基于星地资源模型的任务规划通用平台的制作方法

本发明涉及航天地面应用卫星任务管控领域，尤其涉及多星任务规划平台，提供基于OSGI规范的平台框架与通用功能插件、专用插件扩展点等，通过各卫星特点、各业务特征、各用户特殊要求等进行个性化扩展定制与插件集成实现多星任务规划软件。

背景技术：

随着航天事业的飞速发展，航天地面管控任务与日俱增，各卫星类型不同、卫星传感器使用约束不同、各卫星管理部门业务规则不同，各卫星的应用模式不同，造成卫星任务规划软件开发复杂多变，并且由于底层采用的优化搜索算法与评价策略不同，造成开发难度大，周期长，即使在底层技术框架具备的条件下，由于各卫星使用模式与卫星传感器约束千变万化，卫星资源的增加一般都需要重新开发相应的任务规划算法模块，导致开发周期长，且源代码不断修改导致性能不稳定。为了能快速增量式、动态插拔式开发各类任务规划软件，以适应卫星数量剧增、卫星使用特点各异与开发周期大大减少的现状，有必要开发基于平台插件技术与星地资源模型能够快速适应卫星特点变化的任务规划通用平台，解决我国航天地面应用领域，由于各种卫星、地面站和业务系统的类型多，差异大，技术难度大，系统难以重用，且开发费时、费力、投入大且难以提高的局面。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种基于OSGI平台插件规范和星地资源模型的多星任务规划通用平台，使系统具备了平台化与插件化支持、热插拔与动态支持、插件扩展支持等能力，使系统具有灵活性、敏捷反应能力和良好的可扩展能力的特点。一方面可以充分利用现有任务规划算法技术成果与各卫星专用工作模式约束处理能力，保障原有业务功能不受影响；另一方面具备快速搭建新系统的能力，为新增卫星提供任务规划优化调度能力。

为达到上述目的，本发明提供了基于星地资源模型的任务规划通用平台，该平台基于OSGI规范的平台插件基础框架采用C#语言开发，适用于window操作系统平。包括任务统筹分析插件包、任务规划插件包、任务规划算法服务插件包、任务规划方案管理插件包、星地资源模型插件包和任务规划推演显示插件包；其中：

任务统筹分析插件包用于获取星地资源模型插件包的各类遥感卫星、卫星传感器、地面站和中继星的基本信息，根据各类遥感卫星任务管控业务特征、应用要求、各类卫星覆盖范围、观测能力、观测任务的观测要求和任务特性进行观测可行性分析与分解处理，形成卫星一次观测可完成的观测子任务，根据观测可行性分析与分解处理结果将观测子任务预分配给不同的卫星，将预分配结果生成可供任务规划使用的观测元任务，将观测元任务输出至任务规划插件包；

任务规划插件包用于获取星地资源模型插件包的各类遥感卫星、卫星传感器、地面站和中继星的基本信息和各类资源可用时间窗口与状态，并提供多星联合规划与单星任务规划功能；还用于输出调用请求至任务规划算法服务插件包；所述多星联合规划功能具体为：通过人机交互方式与调用任务规划优化调度算法进行任务冲突消解后，将观测元任务分配到确定卫星；进行资源冲突消解后，将通过计算获取的或从外部申请的接收资源可用时段分配到确定卫星，生成多星任务规划方案；所述单星任务规划功能具体为：通过人机交互方式、调用任务规划优化调度算法与卫星传感器约束处理进行单星任务优化调度，生成满足任务观测要求与各卫星传感器使用约束的单星任务规划方案；将任务规划方案分别输出至任务规划方案管理插件包和任务规划推演显示插件包；所述任务规划方案包括多星任务规划方案和单星任务规划方案；

任务规划算法服务插件包用于提供多种任务规划优化调度算法；还用于根据任务规划插件包的调用请求启动相应的任务规划优化调度算法进行优化调度处理；还用于根据星地资源模型插件包输入的不同遥感卫星的资源能力和资源使用约束进行推理和决策分析，将推理和决策分析结果返回给任务规划插件包；所述多种任务规划优化调度算法包括典型任务规划算法与通用约束处理方法；

任务规划方案管理插件包用于对任务规划方案进行管理；所述管理内容包括：任务规划方案的查询与统计；

星地资源模型插件包用于给任务统筹分析插件包提供各类遥感卫星、卫星传感器、地面站和中继星的基本信息；给任务规划插件包提供各类遥感卫星、卫星传感器、地面站和中继星的基本信息和资源可用时间窗口与状态；给任务规划算法服务插件包提供各类遥感卫星、卫星传感器、地面站和中继星的基本信息、资源能力和资源使用约束；给任务规划推演显示插件包提供各类遥感卫星、卫星传感器、地面站和中继星的基本信息；

任务规划推演显示插件包用于获取星地资源模型插件包的各类遥感卫星、卫星传感器、地面站和中继星的基本信息，加载任意时间段的任务规划方案，并以二维平面世界地图和三维数字地球为背景进行推演显示。

其中，所述各插件包均为共同完成同一业务功能的多个插件的集合。

本发明相比背景技术的有益效果：

1、通过任务规划算法的动态加载管理，实现算法的可扩展、可替换、可更新升级等能力；

2、提供通用优化搜索算法、目标函数与优化策略、通用业务规则处理与通用卫星约束检验等功能，通过契约类插件提供扩展点，进行插件扩展，支持算法的可定制扩展；

3、通过将通用功能与各星个性化使用特点进行分离设计，使通用算法部分通过星地资源模型的资源配置可支持同类型的卫星与传感器的扩展；

4、动态化：插件具备独立的生命周期，例如启动、停止、更新等，能动态地更新或删除插件，而插件不需要做额外的处理；

5、高可扩展性：能够很容易的适应未来卫星的扩展，基于星地资源模型进行相应卫星信息与使用约束配置，根据需要增加新增卫星的专用处理插件，即可支持新卫星的任务规划；

6、高可维护性：OSGI带来了规范化的插件组织以及统一的开发方式，软件功能的增加和减少只涉及相关插件的增加和减少，不会影响整个软件的体系结构。软件在对某个插件进行修改时，不会影响到其他插件的正常使用，便于系统的升级和维护。

7、系统资产化：OSGI规范为传统的插件组织、插件开发以及插件积累提供了一种全新的软件开发集成模式，卫星任务规划软件在后续项目升级改造之时或者其他类似项目新研时，大部分功能无需再重复开发，只需要进行专用插件定制与插件集成，实现了系统资产的积累。

本发明提供的一种基于星地资源模型的任务规划通用平台，以便进行多星任务冲突消解与协同分配、资源使用冲突消解，单星观测任务与数传任务优化安排，通过插件化设计和星地资源模型支持实现多星任务规划通用平台，实现了任务规划共性基础功能和框架功能，通过星地资源模型的配置，适应各卫星传感器类型、各型号、各卫星特点与工作模式、使用约束等不同点，对于特定业务规则与卫星使用约束，通过契约插件与扩展点个性化定制扩展专用插件，具有较强的通用性、适应性与可扩展性。

附图说明

图1是本发明的基于星地资源模型的任务规划通用平台的组成图；

图2是本发明的任务统筹分析插件包组成图；

图3是本发明的任务规划插件包组成图；

图4是本发明的任务规划算法服务插件包组成图；

图5是本发明的任务规划方案管理插件包组成图；

图6是本发明的星地资源模型插件包组成图；

图7是本发明的任务规划推演显示插件包组成图；

图8是本发明实施例的任务规划应用软件集成示例图。

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，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种基于星地资源模型的任务规划通用平台，该平台基于“平台+插件”技术进行设计，抽象各应用类型与各类卫星的通用特征，创建各类任务规划通用插件，通过星地资源模型的配置，适应各卫星传感器类型、各型号、各卫星特点与工作模式、使用约束等不同点，对于特定业务规则与卫星使用约束，通过契约插件接口个性化定制扩展专用插件，通过集成通用插件、专用插件与个性化应用定制扩展，可创建满足各应用类型与各卫星使用要求的各类任务规划应用软件，实现多星联合规划，各卫星观测任务优化分配与观测模式优选、各接收资源任务优化分配等功能，消除星间任务冲突、卫星传感器任务冲突以及数据接收冲突，生成任务规划方案，并进行可视化推演显示。

该平台基于最新的平台插件技术进行构建，采用松散的耦合方式，通过通用星地资源配置能力以适应不同应用类型的任务规划特征与不同卫星使用约束。该平台在统一技术规范约束下，完成各功能插件的集成与扩展，实现灵活扩展的工程需要，满足不同类型的航天地面应用系统对卫星任务规划需求。

下面结合附图对本发明作进一步地阐述和说明。

如图1，基于星地资源模型的任务规划通用平台，包括任务统筹分析插件包、任务规划插件包、任务规划算法服务插件包、任务规划方案管理插件包、星地资源模型插件包和任务规划推演显示插件包。

1、任务统筹分析插件包包括：任务分析筹划插件、观测任务分析显示插件，任务统筹分析插件包组成关系如图2所示。

任务分析筹划插件用于获取星地资源模型插件包的各类遥感卫星、卫星传感器、地面站和中继星的基本信息，根据各卫星管理部门任务管控业务特征、应用要求、各类卫星覆盖范围、观测能力、观测任务的观测要求和任务特性进行点目标访问计算与区域目标覆盖分解计算，形成卫星一次观测可完成的观测子任务，根据观测可行性分析与分解处理结果将观测子任务预分配给不同的卫星，将预分配结果生成可供任务规划使用的观测元任务，将观测元任务输出至任务规划插件包。

观测任务分析显示插件，用于获取预分配结果并进行列表显示与地图可视化显示。

2、任务规划插件包包括：多星联合规划插件、单星任务规划插件、公共界面插件、界面数据插件与通用处理插件，任务规划插件包组成关系如图3所示。

多星联合规划插件，用于通过人机交互方式与调用任务规划优化调度算法进行任务冲突消解后，将观测元任务分配到确定卫星；进行资源冲突消解后，将通过计算获取的或从外部申请的接收资源可用时段分配到确定卫星，生成多星任务规划方案并分别输出至任务规划方案管理插件包和任务规划推演显示插件包；

单星任务规划插件，用于通过人机交互方式、调用任务规划优化调度算法与卫星传感器约束处理进行单星任务优化调度，生成满足任务观测要求与各卫星传感器使用约束的单星任务规划方案并分别输出至任务规划方案管理插件包和任务规划推演显示插件包；

公共界面插件，用于提供多星联合规划与单星任务规划过程中人机交互操作界面，包括任务规划初始配置界面、优化决策界面和任务筛选与人工预分配界面；

界面数据插件，用于提供多星联合规划与单星任务规划过程中人机交互界面的数据显示与操作支持；

通用处理插件，用于提供多星联合规划与单星任务规划过程中各类计算与数据存储检索操作。

3、任务规划算法服务插件包包括：任务规划算法管理插件、算法契约插件、模拟退火算法插件、遗传算法插件、通用约束处理插件、约束组合契约插件、卫星约束组合插件、约束调用插件、评价策略契约插件、最大任务完成数评价策略插件、重要任务优先评价策略插件与综合收益评价策略插件，任务规划算法服务插件包组成关系如图4所示。

任务规划算法管理插件，用于构建算法服务管理主体框架，并根据任务规划插件包的调用请求启动相应的任务规划优化调度算法获得推理和决策分析结果，将推理和决策分析结果返回给任务规划插件包；

算法契约插件，用于提供各类算法调用的统一接口，定义算法的标准调用接口，基于该标准调用接口进行各类任务规划算法的扩展；

模拟退火算法插件，用于提供基于模拟退火的任务规划算法服务；

遗传算法插件，用于提供基于遗传算法的任务规划算法服务；

通用约束处理插件，用于提供通用约束处理功能，通过抽取各遥感卫星约束的通用特征实现各类通用约束处理方法；定义约束处理标准接口，基于该约束处理标准接口实现各遥感卫星的专用约束处理的扩展；

约束组合契约插件，用于提供各遥感卫星通用约束检验的约束组合接口，基于该约束组合接口实现各遥感卫星的特定约束组合的扩展；

卫星约束组合插件，用于获取不同遥感卫星的资源能力和资源使用约束，并提供各遥感卫星所有通用约束组合检验功能；

约束调用插件，用于提供多星联合规划与单星任务规划的约束调用接口；

评价策略契约插件，用于提供评价值计算的调用接口，基于该调用接口实现各业务类型的特定评价策略的扩展定制；

最大任务完成数评价策略插件，用于提供基于最大任务完成数评价策略的方案评价计算方法；

重要任务优先评价策略插件，用于提供基于重要任务优先评价策略的方案评价计算方法；

综合收益评价策略插件，用于提供基于综合收益评价策略的方案评价计算方法。

4、星地资源模型插件包包括：遥感卫星模型插件、卫星传感器模型插件、卫星约束模型插件、传感器工作模式插件、地面站模型插件与中继星模型插件查询，星地资源模型插件包组成关系如图6所示。

遥感卫星模型插件，用于获取遥感卫星的基本信息，并将基本信息分别输出至任务统筹分析插件包、任务规划插件包、任务规划算法服务插件包和任务规划推演显示插件包；所述基本信息包括轨道特征、卫星类型和平台姿态机动能力；

卫星传感器模型插件，用于获取卫星传感器的基本信息，并将基本信息分别输出至任务统筹分析插件包、任务规划插件包、任务规划算法服务插件包和任务规划推演显示插件包；所述基本信息包括特征信息和传感器工作模式；

卫星约束模型插件，用于分别获取遥感卫星和卫星传感器的资源能力和资源使用约束，并将资源能力和资源使用约束输出至任务规划算法服务插件包；

地面站模型插件，用于获取地面站的基本信息，并将基本信息分别输出至任务统筹分析插件包、任务规划插件包、任务规划算法服务插件包和任务规划推演显示插件包；所述基本信息包括位置信息、天线信息和接收能力；

中继星模型插件，用于获取中继星的基本信息和资源可用时间窗口与状态后，将基本信息分别输出至任务统筹分析插件包、任务规划插件包、任务规划算法服务插件包和任务规划推演显示插件包，将资源可用时间窗口与状态输出给任务规划插件包；所述基本信息包括定点位置、中继星测控与传输能力。

5、任务规划方案管理插件包包括：任务规划方案查询插件与任务规划方案统计插件，任务规划方案管理插件包组成关系如图5所示。

任务规划方案查询插件，用于根据用户输入的查询条件，从数据库中查询出符合条件的任务规划方案，并对查询结果进行列表显示；

任务规划方案统计插件，用于根据用户输入的统计条件，统计各星任务安排情况与各地面站任务安排情况，对统计结果进行列表显示。

6、任务规划推演显示插件包包括：任务规划方案加载插件、轨道显示数据获取插件、任务规划显示控制插件、任务规划推演控制插件与任务规划方案图形化显示插件，任务规划推演显示插件包组成关系如图7所示。

任务规划方案加载插件，用于获取星地资源模型插件包的各类遥感卫星、卫星传感器、地面站和中继星的基本信息，并根据时间、方案编号构造查询条件，检索符合条件的任务规划方案，从选中的任务规划方案中提取任务数据、相关的卫星数据和地面站数据，将任务数据、相关的卫星数据和地面站数据输出至任务规划方案图形化显示插件；

轨道显示数据获取插件，用于根据任务规划方案中相关的卫星轨道信息调用轨道计算服务，并进行推演显示需要的各类计算；所述计算包括卫星星历和观测覆盖范围计算；将卫星星历和观测覆盖范围输出至任务规划方案图形化显示插件；

任务规划显示控制插件，用于输出控制二维图形、三维图形关联显示的控制数据至任务规划方案图形化显示插件；

任务规划推演控制插件，用于控制任务规划方案推演过程的开始、暂停、加速、减速停止和时间跳转；

任务规划方案图形化显示插件，用于根据控制数据将任务规划方案中的任务数据、相关的卫星数据、地面站数据、卫星星历和观测覆盖范围进行图形化显示。

图8给出了基于本发明进行应用软件集成的过程，基于多星任务规划通用平台提供的通用插件，经过专用插件定制开发后，可以集成任务统筹分析软件、多星联合任务规划软件、单星任务规划软件、任务规划算法服务管理软件、任务规划推演显示软件等。针对卫星数量较少的情况，如只有1颗星时，可以集成为一个卫星任务规划软件，包括任务统筹分析、单星任务规划、任务推演显示等功能。

任务规划专用插件个性化扩展定制方法如下：

约束组合契约插件是可被其他业务软件或动态库进行二次开发的可重用插件。主要功能为：提供卫星任务规划中约束检验对外统一的处理接口，实际使用时需要根据待检验约束内容进行具体实现。适用于任务规划约束检验中存在多种约束类型时，可通过该插件实现接口完成不同种类约束的检验，便于多种检验方法灵活组合及新添加种类时的扩展。

评价策略契约插件是可被其他业务软件或动态库进行二次开发的可重用插件。主要功能为：提供卫星任务规划中优化搜索算法优化策略对外统一的处理接口，实际使用时需要根据具体的优化策略评价函数进行具体实现。适用于任务规划约束检验中存在多种优化策略评价函数时，可通过实现该插件的接口完成不同种类优化策略的使用，便于多种优化策略选择及添加新的优化策略评价函数的扩展。

算法契约插件是可被其他业务软件或动态库进行二次开发的可重用插件。主要功能为：提供卫星任务规划算法对外统一接口，实际使用时需要根据所选用算法进行具体实现。适用于任务规划中存在多种算法时，可通过注册该接口的不同服务实现，便于各类任务规划算法的扩展定制。

本发明的多星任务规划通用平台全部代码均基于OSGI规范的插件集成开发平台采用C#语言实现，适用于window操作系统平台。

本发明的基于星地资源模型的任务规划通用平台基于平台插件技术进行构建，采用松散的耦合方式，提供通用配置能力以适应不同的业务应用、卫星以及与卫星传感器的集成能力。在统一技术规范约束下，完成各功能插件的集成，实现灵活扩展的工程需要，满足不同类型的航天地面应用系统的任务规划需求。

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。