硬x射线调制望远镜卫星任务规划处理方法
【专利摘要】本发明涉及一种HXMT卫星任务规划处理方法，所述方法包括：步骤1，对HXMT卫星观测任务进行预处理；步骤2，对所述HXMT卫星典型观测任务类型的约束条件抽象建模；步骤3，对所述HXMT卫星基于实现质量和完成质量的多目标多约束任务规划建模；步骤4，混合贪婪随机与遗传算法的多目标任务规划处理。本发明HXMT卫星任务规划处理方法，从HXMT卫星实际工作模式和观测需求出发，抽象建立了HXMT卫星四种典型观测任务类型的约束模型，提出了一种以实现质量最大化和完成质量最大化为规划目标的多约束任务规划模型，通过构建贪婪随机与遗传算法相混合的求解算法，实现了规划模型的快速稳定处理。
【专利说明】硬X射线调制望远镜卫星任务规划处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星任务规划处理方法，尤其涉及一种HXMT卫星任务规划处理方法。
【背景技术】
[0002] 硬X射线调制望远镜（Hard X-ray Modulat ion Telescope, HXMT)卫星作为我国 首个空间天文卫星，将于2015年发射升空。该卫星通过搭载高能X射线望远镜（HE)、中能 X射线望远镜（ME)、低能X射线望远镜（LE)和空间环境检测仪（SEM)四个主有效载荷，开 展宽波段X射线（l-250keV)巡天任务，寻找和测量被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知类型 天体；开展对黑洞双星等天体高精度定点观测，实现黑洞系统剧烈活动的观测研究，为发现 极端条件下的基本物理规律，理解恒星和星系的演化提供第一手观测数据。
[0003] HXMT卫星作为一颗空间科学探索卫星，在茫茫宇宙中寻求科学发现，将会吸引众 多科学家和感兴趣研究者提交观测提案请求；同时，卫星运行于空间环境非常复杂的外太 空，观测环境约束要求高，这些都对卫星有限星上资源和观测时长提出了挑战，需要统筹考 虑卫星观测约束条件、观测目标切换、进出南大西洋异常区等诸多因素，开展智能任务规划 处理，制定优化的、合理的观测计划，最大化满足多样化观测请求，寻求最大的科学回报。
[0004] 为了更好开展任务资源规划与分配，空间科学卫星观测方案通常采用分层规划策 略，规划周期一般分为1年期长期任务规划，3-6个月中期任务规划以及1周之内的短期任 务规划。其中，长期任务规划是开展中期及短期任务规划的基础，针对已经批准的观测提 案，根据1年期预报星历文件，综合考虑卫星观测模式、观测时间约束、观测次数约束、观测 环境约束等，开展小天区扫描、定点观测等多任务的综合规划处理，生成优化后观测时间序 列，为下一步基于高精密星历文件实现精确到秒的中、短期任务规划处理提供输入数据。
[0005] 目前，国外航天机构结合具体的空间天文卫星项目开展了相应的规划方法研究， 与之相比，我国的空间天文卫星任务规划方法研究才刚刚起步。现有方法难以满足HXMT卫 星长期任务规划的特殊需求和复杂性：
[0006] DHXMT卫星在巡天扫描任务完成后，需要综合安排定点和小天区扫描观测两种模 式下的观测任务；
[0007] 2)HXMT卫星针对不同观测任务在观测时间需求上有特殊要求，包括了：一般性观 测任务、固定时间观测任务、相位依赖观测任务以及监测观测任务等，各个任务对观测起止 时间、观测时长、观测频率、观测时间偏移有相应要求；
[0008] 3)HXMT卫星视场范围较大，存在着多个目标同时进入卫星观测视场且可见时间窗 口长的特点，而卫星载荷只能在同一时间内探测获取一种天体目标且有特殊的观测时间要 求，因此对HXMT卫星任务规划存在着冲突明显，建模复杂等难点；
[0009] 4)HXMT卫星在规划目标上需要统筹观测任务安排的最大化以及不同观测任务实 现质量的最大化，是一类多目标规划问题；
[0010] 5)HXMT卫星在长期规划周期中，需要考虑观测目标切换最小时间、地影影响、南大 西洋异常区影响等多种约束条件。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是针对HXMT卫星的长期观测计划生成制定，从卫星实际工作模式 和观测任务需求出发，综合多种约束条件，提出一种适用HXMT卫星的长期任务智能规划处 理方法，以解决观测提案数量大，手动难以处理，现有规划方法不能适用HXMT卫星观测需 求和工作模式等问题。
[0012] 为了实现上述目的，本发明提供了一种HXMT卫星任务规划处理方法，所述方法包 括：
[0013] 步骤1，对HXMT卫星观测任务进行预处理；
[0014] 步骤2,对所述HXMT卫星典型观测任务类型的约束条件抽象建模；
[0015] 步骤3,对所述HXMT卫星基于实现质量和完成质量的多目标多约束任务规划建 模；
[0016] 步骤4，混合贪婪随机与遗传算法的多目标任务规划处理。
[0017] 进一步的，所述步骤2具体包括：在HXMT卫星观测任务预处理基础上，从HXMT卫 星观测任务需求出发，对四类典型的观测任务按照任务类型约束要求进行抽象建模，所述 四类典型观测任务包括一般性观测任务、固定时间观测任务、相位依赖观测任务以及监测 观测任务；
[0018] 进一步的，对四类典型的观测任务按照任务类型约束要求进行抽象建模具体包 括：
[0019] 给出基本变量定义，设观测任务集为0,对每一个O E 〇, TY(O)表示观测任务的 类型，为其中GE为一般观测任务，FT为固定观测时间任务，PE为相位依赖观测任务；MO 为监测观测任务；DesD(O)表示观测任务要求的观测时间，Neo(O)表示观测任务要求观测 的次数；MinD(O)表示要求有效观测持续的最短时长，MaxD(O)表示要求有效观测持续的 最长时长;AW为观测活动窗口集，表示安排的可能执行观测窗口集合；对于每个活动窗口aw G AW(O)，0 (aw)表示相关联的观测任务；W(aw)表示观测活动窗口所在的机会窗口，其中 W(aw) G W(0(aw)) ;D(aw)表示观测活动窗口的持续时间，S(aw)和E(aw)表示观测活动窗 口的开始和结束时间，其中S (aw) <E (aw)。Faw(o)表示观测任务〇的第一个观测活动窗口； Law(o)表示观测任务〇的最后一个观测活动窗口；next (aw)表示在aw的下一个观测活动 窗口，如果 aw = Law(〇)，则next (aw) =0"
【权利要求】
1. 一种硬X射线调制望远镜HXMT卫星任务规划处理方法，其特征在于，所述方法包 括： 步骤1，对HXMT卫星观测任务进行预处理； 步骤2,对所述HXMT卫星典型观测任务类型的约束条件抽象建模； 步骤3,对所述HXMT卫星基于实现质量和完成质量的多目标多约束任务规划建模； 步骤4,混合贪婪随机与遗传算法的多目标任务规划处理。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：在HXMT卫星观测 任务预处理基础上，从HXMT卫星观测任务需求出发，对四类典型的观测任务按照任务类型 约束要求进行抽象建模，所述四类典型观测任务包括一般性观测任务、固定时间观测任务、 相位依赖观测任务以及监测观测任务。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对四类典型的观测任务按照任务类型约 束要求进行抽象建模具体包括： 给出基本变量定义，设观测任务集为〇,对每一个〇 e 〇, TY(O)表示观测任务的类 型，为其中GE为一般观测任务，FT为固定观测时间任务，PE为相位依赖观测任务;MO为 监测观测任务；DesD(O)表示观测任务要求的观测时间，Neo(O)表示观测任务要求观测 的次数；MinD(O)表示要求有效观测持续的最短时长，MaxD(O)表示要求有效观测持续的 最长时长;AW为观测活动窗口集，表示安排的可能执行观测窗口集合；对于每个活动窗口aw G AW(O)，0 (aw)表示相关联的观测任务；W(aw)表示观测活动窗口所在的机会窗口，其中 W(aw) G W(0(aw)) ;D(aw)表示观测活动窗口的持续时间，S(aw)和E(aw)表示观测活动窗 口的开始和结束时间，其中S (aw) <E (aw)。Faw(o)表示观测任务〇的第一个观测活动窗口； Law(o)表示观测任务〇的最后一个观测活动窗口；next (aw)表示在aw的下一个观测活动 窗口，如果 aw = Law(o)，则 next (aw) =0。 设T (x)为0、1判断函数，记：
对于一般性观测任务，则需要满足最基本固定观测次数Neo (〇)与最短有效观测时间 MinD (〇)，则有：
对于固定观测时间任务，则需要按照预先制定的固定的起止时间点和时长开展任务 规划，设JW为固定观测时间窗口集，jw为每个固定观测时间窗口且jw G JW(o)，B (jw)和 E(jw)分别表示固定观测时间窗口的开始和结束时间，则有：
对于相位依赖观测任务，设P为观测周期，N为整数倍数，Pamax和Pamin分别为最大最小 相位。此类观测任务以P的N的整数倍为观测间隔，可以容忍的最大最小偏离分别为Pamax和Pamin ;则有如下模型描述：
对于监测观测任务，需要同一观测任务相邻两次连续的观测时间间隔必须满足最大间 隔与最小间隔Imin，则有如下模型描述：
通过对以上四种观测任务类型的抽象建模，进一步结合不同观测任务观测切换时间约 束，可见性约束等观测任务约束要求，为下一步的多目标规划模型建立提供约束模型支持。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：建立了多目标HXMT 卫星任务规划模型：
式7中，O是观测任务集，〇 e O表示任务观测集O中的一个观测任务，Q (O)表示规划的 目标函数集，P (〇)表示观测任务〇的优先级权重，qc (〇)表示观测任务〇的完成质量，qr (〇) 表示观测任务〇实现质量； 完成质量qc(0)代表了观测任务在任务规划中完成的百分比，可以通过实际有效观测 时长除以要求的有效观测总时长计算而得； 实现质量qr(o)的计算方式与观测任务类型有关：对于一般观测任务目标，实现度由 最晚的观测活动窗口与最早的观测活动窗口时间差决定；对于固定观测时间任务，实现度 由安排执行窗口起止时间与对应要求观测起止时间的差决定；对于相位依赖观测任务，实 现度由观测活动窗口偏离实际周期的相位差决定；对于监测观测任务目标，实现度由连续 观测时间间隔平均值与要求的最大间隔与最小间隔时间平均值所决定； 式7中，任务优先级权重作为一个重要参数引入模型描述，用以反映不同观测任务的 优先级对于规划目标的影响，从而将完成质量、实现质量与任务优先级等优化目标统一纳 入到规划模型中。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：基于观测窗口序 列构造染色体编码处理，基于贪婪随机法构建初始种群处理，基于遗传算子的规划解算处 理。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于观测窗口序列构造染色体编码 处理具体包括：根据规划模型的约束条件，在观测任务的观测机会窗口基础上，生成其观测 活动窗口，以观测任务的观测窗口序列W作为染色体的基因来编码，根据科学观测提案来 确定观测任务的个数，即染色体中基因的个数。
7. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于贪婪随机法构建初始种群处理 具体包括：通常采用全随机策略，在观测任务观测机会窗口内全随机确定初始窗口序号及 其观测起止时间，包括了基因序列观测窗口序号确定和观测起止时间确定。
8. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于遗传算子的规划解算处理具体 包括：对构建好的初始种群，利用包括交叉、变异、选择以及约束调整算子的进化算法，将模 型优化目标带入算法中计算适应值，并在迭代过程中采用约束调整算子去除操作冲突。
【文档编号】G06F19/00GK104331627SQ201410643757
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月11日 优先权日:2014年11月11日
【发明者】李立钢, 倪伟, 刘雯, 吴海燕 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心