CN106845793A - 基于测控时机的滚动式遥感卫星动态任务规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于测控时机的滚动式遥感卫星动态任务规划方法，涉及航天地面系统任务管控领域。该方法包括：动态任务规划在遥感卫星任务规划中的应用方法，滚动式动态任务规划的求解过程，阶段状态转换方法，动态任务规划滚动时间窗口选取策略、前瞻性任务预测与资源处理策略、未回放任务处理策略、星上资源连续使用原则以及动态任务规划相关原则。本发明围绕快速响应要求，从各个方面提出了解决措施，能够满足面向任务快速响应的遥感卫星任务管控新要求，在遥感卫星任务管控系统中的工程化应用能够大大提升系统应急任务快速响应时效性，减低任务动态调整复杂度，规避星上任务频繁调整风险。
Description
技术领域
本发明涉及航天地面系统任务管控领域，尤其是涉及基于测控时机的滚动式遥感卫星动态任务规划方法，适用于对任务快速响应时效性要求较高情况下的卫星任务规划。
背景技术
现有的遥感卫星任务管控系统，为配合日常值班，多为以天为周期批处理式的任务规划方式，每颗卫星一般一天进行一次任务规划，一次规划安排24小时内的观测任务。虽然在解决资源冲突方面比较有效，当在轨运行卫星数量较多时，任务量大幅增长，并且任务动态变化频繁，任务快速响应要求较高时，这种针对常规普查任务跨距较长的静态管控流程，在面对突发事件紧急调整任务时，应急任务插入可能会影响到24小时的星上任务执行，任务调整不够灵活、快捷，存在卫星安全风险。并且，用户提交观测需求需要等待一到两天时间才能安排执行，因此这种模式无法应付应急常态化任务管控。未来任务管控系统建设对任务快速响应能力提出了更高要求，现有面向常规普查任务的固定值班周期任务控制模式已不能满足应急常态化情况下任务快速调整的时效性要求，缩短卫星任务规划时间区间势在必行，需要采用面向快速响应任务的滚动式动态任务管控模式，缩短从需求受理到获取数据的时间周期，从而提高系统的快速响应能力。
发明内容
本发明的主要目的在于提供基于测控时机的滚动式遥感卫星动态任务规划方法，采用基于滚动优化策略的动态规划方法，以滚动推进的形式选择任务进行规划，可及时调整任务规划方案以适应和跟踪系统状态的变化，因此能够有效应对任务动态到达对系统的影响。
为达到上述目的，本发明提供了基于测控时机的滚动式遥感卫星动态任务规划方法，具体包括：
(1)从前一轮动态任务规划的结束时间之后，查找与前一轮动态任务规划的结束时间最近的测控时段，将该测控时段作为本轮动态任务规划的测控时机，从该测控时机的结束时间向后预留本轮动态任务规划第一个载荷动作的准备时间得到本轮动态任务规划的开始时间；将下一轮动态任务规划的测控时机的结束时间作为本轮动态任务规划的结束时间；
(2)将本轮动态任务规划的开始时间和结束时间的时间差作为本轮动态任务规划的任务滚动时间窗口；
(3)将任务滚动时间窗口的开始时间作为资源滚动时间窗口的开始时间，获取任务滚动时间窗口内最后一个任务结束时间之后的第一个接收资源时间窗口，将该接收资源时间窗口的结束时间作为资源滚动时间窗口的结束时间；
(4)获取前一轮动态任务规划的最后一个载荷动作结束后的星上资源状态，将该星上资源状态作为本轮动态任务规划的初始状态；
(5)将处于资源滚动时间窗口内的已受理任务作为本轮动态任务规划的输入，进行前瞻性任务预测；基于初始状态进行两轮动态任务规划之间的状态转移，并采用优化搜索算法与载荷约束处理方法进行优化决策获得本轮动态任务规划的输出；
(6)记录本轮动态任务规划的最后一个载荷动作执行结束后的星上资源状态；
(7)将后一轮动态任务规划更新为本轮动态任务规划，转入步骤(1)。
其中，所述的星上资源状态包括：固存容量、星上能量和平台姿态；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：星上电量、电压；所述平台姿态包括：上一轮动态任务规划结束时遥感卫星停留姿态角度和数传天线角度。
其中，步骤(4)具体为：遵循星上资源连续使用原则，获取前一轮动态任务规划的最后一个载荷动作结束后的星上资源状态，将该星上资源状态作为本轮动态任务规划的初始状态。
其中，步骤(5)所述的前瞻性任务预测，具体为：对于任务滚动时间窗口结束时间到资源滚动时间窗口开始时间之间的时段，若还没有受理任务，根据遥感卫星回归周期内每日任务分布情况与最近热点目标预测该时段可能下达的重要任务。
其中，步骤(5)所述的优化搜索算法，包括：贪婪算法、遗传算法、模拟退火算法与禁忌搜索算法。
其中，步骤(5)所述的载荷约束处理方法，具体为：前一轮动态任务规划结束时的载荷动作与本轮动态任务规划开始时的载荷动作之间必须满足相邻两次载荷动作时间间隔约束；本轮动态任务规划内部载荷动作之间也必须满足相邻两次载荷动作时间间隔约束；本轮动态任务规划中观测任务与数传任务还要满足载荷工作模式使用约束、载荷开机时间限制、载荷开关机动作时序关系约束和姿态切换时间约束。
其中，步骤(5)所述的基于初始状态进行两轮动态任务规划之间的状态转移，具体为：通过获取前一轮动态任务规划未回放的所有任务，在本轮动态任务规划中进行数传任务与接收资源安排，并且数传任务中安排回放的固存文件号必须包含前一轮动态任务规划中已记录未安排回放的固存文件号，每一轮任务规划过程中都需要在初始的固存容量、星上能源和平台姿态状态基础上进行载荷与平台使用约束的检验。
其中，如果在本轮动态任务规划的测控时机之前有需要立即执行的应急任务，则临时申请早于测控时机的应急测控时间窗口，将该应急测控时间窗口作为新的测控时机，按照步骤(1)与(2)重新确定本轮动态任务规划的任务滚动时间窗口，按照步骤(3)～(6)，重新进行本轮动态任务规划。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的基于测控时机的滚动式遥感卫星动态任务规划方法，与传统的以天为周期的静态任务规划方法相比，规划周期缩短，以滚动推进的形式选择任务进行动态规划，可快速接纳随时到达的应急任务参与任务规划，可及时调整任务规划方案以适应和跟踪系统状态的变化，提高应急任务管控时效性，缩短从需求受理到获取数据的时间周期，从而提高地面系统的快速响应能力。
2、利用本发明，由于每个测控窗口之前都可以进行一轮动态任务规划上注卫星执行，在地面即可完成应急任务规划，避免了星上指令取消、任务包修改、删除等任务的调整操作，减低了任务应急动态调整复杂度，规避了星上任务频繁调整风险，减轻了应急调整时值班任务分析决策复杂度与心理压力。
3、本发明提供的基于测控时机的滚动式遥感卫星动态任务规划方法，每一轮动态任务规划过程中采用的优化搜索算法、任务与资源优化策略以及各星的约束处理功能等，与传统的任务规划没有太大不同，原有的技术成果与各卫星复杂的约束处理方法等仍然可以继承使用，保证了系统改进的快速简单与可靠性。
附图说明
图1是本发明提供的基于测控时机的滚动式遥感卫星动态任务规划方法的多阶段滚动式动态任务规划流程图。
图2是依照本发明实施的单轮动态任务规划方法的流程图。
图3是图2中滚动时间窗口选取示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
基于测控时机的遥感卫星滚动式动态任务规划方法，包括：基于滚动优化策略选取任务规划滚动时间窗口，按照时间特征，把常规以天为周期的任务规划问题，以测控时间周期划分为若干轮任务规划的多阶段决策过程；针对每一轮任务规划，遵循星上资源连续使用原则进行滚动式动态任务规划求解；在每轮任务规划过程中进行前瞻性任务预测与资源处理，与多轮任务规划合并进行约束检验；通过多轮任务规划之间状态的转移，完成整体任务规划的求解。具体包括：
(1)从前一轮动态任务规划的结束时间之后，查找与前一轮动态任务规划的结束时间最近的测控时段，作为本轮动态任务规划的测控时机，从该测控时段的结束时刻，向后预留本轮动态任务规划第一个载荷动作的准备时间Δt(姿态机动时间、指令执行延时、与上次动作间隔时间)，到下一轮动态任务规划的测控时机的结束时间，即为一次滚动式任务规划的任务滚动时间窗口[T1+Δt,T2]，其中T1为本轮动态任务规划测控窗口的结束时间，Δt第一个载荷动作的准备时间长度，T2为下一个测控窗口的结束时间；
上述方案中，如果在本轮动态任务规划的测控时机之前有需要立即执行的应急任务，可以临时申请早于原先测控时机的应急测控时间窗口，将应急测控时间窗口作为新的测控时机，按照以上方案重新确定本轮动态任务规划的任务滚动时间窗口，重新开始本轮动态任务规划。
(2)将任务滚动时间窗口的开始时间作为资源滚动时间窗口的开始时间，获取任务滚动时间窗口内最后一个任务结束时间之后的第一个接收资源时间窗口，将该接收资源时间窗口的结束时间作为资源滚动时间窗口的结束时间，从而确定本轮动态任务规划的资源滚动时间窗口[T1,T3]，其中T3为与任务滚动时间窗口结束时间最近的接收资源时间窗口结束时间。
需要说明的是，多次滚动任务规划之间任务滚动窗口是连续且不交叠的，而资源滚动窗口是交叠的。
(3)获取前一轮动态任务规划的最后一个载荷动作结束后的星上资源状态，将该星上资源状态作为本轮动态任务规划的初始状态Φ0 n。
(4)将处于资源滚动时间窗口内的已受理任务作为本轮动态任务规划的输入，对于任务滚动时间窗口结束时间到资源滚动时间窗口开始时间之间的时段，若还没有受理任务，则进行前瞻性任务预测；遵循星上资源连续使用原则，基于初始状态进行两轮动态任务规划之间的状态转移，并采用优化搜索算法与载荷约束处理方法进行优化决策获得本轮动态任务规划的输出。
上述方案中，所述的前瞻性任务预测，具体为：对于任务滚动时间窗口结束时间到资源滚动时间窗口开始时间之间的时段，若还没有受理任务，根据遥感卫星回归周期内每日任务分布情况与最近热点目标预测该时段可能下达的重要任务。
所述针对每一轮任务规划，遵循星上资源连续使用原则具体为：获取前一轮动态任务规划的最后一个载荷动作结束后的星上资源状态，将该星上资源状态作为本轮动态任务规划的初始状态。
所述的状态转移具体为：以第n轮动态任务规划结束时的状态Φm n中的固存容量、星上能量、平台姿态作为动态任务规划的初始状态Φ0 n+1，开始第n+1轮动态任务规划，通过在Φm n中获取未回放的所有任务Tn，在第n+1轮动态任务规划中进行数传任务与接收资源安排，并且数传任务中安排回放的固存文件号必须包含Φm n中已记录的固存文件号Mn；每一轮动态任务规划过程中都需要在初始状态基础上进行载荷与平台使用约束的检验；n+1轮动态任务规划完成后的状态作为n+2轮动态任务规划的初始状态，以此类推，通过多轮滚动式动态任务规划状态的转移，实现整体的任务规划。
所述的优化搜索算法，包括：贪婪算法、遗传算法、模拟退火算法与禁忌搜索算法。
所述的载荷约束处理方法，具体为：前一轮动态任务规划结束时的载荷动作与本轮动态任务规划开始时的载荷动作之间必须满足相邻两次载荷动作时间间隔约束；本轮动态任务规划内部载荷动作之间也必须满足相邻两次载荷动作时间间隔约束；本轮动态任务规划中观测任务与数传任务还要满足载荷工作模式使用约束、载荷开机时间限制、载荷开关机动作时序关系约束和姿态切换时间约束；n轮任务规划中固存容量、星上能源、平台姿态的使用是连续的，即上一轮与本轮任务规划合并进行各类载荷约束检验、能源平衡检验、数据记录回放计算与平台姿态转换时间计算。
上述方案中，每一轮动态任务规划子问题的求解仍然可以采用传统的各类优化搜索算法与卫星载荷约束处理实现，只是需要考虑多轮任务规划之间的载荷使用约束、星上资源连续使用与资源平衡等。
(5)记录本轮动态任务规划的最后一个载荷动作执行结束后的星上资源状态Φm n，其中m为本轮动态任务规划的最后一个载荷动作；
上述方案中，所述的记录本轮动态任务规划星上资源状态，不但要记录本轮动态任务规划最后一个载荷动态结束后的星上资源状态，也需要记录每一个载荷动作后的星上资源使用状态，以便于从任何节点进行应急动态任务规划。
所述的星上资源状态包括：固存容量、星上能量和平台姿态；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：星上电量、电压；所述平台姿态包括：上一轮动态任务规划结束时遥感卫星停留姿态角度和数传天线角度。
(6)将后一轮动态任务规划更新为本轮动态任务规划，转入步骤(1)。
本文中涉及的主要参数说明：
定义状态空间Φ：Φ＝(T，M，E，A)
其中，T为已安排观测但未安排回放任务集；M为固存未回放文件集；E为上一轮规划结束星上剩余能源；A为上一轮规划结束卫星停留姿态角度、数传天线角度等。
基于状态空间的定义,一次完整的任务规划的状态可表示为:
Φ＝Φ1∪Φ2∪…ΦN
设Φn初始状态为：
Φ0 n＝(T0 n，M0 n，E0 n，A0 n)
设Φn规划完成状态为：
Φn m＝(Tm n，Mm n，Em n，Am n)
获取本轮任务规划初始状态：获取本轮任务规划开始时刻，获取前一轮任务规划方案信息，从前一轮任务规划方案信息中查询早于本轮任务规划开始时刻的最后一个载荷动作，获取该载荷动作结束后的星上资源状态，作为本轮任务规划的初始状态，即：
T0 n+1＝Tm n，M0 n+1＝Mm n，E0 n+1＝Em n，A0 n+1＝Am n
动态任务规划的求解过程为多轮任务规划之间状态的转移，状态转移就是根据上一阶段的状态和决策来导出本阶段的状态。状态Φn到Φn+1的转换方法：以Φn中的固存容量、星上能量、平台姿态等作为Φn+1任务规划的初始状态开始新一轮任务规划，通过在Φn中获取未回放的所有任务Tn，在Φn+1中进行数传任务与接收资源安排，并且数传任务中安排回放的固存文件号必须包含Φn中已记录的固存文件号Mn，每一轮任务规划过程中都需要在初始的固存容量、星上能源、平台姿态状态基础上进行载荷与平台使用约束的检验。n+1轮任务规划完成后的状态作为n+2轮任务规划的初始状态。
通过多轮滚动式动态任务规划状态的转移，实现一次完整的任务规划，即为滚动式动态任务规划，如图1，即：
一天或多天的任务规划方案由多个测控周期的多轮动态任务规划完成，一天完整的任务规划最终安排任务为：
Q＝Qm 1∪Qm 2∪…∪Qm n
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于测控时机的遥感卫星滚动式动态任务规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)从前一轮动态任务规划的结束时间之后，查找与前一轮动态任务规划的结束时间最近的测控时段，将该测控时段作为本轮动态任务规划的测控时机，从该测控时机的结束时间向后预留本轮动态任务规划第一个载荷动作的准备时间得到本轮动态任务规划的开始时间；将下一轮动态任务规划的测控时机的结束时间作为本轮动态任务规划的结束时间；
(2)将本轮动态任务规划的开始时间和结束时间的时间差作为本轮动态任务规划的任务滚动时间窗口；
(3)将任务滚动时间窗口的开始时间作为资源滚动时间窗口的开始时间，获取任务滚动时间窗口内最后一个任务结束时间之后的第一个接收资源时间窗口，将该接收资源时间窗口的结束时间作为资源滚动时间窗口的结束时间；
(4)获取前一轮动态任务规划的最后一个载荷动作结束后的星上资源状态，将该星上资源状态作为本轮动态任务规划的初始状态；
(5)将处于资源滚动时间窗口内的已受理任务作为本轮动态任务规划的输入，进行前瞻性任务预测；基于初始状态进行两轮动态任务规划之间的状态转移，并采用优化搜索算法与载荷约束处理方法进行优化决策获得本轮动态任务规划的输出；
(6)记录本轮动态任务规划的最后一个载荷动作执行结束后的星上资源状态；
(7)将后一轮动态任务规划更新为本轮动态任务规划，转入步骤(1)。
2.根据权利要求1所述的基于测控时机的遥感卫星滚动式动态任务规划方法，其特征在于，所述的星上资源状态包括：固存容量、星上能量和平台姿态；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：星上电量、电压；所述平台姿态包括：上一轮动态任务规划结束时遥感卫星停留姿态角度和数传天线角度。
3.根据权利要求2所述的基于测控时机的遥感卫星滚动式动态任务规划方法，其特征在于，步骤(4)具体为：遵循星上资源连续使用原则，获取前一轮动态任务规划的最后一个载荷动作结束后的星上资源状态，将该星上资源状态作为本轮动态任务规划的初始状态。
4.根据权利要求2或3所述的基于测控时机的遥感卫星滚动式动态任务规划方法，其特征在于，步骤(5)所述的前瞻性任务预测，具体为：对于任务滚动时间窗口结束时间到资源滚动时间窗口开始时间之间的时段，若还没有受理任务，根据遥感卫星回归周期内每日任务分布情况与最近热点目标预测该时段可能下达的重要任务。
5.根据权利要求4所述的基于测控时机的遥感卫星滚动式动态任务规划方法，其特征在于，步骤(5)所述的优化搜索算法，包括：贪婪算法、遗传算法、模拟退火算法与禁忌搜索算法。
6.根据权利要求4所述的基于测控时机的遥感卫星滚动式动态任务规划方法，其特征在于，步骤(5)所述的载荷约束处理方法，具体为：前一轮动态任务规划结束时的载荷动作与本轮动态任务规划开始时的载荷动作之间必须满足相邻两次载荷动作时间间隔约束；本轮动态任务规划内部载荷动作之间也必须满足相邻两次载荷动作时间间隔约束；本轮动态任务规划中观测任务与数传任务还要满足载荷工作模式使用约束、载荷开机时间限制、载荷开关机动作时序关系约束和姿态切换时间约束。
7.根据权利要求4所述的基于测控时机的遥感卫星滚动式动态任务规划方法，其特征在于，步骤(5)所述的基于初始状态进行两轮动态任务规划之间的状态转移，具体为：通过获取前一轮动态任务规划未回放的所有任务，在本轮动态任务规划中进行数传任务与接收资源安排，并且数传任务中安排回放的固存文件号必须包含前一轮动态任务规划中已记录未安排回放的固存文件号，每一轮任务规划过程中都需要在初始的固存容量、星上能源和平台姿态状态基础上进行载荷与平台使用约束的检验。
8.根据权利要求1、2、3、5、6、7任一所述的基于测控时机的遥感卫星滚动式动态任务规划方法，其特征在于，如果在本轮动态任务规划的测控时机之前有需要立即执行的应急任务，则临时申请早于测控时机的应急测控时间窗口，将该应急测控时间窗口作为新的测控时机，按照步骤(1)与(2)重新确定本轮动态任务规划的任务滚动时间窗口，按照步骤(3)～(6)，重新进行本轮动态任务规划。
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