卫星调度系统的制作方法
【专利说明】卫星调度系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请在35U.S.C§ 119(e)下，要求于2012年8月3日提交的名为"Overhead ImageAcquisitionSchedulingSystemUsingCrowd-SourcedData"的美国临时专利申 请No. 61/679, 581和于2012年8月10日提交的名为"SchedulingSystem"的美国临时专 利申请No. 61/682, 047的优先权的益处。W上申请中的每个都通过引用完全结合于此，W 便形成本说明书的一部分。
【背景技术】
[0003] 调度问题出现在很多应用中，诸如卫星调度、航空公司人员调度、车辆路由、旅行 推销员问题等。诸如该些的应用设及随着时间将资源分配给行为。通常，资源是缺乏的并 且W多种方式被约束，例如，资源的容量和/或活动的顺序。解决典型调度问题可能设及创 建满足约束并且根据一些准则是最佳的活动的进度表。实现进度表可W包括找到对解释多 种约束的调度问题的期望解决方案，将期望解决方案传送至合适人或系统，并且执行所传 送的进度表。
【发明内容】
[0004] 在此公开的系统、方法和设备具有创新方面，没有一个方面是不可缺少的或者单 独负责它们的期望属性。在不限制权利要求的范围的情况下，现在将总结一些有利特征。
[0005] 管理成像卫星的网络的一个目标在于，快速地响应图像获取请求。对图像的请求 可W快速地改变，并且接近实时地更新每个卫星上的事件的进度表，W减少或消除用于及 时获取映像（imagery)或者执行其他时间敏感任务的丢失机会将是有利的。
[0006] 另一个目标在于，有效地利用星座中的成像卫星的资源。平衡用于快速调度更新 和有效卫星使用的期望，调度系统可W有利地被配置成产生避免约束违反的事件的接近最 佳进度表，同时快速地产生该些进度表（例如，接近实时地）。
[0007] 另一个目标在于获取相关局空映像。相关局空映像可W是由客户请求的映像。相 关高空映像还可W是未明确请求但是许多人感兴趣的映像。从而，有利地，能够更新和调节 用于卫星的网络中的卫星的事件的进度表，W引入新相关图像获取任务。该些新相关图像 获取任务可W是与感兴趣事件相关的客户请求或预测需求的结果。
[000引从而，在此提供用于调度成像卫星的星座中的事件的系统和方法，其可W接近实 时地被更新，产生事件的接近最佳进度表，和/或其可W至少部分地基于群包数据的分析， 自动地生成与感兴趣事件相关联的图像获取任务。
[0009] 在一些实现中，系统和方法被提供用于快速地调度具有成对和累积约束的一个或 多个卫星。所提供的系统和方法可W利用有向非循环图，W增加或最大化利用函数。可W在约束违反时识别累积约束的违反，使得可W从进度表去除导致约束违反的事件。通过快 要约束违反时去除触发约束违反的事件，与在产生进度表之后检验约束违反的系统相比， 所提供的系统和方法可相对快和有效的方式，确定最佳或接近最佳进度表。
[0010] 在一些实现中，系统和方法被提供用于使用群包数据识别感兴趣事件及其关联位 置。与感兴趣事件相关联的优先级可W至少部分地基于群包数据的分析被确定。可W使用 感兴趣事件生成包括事件的位置和优先级的图像获取请求。使用机器对机器接口，图像获 取请求可W被直接发送至调度系统，W产生包括所请求的图像获取任务的事件的进度表。 基于群包数据产生图像获取任务可W接近实时地发生。在一些实施例中，在基于群包数据 生成图像获取事件时不使用干扰用户输入，并且基于来自群包系统的输入，自动地生成被 调度事件。W此方式，成像卫星的星座可WW自动方式和/或接近实时地及时生成相关高 空映像。
[0011] 虽然期望特定目标和优点，但是没有单个实施例必须包括每个和每一个该样的目 标和优点。可W设计多种实现，W实现一个、一些、或所有该样的目标和优点和/或其他目 标或优点。
【附图说明】
[0012] 贯穿附图，可W重新使用参考数字指示参考元件之间的一般对应关系。提供附图， W图示在此描述的示例实施例，并且不旨在限制本公开的范围。
[0013] 图1图示了近地轨道中的成像微卫星的示例性星座、控制系统、地面通信系统、W 及目标区域的表示。
[0014] 图2图示了被配置成控制一个或多个对象的控制系统的示例实施例的框图。
[0015] 图3图示了结合用户接口的控制系统的示例实施例的框图。
[0016] 图4图示了调度模块的示例实施例的框图。
[0017] 图5图示了用于使用图形找到接近最佳进度表的方法的实施例的流程图。
[001引图6图示了示出通过图形的可能路径和接近最佳路径的实例的示例图形。
[0019] 图7图示了用于找到用于经受复制约束的卫星的星座的事件的接近最佳进度表 的方法的实施例的流程图。
[0020] 图8图示了示出在避免事件的不期望复制的同时增加利用的通过图形的路径的 多个图形中的示例图形。
[0021] 图9图示了用于调度成像卫星的星座的示例系统的框图。
[0022] 图10图示了被配置成使用用于调度高空图像获取任务的群包数据的示例群包系 统的框图。
[0023] 图11图示了用于分析在调度高空图像获取任务时使用的群包数据的示例方法的 流程图。
[0024] 图12图示了用于使用群包数据的机器对机器任务的示例方法的流程图。
【具体实施方式】
[0025] 歷
[0026] 本公开针对用于通过互相依赖的约束调度多个事件并且更特别地，W相对快和有 效的方式产生进度表的系统和方法。在一些实现中，所公开的系统和方法可W被用于产生 用于卫星的星座的事件的进度表。在一些实现中，卫星的星座的调度可W至少部分地基于 从社交网络消息和/或实时新闻馈送访问、聚集和/或分析的数据。
[0027] 对于成像卫星的星座，可W被调度的事件包括图像获取任务、维护任务、通信任务 等。调度系统可W通过合并并且分析多个输入、参数和变量W及时地产生星座中的卫星的 有效和有价值使用，来生成事件的进度表。
[002引在一些实现中，系统和方法被提供用于调度具有成对和累积约束的一个或多个对 象。所呈现的系统和方法可W利用有向非循环图增加或最大化利用函数。可W在约束违反 时识别累积约束的违反，使得可W在确定进度表的同时，从进度表去除导致约束违反的事 件。通过在快要约束违反时去除触发约束违反的事件，与在确定进度表之后检验累积约束 的违反的系统和方法相比，所提供的系统和方法可相对快和有效的方式确定最佳或接 近最佳进度表。
[0029] 在此描述通过构造事件的接近最佳或最佳进度表，增加或最大化一个或多个可控 制对象的利用的系统和相关方法。在此进一步描述至少部分地基于群包数据的分析，自动 地生成用于调度系统的图像获取请求的系统和方法。将理解，虽然在此的很多说明都在调 度卫星的上下文中，但是本公开的一个或多个特征还可W在系统中实现，其中，W快速和有 效方式找到接近最佳进度表可W比找到最佳进度表或最大化最佳特定利用或成本函数的 进度表更加理想。例如，在此公开的系统和相关方法的一些实施例可W在卫星调度（例如， 成像卫星或通信卫星）、空中交通控制、紧急车辆路由和响应系统、现场维修调度等中使用。 而且，将理解，在找到对调度问题的最佳或接近最佳解决方案时，根据调度问题出现的上下 文，成本或利用函数可W在特定实现中被增加或最大化，或者在特定实现中被减小或最小 化。找到对调度问题的接近最佳解决方案可能意味着找到充分接近最佳解决方案的解决方 案，使得该解决方案和最佳解决方案之间的差异小于容限。
[0030] 社交联网、移动设备和基于位置的服务的集中产生关于跨越地球的活动的及时位 置识别信息的容量的爆炸。该可W在世界范围内的多个主要事件中被证明，诸如，地震、洪 水、海啸、暴乱、武装冲突、运动事件、集会等。至少部分地基于世界范围内的大部分人们容 易访问该样的网络，社交网络在跨越地球的事件中扮演重要角色。该已经在其参与者还是 诸如TW口ER?和FACEBOOK?的社交联网服务的用户并且其甚至可W使用该些服务来调整他 们的活动的诸如政治起义和革命的事件中看出。
[0031] 从而，提供卫星调度系统的实例，其使用群包数据生成用于成像卫星的网络的图 像获取事件。群包系统可W利用群包数据（例如，由社交网络服务的用户生成的消息），确 定感兴趣事件和该样的事件的地理位置。然后，可W使用事件数据，W创建或更新图像获取 任务和/或任务优先级，其被自动地提供给调度系统，W便于事件的地理位置的高空图像 的及时和敏感获取。
[0032] 术语
[0033] 除非另外明确指示，在此使用的术语将被理解为暗示它们的习惯和普通意义。例 如，成对约束是广泛术语，并且将被给出对于本领域普通技术人员来说的普通和习惯意义 (例如，其不限于特殊或专用意义），并且包括但不限于仅基于紧接在前事件的特性禁止事 件的约束。例如，如果在第一图像收集事件和第二图像收集事件之间不存在足够时间，W改 变成像卫星的指示方向来执行第二图像收集事件，则两个图像收集事件被成对约束。
[0034] 累积约束是广泛术语，并且其被给予对于本领域普通技术人员来说的普通和习惯 意义（例如，其不限于特殊或专用意义），并且包括但不限于基于在前事件的特性来禁止事 件的约束。例如，如果通过执行事件，至少部分地由于在前事件，获取图像的相机的温度超 过可接受温度限制，则图像收集事件可W被约束。
[0035] 在一些实现中，卫星的星座可W包括任何类型的卫星，包括但不限于卫星、袖珍型 卫星、微卫星、纳米卫星等。微卫星是广泛术语，并且其被给予对于本领域普通技术人员来 说的普通和习惯意义（例如，其不限于特殊或专用意义），并且包括但不限于质量小于或等 于约500kg和/或物理尺寸小于或等于约125cmX125cmX175cm的卫星、或者发射作为 运载火箭上的辅助负载的卫星。根据一些惯例，质量小于或等于500kg的卫星被分类为小 卫星，进一步划分基于它们的质量作出。例如，在一个分类系统中，当小卫星具有在约l(K)kg 和500kg之间的质量时，小卫星被认为是袖珍型卫星，当它们具有在约10kg和100kg之间 的质量时，被认为是微卫星，当它们具有在约1kg和10kg之间的质量时，被认为是纳米卫 星，当它们具有在约0. 1kg和1kg之间的质量时，被认为是微微卫星，并且当它们具有小于 或等于约lOOg的质量时，被认为是毫微微卫星。然而，在本公开中对微卫星、袖珍型卫星、 或小卫星的任何参考都应该被理解为是指质量小于或等于约500kg和/或物理尺寸小于或 等于约125cmX125cmX175cm的卫星的一般分类；并且不是指在此识别的卫星的更特定 分类或者其他类似分类方案。
[0036] 高空图像是广泛术语，并且其被给予对于本领域普通技术人员来说普通和习惯意 义（例如，其不限于特殊或专用意义），并且包括但不限于由地球轨道中的卫星捕捉的卫星 图像、或者由测量地理区域的航行器（例如，飞机、直升飞机、无人驾驶飞机、无人驾驶飞行 器扣AV)、热气球等）捕捉的其他高空图像等。在一些情况下，高空图像可W是天文对象，而 不是陆地对象。
[0037] 成像微卫星的示例忡网络
[003引图1图示了近地轨道中的成像微卫星12、控制系统14、地面通信系统16、W及目 标图像区域18的示例星座10的表示。在此描述的系统和方法的实施例可W用于调度星座 10中的事件，包括例如当图像将被获取时，当图像将被传送到地面通信系统16时，确定哪 个微卫星12将获取目标图像区域18的图像，和/或其他调度事件。图像可W包括多个图 像、视频等。在一些实现中，成像微卫星12可W包括被配置成获取目标图像区域18的多光 谱和/或平面光谱图像或视频的图像获取系统。成像微卫星12可W由单个实体或多个实 体拥有和/或操作。在多种实现中，星座10可W包括2、4、8、10、12、16、24、30或一些其他 数量的卫星。虽然图1示出了微卫星12的示例星座，但是在其他实现中，星座10可W包括 附加或不同类型的卫星，包括通信卫星、袖珍型卫星等。
[0039] 控制系统14可W包括实现在此公开的调度系统的实施例W便调度星座中的事件 的功能。例如，控制系统14可W包括参考图2和图3描述的控制系统100的实施例。控制 系统14、100可W包括参考图2至图4和图9描述的调度模块104。被调度事件可W包括将 被执行的一个或多个任务、将被收集的数据、将被接收或发射的信息、持续时间、期望开始 时间、期望结束时间、期望结果、或该些的任何结合。例如，对于成像卫星，事件可W是将由 成像卫星执行的任何任务，并且通常可W包括但不限于映像收集（例如，目标图像区域18 的）、映像下行链路（例如，到卫星地面通信站16)、W及机载维护。
[0040] 用于卫星的星座的调度事件在计算上可能很难，特别是当星座中的卫星的数量增 加时。在此描述的系统、方法和算法的实施例可W被有利地使用，W有效地并且实时地或接 近实时地调度该样的星座中的事件。例如，控制系统14可W利用在此描述的任何方法用于 产生最佳或接近最佳进度表，诸如，在此参考图5和图7描述的示例方法500和700。另外 地或可替换地，控制系统14可W利用在此描述的用于使用群包数据的任何方法，诸如，在 此参考图11和图12描述的示例方法1100和1200。
[004。示例调麼引擎系统巧方法
[0042] 创建用于系统中的对象的事件或任务的进度表可能是很难和计算密集的问题。一 个原因在于，系统中的对象可能经受多种约束，其限制可W被完成的任务的顺序和/或数 量。约束可W是成对约束，意味着事件仅基于紧接在前事件的特性被约束，或者可W是累积 约束，意味着事件至少部分地基于现有事件的历史被约束。例如，成像卫星（例如，图1中 的微卫星12)的转动率可W被认为是成对约束，该是因为是否可W获取图像至少部分地取 决于成像卫星是否可W实时地改变来自先前任务的定向W获取目标区域的图像。成像卫星 还可W经受累积约束，诸如，例如，复制约束、温度考虑、能量要求、或数据存储。作为另一 个实例，用于紧急响应车辆的成对约束可W是任务之间的距离和任务的典型持续时间的组 合。紧急响应车辆还可W受累积约束约束，诸如，车辆能够运输的可消耗资源的数量。
[0043] 而且，系统可W包括将被调度的多个对象，增加了问题的复杂性。复杂性可能增 加，其中，用于第一对象的事件的进度表影响用于第二对象的事件的进度表。例如，如果成 像卫星的星座中的第一成像卫星被调度，W获取目标区域的图像，则复制约束可W指示第 二成像卫星不获取目标区域的图像，W避免可能不期望的复制图像获取。作为另一个实例， 空中交通控制系统可W调度用于第一航行器的着陆和接近，其影响第二航行器的着陆和接 近。
[0044] 在一些情况下，期望相对快速地创建事件的进度表，W能够有效地响应动态情形。 动态情形可W是新事件或任务正被请求或者约束正被更新，使得期望更改时间量程上的在 前进度表，足化合并新事件或约束，而不明显地中断对象的执行。为了实现关于创建更新后 的进度表的期望灵活性，一些实施例提供用于控制和调度系统，其可W被配置成创建在最 大化系统中的对象的利用（或最小化成本函数）时是接近最佳（或最佳）的事件的进度表， 并且将事件的进度表传送到对象。在一些实施例中，控制和调度系统可W接近实时地创建 事件的进度表。在一些实施例中，控制和调度系统可W在小于或等于连续事件之间的典型 时间长度的时间量程上创建事件的进度表。
[0045] 在一些实施例中，提供控制和调度系统，其可W被配置成创建用于对象的系统的 任务的全局进度表，其中，全局进度表不违反成对、累积或复制约束。在一些实施例中，控制 和调度系统可W使用有向非循环图，W通过满足系统的约束的一系列事件找到期望路径。 通过使用有向非循环图，调度问题在多项式时间内变得可解决，由此比解决通常为NP-hard 的该类型的调度问题的其他方法，提供计算时间的益处。而且，控制和调度系统可W利用平 行化，W同时解答多个图形或相同图形的多个方面，由此提高速度或减少产生进度表的时 间。在一些实施例中，控制和调度系统展现系统中的多个对象和用于创建用于对象的进度 表的功率或时间之间的亚线性缩放关系。结果，控制和调度系统的一些实现可W接近实时 地或者在小于或比得上事件之间的平均时间长度的时间量程上，产生事件的进度表。接近 实时地产生事件的进度表可W包括产生小于约20分钟、小于约15分钟、小于约10分钟、小 于约5分钟、或小于约1分钟的进度表。
[0046] 图2示出了被配置成控制一个或多个对象102的控制系统100的示例实施例的框 图。控制系统100可W通过分析信息（例如，将被执行的事件、事件的优先级、事件或对象 约束等），至少部分地基于所分析的信息创建事件的有效进度表，并且命令对象执行所调度 的事件，控制对象102。控制系统100包括调度模块104,调度模块104被配置成接收关于 事件、优先级和约束的信息，并且产生事件的进度表。控制系统100包括命令模块106,命 令模块106被配置成从调度模块104接收事件的进度表，并且将其转换为命令。命令模块 106可W被配置成将那些命令传送到对象102或者可W将命令传送至对象102的另一个系 统。控制系统100可W被配置成产生进度表，并且命令对象102在满足所限定约束的同时， W相对有效的方式完成进度表上的事件。控制系统100可W被配置成相对快速地更新进度 表，例如动态地合并新任务，修改现有任务，去除任务，添加约束，修改约束，去除约束，修改 优先级，或者该些的任何组合。
[0047] 控制系统100包括调度模块104,调度模块104被配置成产生事件的有效或最佳进 度表。事件的进度表可W包括例如用于一个或多个对象的事件、任务、活动、或程序的列表 和每个事件的对应开始时间。调度模块104从事件系统108接收事件，从成对约束数据库 110接收成对约束，从累积约束数据库112接收累积约束，和/或从优先化系统114接收优 先级信息。调度模块104可W产生事件的进度表，其被发送至命令模块106。事件的进度表 可W用于特定对象102,或者其可W是具有将由一个或多个对象102执行的事件的全局进 度表。从而，调度模块104可W产生用于诸如卫星星座中的卫星的多个对象102的全局最 佳或接近最佳进度表。
[0048] 在一些实施例中，调度模块104可W从事件系统108接收一个或多个事件，并且创 建至少部分地基于一个或多个事件增加或最大化利用函数的进度表。利用函数可W合并关 于事件和对象102的信息，使得增加或最大化该函数得到有效地或最佳地完成所限定事件 的进度表。例如，调度模块104可W接收或检索与从事件系统108接收到的事件相关的优 先化信息，并且构造至少部分地基于优先化信息增加或最大化利用函数的进度表。作为另 一个实例，调度模块104可W从成对约束数据库110或累积约束数据库112接收或检索约 束信息，并且构造在增加或最大化利用函数的同时，构造满足约束的事件的进度表。
[0049] 如在此更完全描述的，调度模块104的特定实施例可W通过使用有向非循环图， 动态地创建有效或最佳进度表。例如，通过使用有向非循环图，调度模块104可W在合并关 于利用函数、约束和优先化的信息的同时，找到最佳或接近最佳进度表。调度的该基于图 形的方法可W得到相对快算法，其可W产生用于对象的相对大和复杂系统的接近最佳进度 表。与典型非基于图形的方法相比，基于图形的方法可相对快的方式，动态地响应输入 参数的修改、添加或删除。例如，调度模块104可W被配置成合并任务、事件、约束、优先级、 利用函数或该些的任何组合的改变，并且相对快速地创建新进度表。在一些实施例中，调度 模块104可W使用比采用非基于图形的技术更快的关于幅度的顺序的基于有向图形的方 法，产生接近最佳进度表。
[0050] 控制系统100包括命令模块106,命令模块106被配置