一种基于可配置通用约束处理规则的卫星任务规划方法与流程

本发明涉及航天地面任务管控领域，尤其是涉及一种卫星任务规划方法。

背景技术：

卫星任务规划针对各个卫星用户单位下达的卫星观测任务，在星地资源有限的条件下，综合考虑卫星及地面站资源的能力和不同用户的任务需求、不同规划目标的基础上，合理安排卫星任务，进行约束检验并消除任务间的冲突与资源使用冲突，确定各任务的具体执行次序、执行时间、执行方式，最大限度的满足用户需求，生成卫星对地观测和接收方案。

传统的卫星任务规划算法大都针对一个特定的卫星系统进行设计，无法满足不同卫星系统的拓展。随着航天发射任务的增加，设计一个新的任务规划系统需要耗费大量的时间和精力，对编程人员和操作人员都是不小的挑战。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于可配置通用约束处理规则的卫星任务规划方法，通过抽象多星通用的约束处理方法形成通用约束处理方法对卫星任务安排情况进行冲突消解，利用遗传算法针对卫星任务规划进行求解以快速形成无冲突和优化的观测与接收方案，最大化完成任务数量和充分利用星地资源。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于可配置通用约束处理规则的卫星任务规划方法，包括以下步骤：

步骤1、通过分析各卫星的工作模式与使用特点，提炼出通用的约束处理规则；所述通用的约束处理规则为多星通用的约束检验方法；

步骤2、利用遗传算法对任务规划问题解空间进行搜索，在搜索过程中依据通用的约束处理规则，并采用多准则加权和的评价方法快速得到卫星任务规划方案。

其中，所述约束检验方法包括成像时间约束的检验方法、动作时间间隔约束的检验方法、滑动圈约束的检验方法、数传时间约束的检验方法以及固存约束的检验方法。

其中，所述步骤2具体包括以下步骤：

(a)将每个卫星任务的编号抽取至卫星任务集合中；

(b)对卫星任务集合内的所有卫星任务采用随机算法生成表现型种群；所述表现型种群包含多个表现型个体；

(c)将表现型种群进行编码生成二进制型种群；所述二进制型种群包含多个二进制型个体；

(d)根据二进制型个体的染色体排列的先后顺序和通用的约束处理规则，对每个表现型个体进行资源分配生成卫星任务规划方案；

(e)采用多准则加权和的评价方法计算卫星任务规划方案的适应度，将适应度最大的方案对应的表现型个体和二进制型个体作为最优表现型个体和最优二进制型个体进行保留；

(f)对二进制型种群进行遗传操作，生成新的二进制型种群；对新的二进制型种群中的每一个二进制型个体分别进行解码一一对应生成新的表现型个体；

(g)判定种群迭代次数是否已达用户配置的种群迭代进化最大代数，如果已达到，则将保留的最优表现型个体和最优二进制型个体对应的卫星任务规划方案进行输出；否则，对新的二进制型个体和新的表现型个体执行步骤(d)。

本发明相比现有技术具有以下有益效果：

本发明提供的基于可配置通用约束处理规则的卫星任务规划方法，一方面通过提炼多星通用的使用处理方法形成通用的约束处理方法，实现不同卫星冲突消解的快速适应和扩展，提升对不同卫星系统的可重用性；另一方面采取遗传算法优化卫星任务安排，寻找合理可行的最佳方案。随着航天发射任务的增加，设计一个新的任务规划系统仅需修改通用约束模型，而无需耗费大量的时间和精力，解放了编程人员的脑力，大大提高了系统研制工作效率。

附图说明

图1是本发明获取卫星任务规划方案的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图1，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种基于可配置通用约束处理规则的卫星任务规划方法，包括如下步骤：

步骤1、通过分析各卫星的工作模式与使用特点，提炼出通用的约束处理规则；所述通用的约束处理规则为多星通用的约束检验方法；

通用的约束处理规则的制定，具体包括：

(a)对成像时间约束进行检验：

成像时间约束的检验方法的配置内容包括：开机与首次成像间隔时间、关机与末次成像间隔时间、一次成像最长和最短时间、单次开机最长成像时间和最短成像时间以及单次开机最大成像次数和最小成像次数。

(b)对动作时间间隔约束进行检验：

动作时间间隔的检验方法，包括如下步骤：

(1)将待检验卫星任务按时间先后排序；

(2)根据待检验卫星任务与前一卫星任务的内容查找相应时间间隔；

(3)验证时间间隔是否满足动作时间间隔约束，若是，根据待检验任务与后一卫星任务的内容查找相应时间间隔，转步骤(4)；否则，待检验卫星任务违反约束处理规则；

(4)验证时间间隔是否满足动作时间间隔约束，若是，待检验卫星任务满足约束处理规则；否则，待检验卫星任务违反约束处理规则。

(c)对滑动圈约束进行检验：

滑动圈约束的检验方法的配置内容包括：滑动圈时长、单圈累计成像最长时间、单圈最大成像次数、单圈最大侧摆时间、单圈最大侧摆次数、单圈累计数传最长时间、单圈累计最长开机时间和单圈最大开机次数。

对滑动圈约束的检验方法，包括如下步骤：

(1)将待检验卫星任务按时间先后排序；

(2)选取待检验卫星任务前后各一个滑动圈的卫星任务，从第一个任务开始依次检验一个滑动圈的所有约束；

(3)验证是否满足滑动圈约束，若是，待检验卫星任务满足约束处理规则；否则，待检验卫星任务违反约束处理规则。

(d)对数传时间约束进行检验：

所述数传时间约束的检验方法的配置内容包括：数传时间计算方式、数传数据量计算方式、单次数传最长时间和单次数传最短时间。

对数传时间约束的检验方法，包括如下步骤：

(1)根据待检验卫星任务的观测时间和数传模式查找对应的数传时间计算方法；

(2)根据数传时间计算方法计算卫星任务数传所需的时间；

(3)判断地面站接收时段是否包含卫星任务数传所需的时间，若是，待检验卫星任务满足约束处理规则；否则，待检验卫星任务违反约束处理规则。

(e)对固存约束进行检验：

固存约束的检验方法的配置内容包括：固存文件数和固存容量。

对固存约束的检验方法，包括如下步骤：

(1)查找待检验卫星任务之后的所有卫星任务，并按时间先后排序；

(2)从待检验卫星任务开始，判断该卫星任务为观测任务还是接收任务，若为观测任务，判断是否能够顺序记录，若能，执行步骤(3)；否则转步骤(4)；若为接收任务，根据所接收数据对应观测任务标记固存状态，执行步骤(3)；

(3)判断卫星任务是否完成遍历，如果是，待检验卫星任务满足约束处理规则；否则，将下一卫星任务作为待检验卫星任务，执行步骤(2)；

(4)判断是否能够随机记录，若能，执行步骤(3)；否则，待检验卫星任务违反约束处理规则。

步骤2、利用遗传算法对任务规划问题解空间进行搜索，在搜索过程中依据通用的约束处理规则，并采用多准则加权和的评价方法快速得到卫星任务规划方案。具体包括如下步骤：

(a)将每个任务的作业任务编号taskNum抽取至一列表TASKNUMLIST中，其中TASKNUMLIST＝{taskNum_i|i∈[0，l-1]，l＞1}；

(b)对任务集合内的所有卫星任务采用随机算法生成表现型种群；所述表现型种群包含多个表现型个体；

(c)将表现型种群进行编码生成二进制型种群；所述二进制型种群包含多个二进制型个体；

每个任务只有“执行”和“不执行”两种状态，0表示不执行，1表示执行。每个个体(二进制串)表示一个可实施的方案，如010111，表示只执行第二、四、五、六个任务；

(d)根据二进制型个体的染色体排列的先后顺序和通用的约束处理规则，对每个表现型个体进行资源分配生成卫星任务规划方案；

(e)采用多准则加权和的评价方法计算卫星任务规划方案的适应度，将适应度最大的方案对应的表现型个体和二进制型个体作为最优表现型个体和最优二进制型个体进行保留；

所述的多准则加权和的评价方法包括以下评价值：目标数目评价值f₁、目标重要性评价值f₂、侦察效果评价值f₃和附加影响评价值f₄；卫星任务规划方案的适应度fitness，计算方式为：

其中，X₁、X₂、X₃、X₄分别为目标数目评价值的权值、目标重要性评价值的权值、侦察效果评价值的权值和附加影响评价值的权值。

(f)对二进制型种群进行遗传操作，生成新的二进制型种群；对新的二进制型种群中的每一个二进制型个体分别进行解码一一对应生成新的表现型个体；

所述对二进制型种群进行遗传操作，具体包括如下步骤：

(1)根据轮盘赌选择算子从父群体中获取两个待交叉的二进制型个体INDIVIDUAL_x和INDIVIDUAL_y；

(2)对INDIVIDUAL_x和INDIVIDUAL_y采用单点交叉方式进行交叉操作，在两个个体中随机选择一个交叉点，按照交叉概率p_c利用伯努利试验函数确定两个个体是否交叉操作；

在交叉的过程中采用均匀变异算子按照变异概率p_m进行变异操作。

(g)判定种群迭代次数是否已达用户配置的种群迭代进化最大代数，如果已达到，则将保留的最优表现型个体和最优二进制型个体对应的卫星任务规划方案进行输出；否则，将二进制型个体和表现型个体均对应更新为新的二进制型个体和新的表现型个体，执行步骤(d)。

本发明提供的基于可配置通用约束处理规则的卫星接收任务规划方法提炼多星共用的约束检验方法，利用遗传算法针对任务规划问题求解快速形成无冲突和优化的卫星任务观测和接收方案。整个过程只需基于通用卫星约束处理模型，针对具体卫星系统修改相关约束配置即可实现任务规划系统的适应和扩展，解放了编码人员的脑力，大大提高了工作效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。