CN108171443A - 考虑指令上注的多星应急任务规划方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑指令上注的多星应急任务规划方法及装置，本发明根据测控站与每个卫星的可见时间窗，确定了若干个调度决策时刻，并在每个调度决策时刻判断是否有应急任务加入，从而能够及时发现加入的应急任务，提高了对应急任务处理的效率。利用上注完成时间筛选任务的可用可见时间窗，从而保证了在完成上注后才进行相关任务的观测。在为应急任务选取可用可见时间窗时考虑了应急任务的完成期限，确保了应急任务在预定的完成期限内完成。利用精确算法对应急任务与常规任务的加权和进行任务规划，能够快速的为每个应急任务安排目标可用时间窗，不仅能够提高应急任务的规划效率和收益，并且能够保证整体的任务完成率。

Description

考虑指令上注的多星应急任务规划方法及装置

技术领域

本发明涉及卫星任务规划领域，具体涉及一种考虑指令上注的多星应急任务规划方法及装置。

背景技术

随着卫星技术的不断发展和用户对遥感数据需求的不断提高，对地观测卫星开始在重大自然灾害、突发事件等应急任务中扮演着越来越重要的角色，成为获取信息的重要手段。在应用过程中，卫星是按照相关需求对地表特定区域进行成像，并将形成的图像发送给地面的接收站。

目前，卫星任务规划主要面向固定周期的静态任务规划，任务规划方法普遍采用约束优化建模，综合考虑星地资源使用约束条件，以最大化综合成像收益，通过遗传算法、贪婪算法等多目标优化算法，获得卫星最优或近似最优任务规划方案。这种任务规划方法没有充分考虑应急任务的不确定性和紧急性，同时没有考虑任务规划指令上注等工作流程对应急任务规划的影响，造成得到的任务规划不够合理，无法在在考虑卫星指令上注环节的情况下，利用有限的卫星资源对应急任务进行快速合理的规划，以使应急任务能够在截止时间内最早完成，同时保证卫星的整体任务完成率。总之，现有技术中的卫星任务规划，动态调整性不足，工程适用性不强，不适用于考虑指令上注环节下的应急任务的规划问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种考虑指令上注的多星应急任务规划方法及装置，克服了现有技术中在进行应急任务规划时没有考虑应急任务的不确定性、紧急性、上注指令需要时间、应急任务的完成期限的问题以及应急任务需要进行指令上注和数据下传的环节。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

第一方面，提供了考虑指令上注的多星应急任务规划方法，所述方法包括如下步骤：

接收应急任务和/或常规任务，并作为输入，并利用如下步骤对接收的应急任务和/或常规任务进行处理：

根据测控站与每个卫星的可见时间窗确定若干个调度决策时刻，在每个调度决策时刻利用决策调度机制来确定是否为调度时刻，并针对每个所述调度时刻进行任务规划，确定每个卫星相对于所述调度时刻的待规划任务集合；

确定每个卫星相对于所述调度时刻的任务规划序列的指令上注完成时间，

确定每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗；

根据待规划任务集合中，每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个应急任务的权重，确定应急任务数量和与权重和的加权和，得到第一和；

根据待规划任务集合中，每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个常规任务的权重，确定常规任务数量和与权重和的加权和，得到第二和；

设计精确算法来确定所述第一和与第二和的加权和，并根据所述第一和与第二和的加权和确定所述待规划任务集合中每个任务的目标可见时间窗；

根据每个任务的目标可见时间窗，确定针对所述待规划任务集合的任务规划序列，并作为输出。

结合第一方面，在另一种可能的实现方式中，所述调度时刻根据如下步骤确定：

确定测控站与每个卫星的可见时间窗的开始时间，得到若干个调度决策时刻；

在每个调度决策时刻利用决策调度机制确定调度时刻，所述决策调度机制如下：

判断在预定时间段内是否接收到应急任务；如果接收到应急任务，则确定当前调度决策时刻为调度时刻；如果没有接收到应急任务，继续判断在该预定时间段内到达的常规任务数量M以及原规划序列的未执行任务数量S是否满足：

M+S≥U

且原规划序列的未执行任务数量S与紧前规划任务总数H是否满足：

其中，U为可规划任务总量阈值；

V为星上任务未完成率阈值；

如果满足，则确定当前调度决策时刻为调度时刻，如果不满足，该调度决策时刻不进行任务规划，继续执行原规划任务序列；

所述方法利用如下步骤确定每个卫星相对于调度时刻的任务规划序列的指令上注完成时间：

确定每个卫星在每个调度时刻的测控站可见时间窗的结束时间为在调度时刻进行任务规划序列的指令上注完成时间。

结合第一方面，在另一种可能的实现方式中，所述方法利用如下步骤确定每次调度时刻对应的待规划任务集合中任务的可用可见时间窗：

所述方法利用如下步骤确定待规划任务集合中每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗：

针对所述待规划任务集合中的每个常规任务，从其在每个卫星的可见时间窗中选取开始时间晚于当前任务的接收时间以及对应的上注完成时间的可见时间窗，得到当前常规任务在每个卫星上的可用可见时间窗；

所述方法利用如下步骤确定待规划任务集合中每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗：

针对所述待规划任务集合中的每个应急任务，从其在每个卫星的可见时间窗中选取开始时间晚于当前任务的接收时间以及对应的上注完成时间，并且结束时间早于当前应急任务的完成期限的可见时间窗，得到当前应急任务在每个卫星上的可用可见时间窗。

结合第一方面，在另一种可能的实现方式中，所述第一和与第二和的加权和利用如下公式确定：

式中，R_E、R_num、R_J、R_wgt表示预定比例系数；R_E表示应急任务的数量，N_S表示卫星的数量，表示应急任务e在卫星S上的可用可见时间窗的个数；w_e表示应急任务的权重；N_J表示常规任务的个数；表示常规任务j在卫星S上的可用可见时间窗的个数；w_j表示常规任务的权重；表示任务i在卫星S上的第n个可见时间窗的决策变量，如果任务i在卫星S上的第n个可见时间窗内完成，则取值1，否则取值0。

结合第一方面，在另一种可能的实现方式中，所述方法在得到所述应急任务在每个卫星上的可用可见时间窗之后，并且在计算得到所述第一和之前，还包括如下步骤：

针对每个应急任务，从地面站与每个卫星的可见时间窗中，选取结束时间早于或等于当前应急任务的完成期限的可见时间窗，得到下传时间窗；

针对每个应急任务，从其在每个卫星上的可用可见时间窗中，选取结束时间早于或等于对应的下传时间窗的开始时间的可用时间窗，得到目标可用可见时间窗，并根据所述目标可用可见时间窗确定所述第一和。

第二方面，提供了一种考虑指令上注的多星应急任务规划装置，所述装置包括：

输入模块，用于接收应急任务和/或常规任务；

调度决策模块，用于根据测控站与每个卫星的可见时间窗确定若干个调度决策时刻，在每个调度决策时刻利用决策调度机制来确定是否为调度时刻，并针对每个所述调度时刻进行任务规划，确定每个卫星相对于所述调度时刻的待规划任务集合；

上注完成时间确定模块，用于确定每个卫星相对于所述调度时刻的任务规划序列的指令上注完成时间；

可用可见时间窗确定模块，用于确定每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗；

第一计算模块，用于根据待规划任务集合中，每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个应急任务的权重，确定应急任务数量和与权重和的加权和，得到第一和；

第二计算模块，用于根据待规划任务集合中，每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个常规任务的权重，确定常规任务数量和与权重和的加权和，得到第二和；

规划模块，设计精确算法来确定所述第一和与第二和的加权和，并根据所述第一和与第二和的加权和确定对应的所述待规划任务集合中每个任务的目标可见时间窗；

输出模块，用于根据每个任务的目标可见时间窗，确定针对所述待规划任务集合的任务规划序列，并作为输出。

结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，所述调度决策模块包括：

调度时刻确定子模块，用于利用如下步骤确定所述调度时刻：

确定测控站与每个卫星的可见时间窗的开始时间，得到若干个调度决策时刻；

在每个调度决策时刻利用决策调度机制确定调度时刻，所述决策调度机制如下：

判断在预定时间段内是否接收到应急任务；如果接收到应急任务，则确定当前调度决策时刻为调度时刻；如果没有接收到应急任务，继续判断在该预定时间段内到达的常规任务数量M以及原规划序列的未执行任务数量S是否满足：

M+S≥U

且原规划序列的未执行任务数量S与紧前规划任务总数H是否满足：

其中，U为可规划任务总量阈值；

V为星上任务未完成率阈值；

如果满足，则确定当前调度决策时刻为调度时刻，如果不满足，该调度决策时刻不进行任务规划，继续执行原规划任务序列；

上注完成时间确定子模块，用于确定每个卫星在每个调度时刻的测控站可见时间窗的结束时间为在调度时刻进行任务规划序列的指令上注完成时间。

结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，所述可用可见时间窗确定模块包括：

第一可用可见时间窗确定子模块，用于利用如下步骤确定待规划任务集合中每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗：

针对所述待规划任务集合中的每个常规任务，从其在每个卫星的可见时间窗中选取开始时间晚于当前任务的接收时间以及对应的上注完成时间的可见时间窗，得到当前常规任务在每个卫星上的可用可见时间窗；

第二可用可见时间窗确定子模块，用于

利用如下步骤确定待规划任务集合中每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗：

针对所述待规划任务集合中的每个应急任务，从其在每个卫星的可见时间窗中选取开始时间晚于当前任务的接收时间以及对应的上注完成时间，并且结束时间早于当前应急任务的完成期限的可见时间窗，得到当前应急任务在每个卫星上的可用可见时间窗。

结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，所述规划模块利用如下公式确定所述第一和与第二和的加权和：

式中，R_E、R_num、R_J、R_wgt表示预定比例系数；R_E表示应急任务的数量，N_S表示卫星的数量，表示应急任务e在卫星S上的可用可见时间窗的个数；w_e表示应急任务的权重；N_J表示常规任务的个数；表示常规任务j在卫星S上的可用可见时间窗的个数；w_j表示常规任务的权重；表示任务i在卫星S上的第n个可见时间窗的决策变量，如果任务i在卫星S上的第n个可见时间窗内完成，则取值1，否则取值0。

结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，所述装置还包括下传时间窗确定模块和应急任务目标时间窗筛选模块；

所述下传时间窗确定模块用于针对每个应急任务，从地面站与每个卫星的可见时间窗中，选取结束时间早于或等于当前应急任务的完成期限的可见时间窗，得到下传时间窗；

所述应急任务目标时间窗筛选模块用于针对每个应急任务，从其在每个卫星上的可用可见时间窗中，选取结束时间早于或等于对应的下传时间窗的开始时间的可用时间窗，得到目标可用可见时间窗；

所述第一计算模块还用于根据待规划任务集合中，每个应急任务在每个卫星上的每个目标可用可见时间窗以及每个应急任务的权重，确定应急任务数量和与权重和的加权和，得到所述第一和。

(三)有益效果

本发明实施例提供了一种考虑指令上注的多星应急任务规划方法及装置。具备以下有益效果：

根据测控站与每个卫星的可见时间窗，确定了若干个调度决策时刻，并在每个调度决策时刻判断是否新的应急任务加入，从而能够及时发现加入的应急任务，提高了对应急任务处理的效率，解决了现有技术中由于应急任务出现的不确定而造成的无法及时对应急任务进行规划的问题。

确定了每个卫星相对于每个调度时刻的上注完时间，并利用上注完成时间筛选任务的可用可见时间窗，从而保证了在完成上注后才进行相关任务的观测。考虑指令上注对于应急任务规划的影响，使得应急任务到达后能及时规划上注，从而被卫星观测。

在为应急任务选取可用可见时间窗时考虑了应急任务的完成期限，确保了应急任务的可用可见时间窗的结束时间早于完成期限，即确保了应急任务在预定的完成期限内完成。

利用CPLEX设计精确算法对应急任务和常规任务进行任务规划，以应急任务和常规任务的任务收益和任务完成率的加权和为目标函数，能够快速的为每个应急任务安排目标可用时间窗，不仅能够提高应急任务的规划效率和收益，并且能够保证整体的任务完成率。

综上，本发明实施例的考虑指令上注的多星应急任务规划方法及装置，克服了现有技术中在进行应急任务规划时没有考虑应急任务的不确定性、紧急性、上注指令需要时间、应急任务的完成期限的问题以及应急任务需要进行指令上注和数据下传的环节，能有快速高效的进行多星任务规划。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的考虑指令上注的多星应急任务规划方法流程图；

图2是卫星、基站设置结构示意图；

图3是本发明在一实施例的多星应急任务规划方法中任务筛选示意图；

图4是本发明又一实施例的多星应急任务规划方法中时间窗筛选示意图；

图5是本发明又一实施例的多星应急任务规划方法中调度时刻确定示意图；

图6是本发明又一实施例的考虑指令上注的多星应急任务规划方法流程图；

图7是本发明一实施例的考虑指令上注的多星应急任务规划方法装置框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为方便理解，下面先对卫星任务执行流程以及下面实施例可能用到的参数进行介绍。

卫星任务执行流程如下：

如图2所示，当任务需求确定时，地面控制中心2对任务进行任务规划与资源调度，将规划好的任务序列指令传给地面测控站3，由测控站3在卫星4对其可见时间窗内将指令注入到成像卫星4上，成像卫星4按照指令对完成任务观测，等到卫星4对地面站1有可见时间窗的时候将成像数据下传至地面站1，再将成像数据回传到地面控制中心2，完成用户需求。在这个过程中，根据用户需求将任务分类为常规任务J和应急任务E。

下面实施例可能用到的参数：

应急任务规划中任务的元素集合可以用五元组来表示：

{ArrivalTime,DateTime,Class,TW,w}

其中w为任务的权值，Class为任务类别，ArrivalTime为任务到达时间，DateTime为任务截止时间，TW为任务的可见时间窗。E为应急任务集合，w_e为应急任务权重，N_E为应急任务数量，J为常规任务集合，w_j为常规任务权重，N_J为常规任务数，I＝E∪U为总任务集合，w_i为权重，S为卫星集合，N_S为卫星数量，F为测控站集合，G为地面站集合，TW_i＝{[WS_i,WE_i]|i∈I}为任务可见时间窗集合，表示卫星S对任务J的时间窗个数，WS_i表示任务i的可见时间窗的开始时间，WE_i表示表示任务i的可见时间窗的结束时间。

为任务I在卫星S上的第n个时间窗集合。

TW_s,f＝{[WS_s,f,WE_s,f]|f∈F,s∈S}为测控站可见时间窗集合。

TW_s,g＝{[WS_s,g,WE_s,g]|g∈G,s∈S}为地面站可见时间窗集合。

一种考虑指令上注的多星应急任务规划方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：

110、接收应急任务和/或常规任务，并作为输入，并利用如下步骤对接收的应急任务和/或常规任务进行处理：

120、根据测控站与每个卫星的可见时间窗确定若干个调度决策时刻，在每个调度决策时刻利用决策调度机制来确定是否为调度时刻，并针对每个所述调度时刻进行任务规划，确定每个卫星相对于所述调度时刻的待规划任务集合；

此步骤中，调节决策时刻用于进行任务规划，调节决策时刻位于测控站与每个卫星的每个可见时间窗内，也可以早于对应的可见时间窗一段时间。测控站在与每个卫星的可见时间窗内，向每个卫星注入任务规划序列，该任务规划序列包含卫星需要执行的任务、执行各个任务的可见时间窗以及观测时间窗等用于指示卫星工作的信息。因此在测控站与卫星的可见时间窗内进行任务规划，而任务规划的时间很短，不会影响任务规划对应的指令代码的注入，因此在测控站与卫星的可见时间窗内对任务规划完毕后，将对应于任务规划的指令代码注入相应的卫星，从而指导卫星完成相应的观测任务。

130、确定每个卫星相对于所述调度时刻的任务规划序列的指令上注完成时间，

140、确定每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗；

150、根据待规划任务集合中，每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个应急任务的权重，确定应急任务数量和与权重和的加权和，得到第一和；

160、根据待规划任务集合中，每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个常规任务的权重，确定常规任务数量和与权重和的加权和，得到第二和；

170、确定所述第一和与第二和的加权和，并根据所述第一和与第二和的加权和确定所述待规划任务集合中每个任务的目标可见时间窗；

180、根据每个任务的目标可见时间窗，确定针对所述待规划任务集合的任务规划序列，并作为输出。

综上，本实施例根据测控站与每个卫星的可见时间窗，确定了若干个调度时刻，并在每个调度时刻判断是否新的应急任务加入或当前是否具有满足预定条件的任务，从而能够及时发现加入的应急任务，提高了对应急任务处理的效率，解决了现有技术中由于应急任务出现的不确定而造成的无法及时对应急任务进行规划的问题。

本实施例确定了每个卫星相对于每个调度时刻的上注完时间，并利用上注完成时间筛选任务的可用可见时间窗，从而保证了在完成上注后才进行相关任务的观测。

本实施例在为应急任务选取可用可见时间窗时考虑了应急任务的完成期限，确保了应急任务的可用可见时间窗的结束时间早于完成期限，即确保了应急任务在预定的完成期限内完成。

本实施例利用应急任务与常规任务的加权和进行任务规划，能够快速的为每个应急任务安排目标可用时间窗，不仅能够提高应急任务的规划效率，并且能够保证整体的任务完成率。

本实施例的方法可以由测控站完成，当然也可以由其他的服务器完成，本发明对此并不进行限定。

在一个实施例中，所述调度时刻根据如下步骤确定：

确定测控站与每个卫星的可见时间窗的开始时间，得到若干个调度决策时刻；

在每个调度决策时刻利用决策调度机制确定调度时刻，所述决策调度机制如下：

判断在预定时间段内是否接收到应急任务；如果接收到应急任务，则确定当前调度决策时刻为调度时刻；如果没有接收到应急任务，继续判断在该预定时间段内到达的常规任务数量M以及原规划序列的未执行任务数量S是否满足：

M+S≥U

且原规划序列的未执行任务数量S与紧前规划任务总数H是否满足：

其中，U为可规划任务总量阈值；

V为星上任务未完成率阈值；

如果满足，则确定当前调度决策时刻为调度时刻，如果不满足，该调度决策时刻不进行任务规划，继续执行原规划任务序列；

所述方法利用如下步骤确定每个卫星相对于调度时刻的任务规划序列的指令上注完成时间：

确定每个卫星在每个调度时刻的测控站可见时间窗的结束时间为在调度时刻进行任务规划序列的指令上注完成时间。

在每个调节时刻到来时，判断是否有新的任务到达测控站，如果没有，则不进行任务规划，如果有新的任务，则需要进行任务规划。

本实施例中，任务规划开始后需要首先选取待规划任务，需要规划的任务包括新接收的任务以及已经规划好，但是还没有开始执行的任务，对于已经执行过的任务以及正在执行的任务则删除，不再对此类任务进行规划。

可见，每次任务规划只对当前任务集合中的任务进行规划，保证了任务规划的收益，提高了任务规划的效率，不会对指令代码注入造成影响。

此步骤中的预定时间段可以根据实际场景灵活设定，例如可以是本次调度时刻与前一次调度时刻的时间差。

每个调度时刻都会形成待规划任务集合，每个调度时刻到来时只需要对对应的待规划任务集合中的每个任务进行规划即可。应当说明的是只有在调度时刻到来时才能确定与其对应的待规划任务集合，即每个调度时刻到来时，执行一次本步骤以及本步骤以下的步骤。

本实施例中，考虑到卫星在执行观测任务之前，需要首先注入对应于要执行任务的指令代码，因此在每次规划的任务的可见时间窗开始前，需要一个在测控站向卫星注入指令代码的时间段，注入指令代码完成后才能继续对上注的任务的观测，因此设置了用于指示指令代码上注完成的上注完成时间。

在一个实施例中，所述方法利用如下步骤确定每次调度时刻对应的待规划任务集合中任务的可用可见时间窗：

所述方法利用如下步骤确定待规划任务集合中每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗：

针对所述待规划任务集合中的每个常规任务，从其在每个卫星的可见时间窗中选取开始时间晚于当前任务的接收时间以及对应的上注完成时间的可见时间窗，得到当前常规任务在每个卫星上的可用可见时间窗；

所述方法利用如下步骤确定待规划任务集合中每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗：

针对所述待规划任务集合中的每个应急任务，从其在每个卫星的可见时间窗中选取开始时间晚于当前任务的接收时间以及对应的上注完成时间，并且结束时间早于当前应急任务的完成期限的可见时间窗，得到当前应急任务在每个卫星上的可用可见时间窗。

本实施例中，实现的是为每个常规任务以及应急任务选取其在每个卫星上的可用可见时间窗。

本实施例中，针对每个常规任务，选取的时间窗是上注完成时间之后的时间窗，因此可以保证在卫星进行任务观测之前需要执行的任务指令代码已经上注完成。

本实施例中，针对每个应急任务，选取的时间窗是上注完成时间之后的时间窗，因此可以保证在卫星进行任务观测之前需要执行的任务指令代码已经上注完成。

针对每个应急任务，选取的时间窗同时在对应应急任务的完成期限之前，因此可以保证应急任务能够在其完成期限之前完成任务。

在一个实施例中，所述第一和与第二和的加权和利用如下公式确定：

式中，R_E、R_num、R_J、R_wgt表示预定比例系数；R_E表示应急任务的数量，N_S表示卫星的数量，表示应急任务e在卫星S上的可用可见时间窗的个数；w_e表示应急任务的权重；N_J表示常规任务的个数；表示常规任务j在卫星S上的可用可见时间窗的个数；w_j表示常规任务的权重；表示任务i在卫星S上的第n个可见时间窗的决策变量，如果任务i在卫星S上的第n个可见时间窗内完成，则取值1，否则取值0。

在一个实施例中，所述方法在得到所述应急任务在每个卫星上的可用可见时间窗之后，并且在计算得到所述第一和之前，还包括如下步骤：

针对每个应急任务，从地面站与每个卫星的可见时间窗中，选取结束时间早于或等于当前应急任务的完成期限的可见时间窗，得到下传时间窗；

针对每个应急任务，从其在每个卫星上的可用可见时间窗中，选取结束时间早于或等于对应的下传时间窗的开始时间的可用时间窗，得到目标可用可见时间窗，并根据所述目标可用可见时间窗确定所述第一和。

由于在每个周期中都有可能有新的应急任务和常规任务到达，所以在每个调度时刻都应该对常规任务和应急任务进行规划，并且优先完成应急任务，由于多个应急任务同时到达也有可能存在冲突，本实施例将应急任务和常规任务都采用精确算法来求解，目标函数由两部分组成，一是应急任务的数量总和和应急任务的权重总和的加权和，一是常规任务的数量总和和常规任务的权重总和的加权和，调度目标是使得这两者的加权和最大。将R_E系数调大，则目标函数以优先完成应急任务，再完成常规任务。

本实施例不仅能够提高应急任务规划的时效性，并且能够保证任务的完成率。

在一个实施例中考虑指令上注的多星应急任务规划方法利用如下步骤得到待规划任务集合：

根据对应的调度时刻、所有任务的可见时间窗、以及所有任务的接收时间，选取新任务和已经规划、并且没有开始执行的任务。

具体地，在每一次调度时刻，根据调度时刻的任务状态将任务划分为已完成观测任务FinishTask，正在执行观测任务ExecuteTask，已规划任务PlanTask和新到达任务ArrivalTask。判断条件如下：在调度时刻T_k，对进行定义，如果WE_i＜T_k，则为FinishTask，如图3中的Task₁、Task₂；如果WS_i＜T_k＜WE_i，则为ExecuteTask，如图3中的Task₃；如果WS_i＞T_k，则为PlanTask，如图3中的Task₄、Task₅、Task₆、Task₇；如果任务在两次规划间Period到达，即T_k-1＜ArrivalTime_i＜T_k，则为新到达任务，如图3中的Task₈、Task₉。

此步骤在每一个调度时刻都进行一次，这是由于滚动优化需要对不断到达的任务进行多次规划，因此在每次规划时，任务状态都会发生改变，即需要重新对任务进行分类和筛选。

在一个实施例中，多星应急任务规划方法在得到应急任务在每个卫星上的可用可见时间窗之后，并且在计算得到第一和之前，还包括如下步骤：

针对每个应急任务，从其在每个卫星上的可用可见时间窗中，选取开始时间最早的可用可见时间窗作为目标可用可见时间窗，并根据目标可用可见时间窗确定第一和。

本实施例实现的是在可用可见时间窗内选取执行时间最早的可用可见时间窗，从而保证了应急任务的时效性。

在一个实施例中，多星应急任务规划方法在得到应急任务在每个卫星上的可用可见时间窗之后，并且在计算得到第一和之前，还包括如下步骤：

针对每个应急任务，从地面站与每个卫星的可见时间窗中，选取结束时间早于或等于当前应急任务的完成期限的可见时间窗，得到下传时间窗；

针对每个应急任务，从其在每个卫星上的可用可见时间窗中，选取结束时间早于或等于对应的下传时间窗的开始时间的可用时间窗，得到目标可用可见时间窗，并根据目标可用可见时间窗确定第一和。

本实施例实现的是在可用可见时间窗内选取能够在对应的应急任务完成期限之前完成观测数据下传的可用可见时间窗，从而保证了应急任务能够在其对应的完成期限之前完成观测数据的下传。

下面你通过一个具体的实施例对上述考虑指令上注的多星应急任务规划方法进行详细介绍。

本实例的考虑指令上注的多星应急任务规划方法包括如下步骤，如图6所示：

步骤一：判断是否到触发滚动机制，即判断是否到达一个调度时刻，如果是则执行步骤二，否则执行步骤七。

步骤二、判断是否有新任务达到，如果是进行步骤三，否则进入步骤七。

步骤三、对当前任务进行筛选和分类，得到待规划任务集合；

步骤四、为每个任务筛选可用可见时间窗；

步骤五、删除已经完成和正在执行的任务，并将步骤三筛选得到的未规划的新任务以及已规划、并且没有开始执行的任务添加到滚动窗口；

步骤六、使用精确算法进行任务规划；

步骤七、各个卫星执行规划的任务。

应当说明的是本实施例基于测控窗口为周期，利用滚动优化策略的动态调度方法，即在每个调度时刻筛选新任务和已规划、未执行任务作为待规划任务，放入滚动窗口，以便进行任务规划。其实现了把任务按照到达时间划分为具有一定重叠度，但随着调度时刻不断向前推进的任务集合，即滚动窗口。在每次调度时，仅对当前滚动窗口内的任务进行规划。随着调度时刻的推进，新任务被不断加入，而完成调度的任务则被逐渐删除，从而实现滚动窗口的更新。

滚动优化策略的优点是能够将复杂的动态调度问题分解为多个简单的静态调度子问题，并以子问题有化解的组合代替原问题的最优解，从而降低预案问题求解的难度。以滚动推进的形式选择动态任务进行调度或者重调度，可及时调整规划方案以适应和跟踪系统状态的变化。此外，在每一次滚动周期内都需要进行一次规划。

本发明考虑在实际的应急任务规划流程中常规任务和应急任务不断动态到达系统的情况，设计测控窗口的滚动优化策略，设计合理的规划模式将周期内任务排程结果作为反馈输入到后续的滚动窗口，在滚动窗口中以最大化任务权重和最大化完成任务数量为优化目标，通过在线循环进行的滚动优化和状态反馈构成闭环控制系统。

本实施例中在进行任务规划前，考虑测控站F和地面站G对任务规划的影响，在每次调度前对应急任务和常规任务进行任务预处理，即可用可见时间窗筛选。主要通过任务i的ArrivalTime、DateTime属性和测控站F以及地面站G之间的时间维度，顺序对任务i的TW_i＝{[WS_i,WE_i]|i∈I}进行条件筛选。

常规任务的可用可见时间窗应该在到达时间之后ArrivalTime_j≤WS_j，于此同时，可用可见时间窗TW_i对由于任务必须要在指令上注后才能由卫星观测执行，因此任务i在每颗卫星的可用可见时间窗TW_i必须在离调度时刻最近，并且测控窗口(即测控站与卫星的可见时间窗)之后，即满足T_k≤WS_i，因此排除如图4所示。

对于常规任务来说，不需要考虑任务完成截止时间，因此后面的四个时间窗都应该保留从而进入规划。而对于应急任务来说，任务i需要在截止时间DateTime_i前完成，即满足WE_i＞DateTime_i，因此排除如图4所示。与此同时，应急任务越早完成越好，即应急任务应选择最早观测并最早下传的时间窗，因此在剩余的三个时间窗中选择TW_i,¹ ₂进行任务排程。

本实施例的步骤五中，滚动窗口Window用于存放每次的调度时刻的划分的已规划、未执行任务PlanTask和新到达任务ArrivalTask，在每次调度中删除滚动窗口的原规划方案，实际上每次调度只对划入滚动窗口中的任务进行调度，保证了每次规划对当前时刻的最优性。本实施例在每次滚动中，即将已完成任务和正在执行的任务从Window排除，对新到达任务和已规划未执行的任务进行重新规划。

本实施例的步骤一中，驱动机制决定了系统何时进行任务规划，从而确定落入滚动窗口Window中的任务，是滚动优化策略最关键的部分，驱动机制可以根据规划任务的实际约束进行可操作化处理，在卫星任务规划中，考虑到任务的规划序列只能在测控站进行指令上注后完成，同时由于指令上注需要时间，本文将卫星对测控站的时间窗口模拟化为虚拟任务，将调度时刻与测控站指令上注时间统筹调度，即利用公式WS_s,f≤T_k≤WE_s,f确定调度时刻，即建立驱动机制，如图5所示，T_k、T_k-1、T_k+1都是调度时刻。

本实施例步骤六中，采用精确算法方式对滚动窗口中的任务进行规划求解。采用基于CPLEX的精确算法对任务进行求解，算法的目标函数由两部分组成，一是应急任务的数量总和和应急任务的权重总和的加权和，一是常规任务的数量总和和常规任务的权重总和的加权和，目标函数使得这两者的加权和最大。

本实施例的方法能解决应急任务到达的任务规划问题，满足应急任务在规定时间内优先完成。同时考虑了多星指令上注和数据下传的实际情况。

对应于上述多星任意任务规划方法，本发明的实施例还提供了一种考虑指令上注的多星应急任务规划装置，如图7所示，所述装置包括：

输入模块，用于接收应急任务和/或常规任务；

调度决策模块，用于根据测控站与每个卫星的可见时间窗确定若干个调度决策时刻，在每个调度决策时刻利用决策调度机制来确定是否为调度时刻，并针对每个所述调度时刻进行任务规划，确定每个卫星相对于所述调度时刻的待规划任务集合；

上注完成时间确定模块，用于确定每个卫星相对于所述调度时刻的任务规划序列的指令上注完成时间；

可用可见时间窗确定模块，用于确定每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗；

第一计算模块，用于根据待规划任务集合中，每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个应急任务的权重，确定应急任务数量和与权重和的加权和，得到第一和；

第二计算模块，用于根据待规划任务集合中，每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个常规任务的权重，确定常规任务数量和与权重和的加权和，得到第二和；

规划模块，确定所述第一和与第二和的加权和，并根据所述第一和与第二和的加权和确定对应的所述待规划任务集合中每个任务的目标可见时间窗；

输出模块，用于根据每个任务的目标可见时间窗，确定针对所述待规划任务集合的任务规划序列，并作为输出。

在一个实施例中，所述调度决策模块包括：

调度时刻确定子模块，用于利用如下步骤确定所述调度时刻：

确定测控站与每个卫星的可见时间窗的开始时间，得到若干个调度决策时刻；

在每个调度决策时刻利用决策调度机制确定调度时刻，所述决策调度机制如下：

判断在预定时间段内是否接收到应急任务；如果接收到应急任务，则确定当前调度决策时刻为调度时刻；如果没有接收到应急任务，继续判断在该预定时间段内到达的常规任务数量M以及原规划序列的未执行任务数量S是否满足：

M+S≥U

且原规划序列的未执行任务数量S与紧前规划任务总数H是否满足：

其中，U为可规划任务总量阈值；

V为星上任务未完成率阈值；

如果满足，则确定当前调度决策时刻为调度时刻，如果不满足，该调度决策时刻不进行任务规划，继续执行原规划任务序列；

上注完成时间确定子模块，用于确定每个卫星在每个调度时刻的测控站可见时间窗的结束时间为在调度时刻进行任务规划序列的指令上注完成时间。

在一个实施例中，所述可用可见时间窗确定模块包括：

第一可用可见时间窗确定子模块，用于利用如下步骤确定待规划任务集合中每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗：

针对所述待规划任务集合中的每个常规任务，从其在每个卫星的可见时间窗中选取开始时间晚于当前任务的接收时间以及对应的上注完成时间的可见时间窗，得到当前常规任务在每个卫星上的可用可见时间窗；

第二可用可见时间窗确定子模块，用于

利用如下步骤确定待规划任务集合中每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗：

针对所述待规划任务集合中的每个应急任务，从其在每个卫星的可见时间窗中选取开始时间晚于当前任务的接收时间以及对应的上注完成时间，并且结束时间早于当前应急任务的完成期限的可见时间窗，得到当前应急任务在每个卫星上的可用可见时间窗。

在一个实施例中，所述规划模块利用如下公式确定所述第一和与第二和的加权和：

式中，R_E、R_num、R_J、R_wgt表示预定比例系数；R_E表示应急任务的数量，N_S表示卫星的数量，表示应急任务e在卫星S上的可用可见时间窗的个数；w_e表示应急任务的权重；N_J表示常规任务的个数；表示常规任务j在卫星S上的可用可见时间窗的个数；w_j表示常规任务的权重；表示任务i在卫星S上的第n个可见时间窗的决策变量，如果任务i在卫星S上的第n个可见时间窗内完成，则取值1，否则取值0。

在一个实施例中，所述装置还包括下传时间窗确定模块和应急任务目标时间窗筛选模块；

所述下传时间窗确定模块用于针对每个应急任务，从地面站与每个卫星的可见时间窗中，选取结束时间早于或等于当前应急任务的完成期限的可见时间窗，得到下传时间窗；

所述应急任务目标时间窗筛选模块用于针对每个应急任务，从其在每个卫星上的可用可见时间窗中，选取结束时间早于或等于对应的下传时间窗的开始时间的可用时间窗，得到目标可用可见时间窗；

所述第一计算模块还用于根据待规划任务集合中，每个应急任务在每个卫星上的每个目标可用可见时间窗以及每个应急任务的权重，确定应急任务数量和与权重和的加权和，得到所述第一和。

本发明实施例的装置考虑了应急任务的不确定性和紧急性以及在规定的时间内越早完成越好等特性，与此同时考虑了卫星何时将已调整规划的卫星序列指令上注到卫星以及何时将已完成观测任务下传至地面站，从而完成了应急任务的规划、指令上注、数据下传的整体流程，为地面操作人员提供切实可靠的可执行方案。

本发明实施例的方法是本发明实施例的装置在采集处理处理图像时的步骤一一对应的，本发明实施例的装置采集处理图像的每个步骤均包含在本发明实施例的方法中，因此，对于重复的部分，这里不再进行赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种考虑指令上注的多星应急任务规划方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

接收应急任务和/或常规任务，并作为输入，并利用如下步骤对接收的应急任务和/或常规任务进行处理：

根据测控站与每个卫星的可见时间窗确定若干个调度决策时刻，在每个调度决策时刻利用决策调度机制来确定是否为调度时刻，并针对每个所述调度时刻进行任务规划，确定每个卫星相对于所述调度时刻的待规划任务集合；

确定每个卫星相对于所述调度时刻的任务规划序列的指令上注完成时间，

确定每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗；

根据待规划任务集合中，每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个应急任务的权重，确定应急任务数量和与权重和的加权和，得到第一和；

根据待规划任务集合中，每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个常规任务的权重，确定常规任务数量和与权重和的加权和，得到第二和；

确定所述第一和与第二和的加权和，并根据所述第一和与第二和的加权和确定所述待规划任务集合中每个任务的目标可见时间窗；

根据每个任务的目标可见时间窗，确定针对所述待规划任务集合的任务规划序列，并作为输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调度时刻根据如下步骤确定：

确定测控站与每个卫星的可见时间窗的开始时间，得到若干个调度决策时刻；

在每个调度决策时刻利用决策调度机制确定调度时刻，所述决策调度机制如下：

判断在预定时间段内是否接收到应急任务；如果接收到应急任务，则确定当前调度决策时刻为调度时刻；如果没有接收到应急任务，继续判断在该预定时间段内到达的常规任务数量M以及原规划序列的未执行任务数量S是否满足：

M+S≥U

且原规划序列的未执行任务数量S与紧前规划任务总数H是否满足：

其中，U为可规划任务总量阈值；

V为星上任务未完成率阈值；

如果满足，则确定当前调度决策时刻为调度时刻，如果不满足，该调度决策时刻不进行任务规划，继续执行原规划任务序列；

所述方法利用如下步骤确定每个卫星相对于调度时刻的任务规划序列的指令上注完成时间：

确定每个卫星在每个调度时刻的测控站可见时间窗的结束时间为在调度时刻进行任务规划序列的指令上注完成时间。

3.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，所述方法利用如下步骤确定每次调度时刻对应的待规划任务集合中任务的可用可见时间窗：

所述方法利用如下步骤确定待规划任务集合中每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗：

针对所述待规划任务集合中的每个常规任务，从其在每个卫星的可见时间窗中选取开始时间晚于当前任务的接收时间以及对应的上注完成时间的可见时间窗，得到当前常规任务在每个卫星上的可用可见时间窗；

所述方法利用如下步骤确定待规划任务集合中每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗：

针对所述待规划任务集合中的每个应急任务，从其在每个卫星的可见时间窗中选取开始时间晚于当前任务的接收时间以及对应的上注完成时间，并且结束时间早于当前应急任务的完成期限的可见时间窗，得到当前应急任务在每个卫星上的可用可见时间窗。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述第一和与第二和的加权和利用如下公式确定：

式中，R_E、R_num、R_J、R_wgt表示预定比例系数；R_E表示应急任务的数量，N_S表示卫星的数量，表示应急任务e在卫星S上的可用可见时间窗的个数；w_e表示应急任务的权重；N_J表示常规任务的个数；表示常规任务j在卫星S上的可用可见时间窗的个数；w_j表示常规任务的权重；表示任务i在卫星S上的第n个可见时间窗的决策变量，如果任务i在卫星S上的第n个可见时间窗内完成，则取值1，否则取值0。

5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述方法在得到所述应急任务在每个卫星上的可用可见时间窗之后，并且在计算得到所述第一和之前，还包括如下步骤：

针对每个应急任务，从地面站与每个卫星的可见时间窗中，选取结束时间早于或等于当前应急任务的完成期限的可见时间窗，得到下传时间窗；

针对每个应急任务，从其在每个卫星上的可用可见时间窗中，选取结束时间早于或等于对应的下传时间窗的开始时间的可用时间窗，得到目标可用可见时间窗，并根据所述目标可用可见时间窗确定所述第一和。

6.一种考虑指令上注的多星应急任务规划装置，其特征在于，所述装置包括：

输入模块，用于接收应急任务和/或常规任务；

调度决策模块，用于根据测控站与每个卫星的可见时间窗确定若干个调度决策时刻，在每个调度决策时刻利用决策调度机制来确定是否为调度时刻，并针对每个所述调度时刻进行任务规划，确定每个卫星相对于所述调度时刻的待规划任务集合；

上注完成时间确定模块，用于确定每个卫星相对于所述调度时刻的任务规划序列的指令上注完成时间；

可用可见时间窗确定模块，用于确定每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗；

第一计算模块，用于根据待规划任务集合中，每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个应急任务的权重，确定应急任务数量和与权重和的加权和，得到第一和；

第二计算模块，用于根据待规划任务集合中，每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗以及每个常规任务的权重，确定常规任务数量和与权重和的加权和，得到第二和；

规划模块，确定所述第一和与第二和的加权和，并根据所述第一和与第二和的加权和确定对应的所述待规划任务集合中每个任务的目标可见时间窗；

输出模块，用于根据每个任务的目标可见时间窗，确定针对所述待规划任务集合的任务规划序列，并作为输出。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述调度决策模块包括：

调度时刻确定子模块，用于利用如下步骤确定所述调度时刻：

确定测控站与每个卫星的可见时间窗的开始时间，得到若干个调度决策时刻；

在每个调度决策时刻利用决策调度机制确定调度时刻，所述决策调度机制如下：

判断在预定时间段内是否接收到应急任务；如果接收到应急任务，则确定当前调度决策时刻为调度时刻；如果没有接收到应急任务，继续判断在该预定时间段内到达的常规任务数量M以及原规划序列的未执行任务数量S是否满足：

M+S≥U

且原规划序列的未执行任务数量S与紧前规划任务总数H是否满足：

其中，U为可规划任务总量阈值；

V为星上任务未完成率阈值；

如果满足，则确定当前调度决策时刻为调度时刻，如果不满足，该调度决策时刻不进行任务规划，继续执行原规划任务序列；

上注完成时间确定子模块，用于确定每个卫星在每个调度时刻的测控站可见时间窗的结束时间为在调度时刻进行任务规划序列的指令上注完成时间。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述可用可见时间窗确定模块包括：

第一可用可见时间窗确定子模块，用于利用如下步骤确定待规划任务集合中每个常规任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗：

针对所述待规划任务集合中的每个常规任务，从其在每个卫星的可见时间窗中选取开始时间晚于当前任务的接收时间以及对应的上注完成时间的可见时间窗，得到当前常规任务在每个卫星上的可用可见时间窗；

第二可用可见时间窗确定子模块，用于利用如下步骤确定待规划任务集合中每个应急任务在每个卫星上的每个可用可见时间窗：

针对所述待规划任务集合中的每个应急任务，从其在每个卫星的可见时间窗中选取开始时间晚于当前任务的接收时间以及对应的上注完成时间，并且结束时间早于当前应急任务的完成期限的可见时间窗，得到当前应急任务在每个卫星上的可用可见时间窗。

9.根据权利要求6或8所述的装置，其特征在于，所述规划模块利用如下公式确定所述第一和与第二和的加权和：

式中，R_E、R_num、R_J、R_wgt表示预定比例系数；R_E表示应急任务的数量，N_S表示卫星的数量，表示应急任务e在卫星S上的可用可见时间窗的个数；w_e表示应急任务的权重；N_J表示常规任务的个数；表示常规任务j在卫星S上的可用可见时间窗的个数；w_j表示常规任务的权重；表示任务i在卫星S上的第n个可见时间窗的决策变量，如果任务i在卫星S上的第n个可见时间窗内完成，则取值1，否则取值0。

10.根据权利要求6或8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括下传时间窗确定模块和应急任务目标时间窗筛选模块；

所述下传时间窗确定模块用于针对每个应急任务，从地面站与每个卫星的可见时间窗中，选取结束时间早于或等于当前应急任务的完成期限的可见时间窗，得到下传时间窗；

所述应急任务目标时间窗筛选模块用于针对每个应急任务，从其在每个卫星上的可用可见时间窗中，选取结束时间早于或等于对应的下传时间窗的开始时间的可用时间窗，得到目标可用可见时间窗；

所述第一计算模块还用于根据待规划任务集合中，每个应急任务在每个卫星上的每个目标可用可见时间窗以及每个应急任务的权重，确定应急任务数量和与权重和的加权和，得到所述第一和。