本發(fā)明涉及航天地面系統(tǒng)任務管控領域，尤其是涉及基于測控時機的滾動式遙感衛(wèi)星動態(tài)任務規(guī)劃方法，適用于對任務快速響應時效性要求較高情況下的衛(wèi)星任務規(guī)劃。

背景技術：

現(xiàn)有的遙感衛(wèi)星任務管控系統(tǒng)，為配合日常值班，多為以天為周期批處理式的任務規(guī)劃方式，每顆衛(wèi)星一般一天進行一次任務規(guī)劃，一次規(guī)劃安排24小時內的觀測任務。雖然在解決資源沖突方面比較有效，當在軌運行衛(wèi)星數(shù)量較多時，任務量大幅增長，并且任務動態(tài)變化頻繁，任務快速響應要求較高時，這種針對常規(guī)普查任務跨距較長的靜態(tài)管控流程，在面對突發(fā)事件緊急調整任務時，應急任務插入可能會影響到24小時的星上任務執(zhí)行，任務調整不夠靈活、快捷，存在衛(wèi)星安全風險。并且，用戶提交觀測需求需要等待一到兩天時間才能安排執(zhí)行，因此這種模式無法應付應急常態(tài)化任務管控。未來任務管控系統(tǒng)建設對任務快速響應能力提出了更高要求，現(xiàn)有面向常規(guī)普查任務的固定值班周期任務控制模式已不能滿足應急常態(tài)化情況下任務快速調整的時效性要求，縮短衛(wèi)星任務規(guī)劃時間區(qū)間勢在必行，需要采用面向快速響應任務的滾動式動態(tài)任務管控模式，縮短從需求受理到獲取數(shù)據的時間周期，從而提高系統(tǒng)的快速響應能力。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供基于測控時機的滾動式遙感衛(wèi)星動態(tài)任務規(guī)劃方法，采用基于滾動優(yōu)化策略的動態(tài)規(guī)劃方法，以滾動推進的形式選擇任務進行規(guī)劃，可及時調整任務規(guī)劃方案以適應和跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)的變化，因此能夠有效應對任務動態(tài)到達對系統(tǒng)的影響。

為達到上述目的，本發(fā)明提供了基于測控時機的滾動式遙感衛(wèi)星動態(tài)任務規(guī)劃方法，具體包括：

(1)從前一輪動態(tài)任務規(guī)劃的結束時間之后，查找與前一輪動態(tài)任務規(guī)劃的結束時間最近的測控時段，將該測控時段作為本輪動態(tài)任務規(guī)劃的測控時機，從該測控時機的結束時間向后預留本輪動態(tài)任務規(guī)劃第一個載荷動作的準備時間得到本輪動態(tài)任務規(guī)劃的開始時間；將下一輪動態(tài)任務規(guī)劃的測控時機的結束時間作為本輪動態(tài)任務規(guī)劃的結束時間；

(2)將本輪動態(tài)任務規(guī)劃的開始時間和結束時間的時間差作為本輪動態(tài)任務規(guī)劃的任務滾動時間窗口；

(3)將任務滾動時間窗口的開始時間作為資源滾動時間窗口的開始時間，獲取任務滾動時間窗口內最后一個任務結束時間之后的第一個接收資源時間窗口，將該接收資源時間窗口的結束時間作為資源滾動時間窗口的結束時間；

(4)獲取前一輪動態(tài)任務規(guī)劃的最后一個載荷動作結束后的星上資源狀態(tài)，將該星上資源狀態(tài)作為本輪動態(tài)任務規(guī)劃的初始狀態(tài)；

(5)將處于資源滾動時間窗口內的已受理任務作為本輪動態(tài)任務規(guī)劃的輸入，進行前瞻性任務預測；基于初始狀態(tài)進行兩輪動態(tài)任務規(guī)劃之間的狀態(tài)轉移，并采用優(yōu)化搜索算法與載荷約束處理方法進行優(yōu)化決策獲得本輪動態(tài)任務規(guī)劃的輸出；

(6)記錄本輪動態(tài)任務規(guī)劃的最后一個載荷動作執(zhí)行結束后的星上資源狀態(tài)；

(7)將后一輪動態(tài)任務規(guī)劃更新為本輪動態(tài)任務規(guī)劃，轉入步驟(1)。

其中，所述的星上資源狀態(tài)包括：固存容量、星上能量和平臺姿態(tài)；所述固存容量包括：固存未回放文件集和固存未回放文件占用容量；所述星上能量包括：星上電量、電壓；所述平臺姿態(tài)包括：上一輪動態(tài)任務規(guī)劃結束時遙感衛(wèi)星停留姿態(tài)角度和數(shù)傳天線角度。

其中，步驟(4)具體為：遵循星上資源連續(xù)使用原則，獲取前一輪動態(tài)任務規(guī)劃的最后一個載荷動作結束后的星上資源狀態(tài)，將該星上資源狀態(tài)作為本輪動態(tài)任務規(guī)劃的初始狀態(tài)。

其中，步驟(5)所述的前瞻性任務預測，具體為：對于任務滾動時間窗口結束時間到資源滾動時間窗口開始時間之間的時段，若還沒有受理任務，根據遙感衛(wèi)星回歸周期內每日任務分布情況與最近熱點目標預測該時段可能下達的重要任務。

其中，步驟(5)所述的優(yōu)化搜索算法，包括：貪婪算法、遺傳算法、模擬退火算法與禁忌搜索算法。

其中，步驟(5)所述的載荷約束處理方法，具體為：前一輪動態(tài)任務規(guī)劃結束時的載荷動作與本輪動態(tài)任務規(guī)劃開始時的載荷動作之間必須滿足相鄰兩次載荷動作時間間隔約束；本輪動態(tài)任務規(guī)劃內部載荷動作之間也必須滿足相鄰兩次載荷動作時間間隔約束；本輪動態(tài)任務規(guī)劃中觀測任務與數(shù)傳任務還要滿足載荷工作模式使用約束、載荷開機時間限制、載荷開關機動作時序關系約束和姿態(tài)切換時間約束。

其中，步驟(5)所述的基于初始狀態(tài)進行兩輪動態(tài)任務規(guī)劃之間的狀態(tài)轉移，具體為：通過獲取前一輪動態(tài)任務規(guī)劃未回放的所有任務，在本輪動態(tài)任務規(guī)劃中進行數(shù)傳任務與接收資源安排，并且數(shù)傳任務中安排回放的固存文件號必須包含前一輪動態(tài)任務規(guī)劃中已記錄未安排回放的固存文件號，每一輪任務規(guī)劃過程中都需要在初始的固存容量、星上能源和平臺姿態(tài)狀態(tài)基礎上進行載荷與平臺使用約束的檢驗。

其中，如果在本輪動態(tài)任務規(guī)劃的測控時機之前有需要立即執(zhí)行的應急任務，則臨時申請早于測控時機的應急測控時間窗口，將該應急測控時間窗口作為新的測控時機，按照步驟(1)與(2)重新確定本輪動態(tài)任務規(guī)劃的任務滾動時間窗口，按照步驟(3)～(6)，重新進行本輪動態(tài)任務規(guī)劃。

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提供的基于測控時機的滾動式遙感衛(wèi)星動態(tài)任務規(guī)劃方法，與傳統(tǒng)的以天為周期的靜態(tài)任務規(guī)劃方法相比，規(guī)劃周期縮短，以滾動推進的形式選擇任務進行動態(tài)規(guī)劃，可快速接納隨時到達的應急任務參與任務規(guī)劃，可及時調整任務規(guī)劃方案以適應和跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)的變化，提高應急任務管控時效性，縮短從需求受理到獲取數(shù)據的時間周期，從而提高地面系統(tǒng)的快速響應能力。

2、利用本發(fā)明，由于每個測控窗口之前都可以進行一輪動態(tài)任務規(guī)劃上注衛(wèi)星執(zhí)行，在地面即可完成應急任務規(guī)劃，避免了星上指令取消、任務包修改、刪除等任務的調整操作，減低了任務應急動態(tài)調整復雜度，規(guī)避了星上任務頻繁調整風險，減輕了應急調整時值班任務分析決策復雜度與心理壓力。

3、本發(fā)明提供的基于測控時機的滾動式遙感衛(wèi)星動態(tài)任務規(guī)劃方法，每一輪動態(tài)任務規(guī)劃過程中采用的優(yōu)化搜索算法、任務與資源優(yōu)化策略以及各星的約束處理功能等，與傳統(tǒng)的任務規(guī)劃沒有太大不同，原有的技術成果與各衛(wèi)星復雜的約束處理方法等仍然可以繼承使用，保證了系統(tǒng)改進的快速簡單與可靠性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的基于測控時機的滾動式遙感衛(wèi)星動態(tài)任務規(guī)劃方法的多階段滾動式動態(tài)任務規(guī)劃流程圖。

圖2是依照本發(fā)明實施的單輪動態(tài)任務規(guī)劃方法的流程圖。

圖3是圖2中滾動時間窗口選取示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

基于測控時機的遙感衛(wèi)星滾動式動態(tài)任務規(guī)劃方法，包括：基于滾動優(yōu)化策略選取任務規(guī)劃滾動時間窗口，按照時間特征，把常規(guī)以天為周期的任務規(guī)劃問題，以測控時間周期劃分為若干輪任務規(guī)劃的多階段決策過程；針對每一輪任務規(guī)劃，遵循星上資源連續(xù)使用原則進行滾動式動態(tài)任務規(guī)劃求解；在每輪任務規(guī)劃過程中進行前瞻性任務預測與資源處理，與多輪任務規(guī)劃合并進行約束檢驗；通過多輪任務規(guī)劃之間狀態(tài)的轉移，完成整體任務規(guī)劃的求解。具體包括：

(1)從前一輪動態(tài)任務規(guī)劃的結束時間之后，查找與前一輪動態(tài)任務規(guī)劃的結束時間最近的測控時段，作為本輪動態(tài)任務規(guī)劃的測控時機，從該測控時段的結束時刻，向后預留本輪動態(tài)任務規(guī)劃第一個載荷動作的準備時間Δt(姿態(tài)機動時間、指令執(zhí)行延時、與上次動作間隔時間)，到下一輪動態(tài)任務規(guī)劃的測控時機的結束時間，即為一次滾動式任務規(guī)劃的任務滾動時間窗口[T1+Δt,T2]，其中T1為本輪動態(tài)任務規(guī)劃測控窗口的結束時間，Δt第一個載荷動作的準備時間長度，T2為下一個測控窗口的結束時間；

上述方案中，如果在本輪動態(tài)任務規(guī)劃的測控時機之前有需要立即執(zhí)行的應急任務，可以臨時申請早于原先測控時機的應急測控時間窗口，將應急測控時間窗口作為新的測控時機，按照以上方案重新確定本輪動態(tài)任務規(guī)劃的任務滾動時間窗口，重新開始本輪動態(tài)任務規(guī)劃。

(2)將任務滾動時間窗口的開始時間作為資源滾動時間窗口的開始時間，獲取任務滾動時間窗口內最后一個任務結束時間之后的第一個接收資源時間窗口，將該接收資源時間窗口的結束時間作為資源滾動時間窗口的結束時間，從而確定本輪動態(tài)任務規(guī)劃的資源滾動時間窗口[T1,T3]，其中T3為與任務滾動時間窗口結束時間最近的接收資源時間窗口結束時間。

需要說明的是，多次滾動任務規(guī)劃之間任務滾動窗口是連續(xù)且不交疊的，而資源滾動窗口是交疊的。

(3)獲取前一輪動態(tài)任務規(guī)劃的最后一個載荷動作結束后的星上資源狀態(tài)，將該星上資源狀態(tài)作為本輪動態(tài)任務規(guī)劃的初始狀態(tài)Φ⁰_n。

(4)將處于資源滾動時間窗口內的已受理任務作為本輪動態(tài)任務規(guī)劃的輸入，對于任務滾動時間窗口結束時間到資源滾動時間窗口開始時間之間的時段，若還沒有受理任務，則進行前瞻性任務預測；遵循星上資源連續(xù)使用原則，基于初始狀態(tài)進行兩輪動態(tài)任務規(guī)劃之間的狀態(tài)轉移，并采用優(yōu)化搜索算法與載荷約束處理方法進行優(yōu)化決策獲得本輪動態(tài)任務規(guī)劃的輸出。

上述方案中，所述的前瞻性任務預測，具體為：對于任務滾動時間窗口結束時間到資源滾動時間窗口開始時間之間的時段，若還沒有受理任務，根據遙感衛(wèi)星回歸周期內每日任務分布情況與最近熱點目標預測該時段可能下達的重要任務。

所述針對每一輪任務規(guī)劃，遵循星上資源連續(xù)使用原則具體為：獲取前一輪動態(tài)任務規(guī)劃的最后一個載荷動作結束后的星上資源狀態(tài)，將該星上資源狀態(tài)作為本輪動態(tài)任務規(guī)劃的初始狀態(tài)。

所述的狀態(tài)轉移具體為：以第n輪動態(tài)任務規(guī)劃結束時的狀態(tài)Φ^m_n中的固存容量、星上能量、平臺姿態(tài)作為動態(tài)任務規(guī)劃的初始狀態(tài)Φ⁰_n+1，開始第n+1輪動態(tài)任務規(guī)劃，通過在Φ^m_n中獲取未回放的所有任務T_n，在第n+1輪動態(tài)任務規(guī)劃中進行數(shù)傳任務與接收資源安排，并且數(shù)傳任務中安排回放的固存文件號必須包含Φ^m_n中已記錄的固存文件號M_n；每一輪動態(tài)任務規(guī)劃過程中都需要在初始狀態(tài)基礎上進行載荷與平臺使用約束的檢驗；n+1輪動態(tài)任務規(guī)劃完成后的狀態(tài)作為n+2輪動態(tài)任務規(guī)劃的初始狀態(tài)，以此類推，通過多輪滾動式動態(tài)任務規(guī)劃狀態(tài)的轉移，實現(xiàn)整體的任務規(guī)劃。

所述的優(yōu)化搜索算法，包括：貪婪算法、遺傳算法、模擬退火算法與禁忌搜索算法。

所述的載荷約束處理方法，具體為：前一輪動態(tài)任務規(guī)劃結束時的載荷動作與本輪動態(tài)任務規(guī)劃開始時的載荷動作之間必須滿足相鄰兩次載荷動作時間間隔約束；本輪動態(tài)任務規(guī)劃內部載荷動作之間也必須滿足相鄰兩次載荷動作時間間隔約束；本輪動態(tài)任務規(guī)劃中觀測任務與數(shù)傳任務還要滿足載荷工作模式使用約束、載荷開機時間限制、載荷開關機動作時序關系約束和姿態(tài)切換時間約束；n輪任務規(guī)劃中固存容量、星上能源、平臺姿態(tài)的使用是連續(xù)的，即上一輪與本輪任務規(guī)劃合并進行各類載荷約束檢驗、能源平衡檢驗、數(shù)據記錄回放計算與平臺姿態(tài)轉換時間計算。

上述方案中，每一輪動態(tài)任務規(guī)劃子問題的求解仍然可以采用傳統(tǒng)的各類優(yōu)化搜索算法與衛(wèi)星載荷約束處理實現(xiàn)，只是需要考慮多輪任務規(guī)劃之間的載荷使用約束、星上資源連續(xù)使用與資源平衡等。

(5)記錄本輪動態(tài)任務規(guī)劃的最后一個載荷動作執(zhí)行結束后的星上資源狀態(tài)Φ^m_n，其中m為本輪動態(tài)任務規(guī)劃的最后一個載荷動作；

上述方案中，所述的記錄本輪動態(tài)任務規(guī)劃星上資源狀態(tài)，不但要記錄本輪動態(tài)任務規(guī)劃最后一個載荷動態(tài)結束后的星上資源狀態(tài)，也需要記錄每一個載荷動作后的星上資源使用狀態(tài)，以便于從任何節(jié)點進行應急動態(tài)任務規(guī)劃。

所述的星上資源狀態(tài)包括：固存容量、星上能量和平臺姿態(tài)；所述固存容量包括：固存未回放文件集和固存未回放文件占用容量；所述星上能量包括：星上電量、電壓；所述平臺姿態(tài)包括：上一輪動態(tài)任務規(guī)劃結束時遙感衛(wèi)星停留姿態(tài)角度和數(shù)傳天線角度。

(6)將后一輪動態(tài)任務規(guī)劃更新為本輪動態(tài)任務規(guī)劃，轉入步驟(1)。

本文中涉及的主要參數(shù)說明：

定義狀態(tài)空間Φ：Φ＝(T，M，E，A)

其中，T為已安排觀測但未安排回放任務集；M為固存未回放文件集；E為上一輪規(guī)劃結束星上剩余能源；A為上一輪規(guī)劃結束衛(wèi)星停留姿態(tài)角度、數(shù)傳天線角度等。

基于狀態(tài)空間的定義,一次完整的任務規(guī)劃的狀態(tài)可表示為:

Φ＝Φ₁∪Φ₂∪…Φ_N

設Φ_n初始狀態(tài)為：

Φ⁰_n＝(T⁰_n，M⁰_n，E⁰_n，A⁰_n)

設Φ_n規(guī)劃完成狀態(tài)為：

Φ_n^m＝(T^m_n，M^m_n，E^m_n，A^m_n)

獲取本輪任務規(guī)劃初始狀態(tài)：獲取本輪任務規(guī)劃開始時刻，獲取前一輪任務規(guī)劃方案信息，從前一輪任務規(guī)劃方案信息中查詢早于本輪任務規(guī)劃開始時刻的最后一個載荷動作，獲取該載荷動作結束后的星上資源狀態(tài)，作為本輪任務規(guī)劃的初始狀態(tài)，即：

T⁰_n+1＝T^m_n，M⁰_n+1＝M^m_n，E⁰_n+1＝E^m_n，A⁰_n+1＝A^m_n

動態(tài)任務規(guī)劃的求解過程為多輪任務規(guī)劃之間狀態(tài)的轉移，狀態(tài)轉移就是根據上一階段的狀態(tài)和決策來導出本階段的狀態(tài)。狀態(tài)Φ_n到Φ_n+1的轉換方法：以Φ_n中的固存容量、星上能量、平臺姿態(tài)等作為Φ_n+1任務規(guī)劃的初始狀態(tài)開始新一輪任務規(guī)劃，通過在Φ_n中獲取未回放的所有任務T_n，在Φ_n+1中進行數(shù)傳任務與接收資源安排，并且數(shù)傳任務中安排回放的固存文件號必須包含Φ_n中已記錄的固存文件號M_n，每一輪任務規(guī)劃過程中都需要在初始的固存容量、星上能源、平臺姿態(tài)狀態(tài)基礎上進行載荷與平臺使用約束的檢驗。n+1輪任務規(guī)劃完成后的狀態(tài)作為n+2輪任務規(guī)劃的初始狀態(tài)。

通過多輪滾動式動態(tài)任務規(guī)劃狀態(tài)的轉移，實現(xiàn)一次完整的任務規(guī)劃，即為滾動式動態(tài)任務規(guī)劃，如圖1，即：

一天或多天的任務規(guī)劃方案由多個測控周期的多輪動態(tài)任務規(guī)劃完成，一天完整的任務規(guī)劃最終安排任務為：

Q＝Q^m₁∪Q^m₂∪…∪Q^m_n

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。