基于事件触发和多层次规划的绕轨卫星观测应急调度方法

本技术涉及空间态势感知，特别是涉及一种基于事件触发和多层次规划的绕轨卫星观测应急调度方法。

背景技术：

1、随着空间探索的发展，绕地球运行的卫星数量迅速增加，空间监视网络(ssn)被广泛用于卫星的观测、识别和定期跟踪。卫星作为重要的空间飞行器，致力于提供地球观测、紧急救援等多种服务。目前，轨道上有4000多颗活动卫星，其中大部分进行不定期机动。随着卫星数量的大量增长，ssn需要执行大量的观测任务来维护卫星的目录，空间任务与有限的ssn资源之间的矛盾日益突出。因此，ssn中有效的任务调度算法受到越来越多的关注。

2、但是，由于不规则的卫星机动，应急任务不能提前预测。如果卫星在一次机动后不能及时更新其目录，从而重新确定其机动后的轨道，它将导致空间目标编目失效，并增加卫星碰撞的风险。为了保证空间系统运行的稳定性；提高卫星跟踪的实时响应；提高空间领域感知(sda)，迫切需要开发ssns的应急调度算法。同时，由于卫星进行二体运动，ssn的观测机会只出现在一定时间可见的时间间隔内，称为时间窗。当卫星执行机动时，必须尽快将重新调度的解决方案上传到ssn控制中心，以获得更多的时间窗，这需要在几秒钟内完成紧急任务。此外，应急任务会导致初始方案的删除或延迟，导致资源浪费和运行失败，这需要初始方案的低干扰度量。

3、由于ssn任务调度问题近年来才成为一个热点，现有文献很少针对ssn的应急任务调度问题开展研究。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够实现绕轨卫星观测应急调度的基于事件触发和多层次规划的绕轨卫星观测应急调度方法。

2、一种基于事件触发和多层次规划的绕轨卫星观测应急调度方法，所述方法包括：

3、获取待观测的绕轨卫星集合、地基传感器资源集合、绕轨卫星观测任务集合以及地基传感器资源与绕轨卫星之间的可探测弧段集合；

4、根据待观测的绕轨卫星集合、地基传感器资源集合、绕轨卫星观测任务集合以及地基传感器资源与绕轨卫星之间的可探测弧段集合设置初始调度方案模型，利用智能优化方法对初始调度方案模型进行求解，得到初始调度方案的扰动；

5、根据总调度收益、初始调度方案的扰动、传感器资源的负载均衡和控制中心的负载均衡设置绕轨卫星观测应急调度模型的目标函数；利用可观测性约束、任务约束和资源约束设置绕轨卫星观测应急调度模型的约束条件；

6、利用目标函数和约束条件构建绕轨卫星观测应急调度模型，根据预先设置的hd-tcrc-des算法对绕轨卫星观测应急调度模型进行求解，得到每个传感器资源的调度计划。

7、在其中一个实施例中，根据总调度收益、初始调度方案的扰动、传感器资源的负载均衡和控制中心的负载均衡设置绕轨卫星观测应急调度模型的目标函数，包括：

8、根据总调度收益、初始调度方案的扰动、传感器资源的负载均衡和控制中心的负载均衡设置绕轨卫星观测应急调度模型的目标函数为

9、

10、其中，ωc表示权重系数，δfc表示总调度收益或初始调度方案的扰动或传感器资源的负载均衡或控制中心的负载均衡。

11、在其中一个实施例中，总调度收益为其中，nnew表示完成动态到达任务的数量，nold表示原调度方案中删除的任务，i表示任务序号，d表示原调度方案中删除的任务序号，pi表示成功执行任务i获得的收益，pd表示成功执行任务d获得的收益，y表示任务是否被执行；初始调度方案的扰动为其中ncen代表控制中心的数量，e表示控制中心的序号，ξd,e是布尔变量；传感器资源的负载均衡为

12、

13、其中，ke表示第e个控制中心下传感器资源的数量，表示第e个控制中心下第j个传感器资源的利用率，表示第e个控制中心下所有传感器资源的平均利用率；

14、控制中心的负载均衡为

15、

16、其中，ue表示第e个控制中心下传感器资源的利用率，ua表示所有控制中心的平均利用率。

17、在其中一个实施例中，可观测性约束包括观测视场约束、地影约束、太阳干扰约束、传感器资源约束、最小角度时间窗口约束；任务约束包括任务唯一性约束、应急任务截止时间约束、观测频率约束、最短观测时间约束、相邻观测时间约束、特殊任务约束；资源约束包括传感器转换时间约束和传感器观测能力约束。

18、在其中一个实施例中，观测频率约束为其中，frk表示观测频率，wi表示任务i调度结果，w表示所有任务调度结果集合，yi表示任务i是否被执行；最短观测时间约束为其中，fsi表示任务i实际开始观测时间，fei表示任务i实际结束观测时间，li表示任务i最短观测时间；相邻观测时间约束为其中，wh表示任务h调度结果，wsk表示任务sk调度结果，osh表示任务sh标识，oi表示任务i标识，fsh表示任务h实际开始观测时间，dg表示同一相邻两次最短观测时间间隔。

19、在其中一个实施例中，根据预先设置的hd-tcrc-des算法对绕轨卫星观测应急调度模型进行求解，得到每个传感器资源的调度计划，包括：

20、根据滚动时域策略在连续时域内不断地迭代响应，缩小应急任务规模，动态更新空间目标传感器资源的调度方案，在一个滚动窗口内，基于冲突滞后和动态邻域结，为每个应急任务分配不同的传感器资源，针对传感器资源造成的任务冲突，设计启发式策略生成每个传感器资源的应急调度方案，根据动态贝叶斯网络对每个传感器资源的应急调度方案进行资源协商与调节，得到每个传感器资源的初始调度计划；

21、利用多中心协同调度算法对初始调度计划进行中心协同，得到每个传感器资源的调度计划。

22、在其中一个实施例中，根据滚动时域策略在连续时域内不断地迭代响应，缩小应急任务规模，动态更新空间目标传感器资源的调度方案，包括：

23、将事件触发作为滚动触发条件，当航天器发生机动后，在有限的时间内对航天器进行跟踪、定轨，更新窗口开始时间、窗口结束时间及在周期内所含的任务，在窗口开始之前的任务称为完成任务；窗口内的任务称为应急任务，窗口结束时间之后的任务称为未来任务，对应急任务进行调度，在滚动时域策略下，依次执行任务分配，冲突消解，资源协商和中心协同，获得应急调度方案然后返回至各中心下的传感器资源，传感器资源基于应急调度方案继续执行任务，等待下一次窗口滚动的触发动态更新空间目标传感器资源的调度方案。

24、在其中一个实施例中，基于冲突滞后和动态邻域结，为每个应急任务分配不同的传感器资源，包括：

25、将应急任务按照优先级进行排序，得到p＝[p1,p2,...,pn]，其中p表示应急任务优先级，n为应急任务的数量；

26、在优先级排序的基础上，计算每个任务相对于管控中心的适应度，记为联合适应度,并按照联合适应度的大小进行重新排序，得到t＝[t1,t2,...,tn]，其中t表示联合适应度；

27、按照t＝[t1,t2,...,tn]，将应急任务优先分配给重要的管控中心，同时考虑联合适应度，将应急任务分配给联合适应度高的管控中心；

28、按照动态邻域结构，分别采用时间优先，数量有限，时间间隔优先方式将分配好的应急任务指定某个传感器资源。

29、在其中一个实施例中，针对传感器资源造成的任务冲突，设计启发式策略生成每个传感器资源的应急调度方案，包括：

30、以每个传感器的应急任务和初始调度结果为输入，将应急任务按照优先级排序，同时计算每个应急任务在其观测资源下的冲突度；

31、结合优先级与冲突度，采用轮盘赌的方法，将应急任务按照启发式规则进行冲突消解，主要形式为插入、替换、轮转；将无法完成的剩余应急任务反馈至管控中心，并进行下一步调度；生成每个传感器资源的应急调度方案。

32、在其中一个实施例中，根据动态贝叶斯网络对每个传感器资源的应急调度方案进行资源协商与调节，得到每个传感器资源的初始调度计划，包括:

33、在招标过程中管控中心自动担任招标智能体，招标公告包括以下信息：taskdoc＝<contractid,taskinfor>，其中contractid表示合同对应的唯一编号，taskinfor表示招标观测任务的详细信息：

34、taskinfor＝{task_pri,task_dur,task_req}，其中，task_pri表示任务优先级，task_dur表示任务最短所需观测时间，task_req表示任务其他属性，包括对应空间目标编号和观测时间；

35、在投标过程中管控中心作为投标方，投标方需要与应急任务具有可见弧段，同时需要在截止时间之前提交投标方案，投标方在接收招标信息后，需要形成有效的投标方案，包括以下信息：

36、document＝<contractid,bool,redectplan,benefit>，其中contractid表示投标方案对应的合同编号，bool表示是否进行投标的布尔变量，benefit表示投标收益，redectplan表示针对招标公告中的应急任务进行资源重调度的方案，具体表示为：redectplan＝{starttime,endtime,duration}，starttime表示应急任务实际开始时间，endtime表示以你估计任务实际结束时间，duration表示观测时长；

37、在评标过程中，在收到全部投标智能体反馈的标书或超过预定的截止时间后，管控中心将结束招标并启动评标程序；评标程序为根据各投标智能体标书，通过评标算法确定并通知中标智能体，将任务分配给中标智能体；中标智能体接受到中标通知后，通过招标智能体移除该任务，双方达成协议，确定任务分配；同时，中标智能体将任务并入其任务池，启动一次真实的重调度，更新正在执行的调度方案，得到每个传感器资源的初始调度计划。

38、上述基于事件触发和多层次规划的绕轨卫星观测应急调度方法，本技术针对空间目标观测网中多传感器协同观测应急调度问题，考虑了每个绕轨卫星的观测时间、观测频率和传感器能力等多种约束条件，建立了以观测利润最大化和对原方案扰动测度最小的绕轨卫星观测应急调度模型，对绕轨卫星观测应急调度模型决策空间维度高、求解困难的问题，提出了一种考虑任务分配、冲突消解、资源协商和中心协同的hd-tcrc-des算法来满足多星、多站、多中心智能化、协同化的管控需求，在应急规划、自主规划的目的下，该方法降低问题复杂度，计算结果稳定，并通过对应急任务进行筛选，减少求解空间，提高求解效率，满足动态环境下任务方案小幅改动与继续优化的需求，集成实时的冲突消解、资源协商与多中心协同调度机制来生成每个传感器资源的调度计划实现绕轨卫星观测应急调度。