[发明专利]一种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划算法

摘要

本发明涉及一种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划算法。本发明针对成像卫星自主任务规划问题进行了研究,建立了基于RHC策略的自主任务规划框架,描述了滚动构造任务规划子问题的优化方法,并提出了基于RHC策略的成像卫星自主任务规划启发式算法。在实验分析中,通过不同问题规模、不同RHC策略参数的对比实验,验证了针对成像卫星自主任务规划问题,本文提出的基于RHC的启发式算法是有效的,该算法边规划边执行的策略对于对地观测网络中随时可能出现的动态任务具有较强的鲁棒性,能够较好地解决成像卫星自主任务规划问题中实时性和最优性间的矛盾。

主权项

一种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划方法，其特征在于：包含预测窗口、滚动窗口、规划子问题和滚动机制四要素，所述规划子问题是指在每个规划时刻根据当前滚动窗口构造的局部规划问题，滚动机制用于在限定了规划子问题求解后确定规划方案结束的执行位置和下一个规划时刻；该成像卫星自主任务规划方法是用若干个沿任务轴滚动的局部规划替代一次性全局规划，在每个规划时刻，首先通过当前的预测窗口对任务信息进行实时更新，更新过程中增加一些新的任务、或者删除被取消的任务、或者对任务的属性信息进行调整，然后在预测窗口的基础上再确定当前的滚动窗口，每次局部规划均针对滚动窗口进行，每次局部规划结束后，只执行规划结果中的一部分任务，这部分任务全部执行结束的时刻是下一次规划的开始时刻，其中，采用启发式方法在预测窗口和滚动窗口不断向前滚动的过程中逐个对每一个规划子问题进行规划求解，该成像卫星自主任务规划算法包括八个模块：滚动机制控制模块、预测窗口信息更新模块、滚动窗口预处理模块、观测活动确定模块、约束检查模块、回传活动确定模块、时间窗口维护模块、方案生成模块；所述滚动机制控制模块根据自主任务规划方案以及滚动步长确定当前规划时刻的预测窗口和滚动窗口；所述预测窗口信息更新模块主要完成对预测窗口内各任务和约束信息的实时更新，为其它模块操作提供及时准确的数据支持；所述滚动窗口预处理模块依据排序规则对滚动窗口内的任务进行排序，并按照任务队列次序依次将观测任务提交给观测活动确定模块，将回传任务提交给回传活动确定模块；所述观测活动确定模块根据每个任务当前实时更新的可用观测时间窗口信息,选择任务的观测开始时刻,然后提交给约束检查模块,再根据约束检查模块的反馈结果确定任务的观测开始时刻；所述约束检查模块根据任务的观测开始时刻计算卫星固存使用情况,判断任务观测开始时刻是否合理,并将检查结果提交给观测活动确定模块和回传活动确定模块；所述回传活动确定模块根据当前任务的可用回传时间窗口情况,确定该任务的回传开始时刻, 并确保回传开始时刻在该任务观测结束时刻之后；所述时间窗口维护模块利用卫星的已用时间窗口对观测目标当前可用时间窗进行裁剪,更新观测目标可用时间窗口信息；所述方案生成模块根据每次迭代后的收益情况,确定每个规划子问题的最终规划结果；具体步骤如下：步骤1：确定滚动时域调度策略参数后启动算法,令调度时刻p=0；步骤2：在调度时刻p, p=p+1,确定预测窗口F(p),同时更新预测窗口内任务及相关约束信息,并按时间窗口开始时刻的先后顺序进行排序；步骤3：根据预测窗口F(p)内信息,建立滚动窗口K(p)；步骤4：对滚动窗口内任务进行排序,生成任务队列Sequence,Sequence中包含I个任务, I=k,Sequence[1]表示队列的首任务；步骤5：判断I是否等于0,如果I=0,转至步骤14；步骤6：判断Sequence[1]是否为观测任务,如果不是,转至步骤11；步骤7：对Sequence[1]的可用观测时间窗口进行裁剪；步骤8：判断Sequence[1]是否有可用观测时间窗口,如果没有,则将Sequence[1]从Sequence中删除,I=I‑1,并转至步骤5；步骤9：为Sequence[1]确定观测开始时刻t；步骤10：针对Sequence[1]的观测开始时刻进行约束检查,如果Mt>M,其中Mt和M分别表示t时刻卫星固存占用值和卫星固存占用值，则将Sequence[1]从Sequence中删除,I=I‑1,并转至步骤5；步骤11：对Sequence[1]的回传时间窗口进行裁剪；步骤12：判断是否有可用回传时间窗口,如果没有,则将Sequence[1]从Sequence中删除, I=I‑1, 并转至步骤5；步骤 13：为Sequence[1]确定回传开始时刻,然后将Sequence[1]从Sequence中删除, I=I‑1,并转至步骤5；步骤14：生成此次迭代的调度方案；步骤15：判断是否满足迭代终止条件,如果不满足,转至步骤4；步骤16：生成最优调度方案；步骤17：卫星只执行方案中前x个任务并删除这些任务；步骤18：判断此时是否还有未执行的任务,如果有,转至步骤2；步骤19：算法暂停,等待新任务的出现。