CN111912412B - 面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法及装置，其中，该方法包括：综合观测任务需求；收集异构星座中各个卫星的基本参数和实时状态信息；配置可执行任务的测控和数传资源；利用精确轨道预报，给出每个卫星轨道位置的时间函数；对所有子任务排序，并对子任务间冲突进行处理，判断当前待增加的观测子任务与当前观测子任务集合中每一个观测子任务的冲突关系是否满足约束；下行链路调度；采用贪心算法调度观测数据路由；生成任务规划方案，估算各个观测和数传活动的持续时间、卫星姿态的转换时间及星上相关状态参数的变化，生成包含观测活动和数传活动的任务安排方案。

Description

面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法及装置

技术领域

本发明涉及航天任务规划与效能评估领域，具体的，涉及一种面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法及装置。

背景技术

随着我国天基对地观测系统的不断丰富，在轨卫星数目逐年增多、轨道部署逐步完善、载荷类型逐渐多样，在农业、水利、海洋、气象以及国土资源等多个应用领域得到了成功应用。然而，在以行业用户为牵引的建设模式下，目前的对地观测卫星或星座，多是面向特定用户，以单星、多星组网或小型星座的运行模式，提供特定的业务化对地观测服务。从体系化应用的角度来看，在面向对地观测任务方面的综合应用效能却没能充分发挥。

现有天基对地观测卫星/星座资源中涵盖了可见光、红外、SAR、高光谱、微波成像等数十种载荷，且在载荷能力、平台资源、轨道覆盖、天地测控与数传网络等诸多方面配置迥异，构成了一个多轨道、单星/多星/星座共同组成的异构星座。较高轨道的大平台卫星(通常为单颗运行)具有覆盖广、能量足、载荷能力不受限等特点，但数据延迟较大、与其他卫星载荷的协同性差以及时间分辨率相对较低。基于多星或星座的低轨对地观测则提供了测量优势，包括更高的时间分辨率、多点载荷协同和较好可用性的低延迟数据；但其平台能力和载荷类型一直受限；近年来随着技术的发展，其可承载的载荷范围不断扩大，包括大气探测器、可见光成像仪、甚至高光谱成像仪。将这一异构星座的资源进行统筹调度与应用，是近年来提升在轨卫星体系应用效能、完善空间基础设施体系建设所面临的焦点和难点问题。难点主要体现在以下三个方面：

(1)面向应用的异构卫星/星座配置。通常，在载荷能力满足要求的前提下，需要以最少的卫星数量提供较大比例的地球表面覆盖，并最小化地表特定位置观测之间的重访时间。重访时间的要求取决于被观察目标的类型。时间分辨率要求较高的应用，如灾害监测和气象学，需要的平均重访率从每小时到每天不等。以32颗近地轨道(LEO)卫星为例，全球平均重访时间可达半小时。在异构星座中，不同轨道和载荷的配置将以最大程度满足应用需求为目标。

(2)天地资源一体化统筹调度。异构星座调度运行与有效应用的复杂性很大程度上不仅源于需要将全球或目标区域获取的大量数据通过下行链路传输到有限的一组地面站，还要同时考虑异构的卫星自身的任务优先级以及星上固有的能量限制等问题。卫星在轨电力使用通常需要仔细规划，以最大限度地实现数据生产和向地面传输。不仅要将在轨产生的大量每日数据通过下行链路传输到地面，而且还要快速地将在轨产生的大量“瞬时”数据块路由到地面，以用于灾难监测等应用。例如，应用多光谱卫星成像仪跟踪洪水的进程，每秒钟观测可产生百兆量级的压缩数据。

(3)可扩展的自主规划与调度。传统的需要大量地面人员参与的空间任务运行调度方式无法很好地扩展到几十颗、几百颗卫星、甚至更大规模的星座。具体地说，人在回路的任务规划过程中的卫星运行调度对于更多的卫星来说变得非常耗时，成为任务规划最为重要的一个性能限制问题；如果没有一个解决方案，整个星座运行所需要的地面调度人员的数量将与卫星的数量成线性比例地增加。

目前已有的星座任务规划系统主要采用集中式和分散式两类方法。这些方法的主要局限性在于，它们没有充分利用星座中的多重测控/数传链路、缺少对异构卫星资源占用情况的考量。集中式算法解决了具有能量约束的数据下行链路优化问题，但没有通过交链建立卫星间的数据交换模型。分散算法一般只解决观测任务分配问题，不优化卫星数据路由。我们注意到STK调度工具为用户提供了定义调度问题的能力，该问题将交叉链接数据路由合并到目标函数中并优化性能。然而，在建模如何通过交叉链接共享数据和选择要调度的最佳数据路由方面，给最终用户留下了大量的工作。另外，STK调度器将低级的卫星活动建模为任务，然后分配给可用性窗口执行。这种方法在实践中的时间复杂性将是显著的，并受到星座规模大小(约100颗卫星) 的限制。

发明内容

针对现有星座任务规划系统在面向应用的观测任务中，对天基异构星座资源利用不充分、过于依赖地面人员、无法适应星座扩展等不足的问题，本发明提供了一种面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法及装置，用于尽可能地利用可用的星上异构资源，包括可用的星间交叉连接，以在减少数据传输到地面的延迟的同时，又保持星务遥测和地面控制指令的实时传输，从而解决大规模异构星座任务规划中异构星座资源的高效利用、天地协同的平台资源以及测控、数传网络资源的统筹调度的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法，其中，该方法包括：步骤1，综合观测任务需求；步骤 2，收集异构星座中各个卫星的基本参数和实时状态信息；步骤3，配置可执行任务的测控和数传资源；步骤4，轨道预报与初步全局规划，根据步骤1 至3中的观测任务需求、各个卫星的基本参数和实时状态信息，利用精确轨道预报，给出每个卫星轨道位置的时间函数；步骤5，对观测目标按观测需求进行排序，再对相关子任务按照观测冲突大小进行排序，得到所有子任务的排序，并对子任务间冲突进行处理，判断当前待增加的观测子任务与当前观测子任务集合中每一个观测子任务的冲突关系是否满足约束；步骤6，下行链路调度，采用启发式算法，在给定的时间内为每个卫星下行链路选择可能的最佳地面站，同时处理来自多个卫星的同一地面站的重叠下行链路；步骤7，采用贪心算法调度观测数据路由；步骤8，生成任务规划方案，估算各个观测和数传活动的持续时间、卫星姿态的转换时间及星上相关状态参数的变化，生成包含观测活动和数传活动的任务安排方案。

优选的，其中，在所述步骤1中，所述观测任务需求包括任务类型、目标位置/形状、时效性约束、优先级、成像质量约束，所述任务类型包括点目标、区域目标、一般轨迹目标三种，所述时效性约束包括重访周期、每次成像后数据下传至地面的时间要求、成像时刻要求、数据下传至地面的最晚时刻要求，所述成像质量包括太阳光照角度约束条件、图像谱段、分辨率、信噪比要求；在所述步骤2中，所述各个卫星的基本参数和实时状态信息包括各个卫星的轨道、成像工作模式、轨道机动能力、姿态机动能力、载荷成像、数据存储、数据下传能力、指令上注能力、执行任务状态、能量消耗；在所述步骤3中，所述可执行任务的测控和数传资源即指令上注于数据下传过程中涉及的地面及空间资源，包括测控/数传地球站资源信息、中继星信息，其中地球站资源信息包括纬度、高度、可见最小仰角，最多可同时接收多少颗卫星的下传数据或能够最多可同时上注多少颗卫星指令；中继星信息包括定点经度、六根数、接收能力、最多可同时接收多少颗卫星的数据；在所述步骤4中，所述给出每个卫星轨道位置的时间函数包括确定观测需求中各个观测目标进入观测窗口、下行链路的时间、星间链路的接入时间和星间通信参数，分解为单星可一次完成观测的观测子任务集合；在所述步骤5中，对子任务间冲突进行处理时，子任务间冲突关系分析要素包括姿态机动约束、能源约束；在所述步骤7中，对于每一次观测，基于步骤3中的数传资源的配置，并通过星间链路来表征与星座中其他卫星的可能路由路径，找出其他卫星可能拥有的最早可用的下行链路，以用于下传观测数据，建立下行链路的路由列表，优先考虑尽可能早的结束下行链路时间，选择其中一个路由；在所述步骤8中，所述包含观测活动和数传活动的任务安排方案，包括星座中各个卫星要执行的具体活动的详细时间表，执行的观测模式与观测姿态，具体的观测条带，以及活动的特定开始时间和结束时间，在轨记录数据量以及下传数据的地面站。

优选的，其中，所述步骤5还包括：按照以下公式计算子任务观测需求 Need_i和观测冲突Cft_p，

其中，Value_i为观测目标i的效益值，Target_i为观测目标i的观测子任务集合，该集合中的观测子任务为p，则与其冲突的其他子任务q的集合为 Con_p，ctribt_p为子任务p对观测目标i的贡献度，ctribt_q为子任务q对其观测目标的贡献度，w_pq为子任务p和子任务q的累计资源冲突量，W_p为子任务p 的观测窗口，Value_Tar(q)为观测子任务q对应的观测目标的效益值，TransD_q为子任务q中资源可转换度，Target为观测目标集合。

优选的，其中，在所述步骤5中，对子任务间冲突进行处理包括以下步骤：步骤501，选取观测目标中观测冲突程度最小的子任务，并判断该观测冲突程度最小的子任务是否与观测及数传规划结果冲突；步骤502，如果不存在冲突，则将该观测冲突程度最小的子任务加入到观测集合中，然后执行步骤505，如果存在冲突，则判断能否通过加入数传子任务解决冲突，然后执行步骤503；步骤503，如果可以解决冲突，则仍将该观测冲突程度最小的子任务加入观测集合，然后执行步骤505，如果不可以解决冲突，删除该观测冲突程度最小的子任务，并判断该观测冲突程度最小的子任务对应的观测目标是否仍有其他子任务，然后执行步骤504；步骤504，如果没有其他子任务，则放弃观测该观测冲突程度最小的子任务对应的观测目标，然后执行步骤505，如果有其他子任务，则考虑该观测冲突程度最小的子任务对应的观测目标的下一个观测子任务，然后返回步骤501；步骤505，选取下一个观测目标，重复执行步骤501至步骤505，直至观测规划结果集合已经包含所有观测目标或所有可能的观测子任务都已经被考虑过。

优选的，其中，所述步骤6还包括：采用最大化整个星座对地的总带宽，并平衡卫星之间的地面站访问时间的原则，进行下行链路调度：a.新调度的下行链路的数据量比任何正在使用的下行链路都要大，并且已经超过了任何正在使用的下行链路的最短要求时间；b.如果另一颗卫星已经在向感兴趣的地面站发送数据，且下行链路的占用时间已经超过了最小“独占访问”时间，且新调度的卫星下行链路的数据量与另一颗卫星的下行链路相当，新调度的卫星下行链路就能抢占该下行链路。

优选的，其中，在所述步骤7中，可路由数据量是路由中所有链路的数据量吞吐量的最小值，通过将长的星间链路窗口划分为较小的子窗口并确定在该时间内通过星间链路传输的数据量来确定星间数据吞吐量。

本发明还提供了一种面向应用的异构星座天地一体化任务规划装置，该装置包括：观测需求综合模块，用于综合观测任务需求；信息收集模块，用于收集异构星座中各个卫星的基本参数和实时状态信息；资源配置模块，用于配置可执行任务的测控和数传资源；全局规划模块，用于根据观测任务需求、各个卫星的基本参数和实时状态信息，利用精确轨道预报，给出每个卫星轨道位置的时间函数；冲突处理模块，用于对观测目标按观测需求进行排序，再对相关子任务按照观测冲突大小进行排序，得到所有子任务的排序，并对子任务间冲突进行处理，判断当前待增加的观测子任务与当前观测子任务集合中每一个观测子任务的冲突关系是否满足约束；下行链路调度模块，下行链路调度，采用启发式算法，在给定的时间内为每个卫星下行链路选择可能的最佳地面站，同时处理来自多个卫星的同一地面站的重叠下行链路；数据路由观测模块，用于采用贪心算法调度观测数据路由；任务规划方案生成模块，用于估算各个观测和数传活动的持续时间、卫星姿态的转换时间及星上相关状态参数的变化，生成包含观测活动和数传活动的任务安排方案。

优选的，其中，所述观测任务需求包括任务类型、目标位置/形状、时效性约束、优先级、成像质量约束，所述任务类型包括点目标、区域目标、一般轨迹目标三种，所述时效性约束包括重访周期、每次成像后数据下传至地面的时间要求、成像时刻要求、数据下传至地面的最晚时刻要求，所述成像质量包括太阳光照角度约束条件、图像谱段、分辨率、信噪比要求；所述各个卫星的基本参数和实时状态信息包括各个卫星的轨道、成像工作模式、轨道机动能力、姿态机动能力、载荷成像、数据存储、数据下传能力、指令上注能力、执行任务状态、能量消耗；所述可执行任务的测控和数传资源即指令上注于数据下传过程中涉及的地面及空间资源，包括测控/数传地球站资源信息、中继星信息，其中地球站资源信息包括纬度、高度、可见最小仰角，最多可同时接收多少颗卫星的下传数据或能够最多可同时上注多少颗卫星指令；中继星信息包括定点经度、六根数、接收能力、最多可同时接收多少颗卫星的数据；所述给出每个卫星轨道位置的时间函数包括确定观测需求中各个观测目标进入观测窗口、下行链路的时间、星间链路的接入时间和星间通信参数，分解为单星可一次完成观测的观测子任务集合；所述包含观测活动和数传活动的任务安排方案，包括星座中各个卫星要执行的具体活动的详细时间表，执行的观测模式与观测姿态，具体的观测条带，以及活动的特定开始时间和结束时间，在轨记录数据量以及下传数据的地面站；所述冲突处理模块在对子任务间冲突进行处理时，子任务间冲突关系分析要素包括姿态机动约束、能源约束；所述数据路由观测模块对于每一次观测，基于数传资源的配置，并通过星间链路来表征与星座中其他卫星的可能路由路径，找出其他卫星可能拥有的最早可用的下行链路，以用于下传观测数据，建立下行链路的路由列表，优先考虑尽可能早的结束下行链路时间，选择其中一个路由。

优选的，其中，冲突处理模块用于按照以下公式计算子任务观测需求 Need_i和观测冲突Cft_p，

其中，Value_i为观测目标i的效益值，Target_i为观测目标i的观测子任务集合，该集合中的观测子任务为p，则与其冲突的其他子任务q的集合为Con_p， ctribt_p为子任务p对观测目标i的贡献度，ctribt_q为子任务q对其观测目标的贡献度，w_pq为子任务p和子任务q的累计资源冲突量，W_p为子任务p的观测窗口，Value_Tar(q)为观测子任务q对应的观测目标的效益值，TransD_q为子任务 q中资源可转换度，Target为观测目标集合。

再一方面，本发明还提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本申请上述任一项面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法。

本发明与现有技术相比有益效果为：

本专利根据大型可扩展异构星座的应用调度与运行管理需求，提出采用天地资源一体化任务规划方法，使得面向对地观测应用的星座任务规划在异构大型星座(数十到数百颗卫星)中的可扩展性成为可能。规划首先对数据路由实用程序进行推理，然后对天基系统(平台、载荷)资源使用情况进行推理。通过将卫星间路由约束与每个卫星的资源约束解耦，大大降低了计算复杂度。其次，在任务规划中，支持异构星座中可能的星间交链链路，可获得更快的数据路由并快速协调卫星之间的观测重新排序，以响应目标优先级的更新。最后，将异构星座中各卫星载荷的实际应用情况考虑在内进行规划，有利于星座中多用户多任务的大型卫星在开展常规观测任务的同时，响应时效性要求较高的观测任务，并使它们能够在轨道上与其他卫星协同工作，形成“按需”观测虚拟网络。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是根据本发明的面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

参考图1，本发明提供了一种面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法，其中，该方法包括：

步骤1，综合观测任务需求；

步骤2，收集异构星座中各个卫星的基本参数和实时状态信息；

步骤3，配置可执行任务的测控和数传资源；

步骤4，轨道预报与初步全局规划，根据步骤1至3中的观测任务需求 (例如，观测区域、观测时间、重访覆盖要求、观测精度要求)、各个卫星的基本参数(例如，卫星载荷、平台、轨道及卫星侧摆能力)和实时状态信息(例如，卫星的存储、电源和载荷运行状态)，利用精确轨道预报，给出每个卫星轨道位置的时间函数；

步骤5，对观测目标按观测需求进行排序，再对相关子任务按照观测冲突大小进行排序，得到所有子任务的排序，并对子任务间冲突进行处理，判断当前待增加的观测子任务与当前观测子任务集合中每一个观测子任务的冲突关系是否满足约束；

步骤6，下行链路调度，采用启发式算法，在给定的时间内为每个卫星下行链路选择可能的最佳地面站，同时处理来自多个卫星的同一地面站的重叠下行链路；

步骤7，采用贪心算法调度观测数据路由；

步骤8，生成任务规划方案，估算各个观测和数传活动的持续时间、卫星姿态的转换时间及星上相关状态参数的变化，生成包含观测活动和数传活动的任务安排方案。

根据一种优选实施例，在所述步骤1中，所述观测任务需求包括任务类型、目标位置/形状、时效性约束、优先级、成像质量约束，所述任务类型包括点目标、区域目标、一般轨迹目标三种，所述时效性约束包括重访周期、每次成像后数据下传至地面的时间要求、成像时刻要求、数据下传至地面的最晚时刻要求，所述成像质量包括太阳光照角度约束条件、图像谱段、分辨率、信噪比要求。

在所述步骤2中，所述各个卫星的基本参数和实时状态信息包括各个卫星的轨道、成像工作模式、轨道机动能力、姿态机动能力、载荷成像、数据存储、数据下传能力、指令上注能力、执行任务状态(空闲、执行中、已分配待执行)、能量消耗。

在所述步骤3中，所述可执行任务的测控和数传资源即指令上注于数据下传过程中涉及的地面及空间资源，包括测控/数传地球站资源信息、中继星信息，其中地球站资源信息包括纬度、高度、可见最小仰角，最多可同时接收多少颗卫星的下传数据或能够最多可同时上注多少颗卫星指令；中继星信息包括定点经度、六根数、接收能力、最多可同时接收多少颗卫星的数据。

在所述步骤4中，所述给出每个卫星轨道位置的时间函数包括确定观测需求中各个观测目标进入观测窗口、下行链路的时间、星间链路的接入时间和星间通信参数(如链路距离、仰角)，分解为单星可一次完成观测的观测子任务集合。

在所述步骤5中，对子任务间冲突进行处理时，子任务间冲突关系分析要素包括姿态机动约束、能源约束。

在所述步骤7中，对于每一次观测，基于步骤3中的数传资源的配置，并通过星间链路来表征与星座中其他卫星的可能路由路径，找出其他卫星可能拥有的最早可用的下行链路，以用于下传观测数据，建立下行链路的路由列表，优先考虑尽可能早的结束下行链路时间，选择其中一个路由。

在所述步骤8中，所述包含观测活动和数传活动的任务安排方案，包括星座中各个卫星要执行的具体活动的详细时间表，执行的观测模式与观测姿态，具体的观测条带，以及活动的特定开始时间和结束时间，在轨记录数据量以及下传数据的地面站。

根据一种优选实施例，所述步骤5还包括：按照以下公式计算子任务观测需求Need_i和观测冲突Cft_p，

其中，Value_i为观测目标i的效益值，Target_i为观测目标i的观测子任务集合，该集合中的观测子任务为p，则与其冲突的其他子任务q的集合为 Con_p，ctribt_p为子任务p对观测目标i的贡献度，ctribt_q为子任务q对其观测目标的贡献度，w_pq为子任务p和子任务q的累计资源冲突量，W_p为子任务p 的观测窗口，Value_Tar(q)为观测子任务q对应的观测目标的效益值，TransD_q为子任务q中资源可转换度，Target为观测目标集合。

进一步优选的，在所述步骤5中，对子任务间冲突进行处理包括以下步骤：

步骤501，选取观测目标中观测冲突程度最小的子任务，并判断该观测冲突程度最小的子任务是否与观测及数传规划结果冲突；

步骤502，如果不存在冲突，则将该观测冲突程度最小的子任务加入到观测集合中，然后执行步骤505，如果存在冲突，则判断能否通过加入数传子任务解决冲突，然后执行步骤503；

步骤503，如果可以解决冲突，则仍将该观测冲突程度最小的子任务加入观测集合，然后执行步骤505，如果不可以解决冲突，删除该观测冲突程度最小的子任务，并判断该观测冲突程度最小的子任务对应的观测目标是否仍有其他子任务，然后执行步骤504；

步骤504，如果没有其他子任务，则放弃观测该观测冲突程度最小的子任务对应的观测目标，然后执行步骤505，如果有其他子任务，则考虑该观测冲突程度最小的子任务对应的观测目标的下一个观测子任务(即删除无法解决冲突的子任务之后的冲突程度最小的子任务)，然后返回步骤501。

步骤505，选取下一个观测目标，重复执行步骤501至步骤505，直至观测规划结果集合已经包含所有观测目标或所有可能的观测子任务都已经被考虑过。

采用这种方式来对子任务间冲突进行处理，既可优先满足实际应用中具有高观测收益值目标(包括点目标、区域目标)的观测任务调度需求，又兼顾其他观测目标的观测需求，尽可能减少因解决冲突而带来的观测目标覆盖缺失，优化应用的全局观测收益。同时，该方式具有实现简单、效率高的优点。

根据一种优选实施例，所述步骤6还包括：采用最大化整个星座对地的总带宽，并平衡卫星之间的地面站访问时间的原则，进行下行链路调度：

a.新调度的下行链路的数据量比任何正在使用的下行链路都要大，并且已经超过了任何正在使用的下行链路的最短要求时间；

b.如果另一颗卫星已经在向感兴趣的地面站发送数据，且下行链路的占用时间已经超过了最小“独占访问”时间，且新调度的卫星下行链路的数据量与另一颗卫星的下行链路相当，新调度的卫星下行链路就可以抢占该下行链路。

优选的，在所述步骤7中，可路由数据量是路由中所有链路的数据量吞吐量的最小值。通过将长的星间链路窗口划分为较小的子窗口(例如2分钟) 并确定在该时间内通过星间链路传输的数据量来确定星间数据吞吐量。从观测窗口产生的数据量中减去可路由的数据量，计算下行链路窗口数据量，并将这种数据分配称为观测包。观测包一旦有一条到地面的路由，则将所有的星间路由数据量和下行数据量的标记为已占用。然后重复这个过程，直到整个观测包数据完成传输(或者所需观测包数据完全路由结束)，然后继续进行下一个观测包。

另一方面，本发明还提供了一种面向应用的异构星座天地一体化任务规划装置，该装置包括：

观测需求综合模块，用于综合观测任务需求；

信息收集模块，用于收集异构星座中各个卫星的基本参数和实时状态信息；

资源配置模块，用于配置可执行任务的测控和数传资源；

全局规划模块，用于根据观测任务需求(例如，观测区域、观测时间、重访覆盖要求、观测精度要求)、各个卫星的基本参数(例如，卫星载荷、平台、轨道及卫星侧摆能力)和实时状态信息(例如，卫星的存储、电源和载荷运行状态)，利用精确轨道预报，给出每个卫星轨道位置的时间函数；

冲突处理模块，用于对观测目标按观测需求进行排序，再对相关子任务按照观测冲突大小进行排序，得到所有子任务的排序，并对子任务间冲突进行处理，判断当前待增加的观测子任务与当前观测子任务集合中每一个观测子任务的冲突关系是否满足约束；

下行链路调度模块，下行链路调度，采用启发式算法，在给定的时间内为每个卫星下行链路选择可能的最佳地面站，同时处理来自多个卫星的同一地面站的重叠下行链路；

数据路由观测模块，用于采用贪心算法调度观测数据路由；

任务规划方案生成模块，用于估算各个观测和数传活动的持续时间、卫星姿态的转换时间及星上相关状态参数的变化，生成包含观测活动和数传活动的任务安排方案。

根据一种优选实施例，所述观测任务需求包括任务类型、目标位置/形状、时效性约束、优先级、成像质量约束，所述任务类型包括点目标、区域目标、一般轨迹目标三种，所述时效性约束包括重访周期、每次成像后数据下传至地面的时间要求、成像时刻要求、数据下传至地面的最晚时刻要求，所述成像质量包括太阳光照角度约束条件、图像谱段、分辨率、信噪比要求；

所述各个卫星的基本参数和实时状态信息包括各个卫星的轨道、成像工作模式、轨道机动能力、姿态机动能力、载荷成像、数据存储、数据下传能力、指令上注能力、执行任务状态、能量消耗；

所述可执行任务的测控和数传资源即指令上注于数据下传过程中涉及的地面及空间资源，包括测控/数传地球站资源信息、中继星信息，其中地球站资源信息包括纬度、高度、可见最小仰角，最多可同时接收多少颗卫星的下传数据或能够最多可同时上注多少颗卫星指令；中继星信息包括定点经度、六根数、接收能力、最多可同时接收多少颗卫星的数据；

所述给出每个卫星轨道位置的时间函数包括确定观测需求中各个观测目标进入观测窗口、下行链路的时间、星间链路的接入时间和星间通信参数，分解为单星可一次完成观测的观测子任务集合；

所述包含观测活动和数传活动的任务安排方案，包括星座中各个卫星要执行的具体活动的详细时间表，执行的观测模式与观测姿态，具体的观测条带，以及活动的特定开始时间和结束时间，在轨记录数据量以及下传数据的地面站；

所述冲突处理模块在对子任务间冲突进行处理时，子任务间冲突关系分析要素包括姿态机动约束、能源约束；

所述数据路由观测模块对于每一次观测，基于数传资源的配置，并通过星间链路来表征与星座中其他卫星的可能路由路径，找出其他卫星可能拥有的最早可用的下行链路，以用于下传观测数据，建立下行链路的路由列表，优先考虑尽可能早的结束下行链路时间，选择其中一个路由。

优选的冲突处理模块用于按照以下公式计算子任务观测需求Need_i和观测冲突Cft_p，

观测冲突Cft_p用来综合反应观测子任务的冲突程度。其中，Value_i为观测目标i的效益值，Target_i为观测目标i的观测子任务集合，该集合中的观测子任务为p，则与其冲突的其他子任务q的集合为Con_p，ctribt_p为子任务p 对观测目标i的贡献度，ctribt_q为子任务q对其观测目标的贡献度，w_pq为子任务p和子任务q的累计资源冲突量，W_p为子任务p的观测窗口，Value_Tar(q)为观测子任务q对应的观测目标的效益值，TransD_q为子任务q中资源可转换度， Target为观测目标集合。

所述面向应用的异构星座天地一体化任务规划装置包括处理器和存储器，上述观测需求综合模块、信息收集模块、资源配置模块、全局规划模块、冲突处理模块、下行链路调度模块、数据路由观测模块和任务规划方案生成模块等均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。

处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来进行多星异构星座天地一体化任务规划，解决大规模异构星座任务规划中异构星座资源的高效利用、天地协同的平台资源以及测控、数传网络资源的统筹调度的问题。

本发明实施例提供了一种机器可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现所述面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法。

本发明实施例提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

在一个典型的配置中，设备包括一个或多个处理器(CPU)、存储器和总线。设备还可以包括输入/输出接口、网络接口等。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器 (RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存 (PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器 (CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，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、商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、商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，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、 CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法，其中，该方法包括：

步骤1，综合观测任务需求；

步骤2，收集异构星座中各个卫星的基本参数和实时状态信息；

步骤3，配置可执行任务的测控和数传资源；

步骤4，轨道预报与初步全局规划，根据步骤1至3中的观测任务需求、各个卫星的基本参数和实时状态信息，利用精确轨道预报，确定观测需求中各个观测目标进入观测窗口、下行链路的时间、星间链路的接入时间和星间通信参数，分解为单星可一次完成观测的观测子任务集合；

步骤5，对观测目标按观测需求进行排序，再对相关子任务按照观测冲突大小进行排序，得到所有子任务的排序，并对子任务间冲突进行处理，判断当前待增加的观测子任务与当前观测子任务集合中每一个观测子任务的冲突关系是否满足约束；其中，对子任务间冲突进行处理包括以下步骤：步骤501，选取观测目标中观测冲突程度最小的子任务，并判断该观测冲突程度最小的子任务是否与观测及数传规划结果冲突；步骤502，如果不存在冲突，则将该观测冲突程度最小的子任务加入到观测集合中，然后执行步骤505，如果存在冲突，则判断能否通过加入数传子任务解决冲突，然后执行步骤503；步骤503，如果可以解决冲突，则仍将该观测冲突程度最小的子任务加入观测集合，然后执行步骤505，如果不可以解决冲突，删除该观测冲突程度最小的子任务，并判断该观测冲突程度最小的子任务对应的观测目标是否仍有其他子任务，然后执行步骤504；步骤504，如果没有其他子任务，则放弃观测该观测冲突程度最小的子任务对应的观测目标，然后执行步骤505，如果有其他子任务，则考虑该观测冲突程度最小的子任务对应的观测目标的下一个观测子任务，然后返回步骤501；步骤505，选取下一个观测目标，重复执行步骤501至步骤505，直至观测规划结果集合已经包含所有观测目标或所有可能的观测子任务都已经被考虑过；

步骤6，下行链路调度，采用启发式算法，在给定的时间内为每个卫星下行链路选择可能的最佳地面站，同时处理来自多个卫星的同一地面站的重叠下行链路；其中，采用最大化整个星座对地的总带宽，并平衡卫星之间的地面站访问时间的原则，进行下行链路调度：a.新调度的下行链路的数据量比任何正在使用的下行链路都要大，并且已经超过了任何正在使用的下行链路的最短要求时间；b.如果另一颗卫星已经在向感兴趣的地面站发送数据，且下行链路的占用时间已经超过了最小“独占访问”时间，且新调度的卫星下行链路的数据量与另一颗卫星的下行链路相当，新调度的卫星下行链路就能抢占该下行链路；

步骤7，采用贪心算法调度观测数据的路由路径；

步骤8，生成任务规划方案，估算各个观测和数传活动的持续时间、卫星姿态的转换时间及星上相关状态参数的变化，生成包含观测活动和数传活动的任务安排方案。

2.根据权利要求1所述的面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法，其中，

在所述步骤1中，所述观测任务需求包括任务类型、目标位置/形状、时效性约束、优先级、成像质量约束，所述任务类型包括点目标、区域目标、一般轨迹目标三种，所述时效性约束包括重访周期、每次成像后数据下传至地面的时间要求、成像时刻要求、数据下传至地面的最晚时刻要求，所述成像质量包括太阳光照角度约束条件、图像谱段、分辨率、信噪比要求；

在所述步骤2中，所述各个卫星的基本参数和实时状态信息包括各个卫星的轨道、成像工作模式、轨道机动能力、姿态机动能力、载荷成像、数据存储、数据下传能力、指令上注能力、执行任务状态、能量消耗；

在所述步骤3中，所述可执行任务的测控和数传资源即指令上注与数据下传过程中涉及的地面及空间资源，包括测控/数传地球站资源信息、中继星信息，其中地球站资源信息包括纬度、高度、可见最小仰角，最多可同时接收多少颗卫星的下传数据或能够最多可同时上注多少颗卫星指令；中继星信息包括定点经度、六根数、接收能力、最多可同时接收多少颗卫星的数据；

在所述步骤5中，对子任务间冲突进行处理时，子任务间冲突关系分析要素包括姿态机动约束、能源约束；

在所述步骤7中，对于每一次观测，基于步骤3中的数传资源的配置，并通过星间链路来表征与星座中其他卫星的可能路由路径，找出其他卫星可能拥有的最早可用的下行链路，以用于下传观测数据，建立下行链路的路由列表，优先考虑尽可能早的结束下行链路时间，选择其中一个路由；

在所述步骤8中，所述包含观测活动和数传活动的任务安排方案，包括星座中各个卫星要执行的具体活动的详细时间表，执行的观测模式与观测姿态，具体的观测条带，以及活动的特定开始时间和结束时间，在轨记录数据量以及下传数据的地面站。

3.根据权利要求2所述的面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法，其中，所述步骤5还包括：

按照以下公式计算子任务观测需求Need_i和观测冲突Cft_p，

其中，Value_i为观测目标i的效益值，Target_i为观测目标i的观测子任务集合，该集合中的观测子任务为p，则与其冲突的其他子任务q的集合为Con_p，ctribt_p为子任务p对观测目标i的贡献度，ctribt_q为子任务q对其观测目标的贡献度，w_pq为子任务p和子任务q的累计资源冲突量，W_p为子任务p的观测窗口，Value_Tar(q)为观测子任务q对应的观测目标的效益值，TransD_q为子任务q中资源可转换度，Target为观测目标集合。

4.根据权利要求1所述的面向应用的异构星座天地一体化任务规划方法，其中，在所述步骤7中，还包括：

确定可路由数据量；可路由数据量是路由中所有链路的数据量吞吐量的最小值，通过将长的星间链路窗口划分为较小的子窗口并确定在该时间内通过星间链路传输的数据量来确定星间数据吞吐量。

5.一种面向应用的异构星座天地一体化任务规划装置，该装置包括：

观测需求综合模块，用于综合观测任务需求；

信息收集模块，用于收集异构星座中各个卫星的基本参数和实时状态信息；

资源配置模块，用于配置可执行任务的测控和数传资源；

全局规划模块，用于根据观测任务需求、各个卫星的基本参数和实时状态信息，利用精确轨道预报，确定观测需求中各个观测目标进入观测窗口、下行链路的时间、星间链路的接入时间和星间通信参数，分解为单星可一次完成观测的观测子任务集合；

冲突处理模块，用于对观测目标按观测需求进行排序，再对相关子任务按照观测冲突大小进行排序，得到所有子任务的排序，并对子任务间冲突进行处理，判断当前待增加的观测子任务与当前观测子任务集合中每一个观测子任务的冲突关系是否满足约束；其中，对子任务间冲突进行处理包括以下步骤：步骤501，选取观测目标中观测冲突程度最小的子任务，并判断该观测冲突程度最小的子任务是否与观测及数传规划结果冲突；步骤502，如果不存在冲突，则将该观测冲突程度最小的子任务加入到观测集合中，然后执行步骤505，如果存在冲突，则判断能否通过加入数传子任务解决冲突，然后执行步骤503；步骤503，如果可以解决冲突，则仍将该观测冲突程度最小的子任务加入观测集合，然后执行步骤505，如果不可以解决冲突，删除该观测冲突程度最小的子任务，并判断该观测冲突程度最小的子任务对应的观测目标是否仍有其他子任务，然后执行步骤504；步骤504，如果没有其他子任务，则放弃观测该观测冲突程度最小的子任务对应的观测目标，然后执行步骤505，如果有其他子任务，则考虑该观测冲突程度最小的子任务对应的观测目标的下一个观测子任务，然后返回步骤501；步骤505，选取下一个观测目标，重复执行步骤501至步骤505，直至观测规划结果集合已经包含所有观测目标或所有可能的观测子任务都已经被考虑过；

下行链路调度模块，下行链路调度，采用启发式算法，在给定的时间内为每个卫星下行链路选择可能的最佳地面站，同时处理来自多个卫星的同一地面站的重叠下行链路；其中，采用最大化整个星座对地的总带宽，并平衡卫星之间的地面站访问时间的原则，进行下行链路调度：a.新调度的下行链路的数据量比任何正在使用的下行链路都要大，并且已经超过了任何正在使用的下行链路的最短要求时间；b.如果另一颗卫星已经在向感兴趣的地面站发送数据，且下行链路的占用时间已经超过了最小“独占访问”时间，且新调度的卫星下行链路的数据量与另一颗卫星的下行链路相当，新调度的卫星下行链路就能抢占该下行链路；

数据路由观测模块，用于采用贪心算法调度观测数据的路由路径；

任务规划方案生成模块，用于估算各个观测和数传活动的持续时间、卫星姿态的转换时间及星上相关状态参数的变化，生成包含观测活动和数传活动的任务安排方案。

6.根据权利要求5所述的一种面向应用的异构星座天地一体化任务规划装置，其中，

所述观测任务需求包括任务类型、目标位置/形状、时效性约束、优先级、成像质量约束，所述任务类型包括点目标、区域目标、一般轨迹目标三种，所述时效性约束包括重访周期、每次成像后数据下传至地面的时间要求、成像时刻要求、数据下传至地面的最晚时刻要求，所述成像质量包括太阳光照角度约束条件、图像谱段、分辨率、信噪比要求；

所述各个卫星的基本参数和实时状态信息包括各个卫星的轨道、成像工作模式、轨道机动能力、姿态机动能力、载荷成像、数据存储、数据下传能力、指令上注能力、执行任务状态、能量消耗；

所述可执行任务的测控和数传资源即指令上注与数据下传过程中涉及的地面及空间资源，包括测控/数传地球站资源信息、中继星信息，其中地球站资源信息包括纬度、高度、可见最小仰角，最多可同时接收多少颗卫星的下传数据或能够最多可同时上注多少颗卫星指令；中继星信息包括定点经度、六根数、接收能力、最多可同时接收多少颗卫星的数据；

所述包含观测活动和数传活动的任务安排方案，包括星座中各个卫星要执行的具体活动的详细时间表，执行的观测模式与观测姿态，具体的观测条带，以及活动的特定开始时间和结束时间，在轨记录数据量以及下传数据的地面站；

所述冲突处理模块在对子任务间冲突进行处理时，子任务间冲突关系分析要素包括姿态机动约束、能源约束；

所述数据路由观测模块对于每一次观测，基于数传资源的配置，并通过星间链路来表征与星座中其他卫星的可能路由路径，找出其他卫星可能拥有的最早可用的下行链路，以用于下传观测数据，建立下行链路的路由列表，优先考虑尽可能早的结束下行链路时间，选择其中一个路由。

7.根据权利要求6所述的一种面向应用的异构星座天地一体化任务规划装置，其中，

冲突处理模块用于按照以下公式计算子任务观测需求Need_i和观测冲突Cft_p，

其中，Value_i为观测目标i的效益值，Target_i为观测目标i的观测子任务集合，该集合中的观测子任务为p，则与其冲突的其他子任务q的集合为Con_p，ctribt_p为子任务p对观测目标i的贡献度，ctribt_q为子任务q对其观测目标的贡献度，w_pq为子任务p和子任务q的累计资源冲突量，W_p为子任务p的观测窗口，Value_Tar(q)为观测子任务q对应的观测目标的效益值，TransD_q为子任务q中资源可转换度，Target为观测目标集合。

8.一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行权利要求1-4中任一项所述的方法。

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