针对单星任务规划问题的数学模型的构建方法及求解方法

针对单星任务规划问题的数学模型的构建方法及求解方法
【专利摘要】本发明提供一种针对单星任务规划问题的数学模型的构建方法及求解方法，针对单星多圈的成像卫星任务规划问题，对问题进行了合理简化与假设，并构建数学模型，介绍了软件求解框架和9大分功能模块，其中排序模块采用了启发式的排序策略，活动安排模块创新性的采用了时间窗消减算法，较好的解决了时间窗的冲突问题，提升了时间窗的利用率，使得可行解接近最优。
【专利说明】针对单星任务规划问题的数学模型的构建方法及求解方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及分布式成像卫星系统领域，具体涉及一种针对单星任务规划问题的数 学模型的构建方法及求解方法。

【背景技术】
[0002] 由现代智能小卫星组成的分布式成像卫星系统是未来对地观测系统发展的主 要趋势，在小卫星技术发展的不断推动下，美国推出了 "新盛世计划（New Millennium Program) "，在该计划中提出"更快、更好、更省"的方针，其中很重要的一个思想就是以分布 式空间系统来完成大卫星难以完成的功能或替代越来越复杂的大卫星。目前，无论是在国 内还是国外，对分布式成像卫星系统的自主控制问题的研究都是一个崭新的前沿课题，而 卫星自主控制问题解决的正是卫星任务安排的规划问题。
[0003] 卫星任务规划问题实现自主控制的难点主要为：分布式卫星系统仅从地面系统那 里接收用户提交的各种观测任务，根据时间窗、遥感器侧摆角度和星上电源容量等约束条 件，为各观测任务自主的安排合适的卫星、执行时间，并得到各卫星的任务序列，实现一定 的优化目标。各个卫星在得到属于自己的任务计划方案后，按照卫星的系统构成、功能和约 束条件，将任务序列进一步分解成详细的有效载荷控制指令序列。这个序列不仅包括星上 有效载荷具体的动作指令，还指定了动作的执行时间及资源分配的情况等，可以直接由卫 星执行。
[0004] 卫星自主控制问题属于人工智能规划问题范畴，但是与一般的人工智能规划问题 相比，又有一些不同，具体表现在以下几个方面 ：
[0005] (1)规划的领域知识比较复杂。成像卫星往往由多个具有不同功能和特性的分系 统构成，其变量可能达到几十个甚至上百个，它们的组合是一个惊人的数字，故相较于一般 规划问题更加复杂。
[0006] (2)动作之间具有很强的逻辑关系。由于卫星是一种独占型资源，一次只能处理一 个观测任务，而对某特定的观测任务来说，卫星要执行的动作序列往往具有很强的逻辑关 联性。
[0007] (3)考虑资源约束及数量约束。在卫星智能规划问题中，需要受星上电源、存储空 间等资源限制，而这种约束在传统的人工智能规划问题（如STRIPS)中通常是不考虑的。然 而，在卫星的动作规划过程中，如果不同时考虑动作的资源要求，就很有可能得到实际不可 行的方案，导致规划失败。资源约束条件下的规划也是近年人工智能研究领域的热点问题。
[0008] (4)活动具有持续时间。传统规划方法总是假设所有动作是瞬时完成的，而卫星 的任务总是带有具体的时间要求，并且不同动作的准备与执行过程也需要一个持续的时间 段，这就造成了许多时间窗冲突，因此规划系统在进行推理时必须考虑这些复杂的时间约 束。
[0009] 现有的任务规划软件与算法结构不够清晰，可迁移性不强，在面对现实复杂问题 时往往出现各式各样的纰漏。


【发明内容】

[0010] 本发明的目的是根据【背景技术】中存在的缺点和问题加以改进，提供一种能够解决 时间窗的冲突问题、提升时间窗的利用率使得可行解接近最优的针对单星任务规划问题的 数学模型的构建方法及求解软件架构。
[0011] 本发明的技术方案是提供一种针对单星任务规划问题的数学模型的构建方法，包 括以下几个步骤：
[0012] 步骤S101 :设定以下输入条件：
[0013] (1)每次进行规划的任务总数量为N，回传窗口的数目为NBW ;
[0014] (2)每个任务凡的优先级为Pi，需要的观测时间为Vk回传时间为任务的容 量为Ci，其中：i = 1，2,…N;
[0015] (3)每个任务观测窗口 VWi的时间窗为[VSi，VEJ，该任务只能在其观测时间窗内 安排观测活动，其中：i = 1，2,…N ;
[0016] (4)回传窗口 BWj的时间窗为[BSj, BE』]，只能在该回传窗口的时间窗内安排回传 活动，其中：j = 1，2,…NBW ;
[0017] (5)卫星所能承载的最大载荷量Cmax，t时刻卫星的承载容量为Ct ;
[0018] 步骤S102 :设定以下输出条件：
[0019] (1)决策变量：

【权利要求】
1. 一种针对单星任务规划问题的数学模型的构建方法，其特征在于，包括以下几个步 骤： 步骤S101 :设定以下输入条件： (1) 每次进行规划的任务总数量为N，回传窗口的数目为NBW ; (2) 每个任务凡的优先级为py需要的观测时间为Vh，回传时间为Bh，任务的容量为 Q，其中：i = 1，2,…N; (3) 每个任务观测窗口 VWi的时间窗为[VSpVEj，该任务只能在其观测时间窗内安排 观测活动，其中：i = 1，2, "·Ν ; (4) 回传窗口 BWj的时间窗为[BSj, BEj]，只能在该回传窗口的时间窗内安排回传活动， 其中：j = 1，2,…Nbw; (5) 卫星所能承载的最大载荷量Cmax，t时刻卫星的承载容量为Ct ; 步骤S102 :设定以下输出条件： (1) 决策变量：
单个任务的收益值为分段函数，即：
其中[td, t5]为任务收益函数pfi的定义域，h = VS。t5 = VEi，即每个观测时间窗被均 勻划分为5段； (2) N个任务的排序结果：以NX 4的矩阵形式输出，其中第一列表示任务的ID序号凡， 第二列表示该任务实际开始观测时刻RVSp第三列表示该任务实际开始回传时刻RBSp第 四列表示该任务的收益pfi ;
步骤S103 :将该单星多圈的成像卫星任务规划问题的优化目标设置为在保证成像质 量的前提下，实现以尽可能少的资源消耗实现最大的任务收益，即以完成观测和回传的任 务总收益作为衡量求解结果的度量指标，目标函数为：max
步骤S104:设定以下约束条件： (1)在安排观测任务时，任务的总容量大小不能超过卫星的最大载荷量： Ct 彡 C-; (2) 每个任务只能在其观测时间窗内安排观测活动；设任务Ti实际开始观测的时刻为 RVSi ： VSj ^ RVSj ^ RVSj+Vti ^ VEj, i = 1, 2,. . . , N ； (3) 所有任务只能在回传时间窗内安排回传活动；设任务?\实际开始回传的时刻为 RBSj： BSj ^ RBSj ^ RBSj+Bti ^ BEj, i = 1,2,...,TV,3/ = 1,2,.,.,Nbw . ? (4) 每个任务只有在安排了观测活动之后才能安排回传活动，且每个任务最多只能安 排一次观测和一次回传： yi 彡 Xi 彡 1，i = 1，2, · · ·，N ; RBVj+Vti ^ RBSj, i = 1, 2,. . . , N〇
2. -种针对单星任务规划问题的求解方法，其特征在于：构建了一种求解软件架构， 由输入信息管理、任务求解管理、输出信息管理三个部分组成，所述的输入信息管理包括文 件操作、约束处理和网络结构体三个功能模块，所述的任务求解管理包括求解框架、排序、 观测活动安排和回传活动安排四个功能模块，所述的输出信息管理包括中间结果管理和最 终结果管理两个功能模块，其中 ： 所述的文件操作，主要完成对卫星观测任务文件的读取操作，并将任务信息转换成指 定格式进行存储，为其他模块操作提供数据支持； 所述的求解框架，先对任务进行排序、再按顺序处理每个任务，或先对任务进行排序、 统一安排观测、统一安排回传； 所述的网络结构体，对各个结构体进行定义和初始化，设置和读取实例中的基本信息、 任务资源信息和回传窗口的相关属性； 所述的排序，采用启发式方法，依据概率累积的方法对任务进行随机选择，得到一个排 序序列，并将该任务排序结果提交给观测活动安排功能模块； 所述的约束处理，在任务观测开始时刻检查卫星的当前载荷量是否超出其最大固存， 从而判断该观测时刻是否合理，并将检查结果提交给观测活动安排模块，对容量约束的情 况进行实时更新，依据时间段的开始时间对约束结构体中的相关时间段进行排序； 所述的观测活动安排，尝试给指定任务安排观测活动，首先判断给指定任务安排观测 活动的可能性，再从给定任务的可选观测时间段内随机选取活动的开始观测时刻，并提交 约束检查，再根据约束检查模块的反馈结果确定任务的开始观测时刻； 所述的回传活动安排，尝试给指定任务安排回传活动，首先判断给指定任务安排回传 活动的可能性，再从给定任务的可选回传时间段内随机安排回传活动（或从给定任务的可 选回传时间段内选择最早的机会安排回传活动，并要确保回传活动在该任务观测活动结束 之后开始进行； 所述的中间结果处理，进行时间窗的消减，对卫星和任务的可用时间段进行信息管理， 即排序和更新，也可以分别对卫星资源信息和任务属性信息进行读取； 所述的最终结果处理，通过计算每个任务的收益值和当前方案中所有任务的总收益 值，对方案群中的方案进行排序，并更新最优和最差方案的属性信息，最终可以得到最优的 观测调度方案和回传调度方案。
3.根据权利要求2所述的针对单星任务规划问题的求解软件架构，其特征在于：所述 的观测活动安排，采用时间窗裁剪算法，观测活动和回传活动的时间窗在确定之前进行剪 裁处理；所述剪裁处理为：设新增任务的拍摄时段为[T S，TE]，待消减的时间窗为[WS，WE]，针 对其包含或者相交的不同冲突类型设置裁剪算法，主要应用于任务可选观测时间段、卫星 可用观测时间段、任务可选回传时间窗和卫星可用回传时间窗的计算上。
【文档编号】G06F17/50GK104050324SQ201410282628
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】邢立宁, 张雪婷, 义余江, 刘嵩, 杨振宇, 刘晓路, 王沛, 朱剑冰, 郭坚, 汪路元 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学