一种面向非时敏移动目标跟踪的单星自主任务调度方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种面向非时敏移动目标跟踪的单星自主任务调度方法及系统，通过采集非时敏移动目标任务集；并构建单星自主任务调度优化模型；对单星自主任务调度优化模型进行求解得到单星自主任务调度方案然后输出。将任务看作一个个节点，将单星自主任务调度模型转化为各种瞬态下的时姿邻接图，使用图注意力网络模型进行预测下一个任务节点，通过一步步的预测，得到调度解序列。使用图注意力网络模型进行求解的方法，提高了求解效率，从而能够快速给出调度方案。给出调度方案。给出调度方案。

A single satellite autonomous task scheduling method and system for non time sensitive moving target tracking

【技术实现步骤摘要】
一种面向非时敏移动目标跟踪的单星自主任务调度方法及系统


[0001]本专利技术属于卫星任务规划领域领域，尤其是涉及一种面向非时敏移动目标跟踪的单星自主任务调度方法及系统。

技术介绍

[0002]非时敏移动目标是一类具备低速运动特征的移动目标，典型的非时敏目标如海面舰船、地面车辆等。面向非时敏移动目标跟踪的单星自主任务调度问题(Single
‑
satellite autonomous task scheduling problem，SSATSP)是一类面向动态目标的跟踪问题，其目标状态是不断变化的。为了响应目标的不确定性，结合星上图像识别能力，需要星上快速自主调度并生成调度方案。
[0003]新一代敏捷卫星具备灵活的三轴姿态机动能力，扩展了对目标的观测窗口；传统的“地面规划+星上执行”管控模式对移动目标响应严重滞后，星上计算能力的增强以及AI技术的发展为星上自主智能提供了前提，带来解决滞后短板的契机。敏捷能力带来了时间依赖特征的约束，使得卫星规划调度变得更为复杂；对移动目标的及时响应依赖快速度、高质量以及精细化的自主任务调度。
[0004]现有技术采用启发式算法求解质量较差，采用元启发式算法求解所需时间较长，无法实现对移动目标动态不确定性特征的及时响应。同时，星上涉及的运控约束纷繁复杂，需要精准规避约束冲突。快速度、高质量以及精细化求解该调度问题是实现对非时敏移动目标及时响应的关键。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是怎样快速度高质量的进行非时敏移动目标的跟踪调度问题，提出了一种面向非时敏移动目标跟踪的单星自主任务调度方法及系统。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]一种面向非时敏移动目标跟踪的单星自主任务调度方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：采集非时敏移动目标任务集；
[0009]步骤2：根据所述非时敏任务集构建单星自主任务调度优化模型；
[0010]步骤3：对所述单星自主任务调度优化模型进行求解得到单星自主任务调度方案；
[0011]步骤4：输出所述单星自主任务调度方案。
[0012]进一步地，所述单星自主任务调度优化模型为：
[0013]目标函数：
[0014]约束条件：
[0015][0016][0017][0018][0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025]其中，式1表示最大化完成任务的优先级总和，x
ij
表示0
‑
1决策变量， x
ij
＝1表示在调度序列解中任务i为任务j的紧前任务；pri
j
表示任务j的优先级，n
tsk
表示待规划任务数目；
[0026]式2表示卫星的硬时间窗口约束，即任务必须在卫星可见时间窗口内观测； wb
i
表示卫星对任务i的可见时间窗口的开始时间，wb0＝0，tb
i
表示卫星对任务i的开始观测时间，tb0＝0表示卫星初始状态时间，te
i
表示卫星对任务 i的结束观测时间，te0＝0表示卫星初始状态时；we
i
表示卫星对任务i的可见时间窗口结束时间，wb0＝0；
[0027]式3表示任务的成像开始、结束与持续时间的等式关系；ct
i
表示卫星对任务i的持续观测时间，ct0＝0；
[0028]式4表示的式任务之间时间依赖转换时间约束；trans(ea
i
,ba
j
)表示任务i 与任务j之间的姿态转换时间；
[0029]式5表示卫星的固存约束，即单轨内消耗电量不能超过卫星剩余电量阈值； uie表示进行成像时单位时间消耗的电量，单位unit，ute表示进行姿态机动时单位时间消耗的电量，单位unit；ζ表示卫星剩余电量阈值比例；
[0030]Egymax表示卫星最大电量总量，单位unit；
[0031]ea
i
表示卫星对任务i的结束观测姿态，由侧摆θ
i
，te
i
，俯仰φ
i
，te
i
与偏航ψ
i
，te
i
三轴姿态向量构成，ea0为卫星初始姿态，ba
i
表示卫星对任务i的开始观测姿态，由侧摆θ
i
，tb
i
，俯仰φ
i
，tb
i
与偏航ψ
i
，tb
i
三轴姿态向量构成，ba0为卫星初始姿态；
[0032]式6表示每个任务最多存在一个紧前任务；
[0033]式7表示每个任务最多存在一个紧后任务；
[0034]式8表示任务既不能是自己的紧前任务也不能作为自己的紧后任务，只能够完成一次；式9表示决策变量的值域；
[0035]式10表示两姿态之间的最短姿态转换时间计算方式，ρi
j
表示卫星在任务i 与任务j之间的姿态转换角度；b0、b1、b2、b3、b4、a0、a1、a2、a3、a4、 z0、z1、z2、z3为预先设置的常量；
[0036]式11表示两姿态之间的转换角度计算方式，θ
i
，t表示卫星在时刻t对任务i的观测侧摆角，te
i
表示卫星对任务i的结束观测时间，te0＝0表示卫星初始状态时，φ
i
，t表示卫星在时刻t对任务i的观测俯仰角，ψ
i
，t表示卫星在时刻t对任务i的观测偏航角。
[0037]进一步地，步骤3中对所述单星自主任务调度优化模型进行求解的方法是：将所述单星自主任务调度优化模型中的每个目标任务看作一个图节点，任务之间的关系看作图中的加权边关系，构建多个瞬态下的时姿邻接图模型，对所述时姿邻接图模型进行求解，得到所述单星自主任务调度优化模型的解。
[0038]进一步地，所述时姿邻接图模型的构建方法是，以卫星运行的时间线为水平轴，以过顶时刻侧摆姿态角为纵向轴，以过顶时间和过顶侧摆皆为0的点(0,0)为参考基准点，在坐标系下，将每个任务视作图中的一个节点，每个节点对应的坐标由卫星过顶时间与对应侧摆角构成，每个节点具有该结点对应的任务的属性，节点i与节点j之间的边权重由任务i与任务j之间的姿态转换时间trans(ea
i
，ba
j
)表示。
[0039]进一步地，对所述时姿邻接图模型进行求解的方法是根据瞬态时姿邻接图使用图注意力网络模型结构决策下一任务节点，在得到下一任务节点后更新瞬态时姿邻接图进行下下一个任务节点的决策，依次类推，得到调度解序列。
[0040]进一步地，使用图注意力网络模型结构决策下一任务节点的方法是：
[0041]采集当前状态下的图特征，包括节点特征向量和边特征矩阵；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向非时敏移动目标跟踪的单星自主任务调度方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取非时敏移动目标任务集；步骤2：根据所述非时敏任务集构建单星自主任务调度优化模型；步骤3：对所述单星自主任务调度优化模型进行求解得到单星自主任务调度方案；步骤4：输出所述单星自主任务调度方案。2.根据权利要求1所述的调度方法，其特征在于，所述单星自主任务调度优化模型为：目标函数：约束条件：约束条件：约束条件：约束条件：约束条件：约束条件：约束条件：约束条件：约束条件：约束条件：其中，式1表示最大化完成任务的优先级总和，x
ij
表示0
‑
1决策变量，x
ij
＝1表示在调度序列解中任务i为任务j的紧前任务；pri
j
表示任务j的优先级，n
tsk
表示待规划任务数目；式2表示卫星的硬时间窗口约束，即任务必须在卫星可见时间窗口内观测；wb
i
表示卫星对任务i的可见时间窗口的开始时间，wb0＝0，tb
i
表示卫星对任务i的开始观测时间，tb0＝0表示卫星初始状态时间，te
i
表示卫星对任务i的结束观测时间，te0＝0表示卫星初始状态时；we
i
表示卫星对任务i的可见时间窗口结束时间，wb0＝0；
式3表示任务的成像开始、结束与持续时间的等式关系；ct
i
表示卫星对任务i的持续观测时间，ct0＝0；式4表示的式任务之间时间依赖转换时间约束；trans(ea
i
,ba
j
)表示任务i与任务j之间的姿态转换时间；式5表示卫星的固存约束，即单轨内消耗电量不能超过卫星剩余电量阈值；uie表示进行成像时单位时间消耗的电量，单位unit，ute表示进行姿态机动时单位时间消耗的电量，单位unit；ζ表示卫星剩余电量阈值比例；Egymax表示卫星最大电量总量，单位unit；ea
i
表示卫星对任务i的结束观测姿态，由侧摆θ
i
，te
i
，俯仰φ
i
，te
i
与偏航ψ
i
，te
i
三轴姿态向量构成，ea0为卫星初始姿态，ba
i
表示卫星对任务i的开始观测姿态，由侧摆θ
i
，tb
i
，俯仰φ
i
，tb
i
与偏航ψ
i
，tb
i
三轴姿态向量构成，ba0为卫星初始姿态；式6表示每个任务最多存在一个紧前任务；式7表示每个任务最多存在一个紧后任务；式8表示任务既不能是自己的紧前任务也不能作为自己的紧后任务，只能够完成一次；式9表示决策变量的值域；式10表示两姿态之间的最短姿态转换时间计算方式，ρ
ij
表示卫星在任务i与任务j之间的姿态转换角度；b0、b1、b2、b3、b4、a0、a1、a2、a3、a4、z0、z1、z2、z3为预先设置的常量；式11表示两姿态之间的转换角度计算方式，θ
i
，t表示卫星在时刻t对任务i的观测侧摆角，te
i
表示卫星对任务i的结束观测时间，te0＝0表示卫星初始状态时，φ
i
，t表示卫星在时刻t对任务i的观测俯仰角，ψ
i
，t表示卫星在时刻t对任务i的观测偏航角。3.根据权利要求1所述的调度方法，其特征在于，步骤3中对所述单星自主任务调度优化模型进行求解的方法是：将所述单星自主任务调度优化模型中的每个目标任务看作一个图节点，任务之间的关系看作图中的加权边关系，构建多个瞬态下的时姿邻接图模型，对所述时姿邻接图模型进行求解，得到所述单星自主任务调度优化模型的解。4.根据权利要求3所述的调度方法，其特征在于，所述时姿邻接图模型的构建方法是，以卫星运行的时间线为水平轴，以过顶时刻侧摆姿态角为纵向轴，以过顶时间和过顶侧摆皆为0的点(0,0)为参考基准点，在坐标系下，将每个任务视作图中的一个节点，每个节点对应的坐标由卫星过顶时间与对...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文沅，左亚辉，刘仁杰，刘晓路，何磊，淳洁，杜永浩，吕济民，陈盈果，姚锋，陈英武，
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：