一种多星在线协同调度方法技术

本发明专利技术公开了一种多星在线协同调度方法，该方法包括：Step1，各个卫星对常规目标生成预规划观测方案，并执行当前观测方案；Step2，当有新应急目标到达时，主星筛选可执行该任务的载荷信息，再发送给执行卫星；Step3，各卫星接收到信息后本地计算与目标的可见性关系，生成和发送观测报告给主星；Step4，主星根据各观测报告，并确定所要执行该观测任务的卫星，并将任务分配结果给各个确定执行新应急目标的各卫星；Step5，观测任务执行卫星将新的协同任务加入到以后的待规划任务中，并更新自己的观测方案，并执行新的观测规划方案。本发明专利技术不仅能降低人力成本，也能大大提高卫星资源的使用效率，以更优质更可靠地应对不同应用场景的观测需求。

【技术实现步骤摘要】
一种多星在线协同调度方法
本专利技术涉及卫星
，特别是涉及一种多星在线协同调度方法。
技术介绍
如图1所示，卫星星簇由一颗主星和多颗观测执行卫星组成(主星也可执行目标观测的任务)。在敏捷卫星的应用场景中，卫星星簇中的每个卫星都有各自的日常观测目标集合和对应的观测任务。同时，为了加强卫星对应急目标的响应能力，快速识别目标确定目标状态，所以提出了卫星星上自主规划能力的设计需求。但是，当前的自主卫星多为单星自主模式，即应急目标只能交给指定的卫星进行执行。由于卫星运行轨道、观测资源等制约条件(对应时间窗约束和固存等资源约束)，单个卫星常常不能及时对目标的观测需求进行快速响应。随着卫星技术的发展，卫星数量的增多，传统各个卫星烟囱式的管控机制不再适用于未来的动态应用场景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多星在线协同调度方法来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。为实现上述目的，本专利技术提供一种多星在线协同调度方法，所述卫星星簇的管控结构为集中-分布式结构，其包括一颗主星和多颗执行卫星；所述卫星星簇的观测任务包括常规目标观测任务和应急目标协同观测任务，所述多星在线协同调度方法包括：Step1，各个卫星利用滚动规划算法对常规目标生成预规划观测方案，并执行当前的规划观测方案；Step2，当有新应急目标到达时，主星先筛选可执行该任务的载荷信息，再通过星间链路将应急目标信息通过广播的方式发送给对应的执行卫星，并设定观测分析报告的接收时间；Step3，接收到主星传送的应急目标信息的执行卫星利用本地的计算资源预估自己对该应急任务的观测成本，生成观测报告后并发送回主星；Step4，主星根据各个执行卫星的观测报告，并利用任务协同分配算法确定执行应急目标观测任务的执行卫星，并将应急目标观测任务指派给相应的执行卫星；其中，执行应急目标观测任务的执行卫星满足的条件包括：1、满足应急目标的观测载荷需求；2、满足应急目标的观测截止时间需求；3、不影响该星已有的应急目标观测情况；其中，“任务协同分配算法”包括：1.随机选取满足观测需求的卫星；2.将应急目标安排在最早可开始观测的卫星；3.将应急目标安排给剩余固存资源最多的卫星；4.将应急目标安排给目标密度较低的卫星；5.将应急目标安排在时间窗口竞争度最小的卫星；6.将应急目标安排在时间窗最长的卫星；7.将应急目标安排在新应急目标的加入能带来最高收益增量的卫星；8.将应急目标安排给能使目标获得较高固存收益比排名的卫星；9.将应急目标安排给常规目标观测完成率比较高的卫星；10.随机在以上规则中随机选取一个规则；Step5，接收到应急目标观测任务指派的执行卫星将新的应急目标观测任务加入到以后的待规划任务中，并利用在线调度算法更新自己的观测方案，并执行新的观测规划方案，其它卫星继续执行原有的观测规划方案；Step5中的“在线调度方法”具体包括：对所有目标按照收益固存比由大到小的降序进行排列，对执行卫星当前固存余量乘以一个系数exSD得到固存筛选值，选取排序后的目标列表中前N个目标，使得这些目标的所需观测固存之和刚好大于固存筛选值，同时N满足如下公式(49)和(50)，并删除列表中后续的非应急目标；在对任务进行初步筛选后，利用在线调度算法生成新的观测规划方案；所述收益固存比的表达式为pk/durk*crj，其中pk为目标k的观测收益，durk为目标k为的成像时长，crj为卫星j单位时间成像消耗的固存，sdRj为卫星在决策时刻的剩余固存；其中，各执行卫星的主要约束为时间窗约束、时间依赖的机动时间约束和固存约束；应急目标信息包括应急目标ID、位置信息、观测载荷需求、观测收益和最晚可成像时间。本专利技术能够提高全体卫星的资源利用率，可通过星间组网与自主协同规划的方式来更好的保障应急目标的响应时间和质量。卫星协同组网可以提高执行卫星的整体使用效率，相比于单星的应急响应，星簇的应急协同响应能力更能保障重要任务顺利执行，及时获取重要目标的成像信息。通过卫星资源间的互联互通和自主协同能力，让卫星网络根据各个卫星的状态和目标需求，自主地为不同应急目标安排合适的观测资源和时间窗口。这样的星簇结构借助自主任务规划能力不仅能降低人力成本，也能大大提高卫星资源的使用效率，以更优质更可靠地应对不同应用场景的观测需求。附图说明图1是本专利技术中的卫星星簇的结构示意图。图2是多星在线协同调度方法的流程示意图，图中示意的单箭头虚线表示上注应急目标信息；单箭头实线表示确定目标执行卫星，该目标执行卫星既要满足观测载荷和时间需求，也要满足不影响已分配的应急目标；双向箭头表示从主星筛选载和、广播任务及从星返回观测报告。图3是观测斜率示意图。图4是时间窗重叠示意图。图5是自适应过滤机制对各启发式策略对应的算法的影响的曲线示意图。图6是自适应过滤机制对各启发式策略对应的算法的观测收益的提升的曲线示意图。图7是启发式策略中的算法1、算法2在不同场景中的收益排序统计的排名分布示意图。图8是启发式策略中的算法3、算法4在不同场景中的收益排序统计的排名分布示意图。图9是启发式策略中的算法5、算法6在不同场景中的收益排序统计的排名分布示意图。图10是启发式策略中的算法7、算法8在不同场景中的收益排序统计的排名分布示意图。图11是启发式策略中的算法9、算法10在不同场景中的收益排序统计的排名分布示意图。图12是启发式策略中的算法7排名在6位(包含)以后时其它算法的表现。图13是算法选择器与其它算法的收益对比示意图。图14是算法选择器的错误统计分析示意图。具体实施方式在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明。在本专利技术的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术保护范围的限制。基于当前卫星的应用需求，各执行卫星既要有各自专属的常规观测任务，又要有对应急目标观测任务的快速响应能力。因此，需设计一种兼顾常规观测任务与应急观测任务的协同卫星网络，且该卫星网络在当前的卫星硬件技术条件下实现的可行性较高。常见的卫星星簇的结构主要包括完全集中式、完全分布式和分布集中式三种结构。以下对三种结构的特点做以简要的分析，并根据当前的技术条件选取一个合适的结构作为卫星星簇的实验结构。完全集中式结构是指卫星星簇所有的计算(主要包括各卫星的时间窗计算、应急目标协同分配和各单星观测调度方案的生成)都在主星完成。该结构的优点是能够有效减少星间链路的通信负载，除主星外的其它执行卫星设计较为简单制造成本也较低，且便于星簇方案的全局优化(在主星计算能力允许的情况下可以直接在主星计算机进行多次迭代优化求解)。但是，此种星簇结构的缺点也较为明显，主要有主星的计算负载过高，对主星的计算能力要求过高，也导致主星的单星成本过大，星簇的鲁棒性差。同时，由于随着卫星数目的增多导致主星的计算负载不断加大，所以星簇的规模受到了主星计算能力的限制，根据当前的星载本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多星在线协同调度方法，其特征在于，所述卫星星簇的管控结构为集中‑分布式结构，其包括一颗主星和多颗执行卫星；所述卫星星簇的观测任务包括常规目标观测任务和应急目标协同观测任务，所述多星在线协同调度方法包括：Step1，各个卫星利用滚动规划算法对常规目标生成预规划观测方案，并执行当前的规划观测方案；Step2，当有新应急目标到达时，主星先筛选可执行该任务的载荷信息，再通过星间链路将应急目标信息通过广播的方式发送给对应的执行卫星，并设定观测分析报告的接收时间；Step3，接收到主星传送的应急目标信息的执行卫星利用本地的计算资源预估自己对该应急任务的观测成本，生成观测报告后并发送回主星；Step4，主星根据各个执行卫星的观测报告，并利用任务协同分配算法确定执行应急目标观测任务的执行卫星，并将应急目标观测任务指派给相应的执行卫星；其中，执行应急目标观测任务的执行卫星满足的条件包括：1、满足应急目标的观测载荷需求；2、满足应急目标的观测截止时间需求；3、不影响该星已有的应急目标观测情况；其中，“任务协同分配算法”包括：1.随机选取满足观测需求的卫星；2.将应急目标安排在最早可开始观测的卫星；3.将应急目标安排给剩余固存资源最多的卫星；4.将应急目标安排给目标密度较低的卫星；5.将应急目标安排在时间窗口竞争度最小的卫星；6.将应急目标安排在时间窗最长的卫星；7.将应急目标安排在新应急目标的加入能带来最高收益增量的卫星；8.将应急目标安排给能使目标获得较高固存收益比排名的卫星；9.将应急目标安排给常规目标观测完成率比较高的卫星；10.随机在以上规则中随机选取一个规则；Step5，接收到应急目标观测任务指派的执行卫星将新的应急目标观测任务加入到以后的待规划任务中，并利用在线调度算法更新自己的观测方案，并执行新的观测规划方案，其它卫星继续执行原有的观测规划方案；“在线调度方法”具体包括：对所有目标按照收益固存比由大到小的降序进行排列，对执行卫星当前固存余量乘以一个系数exSD得到固存筛选值，选取排序后的目标列表中前N个目标，使得这些目标的所需观测固存之和刚好大于固存筛选值，同时N满足如下公式(49)和(50)，并删除列表中后续的非应急目标；在对任务进行初步筛选后，利用在线调度算法生成新的观测规划方案；...

【技术特征摘要】
1.一种多星在线协同调度方法，其特征在于，所述卫星星簇的管控结构为集中-分布式结构，其包括一颗主星和多颗执行卫星；所述卫星星簇的观测任务包括常规目标观测任务和应急目标协同观测任务，所述多星在线协同调度方法包括：Step1，各个卫星利用滚动规划算法对常规目标生成预规划观测方案，并执行当前的规划观测方案；Step2，当有新应急目标到达时，主星先筛选可执行该任务的载荷信息，再通过星间链路将应急目标信息通过广播的方式发送给对应的执行卫星，并设定观测分析报告的接收时间；Step3，接收到主星传送的应急目标信息的执行卫星利用本地的计算资源预估自己对该应急任务的观测成本，生成观测报告后并发送回主星；Step4，主星根据各个执行卫星的观测报告，并利用任务协同分配算法确定执行应急目标观测任务的执行卫星，并将应急目标观测任务指派给相应的执行卫星；其中，执行应急目标观测任务的执行卫星满足的条件包括：1、满足应急目标的观测载荷需求；2、满足应急目标的观测截止时间需求；3、不影响该星已有的应急目标观测情况；其中，“任务协同分配算法”包括：1.随机选取满足观测需求的卫星；2.将应急目标安排在最早可开始观测的卫星；3.将应急目标安排给剩余固存资源最多的卫星；4.将应急目标安排给目标密度较低的卫星；5.将应急目标安排在时间窗口竞争度最小的卫星；6.将应急目标安排在时间窗最长的卫星；7.将应急目标安排在新应急目标的加入能带来最高收益增量的卫星；8.将应急目标安排给能使目标获得较高固存收益比排名的卫星；9.将应急目标安排给常规目标观测完成率比较高的卫星；10.随机在以上规则中随机选取一个规则；Step5，接收到应急目标观测任务指派的执行卫星将新的应急目标观测任务加入到以后的待规划任务中，并利用在线调度算法更新自己的观测方案，并执行新的观测规划方案，其它卫星继续执行原有的观测规划方案；“在线调度方法”具体包括：对所有目标按照收益固存比由大到小的降序进行排列，对执行卫星当前固存余量乘以一个系数exSD得到固存筛选值，选取排序后的目标列表中前N个目标，使得这些目标的所需观测固存之和刚好大于固存筛选值，同时N满足如下公式(49)和(50)，并删除列表中后续的非应急目标；在对任务进行初步筛选后，利用在线调度算法生成新的观测规划方案；所述收益固存比的表达式为pk/durk*crj，其中pk为目标k的观测收益，durk为目标k为的成像时长，crj为卫星j单位时间成像消耗的固存，sdRj为卫星在决策时刻的剩余固存；其中，各执行卫星的主要约束为时间窗约束、时间依赖的机动时间约束和固存约束；应急目标信息包括应急目标ID、位置信息、观测载荷需求、观测收益和最晚可成像时间。2.如权利要求1所述的多星在线协同调度方法，其特征在于，Step4中的算法1：随机选取满足观测应急目标需求的卫星执行应急目标的观测任务，具体的执行公式为：其中，Sat为卫星集合，j表示卫星序号，i表示当前需要进行协同分配的应急目标，heuA1为算法1对应的启发式分配策略。3.如权利要求1所述的多星在线协同调度方法，其特征在于，Step4中的算法2：将应急目标安排在最早可开始观测的卫星，具体的执行公式为：其中，为卫星j对目标i的可视时间窗的开始时间，j表示卫星序号，i表示当前需要进行协同分配的应急目标，heuA2为算法2对应的启发式分配策略。4.如权利要求1所述的多星在线协同调度方法，其特征在于，Step4中的算法3：将应急目标安排给剩余固存最多的卫星，该算法能在一定程度上均衡卫星的固存负载，具体的执行公式为：其中，sdRj表示卫星j的剩余固存，j表示卫星序号，i表示当前需要进行协同分配的应急目标，heuA3为算法3对应的启发式分配策略。。5.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚锋，褚骁庚，贺仁杰，张忠山，陈英武，陈宇宁，吕济民，陈盈果，陈成，王涛，刘晓路，邢立宁，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43