CN110705775A - 一种面向应急任务的星地资源快速配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向应急任务的星地资源快速配置方法，属于地面卫星任务管控技术领域。该方法首先根据应急任务执行约束条件选择执行应急任务的卫星；其次按应急任务优先抢占接收资源原则向应急卫星分配接收资源；然后基于应急卫星已上注任务方案、应急任务和应急接收资源进行应急任务调整，生成具有冗余度的应急任务调整方案，并综合考虑任务损失度、任务观测时效性、数据回放时效性、成像质量等因素，对每个应急任务调整方案进行量化评估；最后按评估权重最大者优先原则迭代选取应急任务调整方案。该方法具有时效性高、应急调整方案优、应急任务满足度高等特点，适用于卫星地面任务规划系统快速响应高等级应急任务问题。

Description

一种面向应急任务的星地资源快速配置方法

技术领域

本发明涉及地面卫星任务管控技术领域，特别是指一种面向应急任务的星地资源快速配置方法，可用于解决卫星指令已上注的情况下地面卫星任务规划系统对高动态到达应急任务的快速响应问题。

背景技术

随着成像卫星在自然灾害监测、反恐维稳、国土安全预警等应急条件下的广泛应用，对地面卫星任务管控系统的面向应急任务快速响应能力提出了越来越高的要求。从应急任务的本身特点看，具有任务到达时间的随机性、地面系统的响应时间短、应急目标观测数据的有效性要求高等特点；从星地资源使用特点看，应急任务优先级高，星地资源使用优先向应急任务倾斜，必要时可抢占已分配给常规任务的星地资源；从卫星任务调整角度看，通常应急任务的到达影响到卫星星上已上注指令的调整和接收站数据接收方案的调整。

当前面向应急任务的星地资源调度方面主要侧重于研究基于应急任务与卫星之间的适应度来筹划卫星资源、多应急任务聚合、数传应急任务调度模型以及应急任务调整算法研究等方面，旨在优化星地资源利用率，在处理时效性和高保障性方面考虑尚少。

发明内容

本发明为了避免上述背景技术中面向应急任务的星地资源调度方面存在的不足之处,提供一种面向应急任务的星地资源快速配置方法，其具有资源利用率高、任务保障性好、处理时效性高的特点。

本发明所要解决的技术问题是由以下技术方案实现的：

一种面向应急任务的星地资源快速配置方法，其包括以下步骤：

(1)受理应急任务，调度可用成像卫星资源进行应急目标覆盖计算，构建满足约束条件的应急卫星集合；

(2)根据目标区域云量等级预报信息，从应急卫星集合中筛除光学载荷不满足成像条件的卫星；

(3)根据观测时效性优先原则从应急卫星集合中选择拟执行任务的应急卫星；

(4)根据应急卫星对应急目标的观测时间，向应急卫星分配用于回放应急目标观测数据的应急接收资源；分配应急接收资源时，应急任务可以抢占已上注卫星的常规任务所占的接收资源，但不能抢占已上注卫星的其他应急任务所占的接收资源；

(5)以应急卫星已上注任务方案、应急任务和应急接收资源作为输入，调用应急任务规划算法服务进行应急任务调整，生成多个候选应急任务调整方案；

(6)根据任务损失度、任务观测时效性、数据回放时效性、载荷分辨率和成像质量，对每个候选应急任务调整方案进行量化评估，获得每个候选应急任务调整方案的评估权重；

(7)根据步骤(6)得到的权重，基于权重最大者优先原则，以迭代方式从候选应急任务调整方案中选取最终的应急任务调整方案，从而完成面向应急任务的星地资源快速配置。

进一步地，所述步骤(6)中，候选应急任务调整方案p_ij的评估权重w_ij为

其中，为应急任务调整过程中的任务损失归一化权重，

为任务观测时效性归一化权重，

为任务数据回放时效性归一化权重，

为应急卫星载荷分辨率归一化权重，

为光学成像质量归一化权重；i＝1,2,...,k,j＝1,2,...,l，k为步骤(3)中拟执行任务的应急卫星的个数，l为给每颗应急卫星分配的接收弧段数量。

进一步地，所述步骤(7)的具体方式为：

(701)定义集合U₁＝Φ,U₂＝{p_ij},U₃＝{w_ij},i＝1,2,...,k,j＝1,2,...,l，即，U₁为空集、U₂为包含所有应急调整方案的全集，U₃为包含所有应急调整方案对应的评估权重的全集；

(702)在U₃中遍历获取最大的权重值w_i′j′，w_i′j′对应的应急卫星为s_i′，对应的应急接收资源为

对应的应急调整方案为p_i′j′；

(703)构造集合U′和U″，U′＝{p_ij′}，U″＝{p_i″j″}，其中i″＝1,2,...,k且i″≠i′，j″满足条件

其中，

代表两颗卫星s_i′和s_i″与同一个地面接收站或中继星对应的两个接收资源

和

之间的时间间隔，Δt代表同一个地面接收站或中继星的相邻接收任务之间的最短切换时间；

(704)更新集合U₁和U₂：U₁＝U₁∪{p_i′j′}，

其中，

和

分别是U′和U″的补集，当得到新的集合U₂后，同步更新对应的应急调整方案评估权重集合U₃；

(705)判断集合U₂是否为空集，若不是空集则转至步骤(702)进行循环，若是空集则应急任务调整方案优选结束，U₁中的元素即为上星执行的无冲突的应急方案。

本发明与背景技术相比具有如下有益效果：

1、本发明在处理模式上先不考虑星地资源冲突消解，在生成应急任务调整方案后再根据方案的优劣进行冲突消解，避免出现得到的应急任务调整方案综合效益较差的问题。

2、本发明在星地资源分配方面考虑了冗余度，最终优选的应急任务调整方案也有一定的冗余，从而确保了高等级应急任务的观测有效性，保障了应急任务可靠执行。

3、本发明中的应急接收资源分配过程和单星应急任务调整规划过程进行了解耦，避免出现组合爆炸而导致时效性降低的问题。

4、本发明中多星可分布式并行进行应急任务规划，提高了应急任务响应时效性。

附图说明

图1为本发明实施例方法的流程图。

图2为本发明实施例中单星内应急调整方案多选一决策的原理示意图。

图3为本发明实施例中多星间应急调整方案m选n决策的原理示意图。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1～3所示，一种面向应急任务的星地资源快速配置方法，其包括以下步骤：

(1)受理应急任务Τ，调度可用成像卫星进行应急目标覆盖计算，所有能够观测到应急目标的卫星集合记为S₁，根据应急任务最迟执行时间要求筛除不满足要求的卫星后剩余的卫星集合记为S₂。

(2)获取目标区域气象预报信息，从卫星集合S₂中筛除目标区域云量等级不满足目标成像条件的光学载荷卫星，剩余的卫星集合记为S₃。

(3)按观测时效性优先原则选择事先约定数量的应急卫星，从集合S₃中选择应急卫星后生成的集合记为S₄＝{s_i},其元素个数为k。

(4)根据集合S₄中不同应急卫星对应急目标的观测时间，向应急卫星s_i分配用于回放应急目标观测数据的应急接收资源，记为

分配应急接收资源时遵循如下原则：应急任务可抢占已上注卫星的常规任务所占的接收资源，不能抢占已上注卫星的其他应急任务所占的接收资源，设给每颗应急卫星分配的接收弧段数量为l。

(5)获取应急卫星s_i对应的已上注任务方案，与三元组

i＝1,2...,k,j＝1,2...,l，一并作为输入，调用卫星s_i应急任务规划算法服务，可多星并行调用，生成对应的应急任务调整方案，记为p_ij。图3所示的是k＝3且l＝3的情况。

(6)对每个应急调整方案p_ij进行量化评估，假定方案p_ij对应的总权重为w_ij，那么

这里

为应急任务调整过程中的任务损失归一化权重，与损失任务的数量和损失任务的优先级有关，数量越多损失越大该权重越小、优先级越高损失越大该权重越小，任务损失由两种因素引起，一个是应急任务的插入导致的本星任务的损失，另一个是分配的地面应急接收资源冲突导致的其他卫星任务的损失；

为任务观测时效性归一化权重，任务目标观测时间越早该权重越大；为任务数据回放时效性归一化权重，任务数据回放越早该权重越大；

为应急卫星载荷分辨率归一化权重，分辨率越高该权重越大；

为光学成像质量归一化权重，卫星观测目标侧视角越小该权重越大，对SAR卫星来说该权重为固定值。

(7)显然步骤(5)中生成的应急任务调整方案是冗余的，需要通过如下的优化决策步骤进行去冗余：

(701)定义两个集合U₁＝Φ,U₂＝{p_ij},U₃＝{w_ij},i＝1,2,...,k,j＝1,2,...,l，这里U₁为空集、U₂为包含所有应急调整方案的全集，U₃为包含所有应急调整方案对应的评估权重的全集；

(702)在U₃中遍历获取最大的权重值w_i′j′，不妨设对应的应急卫星为s_i′，应急接收资源为

对应的应急调整方案为p_i′j′；

(703)构造集合U′和U″，U′＝{p_ij′}，U″＝{p_i″j″}，其中i″＝1,2,...,k且i″≠i′，j″满足如下条件

这里

代表两颗卫星s_i′和s_i″与同一个地面接收站或中继星对应的两个接收资源

和

之间的时间间隔，Δt代表同一个地面接收站或中继星的相邻接收任务之间最短切换时间。从上述构造过程可知，集合U′的元素代表的是卫星s_i′的所有应急调整方案，这些方案中当选定应急方案p_i′j′之后，其他剩余方案由于与方案p_i′j′之间同星约束冲突，所以其他剩余方案都被放弃执行；集合U″的元素代表的是使用了与卫星s_i′的应急接收资源

相冲突的应急接收资源

的卫星s_i″的应急调整方案p_i″j″，这些冲突的方案也都被放弃执行，不难看出p_i″j″的数量可能大于等于1，也可能等于0；

(704)进行集合运算U₁＝U₁∪{p_i′j′}，

这里

和

分别是U′和U″的补集，当得到新的集合U₂后，同步更新对应的应急调整方案评估权重集合U₃；

(705)判断集合U₂是否为空集，若不是空集则转至步骤(702)重复执行上述过程，若是空集则应急任务调整方案优选过程结束。

从步骤(7)的去冗余过程可看出，以评估权重最大的应急任务调整方案为基准首先采用多选一决策排除单星内的互斥方案，如图2所示，然后采用m选n决策排除星间的接收资源冲突方案，如图3所示，最终构造出的U₁中的元素即为上星执行的无冲突的应急方案。

总之，本发明从应急任务保障的时效性要求和高保障性要求出发，首先在满足应急任务可观测性和时效性要求时应急任务到卫星的快速映射，其次为了降低应急调整过程中的处理时延和提高应急调整方案的优化程度，将接收资源规划和星上载荷动作规划进行了解耦，给每个应急任务分配了冗余的星地资源并暂不对接收资源进行冲突消解，然后多星并行应急任务调整生成应急任务调整方案，基于应急任务保障综合效益评估和星地资源冲突消解准则下优选多应急任务调整方案并去除冗余，最终优选得到的应急任务调整方案既满足较高的综合效益，又确保观测数据的有效性，整个应急任务调整流程也满足低时延要求。

Claims (3)

1.一种面向应急任务的星地资源快速配置方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)受理应急任务，调度可用成像卫星资源进行应急目标覆盖计算，构建满足约束条件的应急卫星集合；

(2)根据目标区域云量等级预报信息，从应急卫星集合中筛除光学载荷不满足成像条件的卫星；

(3)根据观测时效性优先原则从应急卫星集合中选择拟执行任务的应急卫星；

(4)根据应急卫星对应急目标的观测时间，向应急卫星分配用于回放应急目标观测数据的应急接收资源；分配应急接收资源时，应急任务可以抢占已上注卫星的常规任务所占的接收资源，但不能抢占已上注卫星的其他应急任务所占的接收资源；

(5)以应急卫星已上注任务方案、应急任务和应急接收资源作为输入，调用应急任务规划算法服务进行应急任务调整，生成多个候选应急任务调整方案；

(6)根据任务损失度、任务观测时效性、数据回放时效性、载荷分辨率和成像质量，对每个候选应急任务调整方案进行量化评估，获得每个候选应急任务调整方案的评估权重；

(7)根据步骤(6)得到的权重，基于权重最大者优先原则，以迭代方式从候选应急任务调整方案中选取最终的应急任务调整方案，从而完成面向应急任务的星地资源快速配置。

2.根据权利要求1所述的一种面向应急任务的星地资源快速配置方法，其特征在于：所述步骤(6)中，候选应急任务调整方案p_ij的评估权重w_ij为

其中，

为应急任务调整过程中的任务损失归一化权重，

为任务观测时效性归一化权重，

为任务数据回放时效性归一化权重，

为应急卫星载荷分辨率归一化权重，为光学成像质量归一化权重；i＝1,2,...,k,j＝1,2,...,l，k为步骤(3)中拟执行任务的应急卫星的个数，l为给每颗应急卫星分配的接收弧段数量。

3.根据权利要求2所述的一种面向应急任务的星地资源快速配置方法，其特征在于：所述步骤(7)的具体方式为：

(701)定义集合U₁＝Φ,U₂＝{p_ij},U₃＝{w_ij},i＝1,2,...,k,j＝1,2,...,l，即，U₁为空集、U₂为包含所有应急调整方案的全集，U₃为包含所有应急调整方案对应的评估权重的全集；

(702)在U₃中遍历获取最大的权重值w_i′j′，w_i′j′对应的应急卫星为s_i′，对应的应急接收资源为

对应的应急调整方案为p_i′j′；

(703)构造集合U′和U″，U′＝{p_i′j}，U″＝{p_i″j″}，其中i″＝1,2,...,k且i″≠i′，j″满足条件

其中，

代表两颗卫星s_i′和s_i″与同一个地面接收站或中继星对应的两个接收资源

和

之间的时间间隔，Δt代表同一个地面接收站或中继星的相邻接收任务之间的最短切换时间；

(704)更新集合U₁和U₂：U₁＝U₁∪{p_i′j′}，

其中，

和分别是U′和U″的补集，当得到新的集合U₂后，同步更新对应的应急调整方案评估权重集合U₃；

(705)判断集合U₂是否为空集，若不是空集则转至步骤(702)进行循环，若是空集则应急任务调整方案优选结束，U₁中的元素即为上星执行的无冲突的应急方案。

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