基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法，本发明专利技术将单卫星调度问题的自适应大邻域搜索扩展到多卫星调度问题。通过定义四种分配操作，将自适应任务分配机制引入到大邻域搜索框架中。在基于自适应任务分配的大邻域搜索中，移除操作从当前解决方案中移除任务，插入操作将任务插入被移除的解决方案中，如果解决方案经过多次迭代仍未改进，则分配操作将任务重新分配给不同的卫星。本发明专利技术优化了动态任务的敏捷地球观测卫星群的任务分配问题，使卫星在运行过程中，可以随时处理动态任务。

Multi agile earth observation satellite task assignment method based on large neighborhood search algorithm

The invention discloses a multi agile earth observation satellite task allocation method based on a large neighborhood search algorithm, which extends the adaptive large neighborhood search of a single satellite scheduling problem to a multi satellite scheduling problem. By defining four assignment operations, the adaptive task assignment mechanism is introduced into the large neighborhood search framework. In the large neighborhood search based on adaptive task assignment, the remove operation removes the task from the current solution, and the insert operation inserts the task into the removed solution. If the solution has not been improved after multiple iterations, the assign operation reassigns the task to different satellites. The invention optimizes the task allocation problem of agile earth observation satellite group of dynamic task, so that the satellite can handle the dynamic task at any time in the operation process.

【技术实现步骤摘要】
基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法
本专利技术属于卫星
，涉及一种基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法。
技术介绍
地球观测卫星作为空间图像采集的主要平台，在经济发展、灾害救援和应急监测等方面发挥着越来越重要的作用。当前的观测卫星大多采用光学传感器，光照条件对成像效果有很大影响，比如乌云等。传统的非敏捷地球观测卫星只有一个自由度，只有在卫星在观测地区正上空时才可以执行任务，观测时间窗口的长度等于可见时间窗口的长度。如果在该时间窗口内光照条件不佳，观测任务就会失败。敏捷地球观测卫星是新一代观测卫星。与传统观测卫星相比，它们有三个自由度，分别是横摇、俯仰和偏航，这使它们能够在垂直地球之前或之后观察目标。这种敏捷性极大地提高了卫星的观测能力，它的可见时间窗比观测时间窗长的多。更复杂的任务，包括立体成像和大面积成像，因此可以交流完成。尽管敏捷地球观测卫星有很多优势，但是它的调度被认为比老一代的卫星要困难的多。由于灵活性的原因，他们的可见时间窗比观测时间窗长很多，观测开始时间可以在可见时间窗的任何位置，这很难确定。另一个困难是它是依赖时间的。不同的观测时间意味着不同的观测角度，而不同的观测角度又影响着相应的转换时间。此外，根据敏捷观测卫星的观测特性，不同的观测角度会导致不同的图像质量，因此不同的观测时间也会影响图像质量。基于上述特点，敏捷观测卫星调度问题已被征明是一个NP-困难组合优化问题。
技术实现思路
多敏捷卫星调度问题是一个时变调度问题，由于其求解空间较大，相对于单个敏捷卫星调度问题，其难度要大得多。本专利技术针对现有技术的不足，提供一种基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法，优化了动态任务的敏捷地球观测卫星群的任务分配问题，使卫星在运行过程中，可以随时处理动态任务。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法，该方法通过定义四种分配操作，将自适应任务分配机制引入到大邻域搜索框架中；在基于自适应任务分配的大邻域搜索中，移除操作从当前解决方案中移除任务，插入操作将任务插入被移除的解决方案中，如果解决方案经过多次迭代仍未改进，则通过分配操作将任务重新分配给不同的卫星；该方法具体包括如下步骤：(1)初始化多敏捷地球观测卫星模型中的参数；定义分配指示符ξ用来表示是否混合和重新分配来自不同卫星的任务，分配指示符ξ初始化为false。(2)将单卫星的初始调度方案定义为初始奖励定义为把赋值给当前调度方案和最佳调度方案把赋值给当前奖励和最佳奖励(3)对于单卫星，在当前调度方案中执行移除操作，即把当前调度方案中的部分任务移除到单卫星任务库Ms中；根据任务的优先级，迭代的移除优先级最低的p个任务，得到移除后的调度方案(4)当ξ为true时，触发任务分配操作，并且重置ξ为false。分配操作分为四种，每种分配操作分别定义一个分数τ和一个权重定义τi和为第i种分配操作的分数和权重，并初始化；使用轮盘赌算法来选择分配操作，选择分配操作的概率计算方法为(5)在步骤(4)中选定分配操作后，执行该分配操作。任务分配操作是在所有卫星的总任务库M上进行的。该过程是把单卫星任务库Ms中的任务混合到总任务库M中，再按照以下分配操作的一种，分配到各自的任务库Ms中。任务分配操作由以下四种组成：a)随机分配把总任务库M任务随机分配到单卫星任务库Ms。b)冲突分配定义Wij＝{wij1，…，wijl}为任务ti在卫星sj上的l个可见时间窗，定义第k个可见时间窗wijk的冲突度Cijk，当Cijk＜1时，将任务ti分配到卫星sj的任务库中。冲突度的公式为：其中，lap(wijk)是与wijk有重叠的可见时间窗的集合，TimeSpan是求重叠时长，bijk和eijk分别表示时间窗wijk的开始时间和结束时间。任务ti在卫星sj上总冲突度可表示为：c)卫星位置分配遍历总任务库M中的所有任务，如果一个任务与单卫星任务库Ms中的某个任务观测点相同或者相近，则将该任务分配到该卫星任务库Ms中。当总任务库M中没有任务或剩余任务都找不到相邻观测点时，结束分配操作。d)经验分配该操作根据历史经验将任务分配给卫星。de为经验度，F＝{f1，…，f|F|}为任务ti在卫星sj上的奖励集合。为了平衡各卫星执行任务的数量，定义由β表示的平衡因子。对于卫星sj，其平衡因子βj定义为：其中，nj表示分配到卫星sj上任务的数量，nj有如下定义：其中，xijk在卫星j的第k个时间窗执行任务i时为1，其他情况为0；T＝{t1，…，tn}表示用户请求的任务集，nmax表示允许分配到一个卫星上任务的最大数量，nmax＝max{|T|/|S|，Q}，Q是一个敏捷卫星在一段时间内可以完成的最大任务数，S＝{s1，…，sm}表示所有卫星的集合；(6)每执行η次分配操作，更新一次分配操作的权重，公式为：其中，λ∈[0，1]是决定历史信息的参数；初始化分配操作的分数τi。(7)在单卫星任务库Ms得到更新以后，对移除后的调度方案执行修复操作。根据冲突度Cijk，从任务库Ms中取出冲突度Cijk小于阈值的任务，并将它们插入到中，得到新的解决方案如果新方案的奖励优于最佳奖励则接受新的方案，更新以下变量：否则使用模拟退火标准来决定是否接受新的解决方案。如果接受新的解决方案，则更新当前调度方案和当前方案的奖励如果放弃新的解决方案，则不做任何更新。(8)更新分配操作的分数τi。(9)定义总奖励当总奖励FC连续ω次没有改善，执行ξ←true，在下一次迭代中触发分配操作。(10)如果迭代达到最大迭代次数或所有任务都被分配，则结束分配流程，输出最佳调度方案否则重复执行步骤(3)～(9)。进一步地，所述步骤(8)中，更新分数的具体步骤如下：a)如果新的调度方案是最佳调度方案，则τi←τi+σ1。b)如果新的调度方案比当前调度方案奖励高，但不是局部最优，则τi←τi+σ2。c)如果新的调度方案比当前调度方案奖励低，但是通过模拟退火标准，该解被采用，则τi←τi+σ3。d)如果新的调度方案没有被采用，则τi←τi+σ4。其中σ1，σ2，σ3，σ4是进步值，遵循σ1＞σ2＞σ3＞σ4。本专利技术有益效果如下：本专利技术研究了具有时间相关转换时间的多个敏捷卫星调度问题，提出一种自适应任务分配大邻域搜索启发式来解决它。为了解决任务分配问题，提高算法效率，本专利技术提出了四种分配启发式方法，自适应地选择一种分配操作来有效地搜索最优解。本专利技术方法中，无论任务如何分配，所提出的大邻域搜索算法产生的解决方案几乎可以充分利用可用的卫星容量。由于自适应任务分配过程，计算时间不会随着卫星数量的增加而增加。如果任务密集分布，最好将它们分配给具有无冲突可见时间窗的卫星，而如果本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/n(1)初始化多敏捷地球观测卫星模型中的参数；定义分配指示符ξ用来表示是否混合和重新分配来自不同卫星的任务，分配指示符ξ初始化为false。/n(2)将单卫星的初始调度方案定义为

【技术特征摘要】
1.一种基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)初始化多敏捷地球观测卫星模型中的参数；定义分配指示符ξ用来表示是否混合和重新分配来自不同卫星的任务，分配指示符ξ初始化为false。
(2)将单卫星的初始调度方案定义为初始奖励定义为把赋值给当前调度方案和最佳调度方案把赋值给当前奖励和最佳奖励
(3)对于单卫星，在当前调度方案中执行移除操作，即把当前调度方案中的部分任务移除到单卫星任务库Ms中；根据任务的优先级，迭代的移除优先级最低的p个任务，得到移除后的调度方案
(4)当ξ为true时，触发任务分配操作，并且重置ξ为false。分配操作分为四种，每种分配操作分别定义一个分数τ和一个权重定义τi和为第i种分配操作的分数和权重，并初始化；使用轮盘赌算法来选择分配操作，选择分配操作的概率计算方法为
(5)在步骤(4)中选定分配操作后，执行该分配操作。任务分配操作是在所有卫星的总任务库M上进行的。该过程是把单卫星任务库Ms中的任务混合到总任务库M中，再按照以下分配操作的一种，分配到各自的任务库Ms中。任务分配操作由以下四种组成：
a)随机分配
把总任务库M任务随机分配到单卫星任务库Ms。
b)冲突分配
定义Wij＝{wij1，…，wijl}为任务ti在卫星sj上的l个可见时间窗，定义第k个可见时间窗wijk的冲突度Cijk，当Cijk＜1时，将任务ti分配到卫星sj的任务库中。冲突度的公式为：



其中，lap(wijk)是与wijk有重叠的可见时间窗的集合，TimeSpan是求重叠时长，bijk和eijk分别表示时间窗wijk的开始时间和结束时间。
任务ti在卫星sj上总冲突度可表示为：



c)卫星位置分配
遍历总任务库M中的所有任务，如果一个任务与单卫星任务库Ms中的某个任务观测点相同或者相近，则将该任务分配到该卫星任务库Ms中。当总任务库M中没有任务或剩余任务都找不到相邻观测点时，结束分配操作。
d)经验分配
该操作根据历史经验将任务分配给卫星。de为经验度，F＝{f1，…，f|F|}为任务ti在卫星sj上的奖励集...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷承铭，林志赟，韩志敏，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33