一种低轨卫星星上半自主任务规划方法及系统与流程

本发明属于低轨卫星通信领域，尤其是一种低轨卫星星上半自主任务规划方法及系统。

背景技术：

1、低轨卫星通信系统由几十~几万颗处于200~2000km高度的低轨卫星组成，这些卫星组成一个卫星星座为地基、海基、空基、天基的各类用户提供高速通信和互联网接入等服务。近年来，低轨卫星通信系统以其传输距离近、覆盖范围广、成本低、能够提供互联网接入等优点逐步得到世界各国的重视，并被视为地面移动通信系统的重要补充，成为天地一体通信系统和6g移动通信系统的重要组成部分。

2、目前，低轨卫星任务规划主要通过地面在可见窗口内上注或通过高轨卫星中继上注，地面针对需求对任务进行规划，然后将规划好的任务或指令上注或中继传输给低轨卫星。然而，这种传统地面规划上注的方式需要等待时间窗口或通过中继卫星进行上注，具有以下缺点：

3、等待时延长：通过地面上注时，需要等待星地具有可见窗口才可进行任务规划结果和指令的上注，需要等待几十分钟甚至更长时间；而通过中继卫星上注，则将耗费大量的中继卫星资源，且多跳中继传输也延长了任务规划和指令信息传输的时延，低轨卫星无法实时获取指控信息。

4、适应性差：由于通过地面上注和中继卫星上注等待时延长，地面并不能及时将规划指令发送给低轨卫星；同时，卫星周围环境变化和自身状态的变化不能实时下传地面，致使地面无法实时跟踪卫星状态的变化和任务的执行情况，使卫星无法迅速做出反应以适应环境和卫星状态的变化，从而导致任务执行的失败或影响任务执行质量。

5、鉴于低轨卫星对地面控制中心可见时间窗口有限，而天基中继传输时延长的问题，低轨卫星在无可见窗口的时段内，必须具备星上自主可控的能力，来应对卫星运行环境和平台、载荷状态的变化。

6、低轨卫星地面任务上注和测控指令的接收不及时问题，主要由以下原因决定的：

7、低轨卫星相对地面运动速度快，覆盖范围相对高中轨卫星较小，对地面目标和地面站的可见时间窗口较小，重访时间也较长。因此，低轨卫星在很长时间里与地面信关站是不可见的，地面控制中心的控制信息无法及时传送到卫星，卫星的遥测信息也无法及时传送到地面。传统地基测控方式每圈只有1或2个弧段，约10或20分钟左右的可见时间。

8、采用天基中继卫星丰富测控资源以后，可将低轨卫星的可见弧段提高至整圈可见（90分钟左右），但是天基中继跳数多，传输时延长，信息丢失概率高，也不能很好适应卫星状态和环境的实时变化；且当低轨卫星较多时，中继卫星信息传输负荷加重，可能会导致中继链路拥塞，影响中继卫星任务的执行。

9、综上，低轨卫星采用传统地面上传和中继上传的方法时，具有传输时延长，丢失概率大的特点，任务规划结果和指令无法及时有效上注卫星，已无法适应低轨卫星环境、状态、任务的实时变化。因此，在星上处理能力得到有效提升的情况下，增强星上自主能力，以适应卫星环境、状态、任务的快速变化，是提高卫星适应能力的一种非常有价值的方法和途径。

技术实现思路

1、发明目的：本发明提出一种低轨卫星星上半自主任务规划方法及系统，以解决地面和中继卫星上注任务和指令传输时延长、反应不及时的问题，并以最大化任务完成度或执行效能的任务规划和调度算法，进而实现低轨卫星高效、适应性强的星上半自主任务规划和执行。

2、技术方案：一种低轨卫星星上半自主任务规划方法，包括以下步骤：

3、调用预构建的平台模块，以计算卫星位置，分析机动变轨能力、姿态调整能力和载荷可用功率，并输出计算和分析结果；

4、调用预构建的任务模块，以完成任务解析，计算和分解复杂任务及周期任务；

5、调用预构建的载荷模块，以计算载荷能力和载荷关联；

6、调用预构建的任务发起模块，以根据任务环境、目标的状态变化，计算目标在任务执行过程中的异常情况；判断是否需要对其目标进行接续观测，若需要，卫星对接续观测任务进行规划；

7、调用构建星上半自主规划模块，以所述平台模块、任务模块及载荷模块输出结果为约束条件，在任务规划模块生成任务执行的规划，并实时监测异常状态和任务扰动，判断任务是否需要动态调度或再规划，依据任务规划模块结果生成与时间相关的动作指令流。

8、根据本发明进一步改进，所述平台模块具体包含如下步骤：

9、获取综合电子平台关于卫星的相关状态信息，并对上述信息进行分析计算，作为规划模块的输入参数；

10、通过卫星轨道信息和任务目标地理位置信息计算卫星对目标的可观测时间窗口；

11、通过剩余燃料、电量及其耗损率评估卫星机动变轨能力及姿态调整能力；

12、主要流程为：

13、所述平台模块从卫星综合电子平台读取卫星轨道参数、平台燃料、功率、电量、轨道机动和姿态调整参数；

14、所述平台模块通过卫星轨道六根数或两行星历计算卫星位置；

15、所述平台模块根据平台所余燃料、平台保持运行需要保留的燃料余量及平台质量、平台分析平台机动能力；

16、所述平台模块根据平台最大侧摆、俯仰角参数和摆动角速度，分析平台姿态调整能力；

17、所述平台模块根据平台可提供功率、维持平台和各类载荷基本运行所需功率，分析计算观测载荷、通信载荷的可用功率；

18、所述平台模块将分析计算数据发送给任务规划模块，或存入数据库，供任务规划模块读取使用。

19、根据本发明进一步改进，所述卫星位置计算具体为：

20、根据卫星轨道参数、遥感器覆盖幅宽、卫星最大侧摆角计算每个星载遥感器对各任务的可见时间窗口；卫星j对任务i所在区域在调度周期内所有时间窗口为：

21、，

22、；

23、其中，表示卫星对任务i所在区域在调度周期内可见时间窗口的数目， 为第k个时间窗口的开始时间，为结束时间；

24、输入：

25、：轨道六要素；：轨道六要素对应时间；：侧摆角范围

26、：视场角；

27、输出：

28、。

29、根据本发明进一步改进，所述任务模块具体包含如下步骤：

30、从综合电子平台获取地面上注的任务信息，首先对任务进行解析，获取目标空间分布、任务优先级、分辨率、频率、任务时限等参数；

31、根据卫星平台能力和载荷能力，将任务分解为多个具备执行窗口的元任务或子任务，作为任务规划模块的输入，包括任务解析、任务分解计算两个子模块；

32、主要流程为：

33、所述任务模块从综合电子平台获取经过处理的任务集合及其参数；

34、所述任务模块根据任务执行时隙、任务目标位置、执行任务卫星id等对任务进行解析，形成任务执行的时间、地点、执行机构等任务描述；

35、所述任务模块根据任务窗口和时限，依据平台和载荷能力，基于卫星星历进行轨道推算，获取任务卫星对目标的1个或多个可见时间窗口，根据可见时间窗口、观测时长、观测时限将任务进行分解计算，形成基于可见时间窗口的可有效执行的元任务或子任务集合；

36、所述任务模块将分析计算所得任务数据发送给任务规划模块，或存入数据库，供任务规划模块读取使用。

37、根据本发明进一步改进，所述载荷模块具体包括如下步骤：

38、结合任务需求，对载荷进行约束建模、能力分析和计算：将载荷能力参数化，其参数包括分辨率、频率、工作模式、开关机时长及稳定时长、工作模式及模式转换时长、最短成像时长、最长工作时间；

39、在所述参数的基础上，对任务执行过程中载荷的开关机、模式转换、工作时间、分辨率调整、频率调整动作的执行时间进行评估、优化和设置，包括载荷能力计算、载荷关联计算两个子模块；

40、主要流程为：

41、所述载荷模块从载荷获取载荷能力参数；

42、所述载荷模块分析计算载荷能力，并形成能力参数数学描述；

43、所述载荷模块分析计算载荷与存储、通信、计算载荷的关联关系；

44、所述载荷模块形成载荷与存储、通信、计算之间关联关系的数学描述；

45、所述载荷模块将分析结果发送给任务规划模块，或存储等待任务模块的获取请求，再发送给任务模块。

46、根据本发明进一步改进，所述分析计算载荷能力具体方法如下：

47、输入：任务i总数据量，数传任务i的传输速率，最佳数传时刻，输传时长；

48、输出：数传开始时间、数传结束时间：

49、，

50、，

51、；

52、如果数据量不多，则在最佳数传时刻前后一段时间内进行传输；如果数据量较多，则需要利用整个数传窗口进行传输。

53、根据本发明进一步改进，所述数据处理计算具体方法如下：

54、数据处理模块可对观测载荷收集的数据进行处理，提取有用信号，减少对存储空间的需求；

55、输入：存储原始数据量，存储的已经过处理的数据量，数据处理速率，数处理时长，数据处理压缩比；

56、输出：处理后总数据量（不考虑计算数传）

57、。

58、根据本发明进一步改进，所述存储计算具体方法如下：

59、观测任务并经过数据处理后剩余存储空间更新：

60、；

61、输出任务后剩余存储空间更新：

62、。

63、根据本发明进一步改进，所述星上任务发起模块具体包括如下步骤：

64、在发现环境和目标异常条件下，发起对目标继续进行跟踪观测的任务；

65、根据环境和目标异动情况，结合卫星运动趋势，在星上自主发起接续任务，生成新的任务规划；

66、对目标进行接续观测，并将异常情况和任务状态下传地面，由地面决定针对异常的进一步观测计划；

67、主要流程为：

68、所述任务发起模块从综合电子平台或数据库获取环境和目标初始状态；

69、所述任务发起模块感知环境目标变化情况，重点针对云层覆盖可能对任务产生的影响进行评估，判断可否执行观测任务，或降低观测质量；

70、所述任务发起模块根据阈值判断环境目标是否异常，若异常则发起新的任务；

71、所述任务发起模块调用任务规划模块对新任务进行规划。

72、根据本发明进一步改进，所述星上半自主规划模块具体包括如下步骤：

73、首先从综合电子平台接收地面上注的初步任务集合或列表，对任务进行解析和分解，得到可执行的与轨次或时间窗口关联的元任务或子任务及其指标要求；

74、然后根据卫星平台资源约束、载荷资源约束、星间协同约束，结合预留和冗余规则，采用优化算法对元任务或子任务的执行进行优化，生成与时间相关的任务执行动作流集合；

75、主要流程为：

76、所述星上半自主规划模块接受地面上注的任务，所述所述星上半自主规划调用所述任务模块对所述地面上注的任务进行解析与分解，获取元任务或子任务；

77、所述任务规划模块调用所述平台模块与载荷模块获取的计算结果，将其作为任务规划的约束条件，判断是否需要进行星间协同及是否需要进行预调度；

78、所述任务规划模块调用星上半任务发起模块，根据任务和资源情况，判断是否需要进行预调度为观测提前做准备，若需要，则进行预调度时间和资源的计算，然后转到下一步；若不需要，则直接转到下一步；

79、所述任务规划模块从综合电子平台获取异常事件信息，从综合电子平台获取任务扰动监测信息，生成与时间相关的动作指令流，具体为：

80、若无异常和扰动，则执行规划，生成指令；

81、若有异常和扰动，对资源负载进行更新，对异常和扰动进行分析判断，若需要再规划，则返回再规划标识给任务规划模块；

82、若异常和扰动不大，只需要局部调整，则在任务调度模块对规划进行局部调整，并执行规划，生成指令；

83、若异常和扰动对规划影响很小，不需要再规划，也不需要局部调整，则执行规划，生成指令。

84、根据本发明进一步改进，所述星上半自主规划模块还包含优化建模及算法，具体为：

85、将复杂约束下的星上半自主多任务规划问题类比为多约束背包问题，将任务获得的数据看作是这里的物品，将时间窗口类比成背包，将调度规划中需要考虑的约束看作是背包问题中需要考虑的约束；将以上所述方法应用到星上自主规划中，建模为一个时间窗口或轨道周期装入多个任务的多约束多背包问题，其数学描述为：

86、，

87、；

88、其中，：任务集合；：表示卫星是否在时间窗口内执行任务，执行为1，否则为0；：表示卫星执行任务的收益；：表示卫星执行任务的收益；：卫星轨道圈次。

89、本发明还提供一种低轨卫星星上半自主任务规划系统，包括：

90、平台模块，用以计算卫星位置，分析机动变轨能力、姿态调整能力和载荷可用功率，并输出计算和分析结果；

91、任务模块，包括任务解析模块与任务分解计算模块；所述任务解析模块依据综合电子平台获取地面上注的任务信息，对所述任务信息进行解析，获取目标空间分布、任务优先级、分辨率、频率、任务时限参数；所述任务分解计算模块将所述任务信息分解为多个具备执行窗口的元任务或子任务，作为任务规划模块的输入；

92、载荷模块，包括载荷能力计算模块与载荷关联计算模块；所述载荷能力计算模块根据分辨率、可观测频段、载荷机动能力、载荷工作模式、载荷开关机、模式转换、成像时间等参数计算载荷能力，形成任务规划模块载荷参数；所述载荷关联计算模块根据载荷间约束，计算观测和存储、计算和存储、存储和数传等能力之间的关联关系和参数；

93、星上任务发起模块，以根据任务环境、目标的状态变化，计算目标在任务执行过程中的异常情况；卫星根据环境和目标异常情况，判断是否需要对其目标进行接续观测，若需要，则提请对目标的接续观测需求，并发起新任务；卫星对接续观测任务进行规划；

94、星上半自主规划模块，以所述平台模块、任务模块及载荷模块输出结果为约束条件，在任务规划模块生成任务执行的规划，并实时监测异常状态和任务扰动，判断任务是否需要动态调度或再规划，依据任务规划模块结果生成与时间相关的动作指令流。

95、有益效果：本发明方案实现了在卫星平台、载荷状态和环境的实时变化和约束下，通过星上自主任务规划、自主动态调整，实现卫星半自主的自我管理和控制，从而避免在地面无法对卫星进行实时控制的情况下，及时适应环境和自身状态的变化；克服了地面和中继卫星上注任务和指令传输时延长、反应不及时的问题，提出了星上半自主任务规划优化和约束模型，设计了以最大化任务完成度或执行效能的任务规划和调度算法，进而实现低轨卫星高效、适应性强的星上半自主任务规划和执行。