基于合同网的多卫星态势感知系统分布式任务规划方法技术方案

本发明专利技术提出基于合同网的多卫星态势感知系统分布式任务规划方法，合同网包括全局规划层、紧急规划层、局部规划层；方法包括以下步骤：步骤一、全局主管卫星指定局部主管卫星；步骤二、全局主管卫星对感知任务进行招标，由局部主管卫星进行任务投标；步骤三、全局主管卫星接收投标结果后，进行感知目标集群与卫星集群之间的匹配；步骤四、局部主管卫星对感知任务进行招标，从属卫星进行投标；步骤五、局部主管卫星接收到投标结果后，将局部感知目标分配至局部卫星；步骤六、当出现突发任务，紧急任务主管卫星将突发任务分配至各局部规划层；步骤七、局部规划层将任务分配至执行任务的卫星；本发明专利技术可解决多卫星多任务且存在多突发性的任务分配问题。任务分配问题。任务分配问题。

【技术实现步骤摘要】
基于合同网的多卫星态势感知系统分布式任务规划方法


[0001]本专利技术涉及卫星态势感知的
，尤其是基于合同网的多卫星态势感知系统分布式任务规划方法。

技术介绍

[0002]随着各国航天技术不断发展与壮大，空间资源成为军事领域中最宝贵的战略资源。空间态势感知即通过各种监视手段实现对空间目标的跟踪测量、整个空间状态和形式的监视、滞留在空间目标的可视化探测，为空间作战及防御提供决策依据，是保持空间优势的首要条件，是所有空间行动的基础。强大的空间态势感知能力是空间安全、空间资源开发以及确保国家安全的核心能力。
[0003]空间态势感知系统可分为综合式单星系统与多星系统，后者具备空间大范围及立体综合观测的优势，是未来的发展趋势。由多个具有不同任务载荷的无人系统组成的异构态势感知系统，最大范围的监视并可覆盖多个频段，实现多种监视功能，并突出实时跟踪、广空域、宽时域、全天候的监视性能要求。
[0004]现有多星空间态势感知系统(下称“多星感知系统”)可分为集中式与分布式两类。集中式多星感知系统，由一个集中式控制器控制整个系统，是一种规划与决策的自上而下式的层次控制结构，位于最高层的集中式控制器承担了全部的智能决策义务。集中式系统的协调性较好，但实时性、动态性较差，对环境变化响应能力差。分布式多星系统具有分布的层次结构，可视为多个集中式结构的联合。采用分布式结构可充分利用分布式协调算法进行任务分配和系统重构，此类算法可提升系统性能和鲁棒性，消除通信瓶颈问题，以及进行分布式计算提升多任务下协商分配效率。
>[0005]空间目标种类、数量较多，无论平时和战时都具有对空间目标监视和态势感知需求，空间目标探测和监视的手段也呈现多样性。在空间态势感知任务中，感知卫星与监视目标为多对多的关系，单个感知卫星可同时跟踪多个目标，但由于监视资源受到空间位置和俯仰方位调整范围的影响，其监视区域是有限的，通常不能对目标实施全程跟踪和监视。合理选择现有资源、配合各种监视手段，在其监视范围内对目标进行监视，成为态势感知的重点及难点。
[0006]以航天器、空间武器以及“太空垃圾”此类易变物体为主要监视对象的空间态势感知，导致了其往往具有很强的任务突发性。突发任务还常带有紧急执行的属性，传统分布式协调算法，虽利用分布式计算加快卫星之间协商谈判进程，但对于突发任务多发性、感知卫星异构性仍未很好的解决此问题。如何在多星感知系统中突发任务的分配成为态势感知中的核心问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术提出基于合同网的多卫星态势感知系统分布式任务规划方法，可解决空间态势感知中多卫星多任务且存在多突发性的任务分配问题。
[0008]本专利技术采用以下技术方案。
[0009]基于合同网的多卫星态势感知系统分布式任务规划方法，所述合同网包括全局规划层、紧急规划层、局部规划层；所述方法包括以下步骤：
[0010]步骤一、全局规划层包括全局主管卫星，全局主管卫星将感知目标和卫星划分多个集群，并指定每个卫星集群中的特定卫星为局部主管卫星；
[0011]步骤二、全局主管卫星基于合同网协约对感知任务进行招标，各卫星集群中的局部主管卫星进行任务投标；
[0012]步骤三、全局主管卫星接收到预定的全部投标结果或者投标截止期到期之后，通过将代价函数最小化，进行感知目标集群与卫星集群之间的匹配；
[0013]步骤四、局部规划层是全局规划层划分好的每一个卫星集群和其对应感知任务集群构成的任务执行子空间，包括局部主管卫星，局部主管卫星基于合同网协约对感知任务进行招标，卫星集群内的从属卫星对任务进行投标；
[0014]步骤五、局部主管卫星接收到预定的全部投标结果或者投标截止期到期之后，将局部感知目标分配至局部卫星；
[0015]步骤六、紧急规划层包括紧急任务主管卫星，紧急规划层以事件触发方式运行，当出现突发任务，紧急任务主管卫星将突发任务分配至各局部规划层；
[0016]步骤七、紧急主管卫星指定突发任务在局部任务规划层中重规划或基于优先级的分配方式，局部规划层按照所指定的分配方式将任务分配至执行任务的卫星。
[0017]所述步骤一中，全局主管卫星周期性的获取合同网全局卫星的状态信息和全局态势感知任务信息，具有在合同网空间内与卫星集群的交互能力；全局主管卫星采用高斯混合模型(GMM)软聚类方法，将合同网的感知目标和卫星划分为多个集群，并指定卫星集群中的一颗具备子空间内局部星群交互能力的卫星为局部主管卫星。
[0018]所述步骤二中，全局主管卫星进行任务招标时，广播所有感知目标集群的中心位置和平均速度即目标集群中心状态通过各卫星子集群的局部主管卫星进行任务投标，局部主管卫星一旦接收到来自全局主管卫星发布的感知目标集群中心状态，将根据自己的状态和约束条件至少竞标一次；投标结果具有三种：拒绝、不理解以及投标；如果决定投标，那么投标信息必须是诚实的，通过二元组描述为＜bidder
j
,B
i,j
＞，其中bidder
i
为投标卫星的标志符，B
i,j
为投标者卫星集群完成所付出的代价可定义为：
[0019][0020]所述步骤三中，全局主导卫星接收到预定的全部投标结果或者投标截止期到期之后，将代价函数最小化，即
[0021][0022]式中，是第i个卫星集群的中心状态，即集群的平均速度和中心位置，是第j 个感知目标集群中心状态，h
c
是任务投标准则，设定标准为最小化卫星集群和任务集群中
心状态差值，通过定制的离散粒子群算法进行求解，求解后，可获得卫星集群与感知目标集群匹配关系：
[0023][0024]所述步骤四中，局部规划层中的局部主管卫星具备局部规划层所在子空间中全部从属卫星和感知目标的信息，具有在子空间内进行局部卫星集群交互能力；局部主管卫星采用广播的方式将任务发布给其余从属卫星，任务的发布可表述为：
[0025]＜AID
l
,t
j
＞公式四；
[0026]其中AID
l
是局部主管卫星标志符号，为第j个感知目标的位置和速度向量；
[0027]局部规划层中的从属卫星收到感知目标的位置和速度信息，将根据自己的状态和约束条件至少竞标一次；投标结果具有三种：拒绝、不理解以及投标；如果决定投标，那么投标信息必须是诚实的，通过二元组描述为＜bidder
j
,B
i,j
＞，其中bidder
i
为投标卫星的标志符，B
i,j
为投标者卫星s
i
完成t
j
所付出的代价可定义为：
[0028][0029]所述步骤五中，局部主管卫星接收到预定的全部投标结果或者投标截止期到期之后，根据从属卫星对任务的投标信息对代价评价函数进行最小化，即：
[0030][0031]其中，s
i
,t
j<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于合同网的多卫星态势感知系统分布式任务规划方法，其特征在于：所述合同网包括全局规划层、紧急规划层、局部规划层；所述方法包括以下步骤：步骤一、全局规划层包括全局主管卫星，全局主管卫星将感知目标和卫星划分多个集群，并指定每个卫星集群中的特定卫星为局部主管卫星；步骤二、全局主管卫星基于合同网协约对感知任务进行招标，各卫星集群中的局部主管卫星进行任务投标；步骤三、全局主管卫星接收到预定的全部投标结果或者投标截止期到期之后，通过将代价函数最小化，进行感知目标集群与卫星集群之间的匹配；步骤四、局部规划层是全局规划层划分好的每一个卫星集群和其对应感知任务集群构成的任务执行子空间，包括局部主管卫星，局部主管卫星基于合同网协约对感知任务进行招标，卫星集群内的从属卫星对任务进行投标；步骤五、局部主管卫星接收到预定的全部投标结果或者投标截止期到期之后，将局部感知目标分配至局部卫星；步骤六、紧急规划层包括紧急任务主管卫星，紧急规划层以事件触发方式运行，当出现突发任务，紧急任务主管卫星将突发任务分配至各局部规划层；步骤七、紧急主管卫星指定突发任务在局部任务规划层中重规划或基于优先级的分配方式，局部规划层按照所指定的分配方式将任务分配至执行任务的卫星。2.根据权利要求1所述的基于合同网的多卫星态势感知系统分布式任务规划方法，其特征在于：所述步骤一中，全局主管卫星周期性的获取合同网全局卫星的状态信息和全局态势感知任务信息，具有在合同网空间内与卫星集群的交互能力；全局主管卫星采用高斯混合模型(GMM)软聚类方法，将合同网的感知目标和卫星划分为多个集群，并指定卫星集群中的一颗具备子空间内局部星群交互能力的卫星为局部主管卫星。3.根据权利要求1所述的基于合同网的多卫星态势感知系统分布式任务规划方法，其特征在于：所述步骤二中，全局主管卫星进行任务招标时，广播所有感知目标集群的中心位置和平均速度即目标集群中心状态通过各卫星子集群的局部主管卫星进行任务投标，局部主管卫星一旦接收到来自全局主管卫星发布的感知目标集群中心状态，将根据自己的状态和约束条件至少竞标一次；投标结果具有三种：拒绝、不理解以及投标；如果决定投标，那么投标信息必须是诚实的，通过二元组描述为＜bidder
j
,B
i,j
＞，其中bidder
i
为投标卫星的标志符，B
i,j
为投标者卫星集群完成所付出的代价可定义为：4.根据权利要求1所述的基于合同网的多卫星态势感知系统分布式任务规划方法，其特征在于：所述步骤三中，全局主导卫星接收到预定的全部投标结果或者投标截止期到期之后，将代价函数最小化，即
式中，是第i个卫星集群的中心状态，即集群的平均速度和中心位置，是第j个感知目标集群中心状态，h
c
是任务投标准则，设定标准为最小化卫星集群和任务集群中心状态差值，通过定制的离散粒子群算法进行求解，求解后，可获得卫星集群与感知目标集群匹配关系：5.根据权利要求1所述的基于合同网的多卫星态势感知系统分布式任务规划方法，其特征在于：所述步骤四中，局部规划层中的局部主管卫星具备局部规划层所在子空间中全部从属卫星和感知目标的信息，具有在子空间内进行局部卫星集群交互能力；局部主管卫星采用广播的方式将任务发布给其余从属卫星，任务的发布可表述为：＜AID
l
,t
j
＞
ꢀꢀꢀꢀ
公式四；其中AID
l
是局部主管卫星标志符号，为第j个感知目标的位置和速度向量；局部规划层中的从属卫星收到感知目标的位置和速度信息，将根据自己的状态和约束条件至少竞标一次；投标结果具有三种：拒绝、不理解以及投标；如果决定投标，那么投标信息必须是诚实的，通过二元组描述为＜bidder
j
,B
i,j
＞，其中bidder
i
为投标卫星的标志符，B
i,j
为投标者卫星s
i
完成t
j
所付出的代价可定义为：6.根据权利要求1所述的基于合同网的多卫星态势感知系统分布式任务规划方法，其特征在于：所述步骤五中，局部主管卫星接收到预定的全部投标结果或者投标截止期到期之后，根据从属卫星对任务的投标信息对代价评价函数进行最小化，即：其中，s
i
,t
j
为第i...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄捷，田国庆，陈宇韬，李东方，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：