状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复方法技术

本发明专利技术公开的状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复方法，属于航空航天技术领域。本发明专利技术针对原有航天器任务规划结果，采用状态回退的方法得到航天器不同时刻的回退目标状态；根据任务执行失败时的航天器状态与某一时刻的回退目标状态之间的谓词组成差异，对回退目标状态进行约简，获得新的回退目标状态；采用后向搜索策略，得到不含时间信息的初步任务规划修复解；为确保该初步解与回退目标状态之间不发生冲突，模拟执行并判断结果的一致性；对模拟执行结果一致的初步任务规划修复解，进行时间调度即能够获得带有时间信息的航天器自主任务规划修复方案。本发明专利技术具有计算量小、计算速度快、算法实现简单高效的优点。

Fast and Efficient Repair Method for Spacecraft Autonomous Mission Planning in State Space

The invention discloses a fast and efficient repairing method for spacecraft autonomous mission planning in state space, which belongs to the field of aerospace technology. According to the original spacecraft mission planning results, the state regression method is used to obtain the retreat target state of spacecraft at different times; according to the difference of predicate composition between the state of spacecraft at failure of mission execution and the state of retreat target at a certain time, the retreat target state is reduced to obtain a new retreat target state; and the retreat target state is obtained by using the backward search strategy. In order to ensure that there is no conflict between the initial solution and the retreat target state, the simulation execution and the consistency of the results are judged. For the initial mission planning repair solution with consistent simulation execution results, the spacecraft autonomous mission planning repair scheme with time information can be obtained by time scheduling. The invention has the advantages of small calculation amount, fast calculation speed, simple and efficient algorithm realization.

【技术实现步骤摘要】
状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复方法
本专利技术涉及一种基于不同时刻回退目标状态的快速高效的航天器自主任务规划修复方法，属于航空航天

技术介绍
随着人工智能智能技术的不断进步和发展，航天器的自主性逐渐成为航天领域的热门研究方向之一。对于近地卫星，其任务操作指令的上传局限于地面测站的测控弧段，导致当卫星在测控区域之外执行任务失败时，地面很难及时有效地使其恢复正常；对于深空探测器，其与地球之间的通信存在巨大时延，一旦任务执行过程中出现差错，将会影响整个任务地完成。因此，航天器需要具备自主任务规划修复能力，实现自我决策和实施，提升安全性和任务回报。在智能体的任务规划修复算法领域上，国内外众多学者进行了深入的研究，同时也涌现出了许多理论和方法，如基于修补规则的任务修复方法、基于启发式的任务规划修复方法、基于目标回退的任务规划修复方法等。虽然每种算法都有各自的优点，但是也很难克服自身存在的缺陷。例如基于修补规则的任务修复方法根据人的经验对不同错误进行修复，高效准确，但是不能涵盖所有错误类型；基于启发式的任务规划修复方法直接利用现有规划器的启发式进行修复，简单有效，但是只能处理初始条件或者目标状态发生改变的情况；基于目标回退的任务规划修复方法对原规划进行分段预处理，减少了实际修复的耗费时间，但是无法解决每段中最后一个动作执行失败的问题。此外，这些方法都不能处理带有时间信息的动作执行失败的问题。
技术实现思路
针对航天器任务执行失败时需要进行自主修复的问题，为了克服现有规划修复算法的计算量大、实现复杂、应用范围受限等困难，本专利技术公开的状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复方法要解决的技术问题是：实现状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复，即用于实现确定任务执行失败时航天器为恢复正常应该采取的活动序列，且具有计算量小、计算速度快、算法实现简单高效的优点。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复方法，针对原有航天器任务规划结果，采用状态回退的方法得到航天器不同时刻的回退目标状态。并根据任务执行失败时的航天器状态与某一时刻的回退目标状态之间的谓词组成差异，对回退目标状态进行约简，获得新的回退目标状态。采用后向搜索策略，得到不含时间信息的初步任务规划修复解。为确保该初步解与回退目标状态之间不发生冲突，模拟执行并判断结果的一致性。对模拟执行结果一致的初步任务规划修复解，进行时间调度即能够获得带有时间信息的航天器自主任务规划修复方案。航天器执行所述方案，即能够实现自主任务规划修复。本专利技术公开的状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复方法，包括如下步骤：步骤一、由原始任务规划结果得到航天器不同时刻的回退目标状态。根据航天器原始任务规划结果中的活动序列和活动的执行时间，依据规划领域中活动的前提和效果，由目标状态出发，对执行时间相同的活动按照公式(1)进行状态回退，得到不同时刻航天器的回退目标状态，直至初始状态。式中，tS、都表示具体时刻，S是tS时刻航天器的状态，S’是时刻航天器的回退目标状态，且是状态S下上一个可执行活动的开始时间，即a是航天器原始任务规划结果中用于回退的活动，开始时间等于a.add是a的添加效果，a.pre是a的前提条件。对于目标状态，规定其开始时间为t∞。步骤二、根据任务执行失败时刻的航天器状态与某一时刻的回退目标状态之间的谓词组成差异，对回退目标状态进行约简，得到简化后的回退目标状态。获得任务执行失败时航天器的状态Scur和某时刻对应的回退目标状态，根据其谓词组成差异，将相同部分存入集合common，将回退目标状态中不重复的部分存入集合Sexp。Sexp即为简化后的回退目标状态。回退目标状态默认为任务执行失败时刻的回退目标状态。步骤三、由简化后的回退目标状态开始进行后向搜索，获得不含时间的初步任务规划修复解。创建一个集合open，将Sexp存入其中，用于存放任务规划修复过程中待搜索节点的信息；同时创建一个空的树型数据结构tree，用于存放任务规划修复过程的扩展节点信息，然后开始搜索规划修复解，包括如下步骤：步骤3.1：取出open中的第一个元素O1，放入tree中；步骤3.2：找到元素O1的所有支持动作supportActs。其中，集合supportActs中的每一个动作满足以下条件：元素O1包含动作的所有添加效果且不包含动作的任何删除效果；步骤3.3：选取supportActs中的一个动作，应用公式(1)，得到回退状态Sregress；步骤3.4：将回退状态Sregress置入open，并判断回退状态Sregress是否可以在当前状态Scur下发生，即判断关系式是否成立。条件a.若不成立，转步骤3.3；条件b.若supportActs为空，该状态下没有更多可用的支持动作，返回步骤3.1，遍历open集合中的元素；条件c.若open为空，该时刻的目标状态不可达，搜索下一时刻的回退目标状态，返回步骤二；条件d.若遍历所有回退目标状态后仍然没有找到解，直接退出，修复失败；条件e.若成立，在tree中按照从叶节点到根节点的顺序提取活动序列，并将其置入集合repairActs，即为不含时间信息的初步任务规划修复解。步骤四、对得到的不含时间信息的初步任务规划修复解进行模拟执行，得到模拟执行后的状态。在当前状态Scur下按照公式(2)依次应用repairActs中的活动，得到模拟执行后的状态Sderived。Sderived＝S\a.del∪a.add(2)式中，S是航天器的状态，Sderived是在S下应用动作a后得到的状态，a的前提条件在S下得到满足，a.add是a的添加效果，a.del是a的删除效果。步骤五、判断模拟执行后状态的一致性，并根据判断结果执行步骤六或返回步骤三。判断关系式是否成立，用于确认初步规划修复解没有破坏回退目标状态。条件a.若成立，回退目标状态得到满足，即初步规划修复解满足要求。此时，需要进行后续处理，增加时间信息，转步骤六；条件b.若不成立，找出common中未出现在Sderived的谓词，置入集合todo，并令Sexp＝todo，返回步骤三。步骤六、对于一致的初步任务规划修复解，以任务执行失败的时刻为当前时间，并考虑时间增量以预留出部分时间用于实际的任务规划修复求解过程，采用时间调度方法对得到的初步任务规划修复解安排执行时间，输出规划修复活动序列，即输出修复后的航天器自主任务规划方案。步骤七：执行修复后的航天器自主任务规划方案，使航天器从失败状态转移到合适的目标状态，从而实现航天器任务执行失败时的自主恢复操作，即实现状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复。有益效果：1、本专利技术公开的状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复方法，利用原始任务规划结果中活动的执行时间信息构造不同时刻的回退目标状态，能够对简单的并行动作进行状态回退，并处理由于简单并行动作执行失败而引起的修复问题，更加贴合实际应用。2、本专利技术公开的状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复方法，针对活动执行失败，利用不同状态之间谓词组成的差异，削减回退目标状态空间大小，有针对性地控制搜索方向，减少不必要的节点扩展，降低搜索节点数目，加快求本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、由原始任务规划结果得到航天器不同时刻的回退目标状态；步骤二、根据任务执行失败时刻的航天器状态与某一时刻的回退目标状态之间的谓词组成差异，对回退目标状态进行约简，得到简化后的回退目标状态；步骤三、由简化后的回退目标状态开始进行后向搜索，获得不含时间的初步任务规划修复解；步骤四、对得到的不含时间信息的初步任务规划修复解进行模拟执行，得到模拟执行后的状态；步骤五、判断模拟执行后状态的一致性，并根据判断结果执行步骤六或返回步骤三；步骤六、对于一致的初步任务规划修复解，以任务执行失败的时刻为当前时间，并考虑时间增量以预留出部分时间用于实际的任务规划修复求解过程，采用时间调度方法对得到的初步任务规划修复解安排执行时间，输出规划修复活动序列，即输出修复后的航天器自主任务规划方案。

【技术特征摘要】
1.状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、由原始任务规划结果得到航天器不同时刻的回退目标状态；步骤二、根据任务执行失败时刻的航天器状态与某一时刻的回退目标状态之间的谓词组成差异，对回退目标状态进行约简，得到简化后的回退目标状态；步骤三、由简化后的回退目标状态开始进行后向搜索，获得不含时间的初步任务规划修复解；步骤四、对得到的不含时间信息的初步任务规划修复解进行模拟执行，得到模拟执行后的状态；步骤五、判断模拟执行后状态的一致性，并根据判断结果执行步骤六或返回步骤三；步骤六、对于一致的初步任务规划修复解，以任务执行失败的时刻为当前时间，并考虑时间增量以预留出部分时间用于实际的任务规划修复求解过程，采用时间调度方法对得到的初步任务规划修复解安排执行时间，输出规划修复活动序列，即输出修复后的航天器自主任务规划方案。2.如权利要求1所述的状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复方法，其特征在于：还包括步骤七，执行修复后的航天器自主任务规划方案，使航天器从失败状态转移到合适的目标状态，从而实现航天器任务执行失败时的自主恢复操作，即实现状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复。3.如权利要求1或2所述的状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复方法，其特征在于：步骤一具体实现方法为，根据航天器原始任务规划结果中的活动序列和活动的执行时间，依据规划领域中活动的前提和效果，由目标状态出发，对执行时间相同的活动按照公式(1)进行状态回退，得到不同时刻航天器的回退目标状态，直至初始状态；式中，tS、都表示具体时刻，S是tS时刻航天器的状态，S’是时刻航天器的回退目标状态，且是状态S下上一个可执行活动的开始时间，即a是航天器原始任务规划结果中用于回退的活动，开始时间等于a.add是a的添加效果，a.pre是a的前提条件；对于目标状态，规定其开始时间为t∞。4.如权利要求3所述的状态空间下快速高效的航天器自主任务规划修复方法，其特征在于：步骤二具体实现方法为，获得任务执行失败时航天器的状态Scur和某时刻对应的回退目标状态，根据其谓词组成差异，将相同部分存入集合common，将回退目标状态中不重复的部分存入集合Sexp；Sexp即为简化后的回退目标状态；回退目标状态默认为任务执行失败时刻的回退目标状态。5.如权利要求4所述的状态空间下快速高效的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐瑞，陈超，崔平远，朱圣英，高艾，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11