基于时间线状态路标的启发式航天器任务规划方法技术

本发明专利技术公开的基于时间线状态路标的启发式航天器任务规划方法，属于航空航天技术领域。本发明专利技术实现方法为：根据子系统内部约束特点，综合考虑航天器结构、任务需求、设备状态和航天器能力四项因素，对航天器的构成、资源、分系统功能以及需要满足的各种约束条件进行描述。针对航天器系统约束复杂的特点，利用状态之间的约束关系建立状态评价图。同时，根据状态评价图获取状态路标集合并构建启发式信息，根据启发式排序结果引导规划搜索方向，输出最终的基于时间线状态路标的启发式航天器任务规划求解结果，即完成航天器任务规划，缩减搜索空间，提高任务规划效率，进而保证航天器任务执行的成功率。务执行的成功率。务执行的成功率。

【技术实现步骤摘要】
基于时间线状态路标的启发式航天器任务规划方法


[0001]本专利技术涉及一种航天器任务规划方法，特别涉及实现基于时间线状态路标的启发式航天器任务规划方法，属于航空航天


技术介绍

[0002]航天领域是二十一世纪世界技术发展的主要领域之一。由于航天任务中航天器一般距离地球远、飞行时间长、所处环境不确知等特点，导致航天器的操作和控制存在极大的挑战，例如通信的长时延问题、长期可靠性问题、实时操作问题等。
[0003]航天器在轨运行过程中，需要具备能够对一系列科学目标进行规划的能力，即根据空间环境的感知及探测器本身的能力和状态，运用智能规划技术，对若干可供选择的活动及其约束进行推理，生成一组有序的活动序列。当航天器面临执行长期任务的挑战时，复杂的外部环境会成为实现任务目标的阻碍。这些都需要可靠的自主任务规划方法，以避免在缺乏对环境充分认知的情况下做出导致任务失败的决策。
[0004]深空一号采用基于启发式调度测试系统(HSTS)，它将状态变量描述为时间线的形式，能够对明确的时间概念进行描述，并且算法使用基于约束的规划范式对问题进行求解。深空一号中搜索算法采用深度优先的搜索方式，缺少合适的搜索引导策略，会引发冗余的规划操作，大大增加搜索规划的时间，影响规划求解的效率。
[0005]火星快车任务中利用先进规划调度框架(APSI)进行任务规划，它采用基于迭代缺陷的方法，通过时间线灵活管理航天器系统知识模型，但在目标选择方面并未做深入的研究，会增加任务时间，降低规划效率。

技术实现思路
/>[0006]为解决规划操作引发的规划效率低下的问题，本专利技术公开的基于时间线状态路标的启发式航天器任务规划方法要解决的技术问题是：提高航天器任务规划中问题求解速度，在更短的时间内获取合理的规划解，通过提高规划效率保证航天器任务执行的成功率。
[0007]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0008]本专利技术公开的基于时间线状态路标的启发式航天器任务规划方法，根据子系统内部约束特点，综合考虑航天器结构、任务需求、设备状态和航天器能力四项因素，对航天器的构成、资源、分系统功能以及需要满足的各种约束条件进行描述。针对航天器系统约束复杂的特点，利用状态之间的约束关系建立状态评价图。同时，根据状态评价图获取状态路标集合并构建启发式信息，根据启发式排序结果引导规划搜索方向，输出最终的基于时间线状态路标的启发式航天器任务规划求解结果，即完成航天器任务规划，缩减搜索空间，提高任务规划效率，进而保证航天器任务执行的成功率。
[0009]所述的状态评价图指将模型中状态之间的约束关系通过图的形式进行表示。状态评价图是带有权值的有向图，节点表示各子系统内部的状态，边连接两个节点A,B，表示状态的转换，即从状态A转换到箭头指向的状态B，边的权值代表转换的代价。
[0010]所述的各种约束条件根据实际航天器系统而定，包括因果约束、时间约束和资源约束。
[0011]本专利技术公开的基于时间线状态路标的启发式航天器任务规划方法，包括如下步骤：
[0012]步骤一：综合考虑航天器结构、任务需求、设备状态和航天器能力四项因素，对航天器的构成、资源、分系统功能以及需要满足的约束条件进行描述。所述的约束条件根据实际航天器系统而定，所述的约束条件包括因果约束、时间约束和资源约束。
[0013]针对航天器系统功能复杂和系统约束耦合的特点，利用时间线刻画航天器的多个并行子系统，通过时间线结构及耦合状态信息描述系统的复杂约束及系统间依赖关系，形成时间线描述模型，对各并行子系统的行为随时间的演化进行描述。
[0014]步骤二：建立状态评价图，状态评价图用于描述系统内部状态之间的约束关系以及计算状态路标集合。
[0015]各并行子系统分别由一个状态变量进行表示，每个状态变量都由时间线的形式进行描述，各并行子系统对应的状态变量为状态变量A1、状态变量A2、状态变量A3……
状态变量A
n
。每个状态变量都存在一个值域，任一状态变量在值域内的任一取值称为状态。每个状态都对应一个状态集合称为状态同步集合。
[0016]所述的状态评价图指将模型中状态之间的约束关系通过图的形式进行表示。状态评价图是带有权值的有向图，节点表示各系统内部的状态，边连接两个节点A,B，表示状态的转换，即从状态A转换到箭头指向的状态B，边的权值代表转换的代价。通过建立状态评价图，计算状态路标集合。
[0017]所述的建立状态评价图具体是指将状态S1，状态S2……
状态S
n
的同步集合中约束值最大的状态S
11
，状态S
21
……
状态S
n1
作为状态评价图的节点，用有向边箭头的指向表示状态S
11
，状态S
21
……
状态S
n1
到状态S1，状态S2……
状态S
n
的转换，通过边的权值表示转换的代价值。
[0018]所述的约束值的计算方法为：计算状态S1的同步集合中的状态数量n，将状态数量n作为状态S1的约束值。
[0019]所述的状态路标集合的计算方法为：
[0020]步骤2.1：计算状态评价图中的节点集合V1，V
G
。
[0021]所述的状态评价图中的节点集合V1，V
G
的计算方法为：在状态评价图中选择所有能够通过权值为0的边到达目标的节点，构成节点集合V
G
。选择状态评价图中初始状态节点的所有可达节点中不属于集合V
G
的节点，构成节点集合V1。
[0022]所述的初始状态节点的可达节点是指在状态评价图中初始状态节点能够通过一次或多次状态转换到达的节点。
[0023]步骤2.2：搜索状态评价图中所有由节点集合V1指向节点集合V
G
的边，并将这些边指向的状态节点作为状态路标l，选择所有边的最小权值作为状态路标l的代价cost(l)。
[0024]步骤2.3：将步骤2.2中的各边的权值减去状态路标l的代价cost(l)。
[0025]步骤2.4：迭代处理步骤2.1至步骤2.3，直到节点集合V
G
中存在初始状态节点时，停止迭代，输出状态路标l1，状态路标l2……
状态路标l
n
。
[0026]步骤三：选用规划空间搜索作为基本的搜索策略，根据步骤一的约束条件及步骤
二得到的状态路标构建启发式信息，根据启发式排序结果引导规划搜索方向，输出最终的基于时间线状态路标的启发式任务规划求解结果，即完成航天器任务规划，缩减搜索空间，提高任务规划效率。
[0027]步骤3.1：选取任务目标状态集合中一个目标状态S
g1
,对目标状态S
g1
的启发式值进行计算。
[0028]所述启发式值的计算方法为：搜索本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于时间线状态路标的启发式航天器任务规划方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：综合考虑航天器结构、任务需求、设备状态和航天器能力四项因素，对航天器的构成、资源、分系统功能以及需要满足的约束条件进行描述；所述的约束条件根据实际航天器系统而定，所述的约束条件包括因果约束、时间约束和资源约束；步骤二：建立状态评价图，状态评价图用于描述系统内部状态之间的约束关系以及计算状态路标集合；步骤三：选用规划空间搜索作为基本的搜索策略，根据步骤一的约束条件及步骤二得到的状态路标构建启发式信息，根据启发式排序结果引导规划搜索方向，输出最终的基于时间线状态路标的启发式任务规划求解结果，即完成航天器任务规划，缩减搜索空间，提高任务规划效率。2.如权利要求1所述的基于时间线状态路标的启发式航天器任务规划方法，其特征在于：还包括步骤四，在步骤一至步骤三航天器任务规划基础上，高效地得到航天器任务规划序列，通过航天器任务规划序列保证航天器任务执行的成功率。3.如权利要求1或2所述的基于时间线状态路标的启发式航天器任务规划方法，其特征在于：步骤一实现方法为，针对航天器系统功能复杂和系统约束耦合的特点，利用时间线刻画航天器的多个并行子系统，通过时间线结构及耦合状态信息描述系统的复杂约束及系统间依赖关系，形成时间线描述模型，对各并行子系统的行为随时间的演化进行描述。4.如权利要求3所述的基于时间线状态路标的启发式航天器任务规划方法，其特征在于：步骤二实现方法为，各并行子系统分别由一个状态变量进行表示，每个状态变量都由时间线的形式进行描述，各并行子系统对应的状态变量为状态变量A1、状态变量A2、状态变量A3……
状态变量A
n
；每个状态变量都存在一个值域，任一状态变量在值域内的任一取值称为状态；每个状态都对应一个状态集合称为状态同步集合；所述的状态评价图指将模型中状态之间的约束关系通过图的形式进行表示；状态评价图是带有权值的有向图，节点表示各系统内部的状态，边连接两个节点A,B，表示状态的转换，即从状态A转换到箭头指向的状态B，边的权值代表转换的代价；通过建立状态评价图，计算状态路标集合；所述的建立状态评价图具体是指将状态S1，状态S2……
状态S
n
的同步集合中约束值最大的状态S
11
，状态S
21
……
状态S
n1
作为状态评价图的节点，用有向边箭头的指向表示状态S
11
，状态S
21
……
状态S
n1
到状态S1，状态S2……
状态S
n
的转换，通过边的权值表示转换的代价值；所述的约束值的计算方法为：计算状态S1的同步集合中的状态数量n，将状态数量n作为状态S1的约束值。5.如权利要求4所述的基于时间线状态路标的启发式航天器任务...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐瑞，金颢，崔平远，朱圣英，梁子璇，李朝玉，尚海滨，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：