任务驱动的多星协同任务分配方法及系统与流程

本发明属于航空航天导航卫星任务规划
技术领域：
，尤其涉及一种任务驱动的多星协同任务分配方法及系统。
背景技术：
：随着自主卫星系统技术的发展，卫星自主管理、在线决策、星间协同需求越来越高，卫星的使用灵活性越来越大，单纯依靠地面管理已无法充分发挥新型自主卫星效能，难以实现高时效性任务的快速响应。而自主卫星规划模式根据实时状态信息和对地观测结果，实现星上任务自主引导、在线决策和自主协同，形成观测与规划的在线闭环，以实现对突发事件的快速响应和对星上资源的高效利用。因此，如何实现动态环境下多自主卫星的自主协同与任务规划成为亟待解决的问题。在卫星星座的在线调度问题中，有两种类型的任务，常规观测任务和应急任务。地面控制中心接收用户的观测请求并对其进行安排，然后通过星地链路上传已生成的观测计划。常规观测任务通常指预先收集的观测请求；应急任务通常指从星座内外的卫星上随机到达的观测请求，由于这种不可预见的应急任务需要在无地面干预的情况下进行在线调度，因此需要考虑怎样对这种任务驱动的资源调度模式进行调度分配。目前在研究多星协同调度问题时，鲜少考虑到自主卫星的情况，主要导致了多星协同调度机制在可靠性和应急响应能力两方面的不足。首先，在多自主卫星系统中，由于自主卫星大部分时间脱离了地面管控，一旦卫星发生故障时，星上协同调度算法难以做出有效响应而导致卫星系统失效导致系统的可靠性降低。其次，考虑到自主卫星的发展，应急任务趋向于来源的多样化和到达时间的随机性，传统静态的协同算法难以适应动态到达的突发事件，导致多卫星系统应急响应能力不高。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是在多自主卫星系统中，在动态应急任务到达时，怎样能自主、可靠地进行卫星协同调度，提出了一种任务驱动的多星协同任务分配方法及系统。为解决该问题，本发明所采用的技术方案是一种任务驱动的多星协同任务分配方法，包括以下步骤：步骤1：多星自主协同卫星系统中的任一卫星接收到的动态应急任务加入到位于主星的待分配任务集合中；步骤2：多星自主协同卫星系统中的主星从待分配任务集合中提取出动态应急任务信息，并将该应急任务信息分发给多星自主协同卫星系统中的各从星，各从星根据应急任务信息计算假定执行该应急任务的结果信息反馈给所述主星；步骤3：在应急任务驱动下，所述主星对主星及其他从星的假定执行应急任务的结果信息输入到卫星评价方法中进行评价，将应急任务加入到评价结果最佳的卫星观测任务序列中等待执行，并从待分配任务集合中删除该应急任务，所述评价结果最佳的卫星包括主星和从星。进一步地，所述分配方法还包括：步骤4：当评价结果显示多星自主协同卫星系统中的所有卫星都不能执行该动态应急任务时，将该应急任务重新加入到待分配任务集合中，等待下一任务分配周期到达时返回步骤2再次进行分配，直到任务分配成功或任务失效。进一步地，步骤2中所述主星根据地面管控部门指令进行调换，或在主星检测到自身功能受损时，自主交接主星权限给其他从星。进一步地，步骤3中所述评价方法是指多属性决策方法，所述多属性指：待分配任务的规划开始时间，插入待分配任务后收益变化量，卫星负载，卫星剩余电量。进一步地，所述步骤1中，多星自主协同卫星系统中的任一卫星接收到动态应急任务后，判断自己是否能完成该任务，若能完成，将该动态应急任务加入到自己的任务队列中并进行规划，若不能完成，则将接收到的动态应急任务发送给主星，加入到位于主星的待分配任务集合中。进一步地，所述多属性决策方法topsis方法具体为：步骤3.1：采集主星及各从星所提供的卫星自身属性信息；步骤3.2：确定各属性信息的正理想方案p+和负理想方案p-；步骤3.2.1：定义卫星各属性信息的正理想值负理想值可以定义为：其中，aij表示第j个卫星的第i个属性信息，i＝1,2...n，n表示属性信息的总数，m表示多星自主协同系统中卫星的总数，其中第j个卫星的所有属性信息表示为{a1j,a2j,...aij,...,anj}，表示第i个属性信息的正理想值，表示第i个属性信息的负理想值；步骤3.2.2：则正理想方案、负理想方案定义如下：步骤3.3：对各属性信息的不同方案属性值进行归一化处理；rik表示第k个卫星的第i个属性信息归一化后的值，1≤k≤m，||·||代表欧式距离。步骤3.4：计算第j个卫星的所有属性信息与理想方案的贴近度uj；其中，为各个属性在评价中所占比重；步骤3.5：对贴近度uj进行降序排序，将应急任务分配给贴近度最大的卫星j。进一步地，步骤3中所述评价结果最佳是指贴近度最大。此外，本发明还提供了一种基于任务驱动的多星自主协同任务分配系统，包括：应急任务接收模块，用于多星自主协同卫星系统中的任一卫星将接收到的动态应急任务加入到位于主星的待分配任务集合中；任务信息触发及发送模块，用于多星自主协同卫星系统中的主星从应急任务接收模块所接收的待分配任务集合中提取出应急任务信息，并将该应急任务信息分发给多星自主协同卫星系统中的各从星，触发各从星进行应急任务响应；任务信息反馈模块，用于多星自主协同卫星系统中各从星根据任务信息触发及发送模块所发送的应急任务信息，计算假定执行该应急任务的结果信息并反馈给所述主星；任务评价模块，用于主星对主星及其他从星根据任务信息反馈模块所反馈的假定执行应急任务的结果信息进行评价；任务分配模块，用于将应急任务加入到根据任务评价模块所评价出的最佳执行卫星的观测任务序列中等待执行，并从待分配任务集合中删除该应急任务，所述评价结果最佳的卫星包括主星和从星。进一步地，还包括：任务再分配模块，用于当评价模块评价出的结果显示多星自主协同卫星系统中的所有卫星都不能执行该应急任务时，将该应急任务重新加入到待分配任务集合中，等待下一任务分配周期到达时重新调度任务信息触发及发送模块、任务信息反馈模块、任务评价模块以及任务分配模块，对处于待分配任务集合中的应急任务再次进行分配，直到任务分配成功或任务失效。进一步地，所述任务信息触发及发送模块包括主星权限交接模块，用于在主星自身功能受损时，自主交接主星权限给其他从星。进一步地，所述任务接收模块在多星自主协同卫星系统中的任一卫星接收到动态应急任务后，判断自己是否能完成该任务，若能完成，将该动态应急任务加入到自己的任务队列中并进行规划，若不能完成，则将接收到的动态应急任务发送给主星，加入到待分配任务集合中。与现有技术相比，本发明所取得的有益效果是：本发明任务驱动的多星协同任务分配方法及系统，通过多自主协同卫星系统中的主星发布应急任务的信息，并接收多自主协同卫星系统中的从星所反馈的卫星属性信息，主星对主星及从星的属性信息使用评价方法进行评价，确定出最佳的卫星来执行应急任务。本发明的主星可以根据自身功能状态检测情况自适应地将主星权限交接给其他卫星，确保了在某一主星发生故障的情况下，任务的顺利执行，实现系统的可靠性；同时本发明的主星在评价结果是最佳的情况下，将应急任务加入到主星的观测任务序列中来执行，不再开启下一轮的任务分配与协商，大大降低了通信次数，减少了通信时间，提高了任务执行的效率。实验证明任务驱动的多星自主系统任务分配方法能将15小时内的任务总收益提升至传统合同网的117.8％，同时将应急任务响应率提升大约50％，并将星间通信量减少至传统合同网的85％。附图说明图1为本发明系统结构图；图2为本发明系统流程图；图3为卫星星座部署图；图4为有限状态机流程图；图5为理想情况下两种分配机制的通信量，(a)为传统合同网，(b)为本发明任务驱动的任务分配机制的通信量。图6为故障情况下两种合同机制的总收益变化，(a)100个应急；(b)150个应急任务；(c)200个应急任务；(d)250个应急任务。具体实施方式图3给出了一个中轨sar多智能卫星系统的星座部署图，根据卫星系统总体设计方案，该系统共有5颗同构中轨sar卫星，在赤道面上等距离分布，星间链路实时联通，且全天24小时始终存在一颗卫星与近内的地面站联通。由于卫星轨道高度较高且星间实现实时通信，因此五颗卫星基本可以做到对所有经度实时可见，为实时规划和分配应急任务奠定了硬件基础。此外，本实验算例依据卫星的真实数据，设置卫星开机工作时间小于5分钟每小时，并设计了随时间随机到达的待分配应急任务，现将实验算例中的任务参数明确如下表：表1实验参数取值表参数参数取值时间长度15h任务经度uniform(5,42)任务纬度uniform(-180,180)任务总数量uniform(1850,2750)任务成像时长uniform(10s,25s)任务优先级uniform(0,10)任务电量消耗uniform(10unit,25unit)应急任务收益uniform(10,15)应急任务总数量uniform(100,250)任务到达频率uniform(0,500s)下面给出本发明任务驱动的多星协同任务分配方法的一种具体实施例，如图1的系统结构图和图2的流程图所示，包括步骤1：多星自主协同卫星系统中的任一卫星将接收到的动态应急任务加入到位于主星的待分配任务集合中；步骤2：多星自主协同卫星系统中的主星从待分配任务集合中提取出动态应急任务信息，并将该应急任务信息分发给多星自主协同卫星系统中的各从星，各从星根据应急任务信息计算假定执行该应急任务的结果信息反馈给所述主星；步骤3：在应急任务驱动下，所述主星对主星及其他从星的假定执行应急任务的结果信息输入到卫星评价方法中进行评价，将应急任务加入到评价结果最佳的卫星观测任务序列中等待执行，并从待分配任务集合中删除该应急任务，所述评价结果最佳的卫星包括主星和从星。本实施例通过将多星自主协同卫星系统中任一颗与近内的地面站联通的卫星所接收的应急任务后，通过星间链路传递给主星，加入到主星的待分配任务集中，由主星进行统一协调分配，主星将应急任务的属性信息分发给其他从星，各从星根据应急任务信息计算，假定能够执行该应急任务时的结果信息反馈给主星后，主星对所收集到的主星及从星的假定执行应急任务结果信息通过评价方法进行评价，并将应急任务安排给评价结果最佳的卫星来执行。当评价结果最佳的卫星为主星时，主星将不再与其他从星进行信息交互，节省了通信的次数与时间，提升了执行效率。本实施例中，当将应急任务分配到评价结果最佳的卫星中后，该最佳卫星将采用传统的单星在线调度方法执行该应急任务。当然，系统中的每一颗卫星还执行常规的观测任务。为了进一步节省通信次数与通信时间，提升任务执行效率，多星自主协同卫星系统中的任一卫星接收到动态应急任务后，首先判断自己是否能完成该任务，如果能完成则将应急任务加入到自己的观测任务序列中进行规划，更新自己当前的任务状态，同时通过星间链路告知主星；如果不能完成该应急任务，则将该应急任务发送给主星，加入到位于主星的待分配任务集合中，由主星统一协调该任务。本实施例中，还可以包括步骤4：当评价结果显示多星自主协同卫星系统中的所有卫星都不能执行该动态应急任务时，将该应急任务重新加入到待分配任务集合中，等待下一任务分配周期到达时返回步骤2再次进行分配，直到任务分配成功或任务失效。都不能执行应急任务是指将应急任务的属性信息包括任务经纬度和任务开始结束时间输入到各个卫星中，利用卫星自带的计算模块可以分析计算出该应急任务在这段时间内是否有可用的时间窗，如果每个卫星都没有可用的时间窗，则认为都不能执行该应急任务。下一任务分配周期是因为任务的分配频率按周期进行，在本分配周期中所有卫星都不能执行任务的情况下，则等到下一个分配周期再进行任务分配。本实施例中，主星根据地面管控部门指令进行调换，或在主星自身检测功能受损时，自主交接主星权限给其他从星。由于传统的合同网中，必须有一个主星作为固定的招标方，负责任务的发布，评选最佳标书和监督任务的完成情况，保证整个协议的运行流程。然而这种主从式架构对于主星的星上计算能力要求高，在不确定环境中鲁棒性低，不适用于多智能卫星自主运行的情况。当选定的主星发生故障时，极有可能造成整个卫星系统的通信与协商模块无法使用，可靠性较低。本实施例中，主星一方面由卫星管理部门根据任务需要或者卫星数据站的位置，实现主星的调换和任命，以提高鲁棒性，适应不确定性环境；另一方面，当主星在自身功能检测过程中发现功能遭受损害时，卫星将会自主交接主星权限给其他从星，最大程度的减小损失，本实施例中，主星将主星权限交接给与其相邻的下一个卫星。在基于任务驱动的多星自主系统任务分配方法中，每个卫星既可以分发应急任务属性信息，也可以接收各卫星假定执行应急任务的结果信息。由于卫星需要具有分发任务及接收计算结果信息两个模块的功能，其每个卫星伪代码都相同。任务分发方和接收方共享一个基于状态有限机的规划调度行为(fmsbehavior)，而任务分发方独立拥有两个接收信息的循环行为(cyclicbehavior)。在本发明的任务分配方法是包括所有任务调度和任务规划过程的fms复杂组合行为，其流程较为复杂，具有18个子行为。如图4所示，fmsbehavior采用有限状态机对子行为进行调度，fmsbehavior中的子行为对应于有限状态机的状态，现重点对和任务分配流程有关的12个子行为进行分析和介绍。isemergency:判断是否达到应急任务的来临时间，若是，则转到ismothersatellite行为；否则转到addactiontl行为；ismothersatellite:各个agent判断自身是否被选择为主星。若是，则转到sendcfp行为，否则转到iscnpover行为等待主星同步；sendcfp:主星分发任务信息，将其打包为七元组<idj,longitudej,latitudej,pj,mj,ej,arrivetimej,letj>并封装为cfp格式，发布给其他卫星，转到行为receivecfpreply行为；idj表示第j个应急任务，longitudej，latitudej分别表示第j个应急任务的经纬度，arrivetimej表示第j个应急任务的到达时间，pj是第j个应急任务的成像时长，mj是第j个应急任务完成后所消耗的单位电量；ej是第j个应急任务完成后所得的收益；letj是第j个应急任务失效时间。receivecfpreply:主星接收各从星的反馈信息，并判断是否接收完所有从星的回复，若是则转入行为ismsbest行为，否则返回行为receivecfpreply行为，起到循环接受消息的效果；ismsbest:主星接受到各从星返回的信息之后，判断自身是否可以执行该任务，并使用评价方法对自身以及接收到的各从星的信息进行比较，如果主星自己执行的评价最好，则将任务加入自身的任务列表，转到行为iscnpover行为，否则转到行为isallfailure行为；isallfailure:判断该轮任务是否在所有卫星中都无法执行，若是，将分配失败的任务重新加入待分配任务集合中，等待下一次分配，直到任务失效或任务分配成功，转入iscnpover行为；否则转入informbestagent行为；informbestagent:主星通过预先设计的评价方法，评出执行该任务的最佳卫星，将应急任务分配给该星并发消息通知该卫星，转到iscnpover行为；本实施例中的评价方法是多属性决策方法topsis。iscnpover:判断应急任务分配协议流程是否完成，分配协议流程完成后，需要将分配结果反馈给各从星，若是则转入isreceivetask行为，否则返回iscnpover行为直至所有卫星agent进入该行为，起到同步的作用；isreceivetask:判断自身在任务分配流程后有没有接收到新的任务，若有则进入重规划行为，转入rescheduled行为，若没有则转入isanothertask行为，等待重规划卫星时间同步；rescheduled:对新加入的应急任务按之前的规划方案进行重调度，转入isanothertask行为；isanothertask:判断这一个应急任务是否完成规划，若是，则转入addactiontl行为，否则返回isanothertask行为直至所有agent进入该行为，起到同步的作用；addactiontl:将已规划的任务序列加入卫星agent执行序列；该fms部分行为的有限状态机的流程图如图4所示。从图4中可以看出，当主星判定自身就是执行该任务的最佳卫星时，它将不会开启后面的协商与交互过程，这样能降低卫星之间的通信次数，提高卫星任务分配效率。本实施例中，步骤3中所述评价方法是指多属性决策方法，多属性指：待分配任务的规划开始时间，插入待分配任务后收益变化量，卫星负载，卫星剩余电量。多属性决策方法topsis方法具体为：步骤3.1：采集主星及各从星所提供的卫星自身属性信息；步骤3.2：确定各属性信息的正理想方案p+和负理想方案p-；步骤3.2.1：定义卫星各属性信息的正理想值负理想值可以定义为：其中，aij表示第j个卫星的第i个属性信息，i＝1,2...n，n表示属性信息的总数，m表示多星自主协同系统中卫星的总数，其中第j个卫星的所有属性信息表示为{a1j,a2j,...aij,...,anj}，表示第i个属性信息的正理想值，表示第i个属性信息的负理想值；步骤3.2.2：则正理想方案、负理想方案定义如下：步骤3.3：对各属性信息的不同方案属性值进行归一化处理；rik表示第k个卫星的第i个属性信息归一化后的值，1≤k≤m，||·||代表欧式距离步骤3.4：计算第j个卫星的所有属性信息与理想方案的贴近度uj；其中，为各个属性在评价中所占比重，可由用户事先制定。当第j个方案越是接近理想方案，其贴近度就越大，说明该方案越优。步骤3.5：对贴近度uj进行降序排序，将应急任务分配给贴近度最大的卫星j；本实施例中步骤3中所述评价结果最佳是指贴近度最大。本实施例中，topsis方法通过检测评价对象与最优解、最劣解的距离来进行排序，若评价对象最靠近最优解同时又最远离最劣解，则为最好；否则不为最优。其中最优解的各指标值都达到各评价指标的最优值。最劣解的各指标值都达到各评价指标的最差值。在topsis方法中，常见的属性信息类型有效益型、成本型、固定型、偏离型以及偏离区间型等。本实施例中只考虑了效益型属性和成本型属性。下面通过实验进行验证本发明的通信量和可靠性。一、通信量对比试验传统合同网协议的分配机制具有给定的流程和步骤，因此在一次合同网任务分配过程中，卫星所需要的通信量通常是恒定的。假设总共有n个待分配任务，有ns(ns＞1)个卫星agent，则总共需要n·(3ns-2)次通信。基于任务驱动的多星自主系统分配方法在流程上具有一定的灵活性，具体表现在主星会依据自身能否执行待分配任务的情况来确定是否展开下一步的通信。因此，本发明任务驱动的任务分配方法其通信量只能求得其平均值，即大约需要次通信。图5(a)、图5(b)是传统合同网、本发明任务驱动的任务分配方法在不同任务规模和卫星系统规模下的理论上的通信量对比。从图5中可以得知，当任务规模和卫星系统规模较小时，两种协同机制的通信量相差较小。然而随着待分配任务数量的增加，协同方式的通信量差距开始拉大。同样情况下，任务驱动的多星自主协同任务分配方法比起传统合同网减小了大量通信次数，大约是传统合同网15％的通信量。表2通过仿真算例统计出了5颗卫星在不同应急任务规模下，两种分配方法所需要的通信量，通信量是指星间通信次数。从表2中的数据可以看出，本发明的通信量依然比传统合同网的通信量小，但是稍稍大于理想情况下的通信量，这是由于基于任务驱动的任务分配方法引入了可解约可重分配原则，对于分配失败的应急任务会进行再分配，导致通信量增加。理想情况是指所有的应急任务全部得到分配，不存在分配失败的情况下所需要的通信量。表2传统合同网和本发明的通信量对比应急任务数量本发明的分配方法传统合同网5061665010012321300150184219502002460260025030783250二、可靠性对比试验本发明的可靠性对比是指在卫星观测过程中任务协同分配机制应对不确定性变化的能力。一般而言，不确定性变化可以统一为两类信息的变化：一类带有时间的惩罚信息，如卫星传感器失效或卫星通信设备故障；另一类是动态到达的应急任务和他星状态信息，而其他未考虑到的动态信息，也可以采取本发明的思路，归类为两类信息的变化。在仿真实验中，在应急任务动态随机到达的前提下，卫星系统随机损坏某一颗卫星的某一些时段，在这种情况下对比两种任务协同分配机制的表现情况。在仿真算例中，本实施例仿真时长为15个小时，每个卫星有350个常规任务，测试两种分配协同机制分别在不同的待分配应急任务规模下的总收益差别。如图6所示，图6(a)至图6(d)分别代表应急数量为随时间随机到达的应急任务数量分别为100、150、200和250时的任务收益随时间变化的图像。从图6中可以看出，随着时间的推移，当卫星故障发生时(500min)，本发明的收益会逐渐大于传统合同网的收益，并且这个差距会随着任务规模的增大而变大。表3代表在不同的应急任务规模下，本发明的分配方法和传统合同网分别在发生故障和没有发生故障的情况下的总收益。从表中可以看出，卫星在没有故障的情况比故障情况下具有更高的收益，而本发明的分配方法比传统合同网具有更高的收益，并且两者的收益差距都随着任务规模增大。表3故障情况下两种分配方法的总收益另一方面看，表4反映了在不同应急任务规模下，两种协同机制分别在卫星发生损坏和未发生损坏时的应急任务规划成功率。从表中可以看出，传统合同网为协商机制的卫星系统即使在卫星没有故障的前提下，依然有一定量的应急任务损失，并且当卫星故障后，其损失量会加大，反映了其较低的系统可靠性，而以本方法吗的分配方法作为协同机制的卫星系统，在有损和无损情况下都能保持很高的应急任务响应率，具有更高的鲁棒性。表4故障情况下两种分配方法的应急任务响应率此外，本发明还提供了一种任务驱动的多星自主协同任务分配系统，包括：应急任务接收模块，用于多星自主协同卫星系统将接收到的应急任务加入到待分配任务集合中；一般是多星自主协同卫星系统中近内的一颗卫星将接收到的应急任务信息反馈给主星，并加入到主星的待分配任务集合中。此外，为了进一步节省通信次数，提高任务执行效率，所述任务接收模块在多星自主协同卫星系统中的任一卫星接收到动态应急任务后，判断自己是否能完成该任务，若能完成，将该动态应急任务加入到自己的任务队列中并进行规划，若不能完成，则将接收到的动态应急任务发送给主星，加入到待分配任务集合中。任务信息触发及发送模块，用于多星自主协同卫星系统中的主星从应急任务接收模块所接收的待分配任务集合中提取出应急任务信息，并将该应急任务信息分发给多星自主协同卫星系统中的各从星，触发各从星进行应急任务响应；所述任务信息触发及发送模块包括主星权限交接模块，用于在主星检测到自身功能受损时，自主交接主星权限给其他从星。任务信息反馈模块，用于多星自主协同卫星系统中各从星根据任务信息触发及发送模块所发送的应急任务信息，计算假定执行该应急任务的结果信息并反馈给所述主星；任务评价模块，用于主星对主星及其他从星根据任务信息反馈模块所反馈的假定执行应急任务的结果信息进行评价；评价方法是多属性决策方法topsis方法。任务分配模块，用于将应急任务加入到根据任务评价模块所评价出的最佳执行卫星的观测任务序列中等待执行，并从待分配任务集合中删除该应急任务，所述评价结果最佳的卫星包括主星和从星。任务再分配模块，用于当任务评价模块评价出的结果显示多星自主协同卫星系统中的所有卫星都不能执行该应急任务时，将该应急任务重新加入到待分配任务集合中，等待下一任务分配周期到达时重新调度任务信息触发及发送模块、任务信息反馈模块、任务评价模块以及任务分配模块，对处于待分配任务集合中的应急任务再次进行分配，直到任务分配成功或任务失效。以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3