[发明专利]一种基于分治策略的多星观测分层调度方法及系统

权利要求书

1.一种基于分治策略的多星观测分层调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用分配算法把任务分配至各轨道圈次上，形成各轨道圈次的任务集；

S2、利用近似优化算法求解各轨道圈次上任务集的调度序列；

S3、根据各轨道圈次调度序列反馈的未生成调度序列的任务重新更新分配算法的分配方案，进而形成新的各轨道圈次的新的任务集；

S4、重复步骤S1、S2、S3直至达到多星观测分层调度的终止条件；

步骤S2中，所述近似优化算法为模拟退火算法；

所述模拟退火算法获取当前轨道圈次的初始调度序列的步骤包括：

S211、将单轨道圈次任务集中的待规划调度任务根据权重从大到小依次排列，形成单轨道圈次未被调度的初始任务集U；

S212、从U中选择权重最大的任务t_k，应用插入和删除邻域结构变换，把t_k加入到局部解S中生成新的局部解S′，若S′的适应度高于S，则对S进行更新，令S＝S′，否则不对S进行更新，同时将t_k从U中移至U_j中，其中U_j表示在轨道圈次上未被调度的任务集；

S213、重复步骤S212直至U中的任务全部遍历完成，获取当前轨道圈次的调度序列S与当前轨道圈次未被调度的任务集U_j；

所述模拟退火算法的领域搜索结构包括基于贪婪准则的邻域搜索结构与基于概率搜索的邻域搜索结构，所述模拟退火算法包括邻域搜索结构动态选择策略：根据两种邻域搜索结构在之前分配方案内的优化性能，决定在后续分配方案中领域搜索结构的选择，具体为：

假定pro₁和pro₂分别表示为选择基于贪婪准则的邻域搜索结构和基于概率搜索的邻域搜索结构的概率，在算法初始化时，设定pro_i＝0.5，i＝1,2，每隔一定的迭代次数Itr，通过以下规则更新每个邻域结构的选择概率：

式中，表示中间变量；η为惯性权重因子，表示邻域结构之前的选择概率所占的比重；(1-η)表示当前最新历史搜索经验对更新选择概率的权重；Sel_i为最近Itr次迭代过程中，第i个邻域结构被选中的次数；Suc_i表示利用第i个邻域结构产生了更高质量的解的次数；

基于概率搜索的邻域搜索结构的模拟退火算法具体包括：

S231、获取当前轨道圈次的调度序列S与当前轨道圈次未被调度的任务集U_j；

S232、在U_j中取出任一任务t_k的概率为其中index_k为任务t_k优先级指标，令U_j＝U_j-t_k；

S233、将t_k插入到当前轨道圈次的调度序列S中去，判断是否满足侧摆时间约束，若满足则直接形成新的调度序列S″，若不满足则删除与t_k冲突的任务后形成新的调度序列S″，其中删除的任务存入S_u中，S_u是所有轨道圈次未被调度的任务集合；

S234、判断新的调度序列是否满足能量约束和存储容量约束：

若满足，则重复步骤S231、S232、S233、S234直至U_j中所有的任务都遍历完成，获取当前轨道上的最终调度序列S″并将当前轨道未被调度的任务存入集合S_u中；

若不满足，则删除任务t_j的概率为其中index_j为任务t_j优先级指标，直到满足能量约束和存储容量约束后重复步骤S231、S232、S233、S234直至U_j中所有的任务都遍历完成，获取当前轨道上的最终调度序列S″并将当前轨道未被调度的任务存入集合S_u中，其中S_u是所有轨道圈次未被调度的任务集合；

在基于概率搜索的邻域搜索结构中，不但考虑了任务的权重，还考虑完成每个任务需潜在消耗的侧摆资源和时间窗口资源，综合权重、侧摆角度和时间窗口，在插入和替换邻域结构变换过程中，为每个任务t_k计算一个优先级指标index_k，首先分别计算权重指标，时间窗口指标和侧摆角度指标：

权重指标为：

式中，iW_k为权重指标；w_k是第k个任务的权重；w_i是第i个任务的权重；n_j是U_j任务数量；

时间窗口指标为：

式中，iT_k为时间窗口指标；span_k为t_k的时间窗口长度；span_i为t_i的时间窗口长度；

侧摆角度指标为：

式中，iT_k为侧摆角度指标；θ_i在轨道o_j上观测任务t_i时传感器所需测摆的角度；θ_k在轨道o_j上观测任务t_k时传感器所需测摆的角度；

优先级指标index_k最终表示为：

index_k＝iW_k^α·iT_k^β·iθ_k^γ

式中，α,β,γ分别表示不同要素的影响因子，由用户针对具体问题具体设置；

基于贪婪准则的邻域搜索结构的模拟退火算法具体包括：

S221、获取当前轨道圈次的调度序列S与当前轨道圈次未被调度的任务集U_j；

S222、在U_j中取出一个尚未调度的权重最大的任务t_k，令U_j＝U_j-t_k；

S223、将t_k插入到当前轨道圈次的调度序列S中去，判断是否满足侧摆时间约束，若满足则直接形成新的调度序列S″，若不满足则删除与t_k冲突的任务后形成新的调度序列S″，其中删除的任务存入S_u中，S_u是所有轨道圈次未被调度的任务集合；

S224、判断新的调度序列S″是否满足能量约束和存储容量约束：

若满足，则重复步骤S221、S222、S223、S224直至U_j中所有的任务都遍历完成，获取当前轨道上的最终调度序列S″并将当前轨道未被调度的任务存入集合S_u中；

若不满足，则依次删除权重最小的任务直到满足能量约束和存储容量约束后重复步骤S221、S222、S223、S224直至U_j中所有的任务都遍历完成，获取当前轨道上的最终调度序列S″并将当前轨道未被调度的任务存入集合S_u中，其中S_u是所有轨道圈次未被调度的任务集合。