一种多成像卫星应急任务动态调度方法技术

本发明专利技术公开了一种多成像卫星应急任务动态调度方法，要解决的技术问题是在满足约束的前提下实现调度目标。技术方案是根据任务类别对处于卫星传感器一个视场范围内的相邻目标元任务进行合成，如果合成任务分配失败，通过修复方法取出合成任务中优先级最大的元任务后再进行合成，从而将该任务分解为具有更多成像机会的合成任务和一个单独任务；同时，在新任务插入过程中，构建可用时间槽，将等待队列中的任务向后移位，在等待任务可执行的条件下，获取满足新插入任务执行的时间槽，从而进一步提高调度效率。采用本发明专利技术可对任务进行合成，动态调整任务的执行顺序和执行时间，减少了卫星成像的次数，提高了任务的完成率和可调度性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多成像卫星应急任务动态调度方法，尤指通过任务合成、修复和时间槽构建来对多成像卫星进行应急任务动态调度的方法。
技术介绍
成像卫星是搭载光学传感器按照用户需求对地表特定区域进行成像的卫星平台。成像卫星具有覆盖范围广、连续监视时间长和不受空域国界限制等优势，被广泛应用于地球资源勘测，战场态势侦察，自然灾害监视等领域。同时，卫星成像已经成为应急条件下获取地面信息的重要手段。例如，当地震发生时，为及时进行灾害评估和抢险救灾，用户期望在几小时、甚至几十分钟内获得震区影像资料。由此可知，应急任务是指需要尽可能在用户期望时间内完成的任务。需要说明的是，期望完成时间并不是实时系统中的任务截止期(一个实时任务如果不能在截止期内完成会被系统拒绝)，也就是说，即使任务完成时间超出用 户期望，任务依然执行。如上所述，对震区进行成像，任务完成时间超出用户期望可能会导致受灾人员的生存机率下降，但是所获取的卫星影像数据对抢险救灾依然具有重要价值。另一方面，卫星在成像过程中存在用户需求、天气条件、卫星状态等诸多不确定性因素。例如，某些卫星由于逃逸、传感器故障、受到敌方干扰等原因而失效。此外，用户提交的应急任务数量和到达时间均不确定。这些不确定性进一步增加了应急条件下卫星执行任务调度的复杂性。因此，专利技术一种有效的多星应急任务动态调度方法具有重要意义。卫星成像调度是在满足卫星使用约束的基础上将用户提交的任务分配到不同的卫星上执行，提高成像卫星观测效率。成像卫星调度与传统的并行机调度、车间调度问题的主要区别在于卫星按照一定轨道绕地球飞行，只有当目标在卫星视场范围内时才能成像，即任务执行必须在卫星的可视时间窗口内。与传统调度模式不同的是应急调度主要是针对具有期望完成时间、到达时间不确定的非周期任务。卫星成像任务类型通常可分为两类，即点目标任务和区域目标任务。由于成像卫星观测幅宽有限，区域目标很难在卫星一次过境时完成观测，因此需要将区域目标划分为多个点目标，即元任务。卫星对点目标的成像如图I所示。图I中黑色圆点表示能够在卫星传感器一个视场范围内观测的点目标，虚线阴影部分表示考虑卫星侧摆时传感器的覆盖范围。元任务集合可用T=Itpt2，…，tn}表示，其中元任务个数η为正整数。任意一个元任务可表示为ti=(Pi，ai； ei)，I彡i彡n，其中Pi为\的优先级(任务优先级指任务执行的优先程度)、a,为\的到达时间，ei为\的期望完成时间。卫星资源是指成像卫星上搭载的传感器。资源集合可用为R=Ir1A2，…，rm}表示，其中资源个数m为正整数。其中任意一个资源可表示为r」=(dj, σ j, Sj, bj, Oj, as」，P」，π」，msg」)，I彡j彡m,其中d」表示r」的元任务执行时间(由于点目标能够被传感器的单一视场覆盖，大小可忽略不计，所以资源r」上所有元任务的执行时间相同)、σ j表示&的视场角、表示&的侧摆速率、bj表示&的启动时间、Oj表示&的关机滞留时间、aSj表示&的姿态稳定时间、P j表示单位观测时间能量消耗、n j表示h的单位侧摆角度能量消耗、rnsgj表示&的最大侧摆角度。\在资源&上的成像机会集合，其中Kij为正整数，表示任务\在资源rj上的成像机会数。所有成像机会用集合AO表示，即A0={A0ij}，I彡i彡η, I彡j彡m。第k个成像机会aoijk e AOij, I彡k彡Kij可表示为Boijk=Uwsijk, weijk], 0ijk}，其中为成像机会 aoijk 的时间窗口，Θ ijk 为卫星的理想侧摆角度，如图2所示。带箭头虚线表示卫星资源r」的星下点轨迹，箭头方向表示卫星运动方向；观测范围是考虑卫星侧摆后，卫星最大可视范围；星下点是卫星当前在地球表面的投影位置，Qijk为卫星侧摆角度。图中实线阴影框是卫星传感器在t = WSijk时刻，侧摆角度为Θ uk条件下，在地球表面的视场范围，此时卫星传感器刚好开始对目标\可视，所以Wsijk是卫星资源rj对目标\时间窗口的开始时间。虚线框是卫星传感器在t = weiJk时刻，侧摆角度为Θ uk条件下，在地球表面的视场范围，此时卫星传感器刚好结束对目标\的可视，所以weuk是卫星资源&对目标\时间窗口的结束时间。 矩阵I =表示任务分配信息，如果元任务\被分配到资源rj的第k个成像机会上，那么Xuk=I ;如果元任务\没有被分配到资源&上的第k个成像机会上，那么Xijk=Oο此外rtij、btij、ftij、(J)ij分别表示元任务h在资源r」上的准备就绪时间、开始时间，结束时间和观测角度。任务调度是卫星管理控制系统的重要组成部分，尤其是在抢险救灾、反恐维稳等应急情况下尤为关键，如何通过任务调度提高系统对任务的快速响应能力是亟待解决的问题。如何在成像卫星资源有限的条件下进行应急任务的调度，最大化满足用户需求是本领域技术人员极为关注的技术问题，目前虽有一些卫星任务调度的研究，但尚无多成像卫星应急任务动态调度方法的公开报告，尤其是采用任务合成、修复和时间槽构建来对多成像卫星进行应急任务动态调度的方法更是没有公开文献涉及。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是对任务进行分类，动态调整任务的执行顺序和执行时间，在满足约束的前提下，实现调度目标，满足用户需求。本专利技术的基本思想是任务到达后，根据任务类别对处于卫星传感器一个视场范围内的相邻目标元任务进行合成，减少任务执行的个数，如果合成任务分配失败，通过修复方法取出合成任务中优先级最大的元任务后再进行合成，从而将该任务分解为具有更多成像机会的合成任务和一个单独任务；同时，在新任务插入过程中，构建可用时间槽，将等待队列中的任务向后移位，在等待任务可执行的条件下，获取满足新插入任务执行的时间槽，从而进一步提高调度效率。 本专利技术将应急任务分为四类即已完成任务，正在执行任务，等待任务和新到达任务。已完成任务集合、正在执行任务集合、等待任务集合和新到达任务集合分别用FT、ET、WT和NT表示。任务分类与调度时刻tK有关。对于元任务ti;l)如果ftix〈tK，即调度时刻tE大于元任务h的完成时间ftix,则h e FT ;2)如果btix〈tK〈ftix,即调度时刻tK介于元任务h的开始时间btix和完成时间ftix之间，则& e ET ;3)如果IitixH1^ai,即调度时刻tK小于元任务\的开始时间btix且大于任务\的到达时间％，则\ e WT ；4)如果ai=tK，即调度时刻tK等于元任务\的到达时间ai;则\ e NT。由于已完成任务和正在执行任务的调度方案不能改变，只有等待任务和新到达任务可以进一步优化。因此，本专利技术的调度方法主要针对WT和NT中的任务。任务执行过程必须满足以下约束由于元任务是不可分且非抢占的，因此每个元任务只能被分配到一个卫星资源上，并且最多执行一次。有约束C1: m 人q￡￡x#<l ViiET(I) /=! ^=I约束C1表示元任务ti分配到卫星资源上进行成像最多一次。 元任务ti必须在成像机会aoijk内执行，因此，有如下成像机会约束C2 Vi,. e TiFj e R1Ctoljk 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多成像卫星应急任务动态调度方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，初始化任务集合T，资源集合R，成像机会集合AO，方法是：1.1，根据调度时刻tR将任务分别放到已完成任务集合FT、正在执行任务集合ET、等待任务集合WT和新到达任务集合NT，FT、ET、WT、NT构成任务集合T；对于元任务ti，如果ftixtR>ai，即调度时刻tR小于元任务ti的开始时间btix且大于任务ti的到达时间ai，则ti∈WT；如果ai=tR，即调度时刻tR等于元任务ti的到达时间ai，则ti∈NT；1.2，将所有卫星资源加入资源集合R，R={r1,r2,…,rm}，其中资源个数m为正整数，任意一个资源表示为rj=(dj,σj,sj,bj,oj,asj,ρj,πj,msgj),1≤j≤m，其中dj表示rj的元任务执行时间，资源rj上所有元任务的执行时间相同，σj表示rj的视场角、sj表示rj的侧摆速率、bj表示rj的启动时间、oj表示rj的关机滞留时间、asj表示rj的姿态稳定时间、ρj表示单位观测时间能量消耗、πj表示rj的单位侧摆角度能量消耗、msgj表示rj的最大侧摆角度；1.3，采用卫星仿真工具包STK计算任务在不同资源上的成像机会，所有的成像机会放到集合AO中；第二步，采用任务合成方法对新任务集合NT中的任务进行合成：2.1，为新到达任务集合NT中的所有任务建立初始任务合成图G，方法是：2.1.1，将NT中每个任务看作只有一个元任务的合成任务，即将NT中任意一个任务ti写为将NT中另一个任务tj写为并设定任意两任务和的边集Ei,j为空，即2.1.2，建立临时任务集TT，令将NT中的任务放入TT中，并将TT中的任务看作顶点；2.1.3，如果TT为空集，即转第2.2步，否则转第2.1.4步；2.1.4，从临时任务集TT取出任一个任务2.1.5，建立临时任务集TT2，令将TT中除之外的其他任务放入TT2中；2.1.6，如果TT2为空集，即转第2.1.7步，否则转2.1.8步；2.1.7，将从临时任务集TT中移除，转第2.1.3步；2.1.8，从TT2中取出一个任务如果与之间满足合成约束，转第2.1.9步，如果与之间不满足合成约束，则转第2.1.10步；2.1.9，在两顶点和建立边，放入边集Ei,j中；2.1.10，将从临时任务集TT2中移除，转第2.1.6步；2.2，按公式（15）计算图G中每个边集Ei,j的合成优先级MP(Ei,j)，MP(Ei,j)=|Ei,j|+|Ei,j|valid？？？？？？？？？？？（15）其中，|Ei,j|表示集合Ei,j中元素，|Ei,j|valid表示集合Ei,j中有效元素个数，集合Ei,j中有效元素个数是指合成任务中所有元任务的最小时间窗口结束时间小于等于所有元任务的最小期望完成时间对应的边的个数，由和合成；2.3，如果图G的边集集合E(G)为空，转第三步；2.4，如果E(G)不为空，从E(G)中选择具有最大合成优先级MP(Ei，j)的边集Ei，j；2.5，对于图G中除和之外的每个顶点删除边集Ei，k和Ej，k；2.6，合成顶点和生成一个新的顶点即将合成任务和中的所有元任务取出合成为一个新合成任务之后删除顶点和删除所有与和连接的边；2.7，对于图G中除新合成任务之外的每个顶点如果与之间满足合成约束，则在两顶点和建立边，生成边集EP，k，转第2.3步；第三步，如果新任务集合NT为空，转第十一步；如果新任务集合NT不为空，转第四步；第四步，在NT中选择具有最大任务需求度的任务任务的任务需求度表示任务需要调度的紧迫程度，采用公式(16)计算：TRMCi=pCiΣrj∈RKCij---(16)其中，为任务的优先级，即任务执行的优先程度，为任务的成像机会数；第五步，采用时间槽构建方法建立可选时间槽集合ATSSi；5.1，设定ATSSi＝φ，成像机会集合成像机会个数是元任务在资源rj上的成像机会集合，中的元素表示在资源rj上的第ki个成像机会；5.2，如果K＝0，转第六步；5.3，如果K≠0，计算合成任务的成像机会是否满足任务调度可用资源约束和任务调度时间约束；5.4，如果不满足任务调度可用资源约束或任务调度时间约束，则K=K？1，ki=ki+1，转第5.2步；5.5，如果既满足任务调度可用资源约束，又满足任务调度时间约束，则设定np=0，nv=0，np为任务插入到时间槽后推迟任务的数量，nv为任务插入后由于向后移位造成不能在用户期望时间内完成的任务数量；5.6，计算插入到后的准备就绪时间开始时间...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓敏，王建江，马满好，祝江汉，邱涤珊，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：