序列LF;步骤1.2.3、将所述收益的有序目标序列LF中的第一个目标作为所述优先级支配关系二维表R中收益优先级后继的先头目标;遍历所述收益的有序目标序列LF,在所述优先级支配关系二维表R中,令当前遍历目标tσ的收益优先级后继指向下一个...

【专利技术属性】
技术研发人员:胡笑旋朱外明靳鹏夏维罗贺马华伟张烨
申请(专利权)人:合肥工业大学
类型:发明
国别省市:安徽;34

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