CN102867107B - 一种多成像卫星应急任务动态调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多成像卫星应急任务动态调度方法，要解决的技术问题是在满足约束的前提下实现调度目标。技术方案是根据任务类别对处于卫星传感器一个视场范围内的相邻目标元任务进行合成，如果合成任务分配失败，通过修复方法取出合成任务中优先级最大的元任务后再进行合成，从而将该任务分解为具有更多成像机会的合成任务和一个单独任务；同时，在新任务插入过程中，构建可用时间槽，将等待队列中的任务向后移位，在等待任务可执行的条件下，获取满足新插入任务执行的时间槽，从而进一步提高调度效率。采用本发明可对任务进行合成，动态调整任务的执行顺序和执行时间，减少了卫星成像的次数，提高了任务的完成率和可调度性。

Description

一种多成像卫星应急任务动态调度方法

技术领域

本发明涉及多成像卫星应急任务动态调度方法，尤指通过任务合成、修复和时间槽构建来对多成像卫星进行应急任务动态调度的方法。

背景技术

成像卫星是搭载光学传感器按照用户需求对地表特定区域进行成像的卫星平台。成像卫星具有覆盖范围广、连续监视时间长和不受空域国界限制等优势，被广泛应用于地球资源勘测，战场态势侦察，自然灾害监视等领域。同时，卫星成像已经成为应急条件下获取地面信息的重要手段。例如，当地震发生时，为及时进行灾害评估和抢险救灾，用户期望在几小时、甚至几十分钟内获得震区影像资料。由此可知，应急任务是指需要尽可能在用户期望时间内完成的任务。需要说明的是，期望完成时间并不是实时系统中的任务截止期(一个实时任务如果不能在截止期内完成会被系统拒绝)，也就是说，即使任务完成时间超出用户期望，任务依然执行。如上所述，对震区进行成像，任务完成时间超出用户期望可能会导致受灾人员的生存机率下降，但是所获取的卫星影像数据对抢险救灾依然具有重要价值。

另一方面，卫星在成像过程中存在用户需求、天气条件、卫星状态等诸多不确定性因素。例如，某些卫星由于逃逸、传感器故障、受到敌方干扰等原因而失效。此外，用户提交的应急任务数量和到达时间均不确定。这些不确定性进一步增加了应急条件下卫星执行任务调度的复杂性。因此，发明一种有效的多星应急任务动态调度方法具有重要意义。

卫星成像调度是在满足卫星使用约束的基础上将用户提交的任务分配到不同的卫星上执行，提高成像卫星观测效率。成像卫星调度与传统的并行机调度、车间调度问题的主要区别在于卫星按照一定轨道绕地球飞行，只有当目标在卫星视场范围内时才能成像，即任务执行必须在卫星的可视时间窗口内。与传统调度模式不同的是应急调度主要是针对具有期望完成时间、到达时间不确定的非周期任务。

卫星成像任务类型通常可分为两类，即点目标任务和区域目标任务。由于成像卫星观测幅宽有限，区域目标很难在卫星一次过境时完成观测，因此需要将区域目标划分为多个点目标，即元任务。卫星对点目标的成像如图1所示。图1中黑色圆点表示能够在卫星传感器一个视场范围内观测的点目标，虚线阴影部分表示考虑卫星侧摆时传感器的覆盖范围。

元任务集合可用T＝{t₁,t₂,…,t_n}表示，其中元任务个数n为正整数。任意一个元任务可表示为t_i＝(p_i,a_i,e_i),1≤i≤n，其中p_i为t_i的优先级(任务优先级指任务执行的优先程度)、a_i为t_i的到达时间，e_i为t_i的期望完成时间。卫星资源是指成像卫星上搭载的传感器。资源集合可用为R＝{r₁,r₂,…,r_m}表示，其中资源个数m为正整数。其中任意一个资源可表示为r_j＝(d_j,σ_j,s_j,b_j,o_j,as_j,ρ_j,π_j,msg_j),1≤j≤m，其中d_j表示r_j的元任务执行时间(由于点目标能够被传感器的单一视场覆盖，大小可忽略不计，所以资源r_j上所有元任务的执行时间相同)、σ_j表示r_j的视场角、s_j表示r_j的侧摆速率、b_j表示r_j的启动时间、o_j表示r_j的关机滞留时间、as_j表示r_j的姿态稳定时间、ρ_j表示单位观测时间能量消耗、π_j表示r_j的单位侧摆角度能量消耗、msg_j表示r_j的最大侧摆角度。

表示元任务t_i在资源r_j上的成像机会集合，其中K_ij为正整数，表示任务t_i在资源r_j上的成像机会数。所有成像机会用集合AO表示，即AO＝{AO_ij},1≤i≤n,1≤j≤m。第k个成像机会ao_ijk∈AO_ij,1≤k≤K_ij可表示为ao_ijk＝{[ws_ijk,we_ijk],θ_ijk}，其中[ws_ijk,we_ijk]为成像机会ao_ijk的时间窗口，θ_ijk为卫星的理想侧摆角度，如图2所示。带箭头虚线表示卫星资源r_j的星下点轨迹，箭头方向表示卫星运动方向；观测范围是考虑卫星侧摆后，卫星最大可视范围；星下点是卫星当前在地球表面的投影位置，θ_ijk为卫星侧摆角度。图中实线阴影框是卫星传感器在t＝ws_ijk时刻，侧摆角度为θ_ijk条件下，在地球表面的视场范围，此时卫星传感器刚好开始对目标t_i可视，所以ws_ijk是卫星资源r_j对目标t_i时间窗口的开始时间。虚线框是卫星传感器在t＝we_ijk时刻，侧摆角度为θ_ijk条件下，在地球表面的视场范围，此时卫星传感器刚好结束对目标t_i的可视，所以we_ijk是卫星资源r_j对目标t_i时间窗口的结束时间。

矩阵表示任务分配信息，如果元任务t_i被分配到资源r_j的第k个成像机会上，那么x_ijk＝1；如果元任务t_i没有被分配到资源r_j上的第k个成像机会上，那么x_ijk＝0。此外rt_ij、bt_ij、ft_ij、φ_ij分别表示元任务t_i在资源r_j上的准备就绪时间、开始时间，结束时间和观测角度。

任务调度是卫星管理控制系统的重要组成部分，尤其是在抢险救灾、反恐维稳等应急情况下尤为关键，如何通过任务调度提高系统对任务的快速响应能力是亟待解决的问题。如何在成像卫星资源有限的条件下进行应急任务的调度，最大化满足用户需求是本领域技术人员极为关注的技术问题，目前虽有一些卫星任务调度的研究，但尚无多成像卫星应急任务动态调度方法的公开报告，尤其是采用任务合成、修复和时间槽构建来对多成像卫星进行应急任务动态调度的方法更是没有公开文献涉及。

发明内容

本发明要解决的技术问题是对任务进行分类，动态调整任务的执行顺序和执行时间，在满足约束的前提下，实现调度目标，满足用户需求。本发明的基本思想是：任务到达后，根据任务类别对处于卫星传感器一个视场范围内的相邻目标元任务进行合成，减少任务执行的个数，如果合成任务分配失败，通过修复方法取出合成任务中优先级最大的元任务后再进行合成，从而将该任务分解为具有更多成像机会的合成任务和一个单独任务；同时，在新任务插入过程中，构建可用时间槽，将等待队列中的任务向后移位，在等待任务可执行的条件下，获取满足新插入任务执行的时间槽，从而进一步提高调度效率。

本发明将应急任务分为四类：即已完成任务，正在执行任务，等待任务和新到达任务。已完成任务集合、正在执行任务集合、等待任务集合和新到达任务集合分别用FT、ET、WT和NT表示。任务分类与调度时刻t_R有关。对于元任务t_i，1)如果ft_ix<t_R，即调度时刻t_R大于元任务t_i的完成时间ft_ix，则t_i∈FT；2)如果bt_ix<t_R<ft_ix，即调度时刻t_R介于元任务t_i的开始时间bt_ix和完成时间ft_ix之间，则t_i∈ET；3)如果bt_ix>t_R>a_i，即调度时刻t_R小于元任务t_i的开始时间bt_ix且大于任务t_i的到达时间a_i，则t_i∈WT；4)如果a_i＝t_R，即调度时刻t_R等于元任务t_i的到达时间a_i，则t_i∈NT。

由于已完成任务和正在执行任务的调度方案不能改变，只有等待任务和新到达任务可以进一步优化。因此，本发明的调度方法主要针对WT和NT中的任务。

任务执行过程必须满足以下约束：

由于元任务是不可分且非抢占的，因此每个元任务只能被分配到一个卫星资源上，并且最多执行一次。有约束C₁：

$C_1:\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{K_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ijk}}\&le;1,{\&ForAll;t}_i\&Element;T---\left(1\right)$

约束C₁表示元任务t_i分配到卫星资源上进行成像最多一次。

元任务t_i必须在成像机会ao_ijk内执行，因此，有如下成像机会约束C₂：

r_j∈R，ao_ijk∈AO_ij，ifx_ijk＝1

$C_2:\left\{\begin{array}{c}\left(a\right):{\mathrm{bt}}_{\mathrm{ij}}\&Element;[{\mathrm{ws}}_{\mathrm{ijk}},{\mathrm{we}}_{\mathrm{ijk}}-d_j]\\ \left(b\right):{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ij}}\&Element;\left[\max \right\{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ijk}}-{\mathrm{\&sigma;}}_j/2,-{\mathrm{msg}}_j\},\min \{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ijk}}+{\mathrm{\&sigma;}}_j/2,{\mathrm{msg}}_j\left\}\right]\end{array}\right.---\left(2\right)$

约束C₂中(a)为时间约束，即元任务t_i在资源r_j上的开始时间bt_ij必须在成像机会ao_ijk的时间窗口[ws_ijk,we_ijk-d_j]内，d_j是元任务执行时间；(b)为角度约束，即元任务t_i在资源r_j上的观测角度φ_ij必须在可视的角度范围[max{θ_ijk-σ_j/2,-msg_j},min{θ_ijk+σ_j/2,msg_j}]内，σ_j为资源r_j的视场角，msg_j为r_j的最大侧摆角度。

由于卫星传感器具有一定覆盖范围，一些处于同一个视场内的相邻点目标可以同时观测，合成为一个新任务。多个相邻的元任务，即1≤G≤n，1≤g≤G，合成后产生的新任务称之为合成任务1≤C_i≤n。在资源r_j上执行的合成任务表示为

如果一个合成任务被成功执行，卫星传感器需要充足的准备时间来执行下一任务。

准备时间c_i，i+1，j,1≤i<n,1≤j≤m表示从合成任务执行结束到下一任务开始执行需要的最小准备时间。

$c_{i,i+1,j}=b_j+o_j+{\mathrm{as}}_j+|{\mathrm{\&phi;}}_{C_{i+1}j}-{\mathrm{\&phi;}}_{C_{i}j}|/s_j---\left(3\right)$

其中，分别为合成任务的观测角度。

准备就绪时间可表示为：

${\mathrm{rt}}_{C_{i}j}={\mathrm{ft}}_{C_{i-1}j}+c_{i-1,i,j}---\left(4\right)$

因此，准备就绪时间约束为：

$C_3:{\&ForAll;t}_{C_i}\&Element;T_j,r_j\&Element;R,{\mathrm{rt}}_{C_{i}j}\&le;{\mathrm{bt}}_{C_{i}j}---\left(5\right)$

约束C₃表示合成任务在资源r_j上开始执行前必须准备就绪。

此外，合成任务中包含的所有元任务必须同时执行，因此具有如下合成观测约束：

${\&ForAll;r}_j\&Element;R,t_{C_i}\&Element;T_j,t_{\mathrm{ig}}\&Element;t_{C_i}$

$C_4:\left\{\begin{array}{c}\left(a\right):\underset{k=1}{\overset{K_{\mathrm{ig},j}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ig},j,k}=1,{\mathrm{bt}}_{\mathrm{ig},j}={\mathrm{bt}}_{C_i,j}\\ \left(b\right):{\mathrm{ft}}_{\mathrm{ig},j}={\mathrm{ft}}_{C_{i}j},{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ig},j}={\mathrm{\&phi;}}_{C_{i}j}\end{array}\right.---\left(6\right)$

约束C₄中(a)表示合成任务中的任意一个元任务t_ig在资源r_j上的成像次数为1，同时t_ig的开始时间bt_ig,j与中的其他元任务的开始时间相同；(b)表示t_ig的完成时间ft_ig,j和观测角度φ_ig,j与中的其他元任务的完成时间和观测角度相同。

本发明优先考虑调度收益，即最大化完成任务优先级之和：

$\underset{t_i\&Element;T,r_j\&Element;R}{\max }\left\{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{K_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i{x}_{\mathrm{ijk}}\right\}---\left(7\right)$

公式(7)表示所有被分配任务的优先级之和最大。

其次，调度过程中应当最小化所有任务的扰动。扰动δ_α是指在第α次调度中，新生成的调度方案与原调度方案之间变化的度量。扰动主要由3类任务的变化产生：(1)任务完成时间在用户期望内改变；(2)任务完成时间改变导致延迟，即不满足用户期望；(3)任务被拒绝。

假设共有s批任务，由于调度是由一批新任务到达驱动的，所以总的调度次数为s。因此，

$\mathrm{\&delta;}=\underset{\mathrm{\&alpha;}=1}{\overset{s}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{\&alpha;}}=\underset{\mathrm{\&alpha;}=1}{\overset{s}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{disturb}}_{\mathrm{\&beta;}}(i,\mathrm{\&alpha;})---\left(8\right)$

其中，δ是所有任务动态调度过程中总的扰动，ω_β表示任务第β类变化的影响因子，并且ω₁<ω₂<ω₃，β＝1,2,3。

第α次调度中任务t_i发生第β类变化的定义如下：

因此，最小扰动目标为所有扰动变化的最小值，即：

$\min \underset{\mathrm{\&alpha;}=1}{\overset{s}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{disturb}}_{\mathrm{\&beta;}}(i,\mathrm{\&alpha;})---\left(10\right)$

进一步，应有尽可能多的任务在期望完成时间内完成。因此，有如下目标：

$\underset{t_i\&Element;T,r_j\&Element;R}{\max }\left\{\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{K_{\mathrm{ij}}^v}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i{x}_{\mathrm{ijk}}}{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{K_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i{x}_{\mathrm{ijk}}}\right\}---\left(11\right)$

其中，为有效成像机会个数。公式(11)表示所有有效成像的任务优先级之和与所有任务优先级之和的比应尽量大。

为了节约卫星能量，应尽可能减少任务执行的能量消耗，即：

$\min \underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\{\underset{i=1}{\overset{H}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{ft}}_{C_{i}j}-{\mathrm{bt}}_{C_{i}j}){\mathrm{\&rho;}}_j+\underset{i=1}{\overset{H-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{\&phi;}}_{C_{i}j}-{\mathrm{\&phi;}}_{C_{i}j}){\mathrm{\&pi;}}_j\}---\left(12\right)$

公式(12)表示所有合成任务的观测能量消耗与侧摆能量消耗之和应尽量小。

综上所述，多星应急任务动态调度问题实际上是指在满足约束C₁～C₄的条件下如何对任务进行调度，从而最大化完成任务优先级之和，减小任务扰动，尽可能多地使任务在期望完成时间内完成并减少卫星能量消耗。

本发明的技术方案为：首先采用任务合成图模型对新任务进行合成，通过等待队列中任务的向后移动生成可利用时间槽，并在时间槽中插入新任务。如果合成任务能够插入到时间槽中，则该任务可以被分配；如果合成任务不能插入到时间槽中，则该合成任务不能被分配，需要对合成任务进行修复，将合成任务拆分成一个优先级最大任务和由剩余任务合成的任务，再次进行调度。

具体技术方案包括以下步骤：

第一步，初始化任务集合T，资源集合R，成像机会集合AO；

1.1，根据调度时刻t_R将任务分别放到已完成任务集合FT、正在执行任务集合ET、等待任务集合WT和新到达任务集合NT。FT、ET、WT、NT构成任务集合T；

1.2，将所有卫星资源加入资源集合R；

1.3，采用美国AGI公司开发的商品化分析软件STK(Satellite Tool Kit，卫星仿真工具包)计算任务在不同资源上的成像机会，所有的成像机会放到集合AO中。

第二步，采用任务合成方法对新到达任务集合NT中的任务进行合成；

2.1，为新到达任务集合NT中的所有任务建立初始任务合成图G，方法是：

2.1.1，将NT中每个任务看作只有一个元任务的合成任务，即将NT中任意一个任务t_i写为将NT中另一个任务t_j写为并设定任意两任务和的边集E_i,j为空，即

2.1.2，建立临时任务集TT，令将NT中的任务放入TT中，并将TT中的任务看作顶点；

2.1.3，如果TT为空集，即转第2.2步，否则转第2.1.4步；

2.1.4，从临时任务集TT取出任一个任务

2.1.5，建立临时任务集TT2，令将TT中除之外的其他任务放入TT2中；

2.1.6，如果TT2为空集，即转第2.1.7步，否则转2.1.8步；

2.1.7，将从临时任务集TT中移除，转第2.1.3步；

2.1.8，从TT2中取出一个任务如果与之间满足合成约束，则转第2.1.9步，如果与之间不满足合成约束，则转第2.1.10步；

假设有G个元任务能够合成，生成一个合成任务1≤G≤n，n为元任务个数，t_i1,t_i2,…,t_iG的合成约束是：

(1)任务合成可用资源约束：

$\&Exists;r_j\&Element;R:{\&ForAll;t}_{\mathrm{ig}}\&Element;T_{C_i},K_{\mathrm{ig},j}>0---\left(13\right)$

任务合成可用资源约束表示存在资源r_j能够执行中的所有元任务t_ig，即对所有元任务都有成像机会，也就是说所有元任务t_ig的成像机会数K_ig,j大于0。

(2)任务合成成像机会约束：

${\&ForAll;t}_{\mathrm{ig}}\&Element;T_{C_i},\&Exists;r_j\&Element;R,{\mathrm{ao}}_{\mathrm{ig},j,k_{\mathrm{ig}}}\&Element;{\mathrm{AO}}_{\mathrm{ig},j}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\left(a\right):\underset{t_{\mathrm{ig}}\&Element;T_{C_i}}{\max }\left\{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ig},j,k_{\mathrm{ig}}}\right\}-\underset{t_{\mathrm{ig}}\&Element;T_{C_i}}{\min }\left\{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ig},j,k_{\mathrm{ig}}}\right\}\&le;{\mathrm{\&sigma;}}_j\\ \left(b\right):\underset{t_{\mathrm{ig}}{\&Element;T}_{C_i}}{\min }\left\{{\mathrm{we}}_{\mathrm{ig},j,k_{\mathrm{ig}}}\right\}-\underset{t_{\mathrm{ig}}\&Element;T_{C_i}}{\max }\left\{{\mathrm{ws}}_{\mathrm{ig},j,k_{\mathrm{ig}}}\right\}\&GreaterEqual;d_j\end{array}\right.---\left(14\right)$

成像机会约束表示中所有元任务能够在资源r_j的一个视场内观测。

式(14)中(a)为角度约束。中所有元任务t_ig中的最大理想侧摆角与最小理想侧摆角之差要小于等于资源r_j的视场角σ_j。也就是说，通过调整观测角度，传感器视场能够覆盖所有点目标。

式(14)中(b)为时间约束。中所有元任务t_ig中的最小时间窗口结束时间与最大时间窗口开始时间之差要大于等于任务的执行时间d_j。也就是说，中所有任务的时间窗口相交，即存在对所有目标均可成像的时段，且成像时段长度不小于元任务执行时间。

2.1.9，在两顶点和建立边，放入边集E_i,j中；

2.1.10，将从临时任务集TT2中移除，转第2.1.6步；

在合成图G中，每个顶点表示一个合成任务，所有顶点构成顶点集V(G)。元任务可看作只包含其自身的合成任务。对于任意两个顶点和如果和中包含的所有元任务t_P1,t_P2,…,t_PG满足合成约束，能够构成一个新的合成任务那么和存在边连接关系。和之间所有的边构成集合E_i,j，E(G)是图G中边集的集合。

是合成任务的有效成像机会，如果即合成任务中所有元任务的最小时间窗口结束时间小于等于所有元任务的最小期望完成时间，则对应的边称为有效元素。如果集合E_i,j中的有效元素越多，合成任务的成像机会就越多，调度成功率就越高。

2.2，计算图G中每个边集E_i,j的合成优先级MP(E_i,j)；

合成任务应当具有较多的有效成像机会，确保任务尽可能在期望完成时间内执行。合成优先级MP(E_i,j)按公式(15)计算：

MP(E_i,j)＝|E_i,j|+|E_i,j|_valid   (15)

其中，|E_i,j|表示集合E_i,j中元素，|E_i,j|_valid表示集合E_i,j中有效元素个数，集合E_i,j中有效元素个数是指合成任务中所有元任务的最小时间窗口结束时间小于等于所有元任务的最小期望完成时间对应的边的个数，由和合成；

2.3，如果图G的边集集合E(G)为空，转第三步；

2.4，如果E(G)不为空，从E(G)中选择具有最大合成优先级MP(E_i,j)的边集E_i,j；

2.5，对于图G中除和之外的每个顶点删除边集E_i,k和E_j,k；

2.6，合成顶点和生成一个新的顶点即将合成任务和中的所有元任务取出合成为一个新合成任务之后删除顶点和删除所有与和连接的边；

2.7，对于图G中除新合成任务之外的每个顶点如果与之间满足合成约束，则在两顶点和建立边，生成边集E_P,k，转第2.3步；

第三步，如果新到达任务集合NT为空，转第十一步；如果新到达任务集合NT不为空，转第四步；

第四步，在NT中选择具有最大任务需求度的任务

任务的任务需求度表示任务需要调度的紧迫程度，即具有较高优先级和较少成像机会的任务优先调度，采用公式(16)计算：

${\mathrm{TRM}}_{C_i}=\frac{p_{C_i}}{\underset{r_j\&Element;R}{\mathrm{\&Sigma;}}{K}_{C_{i}j}}---\left(16\right)$

其中，为任务的优先级，即任务执行的优先程度，为任务的成像机会数。

第五步，采用时间槽构建方法建立可选时间槽集合ATSS_i；

5.1，设定ATSS_i＝φ，成像机会集合成像机会个数是元任务在资源r_j上的成像机会集合，的元素表示在资源r_j上的第k_i个成像机会；

5.2，如果K＝0，转第六步；

5.3，如果K≠0，计算合成任务的成像机会是否满足任务调度可用资源约束(17)和任务调度时间约束(18)；

(1)任务调度可用资源约束：

$K_{C_i,j}>0---\left(17\right)$

可用资源约束表示资源r_j能够执行任务即在r_j上有成像机会。

(2)任务调度时间约束：

${\&Exists;k}_i\&Element;[1,...,K_{C_{i}j}]$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\left(a\right):{\mathrm{rt}}_{C_{i}j}\&le;{\mathrm{we}}_{C_{i}j{k}_i}-d_j\\ \left(b\right):{\mathrm{rt}}_{C_{k+1}j}\&le;{\mathrm{bt}}_{C_{k+1}j}+B_{k+1}\end{array}\right.---\left(18\right)$

对于任务调度时间约束：(a)表示任务的开始时间必须满足成像机会约束C₂；(b)表示任务的插入必须确保后续任务的顺利执行。如果任务满足约束(17)、(18)，表示可以被插入到时间槽

5.4，如果不满足任务调度可用资源约束(公式17)或任务调度时间约束(公式18)，则K＝K-1，k_i＝k_i+1，转第5.2步；

5.5，如果既满足任务调度可用资源约束(公式17)，又满足任务调度时间约束(公式18)，则设定n_p＝0，n_v＝0，n_p为任务插入到时间槽后推迟任务的数量，n_v为任务插入后由于向后移位造成不能在用户期望时间内完成的任务数量；

5.6，计算插入到后的准备就绪时间开始时间和完成时间

开始时间和完成时间的计算方法是：

${\mathrm{bt}}_{C_{i}j}=\max \{{\mathrm{rt}}_{C_{i}j},{\mathrm{ws}}_{C_i\mathrm{jk}}\}---\left(19\right)$

${\mathrm{ft}}_{C_{i}j}={\mathrm{bt}}_{C_{i}j}+d_j---\left(20\right)$

其中，表示任务在资源r_j上的时间窗口开始时间；d_j为资源r_j执行任务的时间。

5.7，如果完成时间大于任务的期望完成时间则设定n_v＝n_v+1；

5.8，如果完成时间小于等于任务的期望完成时间则设定n_v＝n_v；

5.9，对于在任务后的每个任务重新计算的准备就绪时间

5.10，如果大于任务开始时间设定n_p＝n_p+1；

5.11，采用公式(19)和(20)重新计算的新开始时间和新完成时间

5.12，如果并且则设定n_v＝n_v+1；

5.13，如果或者则设定n_v＝n_v；

5.14，设定K＝K-1，k_i＝k_i+1，转第5.2步；

第六步，如果可选时间槽集合ATSS_i不为空，转第七步，如果的可选时间槽集合ATSS_i为空，转第八步；

第七步，计算值，选择具有最小值的时间槽并将任务插入到该时间槽中，之后更新在任务后面的每一个任务的准备就绪时间开始时间和完成时间(准备就绪时间开始时间和完成时间分别采用公式(4)、公式(19)和公式(20)计算)，将从新到达任务集合NT中移除，转第三步；

第八步，如果是一个元任务，则转第九步；如果不是一个元任务，则转第十步；

第九步，拒绝任务将从新到达任务集合NT中移除，转第三步；

第十步，采用任务修复方法将进行分解；

10.1，按照公式(15)选择合成任务中任务优先级最大的任务t_Pi；

10.2，将t_Pi和中除t_Pi之外的其它元任务组成的合成任务插入到新到达任务集合NT中，将从新到达任务集合NT移除，转第三步。

第十一步，结束。

采用本发明可以达到如下效果：

1)本发明采用任务合成方法，通过在同一视场内相邻点目标的合成，减少了卫星成像的次数，缩小了调度的解空间，提高了任务的完成率；

2)本发明采用任务修复方法，克服了任务合成所带来可能减少成像机会的弊端，将合成任务进行部分拆分，提高了任务的可调度性；

3)本发明采用时间槽构建方法，通过在新任务插入过程中，对等待队列中的任务进行后移，进一步提高了任务的完成率；

4)本发明的调度方法中充分考虑了任务的合成、修复以及时间槽构建；此外建立了任务需求度(第四步)，优先任务插入等启发式规则(第七步)，实现了对调度目标的优化。

附图说明

图1是点目标成像示意图。

图2是成像机会示意图。

图3是任务分类示意图。

图4是任务合成约束示意图。

图5是任务合成图示意图。

图6是本发明总体流程图。

具体实施方式

图1是点目标成像示意图。图1中黑色圆点表示能够在卫星传感器一个视场范围内观测的点目标，虚线阴影部分表示考虑卫星侧摆时传感器的覆盖范围。

图2是成像机会示意图。带箭头虚线表示卫星资源r_j的星下点轨迹，箭头方向表示卫星运动方向；观测范围是考虑卫星侧摆后，卫星最大可视范围；星下点是卫星当前在地球表面的投影位置，θ_ijk为卫星侧摆角度。图中实线阴影框是卫星传感器在t＝ws_ijk时刻，侧摆角度为θ_ijk条件下，在地球表面的视场范围，此时卫星传感器刚好开始对目标t_i可视，所以ws_ijk是卫星资源r_j对目标t_i时间窗口的开始时间。虚线框是卫星传感器在t＝we_ijk时刻，侧摆角度为θ_ijk条件下，在地球表面的视场范围，此时卫星传感器刚好结束对目标t_i的可视，所以we_ijk是卫星资源r_j对目标t_i时间窗口的结束时间。

图3是任务分类示意图。图3中横坐标为时间轴，纵坐标为资源轴，此时有两个卫星资源r₁和r₂。对于任务t₁，a₁和e₁分别表示任务t₁的到达时间和期望完成时间，bt_1,2和ft_1,2分别表示任务t₁在资源r₂上的开始时间和结束时间，ws_1,2,1和we_1,2,1分别为任务t₁在资源r₂上的第1个可见成像机会的时间窗口的开始时间和结束时间。此示意图中，调度时刻t_R为任务t₂的到达时刻，所以t₂为新任务；t_R>ft_1,2，所以任务t₁为完成任务；ft_3,1>t_R>bt_3,1，所以任务t₃为正在执行任务；bt_4,1>t_R>a₄，所以任务t₄为等待任务。

图4是任务合成约束示意图。图4(1)表示目标t_ig和t_ip处于卫星传感器同一视场范围内，可以合成观测。图4(2)中，为卫星资源r_j对目标t_ig的侧摆角度，为卫星资源r_j对目标t_ip的侧摆角度，σ为r_j的视场角，因此卫星当前侧摆状态下，r_j能够同时观测到目标t_ig和t_ip。图4(3)中为卫星资源r_j对目标t_ig的可见时间窗口，为卫星资源r_j对目标t_ip的可见时间窗口，在其相交部分，即卫星资源r_j对t_ig和t_ip均可见，即是对合成任务的可见时间窗口。

图5是任务合成图示意图。该示意图中包含5个合成任务，即 $V\left(G\right)=\{t_{C_1},t_{C_2},t_{C_3},t_{C_4},t_{C_5}\},$ E(G)＝{E_1,2,E_1,3,E_2,3,E_2,4}， $E_{\mathrm{1,2}}=\{e_{C_{P1},\mathrm{1,1}},e_{C_{P1},\mathrm{2,1}}\},$ $E_{\mathrm{1,3}}=\{e_{C_{P2},\mathrm{1,1}},e_{C_{P2},\mathrm{2,1}}\},E_{\mathrm{2,3}}=\left\{e_{C_{P3},\mathrm{1,1}}\right\},E_{\mathrm{2,4}}=\left\{e_{C_{P4},2,1}\right\}.$ 合成任务包含一个元任务t₁，包含两个元任务t₂和t₃，包含一个元任务t₄，包含一个元任务t₅，包含一个元任务t₆。合成任务间的每条边对应一个合成机会，以和之间的边为例，表示元任务t₁,t₂和t₃能够通过t₁在资源r₁上第2个可见机会，t₂在r₁上第1个可见机会，t₃在r₁上第2个可见机会进行合成，生成一个新的合成任务。

图6是本发明的总流程图，具体包括：

第一步，初始化任务集合T，资源集合R，成像机会集合AO；

第二步，采用任务合成方法对新到达任务集合NT中的任务进行合成；

第三步，如果新到达任务集合NT为空，则转第十一步；如果新到达任务集合NT不为空，则转第四步；

第四步，在NT中选择具有最大任务需求度的任务

第五步，采用时间槽构建方法建立可选时间槽集合ATSS_i；

第六步，如果可选时间槽集合ATSS_i不为空，转第七步，如果的可选时间槽集合ATSS_i为空，转第八步；

第七步，计算值，选择具有最小值的时间槽并将任务插入到该时间槽中，之后更新在任务后面的每一个任务的准备就绪时间开始时间和完成时间(准备就绪时间开始时间和完成时间分别采用公式(4)、公式(19)和公式(20)计算)，将从新到达任务集合NT中移除，转第三步；

第八步，如果是一个元任务，则转第九步；如果不是一个元任务，则转第十步；

第九步，拒绝任务将从新到达任务集合NT中移除，转第三步；

第十步，采用任务修复方法将进行分解；

第十一步，结束。

Claims (3)

1.一种多成像卫星应急任务动态调度方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，初始化任务集合T，资源集合R，成像机会集合AO，方法是：

1.1，根据调度时刻t_R将任务分别放到已完成任务集合FT、正在执行任务集合ET、等待任务集合WT和新到达任务集合NT，FT、ET、WT、NT构成任务集合T；对于元任务t_i，如果ft_ix<t_R，即调度时刻t_R大于元任务t_i的完成时间ft_ix，则t_i∈FT；如果bt_ix<t_R<ft_ix，即调度时刻t_R介于元任务t_i的开始时间bt_ix和完成时间ft_ix之间，则t_i∈ET；如果bt_ix>t_R>a_i，即调度时刻t_R小于元任务t_i的开始时间bt_ix且大于任务t_i的到达时间a_i，则t_i∈WT；如果a_i＝t_R，即调度时刻t_R等于元任务t_i的到达时间a_i，则t_i∈NT；

1.2，将所有卫星资源加入资源集合R，R＝{r₁,r₂,…,r_m}，其中资源个数m为正整数，任意一个资源表示为r_j＝(d_j,σ_j,s_j,b_j,o_j,as_j,ρ_j,π_j,msg_j),1≤j≤m，其中d_j表示r_j的元任务执行时间，资源r_j上所有元任务的执行时间相同，σ_j表示r_j的视场角、s_j表示r_j的侧摆速率、b_j表示r_j的启动时间、o_j表示r_j的关机滞留时间、as_j表示r_j的姿态稳定时间、ρ_j表示单位观测时间能量消耗、π_j表示r_j的单位侧摆角度能量消耗、msg_j表示r_j的最大侧摆角度；

1.3，采用卫星仿真工具包STK计算任务在不同资源上的成像机会，所有的成像机会放到集合AO中；

第二步，采用任务合成方法对新到达任务集合NT中的任务进行合成：

2.1，为新到达任务集合NT中的所有任务建立初始任务合成图G，方法是：

2.1.1，将NT中每个任务看作只有一个元任务的合成任务，即将NT中任意一个任务t_i写为将NT中另一个任务t_j写为并设定任意两任务和的边集E_i,j为空，即

2.1.2，建立临时任务集TT，令将NT中的任务放入TT中，并将TT中的任务看作顶点；

2.1.3，如果TT为空集，即转第2.2步，否则转第2.1.4步；

2.1.4，从临时任务集TT取出任一个任务

2.1.5，建立临时任务集TT2，令将TT中除之外的其他任务放入TT2中；

2.1.6，如果TT2为空集，即转第2.1.7步，否则转2.1.8步；

2.1.7，将从临时任务集TT中移除，转第2.1.3步；

2.1.8，从TT2中取出一个任务如果与之间满足合成约束，转第2.1.9步，如果与之间不满足合成约束，则转第2.1.10步；

2.1.9，在两顶点和建立边，放入边集E_i,j中；

2.1.10，将从临时任务集TT2中移除，转第2.1.6步；

2.2，按公式(15)计算图G中每个边集E_i,j的合成优先级MP(E_i,j)，

MP(E_i,j)＝|E_i,j|+|E_i,j|_valid          (15)

其中，|E_i,j|表示集合E_i,j中元素，|E_i,j|_valid表示集合E_i,j中有效元素个数，集合E_i,j中有效元素个数是指合成任务中所有元任务的最小时间窗口结束时间小于等于所有元任务的最小期望完成时间对应的边的个数，由和合成；

2.3，如果图G的边集集合E(G)为空，转第三步；

2.4，如果E(G)不为空，从E(G)中选择具有最大合成优先级MP(E_i,j)的边集E_i,j；

2.5，对于图G中除和之外的每个顶点删除边集E_i,k和E_j,k；

2.6，合成顶点和生成一个新的顶点即将合成任务和中的所有元任务取出合成为一个新合成任务之后删除顶点和删除所有与和连接的边；

2.7，对于图G中除新合成任务之外的每个顶点如果与之间满足合成约束，则在两顶点和建立边，生成边集E_P,k，转第2.3步；

第三步，如果新到达任务集合NT为空，转第十一步；如果新到达任务集合NT不为空，转第四步；

第四步，在NT中选择具有最大任务需求度的任务

任务的任务需求度表示任务需要调度的紧迫程度，采用公式(16)计算：

${\mathrm{TRM}}_{C_i}=\frac{p_{C_i}}{\underset{r_j\&Element;R}{\mathrm{\&Sigma;}}{K}_{C_{i}j}}---\left(16\right)$

其中，为任务的优先级，即任务执行的优先程度，为任务的成像机会数；

第五步，采用时间槽构建方法建立可选时间槽集合ATSS_i；

5.1，设定ATSS_i＝φ，成像机会集合成像机会个数是元任务在资源r_j上的成像机会集合，中的元素表示在资源r_j上的第k_i个成像机会；

5.2，如果K＝0，转第六步；

5.3，如果K≠0，计算合成任务的成像机会是否满足任务调度可用资源约束和任务调度时间约束；

5.4，如果不满足任务调度可用资源约束或任务调度时间约束，则K＝K-1，k_i＝k_i+1，转第5.2步；

5.5，如果既满足任务调度可用资源约束，又满足任务调度时间约束，则设定n_p＝0，n_v＝0，n_p为任务插入到时间槽后推迟任务的数量，n_v为任务插入后由于向后移位造成不能在用户期望时间内完成的任务数量；

5.6，计算插入到后的准备就绪时间开始时间和完成时间

${\mathrm{rt}}_{C_{i}j}={\mathrm{ft}}_{C_{i-1}j}+c_{i-1,i,j}---\left(4\right)$

${\mathrm{bt}}_{C_{i}j}=\max \{{\mathrm{rt}}_{C_{i}j},{\mathrm{ws}}_{C_i\mathrm{jk}}\}---\left(19\right)$

${\mathrm{ft}}_{C_{i}j}={\mathrm{bt}}_{C_{i}j}+d_j---\left(20\right)$

其中，c_i-1,i,j表示从合成任务执行结束到下一任务开始执行需要的最小准备时间；表示任务在资源r_j上的时间窗口开始时间；d_j为资源r_j执行任务的时间；

5.7，如果完成时间大于任务的期望完成时间则设定n_v＝n_v+1；

5.8，如果完成时间小于等于任务的期望完成时间则设定n_v＝n_v；

5.9，对于在任务后的每个任务重新计算的准备就绪时间

5.10，如果大于任务开始时间设定n_p＝n_p+1；

5.11，采用公式(19)和(20)重新计算的新开始时间和新完成时间

5.12，如果并且则设定n_v＝n_v+1；

5.13，如果或者则设定n_v＝n_v；

5.14，设定K＝K-1，k_i＝k_i+1，转第5.2步；

第六步，如果可选时间槽集合ATSS_i不为空，转第七步，如果的可选时间槽集合ATSS_i为空，转第八步；

第七步，计算选择具有最小值的时间槽并将任务插入到该时间槽中，之后更新在任务后面的每一个任务的准备就绪时间开始时间和完成时间将从新到达任务集合NT中移除，转第三步；

第八步，如果是一个元任务，转第九步；如果不是一个元任务，则转第十步；

第九步，拒绝任务将从新到达任务集合NT中移除，转第三步；

第十步，采用任务修复方法将进行分解；

10.1，按照公式(15)选择合成任务中任务优先级最大的任务t_Pi；

10.2，将t_Pi和中除t_Pi之外的其他元任务组成的合成任务插入到新到达任务集合NT中，将从新到达任务集合NT移除，转第三步；

第十一步，结束。

2.如权利要求1所述的一种多成像卫星应急任务动态调度方法，其特征在于假设有G个元任务能够合成，生成一个合成任务1≤G≤n，n为元任务个数，t_i1,t_i2,…,t_iG的合成约束是：

(1)任务合成可用资源约束：

$\&Exists;r_j\&Element;R:\&ForAll;t_{\mathrm{ig}}\&Element;T_{C_i},K_{\mathrm{ig},j}>0---\left(13\right)$

可用资源约束表示存在资源r_j能够执行中的所有元任务t_ig，即所有元任务t_ig的成像机会数K_ig,j大于0；

(2)任务合成成像机会约束：

$\&ForAll;t_{\mathrm{ig}}\&Element;T_{C_i},\&Exists;r_j\&Element;R,{\mathrm{ao}}_{\mathrm{ig},j,k_{\mathrm{ig}}}\&Element;{\mathrm{AO}}_{\mathrm{ig},j}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\left(a\right):\underset{t_{\mathrm{ig}}\&Element;T_{C_i}}{\max }\left\{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ig},j,k_{\mathrm{ig}}}\right\}-\underset{t_{\mathrm{ig}}\&Element;T_{C_i}}{\min }\left\{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ig},j,k_{\mathrm{ig}}}\right\}\&le;{\mathrm{\&sigma;}}_j\\ \left(b\right):\underset{t_{\mathrm{ig}}\&Element;T_{C_i}}{\min }\left\{{\mathrm{we}}_{\mathrm{ig},j,k_{\mathrm{ig}}}\right\}-\underset{t_{\mathrm{ig}}\&Element;T_{C_i}}{\max }\left\{{\mathrm{ws}}_{\mathrm{ig},j,k_{\mathrm{ig}}}\right\}\&GreaterEqual;d_j\end{array}\right.---\left(14\right)$

成像机会约束表示中所有元任务能够在资源r_j的一个视场内观测；

式(14)中(a)为角度约束，中所有元任务t_ig中的最大理想侧摆角与最小理想侧摆角之差要小于等于资源r_j的视场角σ_j；

式(14)中(b)为时间约束，中所有元任务t_ig中的最小时间窗口结束时间与最大时间窗口开始时间之差要大于等于任务的执行时间d_j。

3.如权利要求1所述的一种多成像卫星应急任务动态调度方法，其特征在于所述任务调度可用资源约束是指：

$K_{C_i,j}>0---\left(17\right)$

任务调度可用资源约束表示资源r_j能够执行任务即在r_j上有成像机会；

所述任务调度时间约束是指：

$\&Exists;k_i\&Element;[1,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,K_{C_{i}j}]$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\left(a\right):{\mathrm{rt}}_{C_{i}j}\&le;{\mathrm{we}}_{C_{i}j{k}_i}-d_j\\ \left(b\right):{\mathrm{rt}}_{C_{k+1}j}\&le;{\mathrm{bt}}_{C_{k+1}j}+B_{k+1}\end{array}\right.---\left(18\right)$

对于任务调度时间约束：(a)表示任务的开始时间必须满足成像机会约束C₂；(b)表示任务的插入必须确保后续任务的顺利执行，“B_k+1”是指任务的后移空余时间。