一种基于分治策略的多星观测分层调度方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于分治策略的多星观测分层调度方法及系统，具体包括以下步骤：S1、利用分配算法把任务分配至各轨道圈次上，形成各轨道圈次的任务集；S2、利用近似优化算法求解各轨道圈次上任务集的调度序列；S3、分配算法根据各轨道圈次调度序列反馈的未生成调度序列的任务重新更新分配算法的分配方案，进而形成新的各轨道圈次的新的任务集；S4、重复步骤S1、S2、S3直至达到多星观测分层调度的终止条件。通过把一个复杂的组合优化问题进行有效的分解简化，变成一个双层规划，有效降低了问题求解的复杂度，尤其在求解大规模多星观测调度问题时表现出卓越的性能。本发明专利技术应用于卫星调度技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分治策略的多星观测分层调度方法及系统
本专利技术涉及卫星调度
，尤其涉及一种基于分治策略的多星观测分层调度方法及系统。
技术介绍
对地观测卫星(EarthObservingSatellites，EOSs)绕地球飞行，能够获取地球表面指定区域的图像信息以满足用户的观测需求，在环境监控、情报侦察等领域扮演了关键角色。为了充分利用稀缺的卫星资源，研究高效的观测调度方法以提高卫星应用水平，具有重要的意义。由于用户的对地观测需求通常超过现有卫星资源的观测能力，因此卫星观测调度问题(SatelliteObservationSchedulingProblem,SOSP)是一类过度订阅(oversubscribed)问题。早期与SOSP相关的研究侧重于单颗卫星的调度。Vasquez和Hao将卫星观测调度问题转化为经典背包模型，提出了一种禁忌搜索算法求解该模型。在另一篇论文中，Vasquez和Hao提出了基于分解的方法来获得优化问题最小上界，以评估禁忌搜索算法求解所得卫星观测调度方案的质量。Bensana等将Spot5卫星的调度转化为约束满足问题，并利用精确或近似算法分别对该问题进行求解。Gabrel和Vanderpooten提出了一种无环图模型来描述Spot5卫星的调度问题，首先生成多条有效路径，然后从中选定一条最好的路径。Lin等采用数学规划方法来获得近似最优卫星观测调度方案。Baek等采用一种新的遗传算法模拟卫星实际观测调度问题。Miguel等基于在节点打包和3-正则独立系统的有效不等式，为Spot5卫星的日常成像调度提供规划方案。卫星观测调度是要在满足一系列观测任务需求和约束条件下，确定每颗卫星在每个轨道圈次上的观测活动，实现观测收益的最大化，是提高卫星使用效率的关键。传统的多星调度算法以每颗卫星为调度单位，但是如果调度时间区间较大，一颗卫星会绕地球飞行多个轨道圈次(例如成像侦察卫星一般每天绕地飞行14轨道圈次左右)，不同的卫星可能观测到相同的目标，且同一颗卫星在其不同的轨道圈次上可能可以观测到相同的目标，造成观测冲突更加复杂(一般假定一个目标只需观测一次)，尤其在大规模多星观测调度问题时的求解程度更加复杂。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种基于分治策略的多星观测分层调度方法及系统，该方法有效降低了问题求解的复杂度，尤其在求解大规模多星观测调度问题时表现出卓越的性能。本专利技术在进行多星观测分层调度时，首先将卫星分解到轨道圈次，把每个轨道圈次看成是具备对地观测能力的资源，即将多星多轨道圈次调度问题转化为多轨道圈次调度问题。设集合O中包含一般性的具有对地观测能力轨道圈次资源，O＝{oj|j＝1,2,...,M}，M为集合的基，即是调度问题中轨道圈次资源的数量。设集合T是待观测的目标集合，包括点目标和分解后的条带目标，T＝{ti|i＝1,2,...,N}，N表示任务数量。0-1变量xij用来表示在调度方案中任务ti是否在轨道圈次oj上完成：任务ti在轨道圈次oj上完成时xij＝1，否则xij＝0。多星观测调度的目标是最大化观测收益，为所有完成任务的收益之和，即：式中，pi是完成任务ti可获得的收益。调度过程中需要满足复杂的约束条件，包括唯一性约束、能量约束、存储容量约束和测摆时间约束，具体如下：唯一性约束：每个任务只需最多完成一次，即：能量约束：轨道圈次oj上，观测活动和传感器侧摆活动消耗的能量不能多于该该轨道圈次上允许消耗的最大能量：式中，eoj表示在轨道圈次oj上卫星和传感器观测活动消耗能量的速率；tei表示任务ti的结束时间；tsi表示任务ti的开始时间；yih是1-0变量，表示ti是否先于th完成，先于则取1，否则取0；esj表示在轨道圈次oj上传感器侧摆活动消耗能量的速率；θi表示在轨道oj上观测任务ti时传感器所需测摆的角度；θh表示在轨道oj上观测任务th时传感器所需测摆的角度；Ej表示轨道圈次oj的允许消耗的最大储能量。存储容量约束：在轨道圈次oj上，观测活动获取对地观测数据并进行星上存储，但是消耗的存储资源不能超过该轨道圈次上所能允许的最大存储容量：式中，wj表示轨道圈次oj上观测活动消耗存储资源的速率；Wj表示轨道圈次oj的允许消耗最大存储容量。侧摆时间约束：卫星在观测不同目标时，需要重新开机，同时由于相对的空间几何关系发生变化，需要调整传感器的侧摆角度以对准观测目标。因此同一个轨道圈次上，相邻的两个观测任务之间，需要充足的时间让卫星传感器进行开机和校准(调整侧摆角度)：tsh-tei≥aj+|θh-θi|/vj,i,h＝1,2,...，N,yih＝1,j＝1,2,...M式中，tsh表示任务th的开始时间；aj表示在轨道oj上在对某个目标进行观测之前的传感器开机时间。假定一个多星调度问题考虑N个任务，M个轨道圈次，则变量数为N·M，约束条件的数量为N+3M。真实场景的卫星调度问题一般都问题规模很大，考虑一般规模的调度问题：例如待观测目标数(包括分解后的观测条带)为500，考虑5颗卫星，调度周期为一天，每颗卫星绕地飞行14圈，则共有大约70个轨道圈次，则变量的规模为500x70＝35000，约束条件的规模为500+3x70＝710。不难发现多星观测调度问题是一个复杂的离散优化问题，如何快速高效的求解这个问题，需要设计有效的调度框架和算法。综上，本专利技术采用的技术方案是：一种基于分治策略的多星观测分层调度方法，包括以下步骤：S1、利用分配算法把任务分配至各轨道圈次上，形成各轨道圈次的任务集；S2、利用近似优化算法求解各轨道圈次上任务集的调度序列；S3、分配算法根据各轨道圈次调度序列反馈的未生成调度序列的任务重新更新分配算法的分配方案，进而形成新的各轨道圈次的新的任务集；S4、重复步骤S1、S2、S3直至达到多星观测分层调度的终止条件。作为上述技术方案的进一步改进，步骤S2中，所述近似优化算法为模拟退火算法。作为上述技术方案的进一步改进，所述模拟退火算法获取当前轨道圈次的初始调度序列的步骤包括：S211、将单轨道圈次任务集中的待规划调度任务根据权重从大到小依次排列，形成单轨道圈次未被调度的初始任务集U；S212、从U中选择权重最大的任务tk，应用插入和删除邻域结构变换，把tk加入到局部解S中生成新的局部解S′，若S′的适应度高于S，则对S进行更新，令S＝S′，否则不对S进行更新，同时将tk从U中移除至Uj中，其中Uj表示在轨道圈次上未被调度的初始任务集；S213、重复步骤S212直至U中的任务全部遍历完成，获取当前轨道上的调度序列S与当前轨道上未被调度的任务集Uj。作为上述技术方案的进一步改进，所述模拟退火算法的领域搜索结构包括基于贪婪准则的邻域搜索结构与基于概率搜索的邻域搜索结构，所述模拟退火算法包括邻域搜索结构动态选择策略：根据两种邻域搜索结构在之前分配方案内的优化性能，决定在后续分配方案中领域搜索结构的选择。作为上述技术方案的进一步改进，基于贪婪准则的邻域搜索结构的模拟退火算法具体包括：S221、获取当前轨道圈次的调度序列S与当前轨道圈次未被调度的任务集Uj；S222、在Uj中取出一个尚未调度的权重最大的任务tk，令Uj＝Uj-tk；S223、将tk插本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分治策略的多星观测分层调度方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用分配算法把任务分配至各轨道圈次上，形成各轨道圈次的任务集；S2、利用近似优化算法求解各轨道圈次上任务集的调度序列；S3、根据各轨道圈次调度序列反馈的未生成调度序列的任务重新更新分配算法的分配方案，进而形成新的各轨道圈次的新的任务集；S4、重复步骤S1、S2、S3直至达到多星观测分层调度的终止条件。

【技术特征摘要】
1.一种基于分治策略的多星观测分层调度方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用分配算法把任务分配至各轨道圈次上，形成各轨道圈次的任务集；S2、利用近似优化算法求解各轨道圈次上任务集的调度序列；S3、根据各轨道圈次调度序列反馈的未生成调度序列的任务重新更新分配算法的分配方案，进而形成新的各轨道圈次的新的任务集；S4、重复步骤S1、S2、S3直至达到多星观测分层调度的终止条件。2.根据权利要求1所述基于分治策略的多星观测分层调度方法，其特征在于，步骤S2中，所述近似优化算法为模拟退火算法。3.根据权利要求2所述基于分治策略的多星观测分层调度方法，其特征在于，所述模拟退火算法获取当前轨道圈次的初始调度序列的步骤包括：S211、将单轨道圈次任务集中的待规划调度任务根据权重从大到小依次排列，形成单轨道圈次未被调度的初始任务集U；S212、从U中选择权重最大的任务tk，应用插入和删除邻域结构变换，把tk加入到局部解S中生成新的局部解S′，若S′的适应度高于S，则对S进行更新，令S＝S′，否则不对S进行更新，同时将tk从U中移至Uj中，其中Uj表示在轨道圈次上未被调度的任务集；S213、重复步骤S212直至U中的任务全部遍历完成，获取当前轨道圈次的调度序列S与当前轨道圈次未被调度的任务集Uj。4.根据权利要求3所述基于分治策略的多星观测分层调度方法，其特征在于，所述模拟退火算法的领域搜索结构包括基于贪婪准则的邻域搜索结构与基于概率搜索的邻域搜索结构，所述模拟退火算法包括邻域搜索结构动态选择策略：根据两种邻域搜索结构在之前分配方案内的优化性能，决定在后续分配方案中领域搜索结构的选择。5.根据权利要求4所述基于分治策略的多星观测分层调度方法，其特征在于，基于贪婪准则的邻域搜索结构的模拟退火算法具体包括：S221、获取当前轨道圈次的调度序列S与当前轨道圈次未被调度的任务集Uj；S222、在Uj中取出一个尚未调度的权重最大的任务tk，令Uj＝Uj-tk；S223、将tk插入到当前轨道圈次的调度序列S中去，判断是否满足侧摆时间约束，若满足则直接形成新的调度序列S″，若不满足则删除与tk冲突的任务后形成新的调度序列S″，其中删除的任务存入Su中，Su是所有轨道圈次未被调度的任务集合；S224、判断新的调度序列S″是否满足能量约束和存储容量约束：若满足，则重复步骤S221、S222、S223、S224直至Uj中所有的任务都遍历完成，获取当前轨道上的最终调度序列S″并将当前轨道未被调度的任务存入集合Su中；若不满足，则依...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍国华，朱燕麒，王锐，朱海群，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43