CN109377075B - 一种基于前瞻预测的任务调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于前瞻预测的任务调度方法，地面站按照如下步骤生成调度指令：在当前成像任务需要至少两个遥感卫星协同完成的情况下，至少确定第一遥感卫星和第二遥感卫星彼此之间重叠的成像时间窗口，并将重叠的成像时间窗口划分为至少两个长度彼此不同的子成像时间窗口；获取第一遥感卫星和所述第二遥感卫星各自的相对于当前成像任务的至少一个未来执行任务的执行效用，其中：第一遥感卫星和第二遥感卫星基于子成像时间窗口按照交替执行成像任务和成像数据下传任务的方式生成所述调度指令。本发明将各遥感卫星设置为按照交替的方式执行成像任务和数据下传任务，通过提高数据周转的速度的方式能够有效地降低遥感卫星的存储容量的剧增。

Description

一种基于前瞻预测的任务调度方法

技术领域

本发明涉及调度控制技术领域，尤其涉及一种基于前瞻预测的任务调度方法。

背景技术

成像卫星的工作流程可以简述如下：接收用户提出的观测需求；根据卫星资源特性，对用户的需求进行预处理，得到标准的规划输入；结合地面站和卫星使用约束，依据特定的优化算法，对输入任务进行规划和调度，得到任务调度方案；将生成的任务调度方案进行计划编排与指令生成，通过地面站将控制指令上注到卫星，卫星执行指令进行成像和数据回放，地面站接收成像数据，数据处理后被反馈给用户。其中用户提交的原始观测需求往往不指定观测资源，成像的时间窗口也不明确，而且很多复杂的用户需求如区域目标成像任务等是难以一次性完成观测的，因此有必要对用户原始的观测需求进行一些处理。一方面需要根据用户观测需求和卫星的能力进行匹配和筛选，确定需求的可选卫星及其对应的成像时间窗口；另一方面需要对复杂成像任务进行分解，生成能够一次性观测的单一子任务。对于不同卫星和不同用户观测需求，该问题有其特殊性。但是预处理的最终目的都是将用户提出的规范化需求转变为指卫星一次成像过程可以完成观测的任务，称为元任务。元任务是卫星可以执行的最小成像任务，它包含了具体的位置和时间信息，可以视为考虑了卫星对地观测几何关系的条带。

成像卫星任务规划预处理的一般流程可描述为：根据用户观测需求中的成像时间、成像模式、成像质量、太阳高度角和成像角度初步确定完成需求的可选资源，没有合适资源的用户需求，直接从需求集合中删除。将原始的用户观测需求分解为可一次性完成观测的条带。例如使用时姿向量对观测目标进行分解，首先通过时间姿态转换模块将目标区域顶点坐标转换为时姿向量，然后进入目标分解与合成模块，由全部时姿向量确定目标的特征向量，基于时间姿态的描述方法进行条带划分和条带裁剪，由用户需求和卫星能力约束进行目标静态合成，再通过时间姿态转换模块生成元任务的条带坐标信息。计算每个元任务条带的时间窗口信息。计算条带起点中心点的时间窗口，在根据成像时间段、地影区等用户需求进行窗口的处理，得到经过各个裁剪过程后生成元任务的时间窗口信息。经过预处理的一般过程后，那些没有合适观测资源的观测需求直接被删除了，复杂的观测需求被分解成了可调度的元任务，时间窗口不能满足用户要求的元任务也被删除了，从而使得原问题得到了一定程度的简化，求解时消减了不必要的搜索空间。

公开号为CN102298540B的专利文献公开了综合效益优先的任务调度方法，首先将任务区域划分条带，然后计算各任务的最佳观测时刻。根据当前任务与最后一个已安排任务之间的姿态机动时间，判断如果当前任务安排在最佳观测时间点与最后一个已安排任务是否冲突，如果冲突，当前任务不用前瞻且不能安排，如果不冲突，则对当前任务进行前瞻，获取前瞻结果。对于前瞻结果为保留但对后续任务有影响的任务，判断当前任务是否能安排在该当前任务的可见时间窗口内，如果不能则对下一个任务进行处理。对于能够安排在最佳观测时刻点或者可见窗口之内的当前任务写入卫星动作序列，最后输出所有任务的处理结果作为任务调度的结果。该发明并未涉及如何通过匹配成像时间和成像数据下传时间以在满足地面站及时收到成像数据的同时也能够避免卫星存储容量的剧增的问题。

发明内容

如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。

针对现有技术之不足，本发明提供一种基于前瞻预测的任务调度方法，地面站基于第三方的实时任务需求数据至少生成用于调度遥感卫星的调度指令，所述地面站基于所述实时任务需求数据获取当前成像任务的执行区域和执行时间并被配置为至少按照如下步骤生成所述调度指令：在所述当前成像任务需要至少两个遥感卫星协同完成的情况下，至少确定第一遥感卫星和第二遥感卫星彼此之间重叠的成像时间窗口，并将所述重叠的成像时间窗口划分为至少两个长度彼此不同的子成像时间窗口。获取所述第一遥感卫星和所述第二遥感卫星各自的相对于所述当前成像任务的至少一个未来执行任务的执行效用，其中：所述第一遥感卫星和所述第二遥感卫星基于所述子成像时间窗口按照交替执行成像任务和成像数据下传任务的方式生成所述调度指令。现有的卫星基于其自身的约束限制而不能够在执行成像任务的同时下传成像数据，并且在卫星调度过程中并未考虑成像数据的下传任务的分配。现有的成像卫星通常在完成成像任务后将成像数据统一下传至地面站。在对例如是灾区进行成像观测时，往往对数据的传输具有实时性要求以提高对灾区事件发展状态的观测，本发明通过将若干个遥感卫星配置为交替执行成像任务和数据下传任务的工作模式，能够有效地满足成像数据的时限性要求，同时，在执行某个成像任务的过程中，卫星便能够将执行该成像任务所产生的成像数据全部或部分地传输至地面，进而避免了成像数据增加卫星的存储容量不足导致的约束限制的缺陷。本发明通过将遥感卫星的成像任务和数据下传任务同时进行调度，能够更好地避免约束限制的产生，从而提高卫星资源的利用效率。本发明还基于遥感卫星的实时状态对其执行下一个成像任务时的执行效用进行预测，按照划分出的子成像时间窗口长度不相同的方式对成像时间窗口的重叠范围进行划分，并且将预测的执行效用较低的遥感卫星配置为在较长的子成像时间窗口内完成数据下传任务，进而能够保证在遥感卫星执行完成当前成像任务后能够拥有较多的剩余存储容量以提高其在执行下一个成像任务时的执行效用。

根据一种优选实施方式，在所述第一遥感卫星执行其未来执行任务的执行效用高于所述第二遥感卫星的情况下，执行效用较低的遥感卫星被配置为：在长度较长的子成像时间窗口内完成所述成像数据下传任务，并在长度较短的子成像时间窗口内完成所述成像任务；执行效用较高的遥感卫星被配置为：在长度较长的子成像时间窗口内完成所述成像任务，并在长度较短的子成像时间窗口内完成所述成像数据下传任务。

根据一种优选实施方式，所述地面站至少按照如下步骤获取所述执行效用：预测遥感卫星在完成所述当前成像任务时的自身参数，所述自身参数至少包括遥感卫星的存储容量状态信息；至少基于遥感卫星的剩余存储容量与完成所述未来执行任务所需的存储容量的差值的绝对值确定所述执行效用，其中：所述执行效用按照所述差值的绝对值增大的方式达到最优状态。

根据一种优选实施方式，基于所述执行时间的执行开始时刻和执行结束时刻，按照成像时间窗口与所述执行时间的重叠范围最大的方式分别筛选出所述第一遥感卫星和所述第二遥感卫星，其中：在所述第一遥感卫星与所述第二遥感卫星彼此的成像时间窗口无法完全覆盖所述执行时间的情况下，按照成像时间窗口与所述执行时间的重叠范围最大的方式筛选出至少一个第三遥感卫星。

根据一种优选实施方式，所述第一遥感卫星、所述第二遥感卫星和所述第三遥感卫星按照以下步骤进行调度：基于成像数据的下传时间将所述第一遥感卫星和所述第三遥感卫星彼此之间重叠的成像时间窗口划分为若干个在时间轴上交替排布的第一子成像时间窗口和第二子成像时间窗口，所述第一遥感卫星在第一子成像时间窗口执行所述成像任务并且在第二子成像时间窗口执行所述成像数据下传任务，所述第三遥感卫星在第一子成像时间窗口执行所述成像数据下传任务并且在所述第二子成像时间窗口执行所述成像任务。基于成像数据的下传时间将所述第二遥感卫星和所述第三遥感卫星彼此之间重叠的成像时间窗口划分为若干个在时间轴上交替排布的第三子成像时间窗口和第四子成像时间窗口，所述第二遥感卫星在第三子成像时间窗口执行所述成像任务并且在第四子成像时间窗口执行所述成像数据下传任务，所述第三遥感卫星按照在第三子成像时间窗口执行所述成像数据下传任务并且在所述第四子成像时间窗口执行所述成像任务。

根据一种优选实施方式，所述地面站还按照如下方式生成所述调度指令：基于所述实时任务需求数据的执行区域建立与其关联的遥感卫星第一列表；基于遥感卫星的自身参数及所述执行时间确定能够执行相应成像任务的遥感卫星第二列表，并基于遥感卫星第二列表确定重叠任务集，其中：在所述重叠任务集中的重叠任务能够被单个遥感卫星单独完成的情况下，基于遥感卫星的自身参数获取所述重叠任务的执行效用，并按照将所述成像任务分配至执行效用最优的遥感卫星的方式生成所述调度指令，重叠任务的执行效用至少能够基于成像时间窗口与所述执行时间的比值确定。

根据一种优选实施方式，基于所述执行区域按照所述执行区域落入遥感卫星的条带覆盖范围的方式建立由与其直接关联的所有遥感卫星所限定的所述遥感卫星第一列表。按照所述执行时间与遥感卫星的成像时间窗口存在重叠的方式从所述遥感卫星第一列表中筛选出能够执行所述成像任务的遥感卫星以建立所述遥感卫星第二列表。在成像任务所对应的遥感卫星第二列表中的遥感卫星的数量大于等于二的情况下将该成像任务作为重叠任务。

根据一种优选实施方式，所述自身参数至少包括基于遥感卫星的运行轨道确定的条带覆盖范围、存储容量状态信息、电池容量状态信息，所述地面站还被配置为基于指定遥感卫星的所述电池状态信息和/或所述存储器容量状态信息确定该遥感卫星是否产生约束限制，其中：在产生所述约束限制的情况下，按照将分配至该遥感卫星的成像任务进行重新分配的方式更新其初始待观测任务列表。

根据一种优选实施方式，在遥感卫星的所述剩余存储容量小于执行所述成像任务所需的存储容量的情况下生成所述约束限制；或者，在所述遥感卫星的剩余电量小于执行所述成像任务所需的电量要求的情况下生成所述约束限制。

根据一种优选实施方式，所述成像数据下传任务是遥感卫星将其采集的成像数据传输至所述地面站的执行过程，在遥感卫星在单位内采集的成像数据多于遥感卫星在单位时间内传输至地面站的成像数据的情况下，所述地面站至少按照如下步骤划分所述重叠的成像时间窗口：基于所述存储器容量状态信息确定遥感卫星的剩余存储容量。按照遥感卫星在所述执行时间内所采集的且未下传至所述地面站的成像数据不超过所述剩余存储容量的方式划分所述重叠的成像时间窗口。

本发明的有益技术效果：

(1)本发明的任务调度方法通过对多个卫星能够共同执行的重叠成像任务进行筛选，统一将其分配给单个的遥感卫星进行执行，避免了多个卫遥感星对同一区域的重复成像，能够有效地提高遥感卫星的利用率。

(2)本发明的任务调度方法针对需要多个卫星协同完成的成像任务，通过成像时间窗口重叠范围最大的方式筛选成像任务所涉及的遥感卫星，能够将遥感卫星的数量降至最低。同时，对各个遥感卫星的成像时间窗口的重叠部分进行划分，并将各遥感卫星设置为按照交替的方式执行成像任务和数据下传任务，通过提高数据周转的速度的方式能够有效地降低遥感卫星的存储容量的剧增。

(3)本发明的任务调度方法能够基于遥感卫星的自身状态对其未来执行任务的执行效用进行前瞻预测，通过调整将成像时间窗口的重叠部分划分为长度彼此不同的至少两个子成像时间窗口，将长度较长的子成像时间窗口用于完成执行效用较低的遥感卫星的数据下传任务，能够有效地通过提高遥感卫星的剩余存储容量的方式提高遥感卫星的执行效用。

附图说明

图1是本发明优选的任务调度方法的流程示意图；和

图2是本发明优选的任务调度系统的模块化连接关系示意图。

附图标记列表

1：遥感卫星 2：地面站 3：数据存储服务器

4：任务调度模块 5：卫星定位模块 6：中央处理模块

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明公开了一种基于前瞻预测的任务调度系统及方法，至少包括彼此通信的遥感卫星1和地面站2。遥感卫星可以是分布在不同轨道上的若干个用于执行图像采集任务的卫星。地面站用于与遥感卫星建立数据通信，从而地面站的控制命令能够在遥感卫星进入地面站的通信覆盖区域的时刻传输至该遥感卫星，同时，遥感卫星采集的图像数据也能够在此时下传至地面站。地面站的数量可以根据实际使用需求进行灵活设定。例如，在对地观测任务中为了获取更为全面的地球图像信息或者减小特定成像区域不受卫星监控的时长而将遥感卫星的数量增加的情况下，地面站的数量也需要相应地增加以缓解通信压力。地面站可以设置在地球的不同位置处以提高与遥感卫星建立通信连接的覆盖范围。优选的，任务调度系统还可以包括用于存储数据的数据存储服务器3。数据存储服务器3可以与地面站配套设置，也可以与遥感卫星配套设置。优选的，任务调度模块、卫星定位模块、中央处理模块和数据存储服务器可以作为附属设备的方式与设置在地面站中。

优选的，任务调度系统还包括用于跟踪卫星以确定其轨道信息的卫星定位模块5。例如，卫星定位模块5确定的轨道信息可以包括卫星当前位置所对应的纬度和经度。遥感卫星1能够根据其接收到的包含有调度命令的计划表执行相应的计划任务，进而根据计划表中的指定任务便能够确定其初始的运行轨迹路线。例如，计划表中可以包含遥感卫星需要执行的一个或多个任务的例如是需要采集的数据、需要接收或发送的信息、对指定区域进行连续成像的持续时间、对指定区域进行成像的开始时间或结束时间等具体细节信息。优选的，遥感卫星被配置为对计划表中的计划任务进行排序后依次执行的工作模式。例如遥感卫星当前位置为A位置，计划表中需要其分别前往B位置和C位置以执行成像任务，遥感卫星能够基于其自身所受的约束情况采用例如是贪婪算法进行计算后以对成像任务进行排序。遥感卫星受到的约束可以包括例如是电池容量约束、时间冲突约束或存储容量约束。具体的，当卫星当前的存储容量不足以满足前往B位置进行成像任务的容量所需，则遥感卫星选择首先前往C位置执行成像任务，从而根据遥感卫星的目的地便能确定在一定时间周期内遥感卫星的运行轨迹路线。

优选的，若干个不同的用于执行对地观测任务的遥感卫星1可以被配置在不同的运行轨道上以保证成像范围。基于遥感卫星的运行轨道及地球的自转，每一个遥感卫星在其特定的时间窗口内均有不同的成像覆盖区域。同时，不同卫星彼此间轨道的交错使得卫星之间会出现成像区域的彼此重叠覆盖。处于重叠覆盖状态的成像区域会被不同的卫星在相同的时间窗口或不同的时间窗口内进行重复成像。例如，位于不同轨道上的两颗遥感卫星，其能够在相同的时刻通过相同的区域上空，从而能够在相同的时刻同时对该区域进行重复成像。或者，位于相同运行高度但运行方向不同的两颗遥感卫星，其能够在不同的时刻通过相同的区域上空，进而能够在不同的时刻对该区域进行重复成像。

优选的，任务调度系统还包括与地面站配套设置的中央处理模块6，各个遥感卫星1的运行轨迹能够基于卫星定位模块5进行预测，从而能够获取遥感卫星1在一定时间周期内的成像覆盖范围数据。中央处理模块6通过对每个遥感卫星的成像覆盖范围数据进行整合处理便能够得到遥感卫星的重叠区域信息。重叠区域信息至少能够包括重叠区域的地理位置信息以及各个卫星之间的重叠时间信息。例如，A卫星、B卫星和C卫星按照环绕地球的方式设置在太空中以对地球进行成像任务。A卫星、B卫星和C卫星彼此之间能够形成相同或不同的重叠区域。例如，A卫星与B卫星能够在a位置重叠，A卫星与C卫星能够在b位置重叠，B卫星和C卫星能够在c位置重叠，或者A卫星、B卫星和C卫星能够同时在d位置重叠。重叠区域对应的能够将其从地球上识别出来的经度或维度等坐标数据便可以是重叠区域的地理位置信息。

优选的，遥感卫星的成像范围呈圆形而使得其能够在设定的时间周期内持续对某区域进行成像。例如，位于地球同步轨道上的遥感卫星的运行速度与地球的自转速度相同，使得其能够持续对指定的区域进行任意时长的连续成像。例如是近地卫星，由于其运行速度与地球自转速度不同，其只能在对指定区域进行设定时长的连续成像。因此，遥感卫星在重叠区域内进行成像时往往还具有时间重叠。例如，A卫星能够在8点至12点对a位置进行连续成像，B卫星能够在6点到10点对a位置进行连续成像，则A卫星与B卫星之间的时间重叠信息为8点至10点。即，时间重叠信息表征的是不同的遥感卫星能够对同一成像区域进行同时成像的相同时间段。

优选的，地面站2能够获取来自于第三方的实时任务需求数据，中央处理模块6能够基于实时任务需求数据至少获取成像任务的执行时间和执行区域。任务调度模块能够基于成像任务的执行时间和执行区域以形成每一颗遥感卫星的调度指令。任务调度模块至少按照以下步骤以建立调度指令的方式完成遥感卫星的调度：

S1：基于成像任务的执行区域建立与其关联的遥感卫星第一列表。

优选的，在一定的时间周期内或在某一时刻会有来自与若干个第三方的实时任务需求数据，每一个第三方所需求的成像任务彼此之间可能出现以下几种情况：每一个第三方所需求的成像任务中，执行区域相同，执行时间完全不同；或者执行区域相同，执行时间存在局部重叠；或者执行区域具有重叠，执行时间存在局部重叠。通过对执行时间和/或执行区域的重复程度进行判断可以确定执行区域的关注度，关注度高表示该执行区域更受第三方的重视，需要优先执行。例如，针对一个国家的首都及该国家的其他普通城市，首都受第三方的关注程度明显会高于其他城市，关注度高往往体现在第三方的任务需求数据中该城市出现的频率高，或者该城市所需的执行时间长以长时间对该城市进行连续成像。

优选的，基于若干个第三方的任务需求信息能够对执行区域的关注度进行排序。例如，关注度的影响因素可以包括关注该执行区域的第三方的数量以及该区域的总执行时间。总执行时间是指若干个任务需求信息中需要对该区域进行连续成像的时间总和，例如，A公司需要对a区域进行连续成像的时间为T₁，B公司需要对a区域进行连续成像的时间为T₂，则总执行时间为T₁与T₂之和。关注该执行区域的第三方的数量以及该区域的总执行时间可以按照设置不同的权重比例的方式建立关注度的计算模型。例如，第三方的数量的权重比例高于总执行时间的权重比例。两者可以按照占比为三比二的方式建立关注度的计算模型。通过关注度的计算模型能够对执行区域的关注度进行具体的量化，并据此量化结果对其进行排序。

优选的，基于感遥卫星的运行轨道能够获取其条带覆盖范围，将执行区域的地理位置坐标与条带覆盖范围的位置坐标进行对比便能够确定执行区域是否落入遥感卫星的条带覆盖范围内。在执行区域落入遥感卫星的条带覆盖范围内的情况下，将该遥感卫星定义为与该执行区域相关的遥感卫星。通过将所有遥感卫星的成像区域与执行区域进行对比，便能建立与该执行区域相关的遥感卫星第一列表。优选的，若干个不同的执行区域便会形成若干个不同的遥感卫星第一列表，将不同执行区域对应的若干个遥感卫星第一列表进行整合便能够形成遥感卫星第一列表集。

S2：基于遥感卫星的自身参数及执行时间确定能够执行相应成像任务的遥感卫星第二列表，并基于遥感卫星第二列表确定重叠任务集。

优选的，遥感卫星的自身参数可以包括例如是成像时间窗口、运行轨道、电池状态、存储器容量状态、能量消耗、基于运行轨道确定的条带覆盖范围中的一种或多种。通过遥感卫星的自身参数能够确定若干个关于相应成像任务的约束限制。例如，在执行相应成像任务时，基于成像任务的持续时间的不同，对遥感卫星的存储容量要求也不同。当遥感卫星当前的剩余容量低于成像任务所需时，便会产生约束限制以表明该遥感卫星无法基于当前状态完成该成像任务。或者，基于遥感卫星的运行轨道能够确定其通过指定区域的时间点以及其能够对该指定区域进行连续成像的持续时间。当该时间点或持续时间均与成像任务的执行时间没有交集的情况下，生成约束限制以表明该遥感卫星无法执行该成像任务。

优选的，遥感卫星第二列表是对遥感卫星第一列表中的不能执行指定成像任务的遥感卫星进行筛选删除后形成的能够执行该指定成像任务的遥感卫星，其中，被筛选删除的遥感卫星组成遥感卫星第三列表。在成像任务所对应的遥感卫星第二列表中的遥感卫星数量大于等于二的情况下将该成像任务定义为重叠任务。重叠任务是指能够被两个以上的遥感卫星同时进行执行的成像任务。优选的，将遥感卫星第二列表和遥感卫星第三列表进行整合后便能够形成遥感卫星第二列表集以及遥感卫星第三列表集。

S3：基于遥感卫星的自身参数获取重叠任务的执行效用以确定遥感卫星的调度指令。

优选的，遥感卫星的自身参数通常包括多个，在根据遥感卫星的自身参数确定重叠任务的执行效用时，可以将不同的自身参数赋予不同的权重值以使得第三方能够根据实际需要计算重叠任务的执行效用。具体的，遥感卫星自身参数可以包括例如是成像时间窗口、运行轨道、电池状态、存储器容量状态、能量消耗中的一种或多种。针对处于地球同步轨道之外的遥感卫星，其只能够在一定的时间周期内对指定区域进行连续成像，即其时间窗口是有时长限制的。例如，a遥感卫星能够在两小时内持续对指定区域进行成像，第三方要求的成像任务所需的执行时间为五小时，则该遥感卫星只能完成该成像任务的一部分。执行效用可以通过例如是能够完成任务的百分比进行具体量化，例如，执行效用可以用成像时间窗口与执行时间的比值进行衡量。若b遥感卫星能够持续在四小时内对指定区域进行成像，则其能够完成该成像任务的80％，在相同的情况下，b遥感卫星的执行效用高于a遥感卫星。重叠任务可以划分给执行效用高的卫星进行执行。依据执行效用将重叠任务进行单独划分，保证重叠任务执行效果的同时也能够避免不同卫星对重叠任务的重叠执行，能够有效的利用有限的卫星资源。通过对所有重叠任务进行再次分配能够形成每颗遥感卫星的调度指令。

优选的，遥感卫星的调度指令还包括处于多个卫星重叠区域之外的执行区域所对应的成像任务。若干个不同的遥感卫星基于其各自运行轨迹的不同，会产生均能够被成像的重叠区域。即重叠区域能够被两个以上的遥感卫星进行拍摄。在第三方的任务需求数据中所涉及的执行区域未落入重叠区域的情况下，表明该任务只能由特定的与该执行区域直接关联的遥感卫星执行，该任务不属于重叠任务，其直接被分配给相应的遥感卫星进行执行。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

优选的，任务调度模块至少还按照以下步骤以建立调度指令的方式完成遥感卫星的调度：

S1：基于彼此关联的执行区域信息、成像卫星以及成像窗口时间对成像任务进行初步分类以建立需要至少两个遥感卫星1协同完成的成像任务集。

优选的，中央处理模块6还被配置为基于第三方的实时任务需求数据将所对应的成像任务进行初步分类。成像任务能够被分类为第一类型、第二类型和第三类型，其中，属于第一类型的成像任务是没有合适的卫星资源或者基于其他约束而无法完成的成像任务，属于第二类型的成像任务是能够被两个以上的遥感卫星中的任意一个单独执行的成像任务，属于第三类型的成像任务是需要通过两个以上的遥感卫星共同协作才能完全完成的成像任务。通过将所有第三类型的成像任务按照汇总的方式便能建立成像任务集。属于第一类型的成像任务被任务调度系统拒绝执行。优选的，属于第二类型的成像任务本质为重叠任务，其按照计算执行效用的方式单独分配给相应的遥感卫星。例如，属于第二类型的成像任务能够同时被a卫星和b卫星单独完成，a卫星的执行效用高于b卫星，则将该成像任务分配给a卫星执行。

优选的，中央处理模块可以通过确定获取的第三方的任务需求数据与数据存储服务器中存储的历史任务数据的关联性的方式对成像任务进行初步分类。历史任务数据至少包括成像区域和能够执行成像任务的遥感卫星。例如，在获取的第三方的任务需求数据中执行区域与数据存储服务器中存储的历史任务数据相匹配的情况下，中央处理模块筛选出能够执行第三方的成像任务的所有遥感卫星，并且判断成像任务的执行时间与各个遥感卫星的重叠情况以实现对成像任务的分类。在成像任务的执行时间与任何一个遥感卫星的成像时间窗口均无重叠时，将该成像任务划分为第一类。在成像任务的执行时间被至少一个遥感卫星的成像时间窗口完全覆盖时，将成像任务划分为第二类型。在成像任务的执行时间被至少一个遥感卫星的成像时间窗口部分覆盖时，将成像任务划分为第三类型。例如，针对执行时间从早8点至晚8点的成像任务，其能够被a卫星、b卫星和c卫星部分地执行，a卫星能够从早8点至12点执行该成像任务，b卫星能够从早10点至下午5点执行该成像任务，c卫星能够从下午3点至晚8点执行该成像任务，则该成像任务被划分为第三类型。

S2：基于属于第三类型的成像任务所对应的执行时间筛选出至少两个遥感卫星，其中，至少两个遥感卫星彼此组成的成像时间窗口能够完全覆盖成像任务所对应的执行时间。

优选的，属于第三类型的成像任务所涉及的遥感卫星的数量可能大于两个。不同的遥感卫星彼此之间的成像时间窗口具有不同的重叠范围。根据成像任务的执行时间筛选遥感卫星至少满足两条原则：筛选出的遥感卫星数量最少并且遥感卫星彼此之间的成像时间窗口重叠区域最大。例如，基于成像任务的开始执行时刻和结束执行时刻，分别筛选出包含开始执行时刻的多个第一遥感卫星以及包含结束执行时刻的多个第二遥感卫星。在第一遥感卫星与第二遥感卫星彼此的成像时间窗口无法完全覆盖执行时间的情况下，再次从与成像任务所涉及的遥感卫星中筛选至少一个第三遥感卫星，其中，第三遥感卫星的成像时间窗口与第一遥感卫星的成像时间窗口和/或第二遥感卫星的成像时间窗口具有重叠区域。第三遥感卫星的成像时间窗口不包括执行开始时刻和执行结束时刻。进而在第一遥感卫星、第二遥感卫星和第三遥感卫星的协同作用下便能够将成像任务完全完成。

优选的，对筛选出的第一遥感卫星和第二遥感卫星再次筛选以选出唯一的一个第一遥感卫星和唯一的一个第二遥感卫星，其中，最终筛选出的第一遥感卫星和第二遥感卫星至少满足以下筛选原则：筛选出的第一遥感卫星和第二遥感卫星与成像任务的执行时间的覆盖范围最大，并且第一遥感卫星与第三遥感卫星彼此之间的成像时间窗口保持最大，和/或第二遥感卫星与第三遥感卫星彼此之间的成像时间窗口保持最大。将第一遥感卫星、第二遥感卫星和第三遥感卫星彼此之间的成像时间窗口的重叠范围设置为最大能够在最大程度上保证按照协同作用方式完成成像任务的遥感卫星的数量最少，从而能够有效利用有限的卫星资源。

S3：基于筛选出的第一遥感卫星、第二遥感卫星和第三遥感卫星，确定彼此重叠的成像时间窗口，在将彼此重叠的成像时间窗口划分为若干个子成像时间窗口的情况下，将第一遥感卫星、第二遥感卫星和/或第三遥感卫星设置为按照交替的方式执行成像任务以及成像数据下传任务。

优选的，基于成像数据的下传时间将第一遥感卫星、第二遥感卫星和第三遥感卫星各自的成像时间窗口彼此之间的重叠区域划分为若干个子成像时间窗口。例如，在30分钟内遥感卫星能够采集a兆字节的成像数据，当遥感卫星与地面站建立通信连接的情况下，遥感卫星也需要30分钟才能将成像数据完全传输至地面站。成像时间窗口的重叠区域便按照每个子成像时间窗口为30分钟的方式划分。或者，每个子成像时间窗口的大小也可以根据实际需求进行灵活设定。例如，在对地震灾区进行成像监测时，可以将子成像时间窗口设置较小，从而能够以更频繁更实时地获取灾区的成像图像。

优选的，在遥感卫星1在单位内采集的成像数据多于遥感卫星1在单位时间内传输至地面站2的成像数据的情况下，按照遥感卫星1在执行时间内所采集的且未下传至地面站2的成像数据不超过剩余存储容量的方式划分重叠的成像时间窗口。例如，遥感卫星的剩余存储容量为500兆，遥感卫星在1min内能够采集100兆的成像数据，遥感卫星在1min中能够将50兆的成像数据下传至地面站，遥感卫星彼此重叠的成像时间窗口的长度为20min，在子成像时间窗口的长度为1min时，遥感卫星一共能够采集1000兆的成像数据，并且能够下传500兆的成像数据至地面站，其并未超过遥感卫星的剩余存储容量，因此可以将子成像时间窗口的长度设置为1min。

优选的，第一遥感卫星和第三遥感卫星彼此之间重叠的成像时间窗口划分为若干个在时间轴上交替排布的第一子成像时间窗口和第二子成像时间窗口，第一遥感卫星按照在第一子成像时间窗口执行成像任务并且在第二子成像时间窗口执行成像数据下传任务的方式建立调度指令，第三遥感卫星按照在第一子成像时间窗口执行成像数据下传任务并且在第二子成像时间窗口执行成像任务的方式建立调度指令；基于成像数据的下传时间将第二遥感卫星和第三遥感卫星彼此之间重叠的成像时间窗口划分为若干个在时间轴上交替排布的第三子成像时间窗口和第四子成像时间窗口，第二遥感卫星按照在第三子成像时间窗口执行成像任务并且在第四子成像时间窗口执行成像数据下传任务的方式建立调度指令，第三遥感卫星按照在第三子成像时间窗口执行成像数据下传任务并且在第四子成像时间窗口执行成像任务的方式建立调度指令。例如，第一遥感卫星和第二遥感卫星彼此的重叠的成像时间窗口为早8点至早10点，通过划分将其划分为早8点至早8点半、早8点半只早9点、早9点至早9点半以及在9点半至早10点四个子成像时间窗口。则第一遥感卫星和第二遥感卫星在早8点至早10点内的任务列表如表1所示。针对例如是持续观测地震灾区的成像任务，当需要多个遥感卫星共同完成该成像任务时，遥感卫星所采集的成像数据需要及时反馈至地面站，同时，成像数据及时传输至地面站也能够有效地降低由于遥感卫星的自身参数中的存储容量导致的约束限制。优选的，在产生约束限制的情况下，将分配至该遥感卫星1的成像任务进行重新分配的方式更新其调度指令以避免成像任务无法实现。

表1

实施例3

本实施例是对前述实施例的进一步改进，重复的内容不再赘述。

优选的，任务调度模块至少还按照以下步骤以建立调度指令的方式完成遥感卫星的调度：

S1：获取需要至少两个遥感卫星1协同完成的成像任务的开始执行时刻和结束执行时刻，并筛选出成像时间窗口分别包含开始执行时刻和结束执行时刻的至少一个第一遥感卫星和至少一个第二遥感卫星，在第一遥感卫星和第二遥感卫星的成像时间窗口组合起来也无法完全覆盖成像任务执行时间的情况下，筛选出至少一个第三遥感卫星。

优选的，任务调度模块能够基于第一遥感卫星和第二遥感卫星的成像时间窗口的长度对其进行排序。例如，任务调度模块按照成像时间窗口的长度逐渐减小的方式对第一遥感卫星和第二遥感卫星分别进行排序。成像时间窗口越长表示成像卫星对该成像任务的执行效用越高。选取成像时间窗口最长的第一遥感卫星和第二遥感卫星作为执行该成像任务的遥感卫星。

优选的，在第一遥感卫星和第二遥感卫星的成像时间窗口组合起来也无法完全覆盖成像任务执行时间的情况下，筛选出至少一个第三遥感卫星。第三遥感卫星的成像时间窗口可以与第一遥感卫星和/或第二遥感卫星存在重叠区域，从而通过第一遥感卫星、第二遥感卫星和至少一个第三遥感卫星便能完成对成像任务的执行时间的全覆盖。

S2：分别确定第一遥感卫星、第二遥感卫星和第三遥感卫星相对于当前执行任务的第一未来执行任务、第二未来执行任务和第三未来执行任务。

优选的，基于遥感卫星的运行轨迹、成像时间窗口和自身参数便能够确定其各自能够执行的下一个任务。例如，遥感卫星能够在当前时刻早9点至早10点对区域A执行成像任务，根据其运行轨迹和成像时间窗口能够确定该遥感卫星能够在下午3点至下午4点对区域B执行成像任务，并且成像任务的执行也不会对例如是遥感卫星的存储容量、电池容量等自身参数产生约束，进而可以将遥感卫星的下一个任务确定为在下午3点至下午4点对区域B执行成像任务。第一未来执行任务、第二未来执行任务和第三未来执行任务可以是遥感卫星能够执行的下一个任务。

S3：基于遥感卫星在完成当前成像任务后的自身状态，对第一未来执行任务、第二未来执行任务和第三未来执行任务的执行效用进行预测，并基于执行效用对第一未来执行任务、第二未来执行任务和第三未来执行任务进行排序。

优选的，遥感卫星在执行当前成像任务后，遥感卫星的例如是电池容量、存储容量等自身参数会产生变化。例如，遥感卫星采集的成像数据未及时传输至地面站，导致其可用的存储容量减小。

优选的，未来执行任务的执行效用至少可以基于遥感卫星的存储容量进行预测。例如，遥感卫星在执行完成当前成像任务后仅剩余500兆的存储容量，遥感卫星在执行未来执行任务中承担的成像数据采集量为600兆，则遥感卫星的执行效用较差。为了提高遥感卫星执行未来执行任务的执行效用，可以通过提高其剩余存储容量的方式完成。优选的，执行效用的大小可以依据所需的存储容量与剩余的存储容量之间的差值的绝对值进行确定。例如，所需的存储容量为600兆，剩余容量为550兆的执行效用高于剩余容量为500兆的执行效用。

S4：将第一遥感卫星、第二遥感卫星和第三遥感卫星彼此的成像时间窗口重叠范围按照提高执行效用的方式划分为长度彼此不同的至少两个子成像时间窗口和子成像时间窗口，将第一遥感卫星、第二遥感卫星和/或第三遥感卫星设置为按照交替的方式执行成像任务以及成像数据下传任务，其中，长度较长的子成像时间窗口分别用于执行执行效用较低的遥感卫星的数据下传任务以及执行效用较高的遥感卫星的成像任务，长度较短的子成像时间窗口分别用于执行执行效用较低的遥感卫星的成像任务以及执行效用较高的遥感卫星的数据下传任务。

优选的，第一遥感卫星与第二遥感卫星的成像时间窗口重叠范围可以划分为长度彼此不同的第一子成像时间窗口和第二子成像时间窗口。例如，第一遥感卫星与第二遥感卫星的时间窗口重叠范围为早8点至早11点，第一子成像时间窗口为早8点至早10点，第二子成像时间窗口为早10点至早11点。第一遥感卫星在执行完当前成像任务的情况下，剩余的存储容量为500兆，第二遥感卫星在执行完成当前成像任务后剩余的存储容量为300兆，因此可以基于剩余存储容量的大小初步判断第二遥感卫星在执行其未来执行任务时的执行效用低于第一遥感卫星。长度较长的时间窗口便首先配置给执行效用较低的第二遥感卫星执行数据下传任务，并且长度较长的时间窗口同时配置给执行效用较高的第一遥感卫星执行成像任务。执行效用较低的第二遥感卫星能够通过长度较长的时间窗口下传更多的成像数据以提高其剩余的存储容量，进而在其执行未来执行任务时便会有更高的执行效用。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于前瞻预测的任务调度方法，地面站（2）基于第三方的实时任务需求数据至少生成用于调度遥感卫星（1）的调度指令，其特征在于，所述地面站（2）基于所述实时任务需求数据获取当前成像任务的执行区域和执行时间并被配置为至少按照如下步骤生成所述调度指令：

在所述当前成像任务需要至少两个遥感卫星（1）协同完成的情况下，至少确定第一遥感卫星和第二遥感卫星彼此之间重叠的成像时间窗口，并将所述重叠的成像时间窗口划分为至少两个长度彼此不同的子成像时间窗口；

获取所述第一遥感卫星和所述第二遥感卫星各自的相对于所述当前成像任务的至少一个未来执行任务的执行效用，其中：

所述第一遥感卫星和所述第二遥感卫星基于所述子成像时间窗口按照交替执行成像任务和成像数据下传任务的方式生成所述调度指令；

所述地面站（2）至少按照如下步骤获取所述执行效用：

预测遥感卫星（1）在完成所述当前成像任务时的自身参数，所述自身参数至少包括遥感卫星（1）的存储容量状态信息；

至少基于遥感卫星（1）的剩余存储容量与完成所述未来执行任务所需的存储容量的差值的绝对值确定所述执行效用，其中：

所述执行效用按照所述差值的绝对值增大的方式达到最优状态。

2.如权利要求1所述的任务调度方法，其特征在于，在所述第一遥感卫星执行其未来执行任务的执行效用高于所述第二遥感卫星的情况下，

执行效用较低的遥感卫星（1）被配置为：在长度较长的子成像时间窗口内完成所述成像数据下传任务，并在长度较短的子成像时间窗口内完成所述成像任务；

执行效用较高的遥感卫星（1）被配置为：在长度较长的子成像时间窗口内完成所述成像任务，并在长度较短的子成像时间窗口内完成所述成像数据下传任务。

3.如权利要求2所述的任务调度方法，其特征在于，基于所述执行时间的执行开始时刻和执行结束时刻，按照成像时间窗口与所述执行时间的重叠范围最大的方式分别筛选出所述第一遥感卫星和所述第二遥感卫星，其中：

在所述第一遥感卫星与所述第二遥感卫星彼此的成像时间窗口无法完全覆盖所述执行时间的情况下，按照成像时间窗口与所述执行时间的重叠范围最大的方式筛选出至少一个第三遥感卫星。

4.如权利要求3所述的任务调度方法，其特征在于，所述第一遥感卫星、所述第二遥感卫星和所述第三遥感卫星按照以下步骤进行调度：

基于成像数据的下传时间将所述第一遥感卫星和所述第三遥感卫星彼此之间重叠的成像时间窗口划分为若干个在时间轴上交替排布的第一子成像时间窗口和第二子成像时间窗口，所述第一遥感卫星在第一子成像时间窗口执行所述成像任务并且在第二子成像时间窗口执行所述成像数据下传任务，所述第三遥感卫星在第一子成像时间窗口执行所述成像数据下传任务并且在所述第二子成像时间窗口执行所述成像任务；

基于成像数据的下传时间将所述第二遥感卫星和所述第三遥感卫星彼此之间重叠的成像时间窗口划分为若干个在时间轴上交替排布的第三子成像时间窗口和第四子成像时间窗口，所述第二遥感卫星在第三子成像时间窗口执行所述成像任务并且在第四子成像时间窗口执行所述成像数据下传任务，所述第三遥感卫星按照在第三子成像时间窗口执行所述成像数据下传任务并且在所述第四子成像时间窗口执行所述成像任务。

5.如权利要求1至4之一所述的任务调度方法，其特征在于，所述地面站（2）还按照如下方式生成所述调度指令：

基于所述实时任务需求数据的执行区域建立与其关联的遥感卫星第一列表；基于遥感卫星（1）的自身参数及所述执行时间确定能够执行相应成像任务的遥感卫星第二列表，并基于遥感卫星第二列表确定重叠任务集，其中：

在所述重叠任务集中的重叠任务能够被单个遥感卫星（1）单独完成的情况下，基于遥感卫星的自身参数获取所述重叠任务的执行效用，并按照将所述成像任务分配至执行效用最优的遥感卫星（1）的方式生成所述调度指令，重叠任务的执行效用至少能够基于成像时间窗口与所述执行时间的比值确定。

6.如权利要求5所述的任务调度方法，其特征在于，基于所述执行区域按照所述执行区域落入遥感卫星的条带覆盖范围的方式建立由与其直接关联的所有遥感卫星（1）所限定的所述遥感卫星第一列表；

按照所述执行时间与遥感卫星（1）的成像时间窗口存在重叠的方式从所述遥感卫星第一列表中筛选出能够执行所述成像任务的遥感卫星以建立所述遥感卫星第二列表；

在成像任务所对应的遥感卫星第二列表中的遥感卫星的数量大于等于二的情况下将该成像任务作为重叠任务。

7.如权利要求6所述的任务调度方法，其特征在于，所述自身参数至少包括基于遥感卫星（1）的运行轨道确定的条带覆盖范围、存储容量状态信息、电池容量状态信息，所述地面站（2）还被配置为基于指定遥感卫星（1）的所述电池状态信息和/或所述存储容量状态信息确定该遥感卫星（1）是否产生约束限制，其中：

在产生所述约束限制的情况下，按照将分配至该遥感卫星（1）的成像任务进行重新分配的方式更新其初始待观测任务列表。

8.如权利要求7所述的任务调度方法，其特征在于，在遥感卫星（1）的所述剩余存储容量小于执行所述成像任务所需的存储容量的情况下生成所述约束限制；或者，在所述遥感卫星（1）的剩余电量小于执行所述成像任务所需的电量要求的情况下生成所述约束限制。

9.如权利要求8所述的任务调度方法，其特征在于，所述成像数据下传任务是遥感卫星（1）将其采集的成像数据传输至所述地面站（2）的执行过程，在遥感卫星（1）在单位时间内采集的成像数据多于遥感卫星（1）在单位时间内传输至地面站（2）的成像数据的情况下，所述地面站（2）至少按照如下步骤划分所述重叠的成像时间窗口：

基于所述存储容量状态信息确定遥感卫星（1）的剩余存储容量；

按照遥感卫星（1）在所述执行时间内所采集的且未下传至所述地面站（2）的成像数据不超过所述剩余存储容量的方式划分所述重叠的成像时间窗口。

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