一种多星对地观测任务规划算法的评价方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星任务规划技术领域，尤其涉及一种多星对地观测任务规划算法的 评价方法及装置。
【背景技术】
[0002] 卫星任务规划主要解决如何对多颗卫星资源进行有效的分配与调度，指定卫星的 观测计划，最大限度地完成用户提交的任务，其结果直接影响到对地观测卫星系统的任务 执行效果。在对地观测卫星发展之初，由于卫星载荷能力有限，用户任务也相对较少，任务 的观测时间和观测角度都相对固定，卫星管理和控制比较简单，任务规划问题也不突出。但 随着对地观测卫星技术的发展和地面影像数据需求的增加，卫星需要调整遥感设备的侧视 角度来对地面目标进行观测。在安排的过程中，需考虑诸多的约束，以保证卫星安全可靠的 运行和顺利的进行观测任务。一般而言，不能在一次任务规划时间范围内对所有的任务请 求进行成像，卫星每次执行的任务是任务数据集合的一个子集，不能满足用户提出的所有 需求。
[0003] 现有技术中，一般是通过建立不同的求解模型与规划算法来解决任务规划的问 题，但地观测卫星任务规划问题复杂、涉及大量非线性约束、求解目标不唯一，且不同卫星 之间的约束具有差异性。所以即使是针对不同问题，建立的不同模型在拓展上也具有局限 性，而这种局限性，使得对相应的规划算法进行比较时存在一定的困难，导致规划算法之间 的性能差异缺乏有效的分析。最后造成在面对新的卫星任务规划时，因在规划算法的选择 上缺乏理论依据，无法选择较好的算法进行求解，不利于卫星任务规划的整体研究，也不能 很好地满足实际需要，导致不能从用户需求、实际问题出发对这些算法的适应性和效率进 行完整分析。
[0004] 基于此，本发明提供一种多星对地观测任务规划算法的评价方法及装置，选取当 前多卫星观测任务中具有代表性的规划算法进行分析，评价和比较，总结出各种算法的特 性，为使用者选择算法或研究者改进算法提供依据。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种多星对地观测任务规划算法 的评价方法及装置，用于解决多卫星对地观测任务规划的现有技术无法全面从用户需求、 实际问题出发对主流规划算法的适应性和效率进行完整分析，导致无法选择合适的规划算 法进行卫星任务规划的技术问题。
[0006] 本发明提供一种多星对地观测任务规划算法的评价方法，所述方法包括：
[0007] 读取测试数据；
[0008] 调用不同的待评价规划算法对所述测试数据进行任务规划，获取规划结果；
[0009] 统计分析所述规划结果，计算所述规划结果中的评价指标值；
[0010] 对所述评价指标值进行加权，获取综合评价值；
[0011] 对所述综合评价值进行比较，输出评价结果。
[0012] 上述方案中，所述评价指标包括:完成任务数、任务完成观测时长及任务优先级之 和。
[0013] 上述方案中，所述待评价规划算法包括:演化算法、蚁群算法、模拟退火算法、禁忌 搜索算法、贪婪算法及动态规划算法。
[0014] 上述方案中，所述调用不同的待评价规划算法对所述测试数据进行任务规划，获 取规划结果包括：
[0015] 对所述测试数据进行处理，确定观测元任务集和接收元任务集；
[0016] 对所述观测元任务集中的观测元任务的侧摆次数、观测工作时间、太阳高度角及 侧摆角度进行约束定义;对所述接收元任务集中的接收元任务的数传固存、数传模式、接收 工作时间进行约束定义；
[0017] 对数传固存约束、数传模式约束、侧摆次数约束、观测工作时间约束、接收工作时 间约束、太阳高度角约束及侧摆角度约束进行假设，在假设的基础上建立调度模型；
[0018] 调用不同的待评价规划算法对所述调度模型进行求解，获取规划结果。
[0019] 本发明还提供一种多星对地观测任务规划算法的评价装置，所述装置包括：
[0020] 读取模块，所述读取模块用于读取测试数据；
[0021] 调用模块，所述调用模块用于调用不同的待评价规划算法对所述测试数据进行任 务规划，获取规划结果；
[0022] 计算模块，所述计算模块用于统计分析所述规划结果，计算所述规划结果中的评 价指标值;对所述评价指标值进行加权，获取综合评价值；
[0023] 比较模块，所述比较模块用于对所述综合评价值进行比较，输出评价结果。
[0024] 上述方案中，所述评价指标包括:完成任务数、任务完成观测时长及任务优先级之 和。
[0025] 上述方案中，所述待评价规划算法包括:演化算法、蚁群算法、模拟退火算法、禁忌 搜索算法、贪婪算法及动态规划算法。
[0026] 上述方案中，所述调用模块具体用于：
[0027] 对所述测试数据进行处理，确定观测元任务集和接收元任务集；
[0028] 对所述观测元任务集中的观测元任务的侧摆次数、观测工作时间、太阳高度角及 侧摆角度进行约束定义;对所述元任务集中的接收元任务的数传固存、数传模式、接收工作 时间进行约束定义；
[0029] 对数传固存约束、数传模式约束、侧摆次数约束、观测工作时间约束、接收工作时 间约束、太阳高度角约束及侧摆角度约束进行假设，在假设的基础上建立调度模型；
[0030] 调用不同的待评价规划算法对所述调度模型进行求解，获取规划结果。
[0031] 本发明提供了一种多星对地观测任务规划算法的评价方法，所述方法包括:读取 测试数据;调用不同的待评价规划算法对所述测试数据进行任务规划，获取规划结果;统计 分析所述规划结果，计算所述规划结果中的评价指标值;对所述评价指标值进行加权，获取 综合评价值;对所述综合评价值进行比较，输出评价结果；如此，对当前多卫星观测任务中 具有代表性的规划算法以可视化的方式进行分析、评价和比较，得出各种算法的特性，为使 用者选择算法或研究者改进算法提供依据，在卫星任务规划中具有很好的现实意义。
【附图说明】
[0032]图1为本发明实施例一提供的多星对地观测任务规划算法的评价方法流程示意 图；
[0033]图2为本发明实施例一提供的观测任务、载荷与卫星之间的关系映射图；
[0034]图3为本发明实施例一提供的卫星、地面与天线之间的关系映射图；
[0035] 图4为本发明实施例一提供的单圈次工作时间示意图；
[0036] 图5为本发明实施例二提供的多星对地观测任务规划算法的评价装置结构示意 图；
[0037] 图6为本发明实施例三提供的各算法运算时间比较结果示意图；
[0038]图7为本发明实施例三提供的各算法收敛情况比较结果示意图；
[0039]图8为本发明实施例三提供的各算法综合评价值比较结果示意图；
[0040] 图9为本发明实施例三提供的各算法规划结果示意图。
【具体实施方式】
[0041] 为了可以对当前多卫星观测任务中具有代表性的规划算法以可视化的方式进行 分析，评价和比较，得出各种算法的特性，为使用者选择算法或研究者改进算法提供依据， 本发明提供了一种多星对地观测任务规划算法的评价方法，所述方法包括:读取试数据;调 用不同的待评价规划算法对所述测试数据进行任务规划，获取规划结果;统计分析所述规 划结果，计算所述规划结果中的评价指标值;对所述评价指标值进行加权，获取综合评价 值;对所述综合评价值进行比较，输出评价结果。
[0042] 下面通过附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
[0043] 实施例一
[0044] 本实施例提供一种多星对地观测任务规划算法的评价方法，如图1所示，所述方法 包括以下步骤：
[0045] 步骤110,读取测试数据。
[0046] 本步骤中，当需要对规划算法进行评价时，从数据库中读取测试数据，所述测试数 据包括观测任务和接收任务。所述数据库中包括:卫星信息表、有效载荷信息表及地面目标 信息表等。其中，有效载荷是指卫星携带的用来获取图像数据的设备，比如:相机(高光谱、 多光谱或全色）、合成孔径雷达等。所述地面目标是指需要进行观测的地面区域，包括:点目 标和区域目标。
[0047] 步骤111，调用不同的待评价规划算法对所述测试数据进行任务规划，获取规划结 果；
[0048] 当读取到测试数据后，需要对观测任务和接收任务进行由任务列表到资源能力表 的数据查询和转换处理，形成逻辑资源列表，并确定观测元任务集和接收元任务集。
[0049] 具体地，观测任务的逻辑资源的要素包括:观测任务、载荷类型要求及卫星时间窗 口。假设待成像的任务集为Task= {Taski，Task2, . . .，Taskn}，卫星个数为k，载荷个数为m; 对于每个任务，如果具有可用资源和可见时间窗口，调度预处理后，获取观测元任务集;具 体地，对观测任务、载荷类型及卫星时间窗口建立第一映射关系;所述可见时间窗口至少包 括一个，所述第一映射关系具体为观测任务、载荷与卫星之间的映射关系，如图2所示。在图 2中，如果观测任务和时间窗口之间存在路径，则表示这个时间窗口在任务的可选时间窗口 集中，那么就可将所有的可选时间窗口集定义为观测元任务集。其中，m2 k。
[0050]同样的，接收任务的逻辑资源的要素包括:卫星已观测的任务和地面站天线接收 时间窗。假设卫星个数为k，地面站个数为g，天线个数为q;如果每个地面站与卫星之间存在 可见的时间窗口，则可以执行数据下传，调度预处理后，获取接收元任务集；具体地，对卫 星、地面站天线时间窗口建立第二映射关系;所述第二映射关系为卫星、地面与天线之间的 映射关系，如图3所不。
[0051 ] 在图3中，如果卫星和地面站天线时间窗口之间存在路径，则表示这个时间窗口在 可选接收时间窗口集中，那么就可将所有的可选接收时间窗口集定义为接收元任务集。其 中，q之g〇
[0052]当获取到观测元任务集及接收元任务集后，对所述观测元任务集及接收元任务集 进行任务规划定义，建立调度模型。
[0053]具体地，所述任务规划定义包括两部分:第一为约束定义，第二为规划模型;其中， 在约束定义中，只考虑与所要研究的问题直接相关的因素与约束条件。对于观测元任务集 来说，对观测元任务的侧摆次数、观测工作时间、太阳高度角及侧摆角度进行约束定义，对 观测元任务进行冲突定义;对接收元任务集来说，对接收元任务的数传固存、数传模式、接 收工作时间进行约束定义;对接收元任务窗口进行冲突定义；另外，还需对指令模板、指令 模板间隔和最大工作时间进行定义。具体的释义如表1所示。
[0054] 表 1
[0055]
[0056] 进一步地，在规划模型中，从逻辑资源列表出发，将每个观测时间窗口具体化为一 个观测元任务，这些观测元任务有着固定的时间顺序，规划的目标是对于每个任务选择做 或者不做。
[0057] 首先，针对上述的约束项，进行合理假设及约束变量的定义，具体释义如下：
[0058] 1)假设共有m个可视时间窗口，记为^ = ，时间窗口Wi的开始时间和结束时 L</<w 间分别为Si和Ei。