多星对地观测任务规划方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种多星对地观测任务规划方法和系统，涉及卫星任务调度技术领域。本发明专利技术综合考虑任务的观测成本和观测收益为每个观测任务筛选出最合适的观测时间窗，可以有效减少同一卫星圈次上不同观测任务观测时间窗之间的冲突，提高卫星资源的整体利用率。本发明专利技术还依次选出待规划任务插入到当前规划卫星的任务规划序列中，任务选择时需要综合考虑任务观测收益和卫星姿势调整时间，插入时需要验证角度约束和最长开机时间约束，得到更优的规划结果。本发明专利技术还针对待规划任务进行重新规划，以此减少任务冲突，提高观测收益，最大限度的利用卫星资源。的利用卫星资源。的利用卫星资源。

【技术实现步骤摘要】
多星对地观测任务规划方法和系统


[0001]本专利技术涉及卫星任务调度
，具体涉及一种多星对地观测任务规划方法和系统。

技术介绍

[0002]多星对地观测任务规划可以描述为多颗卫星、多个观测任务，在满足复杂约束条件的情况下为每个观测任务分配合理的卫星资源进行观测。近年来伴随卫星技术的日益成熟，利用卫星进行观测已经被广泛的应用于例如灾后评估、热点区域监视等多个领域。如何合理的为观测任务安排卫星资源进行观测已经成为卫星技术广泛应用亟待解决的问题。
[0003]现有方法一般默认卫星采用单一观测方式对任务目标进行观测，且一般会在满足观测需求的情况下随机选择一个观测时间窗进行观测。
[0004]但上述的现有方法存在卫星观测资源利用率不高的问题。

技术实现思路

[0005](一)解决的技术问题
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种多星对地观测任务规划方法和系统，解决了现有方法存在卫星观测资源利用率不高的问题。
[0007](二)技术方案
[0008]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0009]第一方面，提供了一种多星对地观测任务规划方法，该方法包括：
[0010]基于目标函数构建各个卫星圈次对应的待规划任务集合；
[0011]为各个卫星圈次的待规划任务集合进行任务规划，得到对应的任务规划序列；
[0012]对各个待规划任务集合中剩余的待规划任务进行重规划。
[0013]进一步的，所述基于目标函数构建各个卫星圈次对应的待规划任务集合，包括：
[0014]S101、计算任务集合T＝{T1,T2,...,T
m
,...,T
M
}中各个待规划任务T
m
的观测时间窗集合中每个观测时间窗对应的目标函数值1≤i≤I，1≤j≤J，1≤m≤M,1≤n≤N；
[0015]S102、将最优的目标函数值对应的待规划任务T
m
加入到该时间窗所在的卫星圈次SC
ij
的待规划任务集合SCA
ij
中，同时将T
m
从T中删除，并将T
m
最优观测时间窗之外的其余时间窗置为无效；
[0016]S103、重复执行S101～S102，所有待规划任务均被分配，得到各个卫星圈次对应的待规划任务集合SCA
ij
；
[0017]其中，
[0018]S
i
表示第i颗卫星，共有I颗卫星；
[0019]SC＝{SC1,SC2,...,SC
i
,...,SC
I
}表示卫星的圈次集合；
[0020]SC
i
＝{SC
i1
,SC
i2
,...,SC
ij
,...,SC
iJ
}表示卫星S
i
的圈次集合；
[0021]SC
ij
表示卫星S
i
的第j个圈次；
[0022]T＝{T1,T2,...,T
m
,...,T
M
}表示共有M个待规划任务；
[0023]T
m
表示第m个待规划任务；
[0024]表示待规划任务T
m
的观测时间窗集合，共N个；
[0025]表示T
m
的第n个观测时间窗口在卫星S
i
的第j个圈次；
[0026]SCA
ij
表示卫星S
i
的第j个圈次的待规划任务集合。
[0027]进一步的，所述目标函数值的计算方法为：
[0028][0029]其中，
[0030]表示与观测时间窗口有时间重叠的其余有效观测时间窗口观测任务收益之和；
[0031]TP
m
表示T
m
的观测收益；
[0032]表示T
m
在第n个观测时间窗的观测时长，
[0033]分别表示T
m
在第n个观测时间窗的结束与开始观测时间，
[0034]SCT
ij
表示卫星S
i
在第j个圈次的最长开机时间。
[0035]表示在对T
m
观测对其它观测任务的影响程度，越小越优；
[0036]表示卫星在该圈次执行完T
m
消耗的资源占该圈次卫星资源比例，越小越优。
[0037]进一步的，所述为各个卫星圈次的待规划任务集合进行任务规划，得到对应的任务规划序列，包括：
[0038]依次为各个卫星圈次的待规划任务集合进行任务规划，且对于任意卫星圈次的待规划任务集合进行任务规划的步骤如下：
[0039]S201、从待规划任务集合SCA
ij
中确定S
i
在第j个圈次执行的首任务T
start
，并将首任务T
start
从待规划任务集合SCA
ij
中删除；
[0040]S202、遍历SCA
ij
中的每一个待规划任务T
m
；如果满足TS
m
‑
TE
l
≥0，则将T
m
加入待安排任务集合SCW
ij
中；
[0041]其中，
[0042]T
l
表示任务规划序列SCG
ij
中最后一个任务；
[0043]TE
l
表示T
l
的结束观测时间，且在T
l
的最佳观测窗是其第n个观测时间窗时，
[0044]S203、判断SCW
ij
是否为空集；
[0045]若SCW
ij
为空集，为下一个卫星圈次做任务规划；
[0046]若SCW
ij
不为空集，则从SCW
ij
中选出待安排任务T
a
；
[0047]S204、若待安排任务T
a
同时满足角度调整约束和最长开机时间约束，则将T
a
加入到任务规划序列SCG
ij
中，将T
a
从SCA
ij
中删除，并将SCW
ij
清空，再返回S202；
[0048]否则，将T
a
从SCW
ij
中删除，再返回S203。
[0049]进一步的，所述从待规划任务集合SCA
ij
中确定S
i
在第j个圈次执行的首任务T
start
，包括：
[0050]利用如下公式选择出首任本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多星对地观测任务规划方法，其特征在于，该方法包括：基于目标函数构建各个卫星圈次对应的待规划任务集合；为各个卫星圈次的待规划任务集合进行任务规划，得到对应的任务规划序列；对各个待规划任务集合中剩余的待规划任务进行重规划。2.如权利要求1所述的一种多星对地观测任务规划方法，其特征在于，所述基于目标函数构建各个卫星圈次对应的待规划任务集合，包括：S101、计算任务集合T＝{T1,T2,...,T
m
,...,T
M
}中各个待规划任务T
m
的观测时间窗集合中每个观测时间窗对应的目标函数值其中，1≤i≤I，1≤j≤J，1≤m≤M,1≤n≤N；S102、将最优的目标函数值对应的待规划任务T
m
加入到该时间窗所在的卫星圈次SC
ij
的待规划任务集合SCA
ij
中，同时将T
m
从T中删除，并将T
m
最优观测时间窗之外的其余时间窗置为无效；S103、重复执行S101～S102，所有待规划任务均被分配，得到各个卫星圈次对应的待规划任务集合SCA
ij
；其中，S
i
表示第i颗卫星，共有I颗卫星；SC＝{SC1,SC2,...,SC
i
,...,SC
I
}表示卫星的圈次集合；SC
i
＝{SC
i1
,SC
i2
,...,SC
ij
,...,SC
iJ
}表示卫星S
i
的圈次集合；SC
ij
表示卫星S
i
的第j个圈次；T＝{T1,T2,...,T
m
,...,T
M
}表示共有M个待规划任务；T
m
表示第m个待规划任务；表示待规划任务T
m
的观测时间窗集合，共N个；表示T
m
的第n个观测时间窗口在卫星S
i
的第j个圈次；SCA
ij
表示卫星S
i
的第j个圈次的待规划任务集合。3.如权利要求2所述的一种多星对地观测任务规划方法，其特征在于，所述目标函数值的计算方法为：其中，表示与观测时间窗口有时间重叠的其余有效观测时间窗口观测任务收益之和；TP
m
表示T
m
的观测收益；表示T
m
在第n个观测时间窗的观测时长，分别表示T
m
在第n个观测时间窗的结束与开始观测时间，SCT
ij
表示卫星S
i
在第j个圈次的最长开机时间；
表示在对T
m
观测对其它观测任务的影响程度，越小越优；表示卫星在该圈次执行完T
m
消耗的资源占该圈次卫星资源比例，越小越优。4.如权利要求3所述的一种多星对地观测任务规划方法，其特征在于，所述为各个卫星圈次的待规划任务集合进行任务规划，得到对应的任务规划序列，包括：依次为各个卫星圈次的待规划任务集合进行任务规划，且对于任意卫星圈次的待规划任务集合进行任务规划的步骤如下：S201、从待规划任务集合SCA
ij
中确定S
i
在第j个圈次执行的首任务T
start
，并将首任务T
start
从待规划任务集合SCA
ij
中删除；S202、遍历SCA
ij
中的每一个待规划任务T
m
；如果满足TS
m
‑
TE
l
≥0，则将T
m
加入待安排任务集合SCW
ij
中；其中，T
l
表示任务规划序列SCG
ij
中最后一个任务；TE
l
表示T
l
的结束观测时间，且在T
l
的最佳观测窗是其第n个观测时间窗时，S203、判断SCW
ij
是否为空集；若SCW
ij
为空集，为下一个卫星圈次做任务规划；若SCW
ij
不为空集，则从SCW
ij
中选出待安排任务T
a
；S204、若待安排任务T
a
同时满足角度调整约束和最长开机时间约束，则将T
a
加入到任务规划序列SCG
ij
中，将T
a
从SCA
ij
中删除，并将SCW
ij
清空，再返回S202；否则，将T
a
从SCW
ij
中删除，再返回S203。5.如权利要求4所述的一种多星对地观测任务规划方法，其特征在于，所述从待规划任务集合SCA
ij
中确定S
i
在第j个圈次执行的首任务T
start
，包括：利用如下公式选择出首任务T
start
：且所述从SCW
ij
中选出待安排任务T
a
，包括：利用如下公式从SCW
ij
中选出待安排任务T
a
：其中，TS
m
表示T
m
的开始观测时间，且在T
m
的最佳观测窗是其第n个观测时间窗时，TP
m
表示待规划任务T
m
完成所得收益；λ为平衡系数，用于平衡量纲。6.如权利要求4所述的一种多星对地观测任务规划方法，其特征在于，所述角度调整约束为：TE
l
+t
la
≤TS
a
其中，表示S
i
从执行T
l
到执行T
a
之间的姿势调整时间；TA
l
，TA
a
分别表示T
l
和T
a
的最佳观测角度；表示S
i
单位时间角度偏转速率；TS
a
表示在T
a
的开始观测时间；且所述最长开机时间约束为：TE
a
≤TS
start
+SCT
ij
其中，TE
a
表示T
a
的结束观测时间；TS
start
表示首任务T
start
的开始观测时间；SCT
ij
表示S
i
在第j个圈次的最长开机时间。7.如权利要求4所述的一种多星对地观测任务规划方法，其特征在于，所述对各个待规划任务集合中剩余的待规划任务进行重规划，包括：若待规划任务集合SCA
ij
为空集，不进行重规划；否则，按照任务开始观测时间的先后顺序依次从SCA
ij
中选出待规划任务T
m'
进行重规划；且所述重规划包括：插入策略、合成策略、替换策略、重组策略，且优先级为插入策略＞合成策略＞替换策略＞重组策略。8.如权利要求7所述的一种多星对地观测任务规划方法，其特征在于，所述插入策略包括：按照任务开始观测时间先后顺序依次在任务规划序列SCG
ij
中选择相邻的两个已规划任务T
f
和T
b
；若同时满足TE
f
+t
fm'
≤TS
m'
，TE
m'
+t
m'b
≤TS
b
，则将任务T
m'
插入到SCG

【专利技术属性】
技术研发人员：秦雪敏，朱旭彤，王杰，胡笑旋，马华伟，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：