[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

说明书

本发明提供一种基于分治策略的多星观测分层调度方法及系统，具体包括以下步骤：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、分配算法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。通过把一个复杂的组合优化问题进行有效的分解简化，变成一个双层规划，有效降低了问题求解的复杂度，尤其在求解大规模多星观测调度问题时表现出卓越的性能。本发明应用于卫星调度技术领域。

技术领域

本发明涉及卫星调度技术领域，尤其涉及一种基于分治策略的多星观测分层调度方法及系统。

背景技术

对地观测卫星(Earth Observing Satellites，EOSs)绕地球飞行，能够获取地球表面指定区域的图像信息以满足用户的观测需求，在环境监控、情报侦察等领域扮演了关键角色。为了充分利用稀缺的卫星资源，研究高效的观测调度方法以提高卫星应用水平，具有重要的意义。由于用户的对地观测需求通常超过现有卫星资源的观测能力，因此卫星观测调度问题(Satellite Observation Scheduling Problem,SOSP)是一类过度订阅(oversubscribed)问题。

早期与SOSP相关的研究侧重于单颗卫星的调度。Vasquez和Hao将卫星观测调度问题转化为经典背包模型，提出了一种禁忌搜索算法求解该模型。在另一篇论文中，Vasquez和Hao提出了基于分解的方法来获得优化问题最小上界，以评估禁忌搜索算法求解所得卫星观测调度方案的质量。Bensana等将Spot5卫星的调度转化为约束满足问题，并利用精确或近似算法分别对该问题进行求解。Gabrel和Vanderpooten提出了一种无环图模型来描述Spot5卫星的调度问题，首先生成多条有效路径，然后从中选定一条最好的路径。Lin等采用数学规划方法来获得近似最优卫星观测调度方案。Baek等采用一种新的遗传算法模拟卫星实际观测调度问题。Miguel等基于在节点打包和3-正则独立系统的有效不等式，为Spot5卫星的日常成像调度提供规划方案。

卫星观测调度是要在满足一系列观测任务需求和约束条件下，确定每颗卫星在每个轨道圈次上的观测活动，实现观测收益的最大化，是提高卫星使用效率的关键。传统的多星调度算法以每颗卫星为调度单位，但是如果调度时间区间较大，一颗卫星会绕地球飞行多个轨道圈次(例如成像侦察卫星一般每天绕地飞行14轨道圈次左右)，不同的卫星可能观测到相同的目标，且同一颗卫星在其不同的轨道圈次上可能可以观测到相同的目标，造成观测冲突更加复杂(一般假定一个目标只需观测一次)，尤其在大规模多星观测调度问题时的求解程度更加复杂。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于分治策略的多星观测分层调度方法及系统，该方法有效降低了问题求解的复杂度，尤其在求解大规模多星观测调度问题时表现出卓越的性能。

本发明在进行多星观测分层调度时，首先将卫星分解到轨道圈次，把每个轨道圈次看成是具备对地观测能力的资源，即将多星多轨道圈次调度问题转化为多轨道圈次调度问题。

设集合O中包含一般性的具有对地观测能力轨道圈次资源，O＝{o_j|j＝1,2,...,M}，M为集合的基，即是调度问题中轨道圈次资源的数量。设集合T是待观测的目标集合，包括点目标和分解后的条带目标，T＝{t_i|i＝1,2,...,N}，N表示任务数量。0-1变量x_ij用来表示在调度方案中任务t_i是否在轨道圈次o_j上完成：任务t_i在轨道圈次o_j上完成时x_ij＝1，否则x_ij＝0。多星观测调度的目标是最大化观测收益，为所有完成任务的收益之和，即：