CN112465296B - 一种敏捷卫星动态任务重规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种敏捷卫星动态任务重规划方法，针对敏捷卫星可以沿滚动、俯仰、偏航三轴进行快速机动，可以实现对地面目标高效、灵活的观测，本发明敏捷卫星动态任务重规划方法，包括基于任务替换的动态重规划和基于递归滑动法的动态重规划方法。这两种动态重规划方法可以实现对原方案的改动最小，且尽量在短时间内完成规划任务的调整，有较高的搜索效率。针对敏捷卫星的任务规划怎样自动、快速地增加新任务，改变原有的任务规划序列，利用动态重规划方法可以提高敏捷卫星规划调度对突发事件响应的及时性。

Description

一种敏捷卫星动态任务重规划方法
技术领域
本发明涉及一种敏捷卫星动态任务重规划方法，属于敏捷卫星任务规划技术领域。
背景技术
目前国内外对卫星任务规划的研究比较多，经过对国内外文献的调研，将已有的研究总结如下：
法国Bensana等学者在研究SPOT5卫星任务规划时，通过简化某些约束，建立了整数规划模型，采用了多种完全搜索算法对SPOT5卫星的任务规划进行求解。美国Song D等学者针对同一个场景下单颗卫星与多个需求任务相冲突矛盾的问题，构建了非线性规模模型，研究了如何选择一个合适的可见时间窗，可以获得最大化收益。美国Wolfe等学者研究了一类特殊情形的单星任务规划调度问题，即每个任务与卫星仅存在一个可见时间窗的情况下该如何规划调度。Deflorio等针对SAR卫星任务规划问题，考虑了动作切换、能量、传输及存储等约束，提出了两种贪婪算法。国内大型研究所及部分研究型高校也取得了一定进展。第五十四研究所针对单星日常规划开发了规划管理软件，利用可视化的分析决策设计思路规划卫星成像活动。国防科大贺仁杰等人研究了面向点目标的成像任务规划问题，将其看作时间窗约束的多机调度问题，建立了混合整数规划和约束满足的两种模型，并设计了相应的求解算法。张帆等学者针对单颗卫星任务规划调度问题，基于图论思想建立了任务规划最短路径模型，研究了标记更新思想的求解算法。
通过上述调研工作发现，目前对于对地观测卫星的任务规划问题的研究主要集中于预先规划，即任务执行启动前的静态规划。静态任务规划就是我们对未来任务完成情况的理想估计。然而，实际情况很少按我们的预期完成。突发事件或者紧急任务的插入都可能会导致原规划发生冲突。动态重规划算法可以实现对原规划的快速修改，然后迭代地解决可能出现的任何冲突。
通过对国内卫星动态任务重规划的调研，郝会成建立了敏捷卫星动态任务重调度模型，在此基础上,提出了基于诚信机制的可解约合同网任务分配方法，设计了招投标机制、可解约合同网协议以及招投标、评标策略。Gervard Verfaillie等提出了一种针对单星有新任务到达的动态凋度问题的求解思路，即新任务能够插入到调度方案中的条件是：由新任务插入而引起的原方案中的任务变化，仅仅是改变任务安排的时间，而不能从原方案中删除任务。
目前的敏捷卫星任务规划技术还主要集中于预先规划，针对不确定环境下的卫星任务规划方案的动态调整问题研究较少。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种敏捷卫星动态任务重规划方法，根据使用状态，选择基于任务替换的动态重规划或者基于递归滑动的动态任务重规划。可以较快的实现对新任务的插入与修改，解决新任务与原任务组可能出现的冲突，形成新的任务规划结果，从而获得较高的卫星使用效能。利用本动态重规划方法可以有效提高敏捷卫星规划调度对突发事件响应的及时性。
本发明解决的技术方案为：一种敏捷卫星动态任务重规划方法，步骤如下：
(1)判断采用动态任务重规划方式，如果能够获取卫星全部任务列表，采用基于任务替换的动态重规划方式，设置插入任务集，将需要插入的任务，放入插入任务集后，进行步骤(2)；如果只能获取卫星部分任务列表，则采用基于递归滑动法的动态重规划方式，进行步骤(7)；
(2)根据敏捷卫星的轨道参数(卫星的轨道六根数)和成像目标(包括目标的起始经纬度、结束经纬度和长度)，计算插入任务集中每个需要插入的任务执行所需的时间窗口(即任务执行所需的时长，以及起始时间点和结束时间点)；
(3)将步骤(1)获取卫星全部任务列表中原始任务的时间窗口与插入任务集中需要插入的任务的时间窗口进行比较，选出卫星全部任务列表中与插入任务之间有资源冲突的任务，形成冲突任务集；冲突任务集中的任务定义为冲突任务；
(4)针对步骤(2)中的插入任务集中的每项插入任务，从冲突任务集中选择与该项插入任务有资源冲突的任务，比较该插入任务与该项插入任务有资源冲突的任务之间的优先级，若插入任务的优先级高于与该项插入任务有资源冲突的任务，则将与该项插入任务有资源冲突的任务，作为被替换的任务；否则，不将与该项插入任务有资源冲突的任务作为被替换的任务；建立被替换任务集，将选择的被替换任务放入被替换任务集中，同时从卫星全部任务列表中移除替换任务集中的被替换任务，将与移除的被替换任务对应的插入任务加入卫星全部任务列表中；
(5)将步骤(4)被替换任务集中的被替换任务放入插入任务集，进行步骤(6)；
(6)判断插入任务集中的任务是否发生变化，若发生变化，返回步骤(2)，若不发生变化，完成用基于任务替换的动态任务重规划；
(7)设定插入任务集，将需要插入的任务，放入插入任务集；根据敏捷卫星的轨道参数(卫星的轨道六根数)和成像目标(包括目标的起始经纬度、结束经纬度和长度)，计算动态插入任务集中每个需要插入的任务执行所需的时间窗口(即任务执行所需的时长，以及起始时间点和结束时间点)；
(8)将插入任务集中的各个插入任务，与卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口前，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行比较，判断以上两任务是否有时间窗口重叠；如果时间窗口没有重叠，则向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；如果时间窗口有重叠，确定以上两任务的重叠度；如果以上两任务的重叠度小于等于设定的重叠度阈值1，进行步骤(9)；如果以上两任务的重叠度大于设定的重叠度阈值1，进行步骤(10)；
(9)对插入任务时间窗口前的卫星部分任务列表中最接近该插入任务的时间窗口的任务进行时间窗口提前，提前后，若能够使插入任务时间窗口不冲突，则满足插入条件，向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；否则，进行步骤(10)；
(10)将插入任务集中的各个插入任务，与卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口后，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行比较，判断以上两任务是否有时间窗口重叠；如果时间窗口没有重叠，则满足插入条件，则在该位置向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；如果时间窗口有重叠，确定以上两任务的重叠度；如果以上两任务的重叠度小于等于设定的重叠度阈值2，则进行步骤(11)；如果以上两任务的重叠度大于设定的重叠度阈值2，则抛弃该插入任务；
(11)对与插入任务冲突的卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口后，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行时间窗口调整，若能够使插入任务时间窗口不冲突，则满足插入条件，向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；否则，抛弃该插入任务。
优选的，敏捷卫星，具体为能够在短时间内实现大角度快速机动的卫星，利用其快速姿态机动能力，能够迅速改变星上相机对地指向，实现对地面目标的高效、灵活的观测。敏捷卫星可供选择观测模式更加多样，因而大大增加了其在轨任务规划问题求解的复杂性；
优选的，卫星全部任务列表，具体为：敏捷卫星任务规划中利用卫星资源，针对大量的用户任务需求，制定合理的任务执行计划，即在满足卫星观测约束下，为卫星在时间轴上制定的观测目标列表。它是多资源、多任务、多时间窗口、多优化目标和多约束的组合优化问题；
优选的，任务执行所需的时间窗口，是指：任务执行所需的时间段，包括时间段起始时间点和结束时间点，以及时长；
优选的，卫星部分任务列表中任务的调整，具体为：卫星部分任务列表中任务的调整是指适当提前或推迟任务的起始时间，即提前或推迟列表中任务的执行时间窗口，避免与插入任务的探测窗口之间冲突。任务成像时间窗口调整要求满足该成像任务的最大机动角度要求；
优选的，插入任务集、冲突任务集、被替换任务集、保护任务集，定义为：插入任务集为所有想要插入卫星任务列表中的任务组成的任务集合；冲突任务集为卫星全部任务列表中所有与插入任务之间有资源冲突的任务集合；被替换任务集为每项插入任务从冲突任务集中选择出来的被替换的任务集合；保护任务集为已经进入卫星规划方案的插入任务集合；
优选的，两任务的重叠度，定义为：插入任务与卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口前或后，且最接近该插入任务的时间窗口的任务之间时间窗口的重叠部分的时长除以插入任务时间窗口前且最接近该插入任务的时间窗口的任务持续时段。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明针对敏捷卫星怎样自动、快速地增加新任务，同时保证原有任务规划的最小改动。设计了敏捷卫星动态任务重规划方法。考虑在当前的任务规划结果下，收到不同优先级插入任务的情况。通过动态重规划方法解决插入任务与当前规划之间的冲突，生成新的规划结果，同时对原有规划结果的改动尽可能的小。获得卫星更高的使用效能。利用动态重规划方法提高卫星规划调度对突发事件响应的及时性。
(2)本发明设计的敏捷卫星动态任务重规划方法可以应用于多用户协同任务规划或应急任务插入等实际任务规划场景下，能有效提高卫星规划调度对突发事件响应的及时性；
(3)本发明设计的敏捷卫星动态重规划方法，明确了整个动态任务重规划的问题描述、任务定义和输入条件，并规定了基于任务替换的动态重规划方法和基于递归滑动法的动态重规划方法的详细实施流程；
(4)本发明设计的基于任务替换的动态重规划方法，一次性考虑全体的任务集合与可视窗口的冲突，多层比对与判断插入任务与原任务集产生的冲突，考虑全面，保证重规划任务结果的最优性；
(5)本发明设计的基于递归滑动法的动态重规划方法，将判断插入任务组所有任务的情况简化成了判断三个相邻任务的冲突情况，减少了计算量，可以较快的实现对新任务的插入与修改，迭代地解决新任务与原任务可能出现的冲突，生成重规划任务结果；
(6)本发明设计的动态任务重规划方法同时考虑了星载观测传感器使用时间窗口冲突和卫星资源使用限制，前者主要是插入任务与已规划任务时间窗口的重叠，后者包括在轨能源使用约束、在轨存储容量约束以及成像质量等带来的使用冲突；
(7)本发明设计的动态任务重规划方法提出的动态任务重规划可以满足对原方案的改动最小；较短时间内完成规划任务的调整，有较高的搜索效率。
附图说明
图1是时间窗口定义图；
图2是基于任务替换的动态任务重规划流程图；
图3是基于递归滑动的动态任务重规划流程图；
图4是判断任务T与任务T_L裕度示意图；
图5是任务移动解决冲突示意图；
图6是基于任务替换的动态任务规划结果和姿态角变化情况示意图；
图7是基于递归滑动法的动态任务规划结果和姿态角变化情况示意图；
图8基于任务替换的动态任务规划结果执行—卫星姿态角变化示意图；
图9基于递归滑动法的动态任务规划结果执行—卫星姿态角变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种敏捷卫星动态任务重规划方法，针对敏捷卫星可以沿滚动、俯仰、偏航三轴进行快速机动，可以实现对地面目标高效、灵活的观测，本发明敏捷卫星动态任务重规划方法，如图2所示，包括基于任务替换的动态重规划和基于递归滑动法的动态重规划方法。这两种动态重规划方法可以实现对原方案的改动最小，且尽量在短时间内完成规划任务的调整，有较高的搜索效率。针对敏捷卫星的任务规划怎样自动、快速地增加新任务，改变原有的任务规划序列，利用动态重规划方法可以提高敏捷卫星规划调度对突发事件响应的及时性。
敏捷卫星能够以俯仰、滚动以及偏航灵活的姿态机动调整能力获得更大范围、更加高效的对地观测能力备受各国青睐，成为研究的重点。对敏捷卫星进行任务规划是在有效的规定时间内对任务进行合理分配。由于敏捷卫星优异的姿态机动能力，在实际观测中每个观测目标对应敏捷卫星多个可见时间窗口。这也导致的敏捷卫星的任务规划比普通卫星更加复杂。
国内外遥感卫星任务规划方面的研究还主要集中在静态环境下的集中式规划算法，但在卫星执行任务过程中，总存在一些因自身原因或外界条件变化的任务或者紧急加入的新任务，这些变化包括卫星自身状态、天气情况、用户需求改变等。因此需要在前期任务规划的基础上，新加入一些紧急任务，并对任务编排中可能存在的冲突进行化解，制定出相应的可行方案。现有的任务规划一般无法对动态到达的应急任务作出适应性调整，使应急任务的规划浪费大量卫星资源。迫切需要开展动态任务任务规划的研究，保证应急任务的执行，同时保证原规划任务的最大化执行。
本发明针对敏捷卫星“动态任务重规划”，提出了两种具体实现方法，包括基于任务替换的动态重规划和基于递归滑动法的动态重规划方法。本发明提出的动态任务重规划可以满足1)对原方案的改动最小；2)尽量在短时间内完成规划任务的调整，有较高的搜索效率。
本发明一种敏捷卫星动态任务重规划方法，进一步优选方案步骤如下：
(1)判断采用动态任务重规划方式，如果能够获取卫星全部任务列表，采用基于任务替换的动态重规划方式，设置插入任务集，将需要插入的任务，放入插入任务集后，进行步骤(2)；如果只能获取卫星部分任务列表，则采用基于递归滑动法的动态重规划方式，进行步骤(7)；基于递归滑动法的动态重规划方法流程见图3；优选方案具体如下：
首先对卫星动态规划问题可优选描述为：
已知卫星资源集S，其中每个卫星的执行任务序列记为Schedule,及其即将执行的任务序列。
对于一个任务的描述包括：任务起止时间，可见时间窗起止时间，任务优先级。如图1所示，假设一个任务t，t.S_w是其探测时间窗口的开始时间，t.F_w为结束时间，t.S为实际探测开始时间，t.F为实际探测结束时间，以及优先级t.p。
任务插入情况下，令插入任务集为U，单个记为u。插入任务u在卫星资源上的可执行时间窗口为[tstart,tend]，在该时间段内选择卫星的观测窗口[tview_start,tview_end]，实际观测时长为tdur＝tview_end-tview_start需要为插入任务u分配的工作时间段长度为alloc_time＝pos+depos+tdur，其中，pos代表卫星上观测传感器准备时间，depos为待机/关机时间。
(2)根据敏捷卫星的轨道参数(卫星的轨道六根数)和成像目标信息(包括目标的起始经纬度、结束经纬度和长度)，计算插入任务集中每个需要插入任务执行所需的窗口(即任务执行所需的时长，以及起始时间点和结束时间点)，优选方案具体如下：
假设插入任务要求卫星观测时的最大机动角度不大于angle_viewmax，计算卫星任务可选执行窗口的步骤如下：
a、根据成像目标信息和卫星的轨道参数，生成卫星对目标起始点的可见性报告；
b、判断上一步骤计算的可见时段是否处于降轨段，计算可见时段的中间时刻对成像目标起始点的机动角度；从中筛选出可见时段处于降轨段，且机动角度＜angle_viewmax的可见时，作为插入任务的可选执行窗口。
(3)将步骤(1)获取卫星全部任务列表中原始任务的时间窗口与插入任务集中需要插入的任务的时间窗口进行比较，选出卫星全部任务列表中与插入任务之间有资源冲突的任务，形成冲突任务集(Conflict Tasks)。生成冲突任务集的过程同时也是调整原规划任务时间窗口的过程，这样也可以尽可能地减少冲突。优选方案具体如下：
插入任务的冲突任务集即是当选择某一时间窗口后，原规划方案中与插入任务发生资源冲突的所有任务集合。冲突任务集中的任务定义为冲突任务。
资源冲突包括星载观测传感器使用时间窗口冲突以及卫星平台约束造成的资源冲突。卫星平台的约束包括在轨能量使用、在轨存储容量以及数传资源等带来的使用冲突。
a、首先筛选出新插入任务工作时间段与原规划方案中执行时间相邻的任务有时间窗口上的重叠的冲突任务；
b、对上一步找到的与u存在冲突的任务n，调整任务n的时间窗口，避免与插入任务的探测窗口的冲突。任务n的成像时间窗口调整要求满足成像任务的最大机动角度要求。如果任务n的成像时间窗口调整后，与插入任务u不存在冲突，从冲突任务集中删去该任务n，否则在冲突任务集中保留该任务；
c、计算每个任务执行后星上的存储空间情况，即每个任务执行后星上的剩余的存储容量；根据卫星的剩余存储容量情况，优选选取优先级低的任务作为冲突任务；
d、根据卫星的能耗模型，计算卫星执行任务的能源剩余情况；根据卫星的剩余能量情况，优选选取优先级低的任务作为冲突任务；
e、对步骤(2)中的每个插入任务进行上面的步骤；
f、汇总上述的冲突任务形成卫星的冲突任务集。
(4)针对步骤(2)中的插入任务集中的每项插入任务，从冲突任务集中选择与该项插入任务有资源冲突的任务，比较该插入任务与该项插入任务有资源冲突的任务之间的优先级，若插入任务的优先级高于与该项插入任务有资源冲突的任务，则将与该项插入任务有资源冲突的任务，作为被替换的任务；否则，不将与该项插入任务有资源冲突的任务作为被替换的任务；建立被替换任务集，将选择的被替换任务放入被替换任务集中，同时从卫星全部任务列表中移除替换任务集中的被替换任务，将与移除的被替换任务对应的插入任务加入卫星全部任务列表中；优选方案具体如下：
a、首先将被替换任务集(Retracted Tasks)置空；
b、建立保护任务集(Protected Tasks)，表示已经进入规划方案的插入任务，防止在后面的任务替换过程中被替换出来；
c、根据冲突任务集中的冲突任务的优先级以及插入任务优先级进行判断，若插入任务优先级高于冲突任务，且保护任务集不包含该冲突任务，则将冲突任务加入到被替换任务集(Retracted Tasks)；若插入任务优先级低于冲突任务，后者保护任务集包含该冲突任务，则任务插入失败；
d、将上一步骤的冲突任务从卫星全部任务列表Schedule中移除；
e、将插入任务插入卫星全部任务列表，用该插入任务替代对应的冲突任务，得到新的卫星任务列表；
f、将上一步骤的插入任务加入保护任务集Protected Tasks，同时将该插入任务从插入任务集Todo Tasks中移除；
g、重复上述步骤，直至卫星插入任务集Todo Tasks为空，或者连续10次循环后Todo Tasks集合保持不变。
(5)将步骤(4)被替换任务集中的被替换任务放入插入任务集，进行步骤(6)。尝试将被替换任务重新规划，即尽可能地保留卫星原任务规划列表中的任务。优选方案具体如下：
a、将被替换任务集(Retracted Tasks)中的被替换任务加入插入任务集TodoTasks；
b、保护任务集(Protected Tasks)保持上一步骤结束时的状态，即包含上一步骤中成功插入的任务；
以下重复上一步骤的c-g部分。
(6)判断插入任务集中的任务是否发生变化，若发生变化，返回步骤(2)，若不发生变化，完成用基于任务替换的动态任务重规划；
(7)设定插入任务集，将需要插入的任务，放入插入任务集；根据敏捷卫星的轨道参数(卫星的轨道六根数)和成像目标(包括目标的起始经纬度、结束经纬度和长度)，计算动态插入任务集中每个需要插入的任务执行所需的时间窗口(即任务执行所需的时长，以及起始时间点和结束时间点)；具体方法与步骤(2)相同；
(8)将插入任务集中的各个插入任务，与卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口前，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行比较，判断以上两任务是否有时间窗口重叠；如果时间窗口没有重叠，则向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；如果时间窗口有重叠，确定以上两任务的重叠度；如果以上两任务的重叠度小于等于设定的重叠度阈值1，进行步骤(9)；如果以上两任务的重叠度大于设定的重叠度阈值1，进行步骤(10)；优选方案具体如下：
如图4所示，任务T为要插入的任务，任务T_L为卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口前，且最接近该插入任务的时间窗口的任务。任务重叠度是指插入任务与卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口前，且最接近该插入任务的时间窗口的任务之间时间窗口的重叠部分的时长除以插入任务时间窗口前且最接近该插入任务的时间窗口的任务持续时段。图4中画斜线部分的时间长度除以任务T_L的任务总体执行时间长度。
设定的重叠度阈值1一般设置为0.5；
(9)对插入任务时间窗口前的卫星部分任务列表中最接近该插入任务的时间窗口的任务进行时间窗口提前，提前后，若能够使插入任务时间窗口不冲突，则满足插入条件，向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；否则，进行步骤(10)；优选方案具体如下：
如图5所示，上述的卫星部分任务列表中任务的调整是指适当提前任务的起始时间，即提前列表中任务的执行时间窗口，避免与插入任务的探测窗口之间冲突。任务成像时间窗口调整要求满足该成像任务的最大机动角度要求；
(10)将插入任务集中的各个插入任务，与卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口后，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行比较，判断以上两任务是否有时间窗口重叠；如果时间窗口没有重叠，则满足插入条件，则在该位置向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；如果时间窗口有重叠，确定以上两任务的重叠度；如果以上两任务的重叠度小于等于设定的重叠度阈值2，则进行步骤(11)；如果以上两任务的重叠度大于设定的重叠度阈值2，则抛弃该插入任务；优选方案具体如下：
重叠度是指插入任务与卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口后，且最接近该插入任务的时间窗口的任务之间时间窗口的重叠部分的时长除以插入任务时间窗口后且最接近该插入任务的时间窗口的任务持续时段；
(11)对与插入任务冲突的卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口后，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行时间窗口调整，若能够使插入任务时间窗口不冲突，则满足插入条件，向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；否则，抛弃该插入任务；优选方案具体如下：
上述的卫星部分任务列表中任务的调整是指适当推迟任务的起始时间，即推迟列表中任务的执行时间窗口，避免与插入任务的探测窗口之间冲突。任务成像时间窗口调整要求满足该成像任务的最大机动角度要求。
本发明进一步的优选方案为：
原成像方案为5个连续的成像条带目标，插入的任务为一个条带目标，且优先级高于原方案中的目标。
基于任务替换的重规划方法计算时间为10s，规划结果如下表1所示：
表1基于任务替换法动态重规划后的任务成像时间表
条带序号 成像开始时间
条带1 63619.153953
条带2 63667.886689
插入条带 63709.134996
条带3 63753.522951
条带4 63803.696222
条带5 63861.695400
基于任务替换的动态任务重规划的规划结果见图6。
基于递归滑动法的重规划方法计算使用时间为5s，规划结果如下表2：
表2基于递归滑动法动态重规划后的任务成像时间表
条带序号 成像开始时间
条带1 63642.955495
条带2 63691.122244
插入条带 63731.171028
条带3 63778.349527
条带4 63833.961581
条带5 63893.786077
基于递归滑动法的动态任务规划结果见图7。
卫星按照新的动态任务重规划结果进行卫星姿态角规划，并执行条带目标成像任务，具体的卫星姿态角变化情况见图8和图9。
本发明的敏捷卫星的动态重规划实现方法的进一步优选方案如下：
1)先判断采用动态任务重规划方式，如果能够获取卫星全部任务列表，采用基于任务替换的动态重规划方式；如果只能获取卫星部分任务列表，则采用基于递归滑动法的动态重规划方式；
2)如果选择使用基于任务替换的动态重规划方法，根据需要插入的任务，生成动态插入任务集；根据需要插入的任务，生成插入任务集；计算插入任务集中每个需要插入的任务执行所需的时间窗口(即任务执行所需的时长，以及起始时间点和结束时间点)；计算插入任务集中每个插入任务的所有可行时间窗口对应的冲突任务集，冲突任务集中的任务定义为冲突任务；对的插入任务集中的每项插入任务从冲突任务集中选择被替换的任务。将选择的被替换任务放入被替换任务集，同时从卫星全部任务列表中移除该被替换任务，将插入任务加入卫星的任务列表；向卫星任务规划列表中插入被替换任务集中的被替换任务。尝试将被替换任务重新规划，即尽可能地保留卫星原任务规划列表中的任务；重复上述步骤，直至卫星插入任务集为空，或者连续10次循环集合保持不变。完成用基于任务替换的动态任务重规划。
3)如果选择使用基于任务替换的动态重规划方法，根据需要插入的任务，生成插入任务集；计算动态插入任务集中每个需要插入的任务执行所需的时间窗口(即任务执行所需的时长，以及起始时间点和结束时间点)；将插入任务集中的各个插入任务，与卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口前，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行比较，判断以上两任务是否有时间窗口重叠；如果时间窗口没有重叠，则在该位置向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；如果时间窗口有重叠，确定以上两任务的重叠度；如果以上两任务的重叠度小于等于设定的重叠度阈值1，对与插入任务冲突的卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口前，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行时间窗口调整，若能够使插入任务时间窗口不冲突，则满足插入条件，向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；如果以上两任务的重叠度大于设定的重叠度阈值1，将插入任务集中的各个插入任务，与卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口后，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行比较，判断以上两任务是否有时间窗口重叠；如果时间窗口没有重叠，则满足插入条件，则在该位置向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；如果时间窗口有重叠，确定以上两任务的重叠度；如果以上两任务的重叠度小于等于设定的重叠度阈值2，则对与插入任务冲突的卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口后，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行时间窗口调整，若能够使插入任务时间窗口不冲突，则满足插入条件，向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；否则，抛弃该插入任务；如果以上两任务的重叠度大于设定的重叠度阈值2，则抛弃该插入任务。
本发明针对敏捷卫星“动态任务重规划”，提出了两种具体实现方法，包括基于任务替换的动态重规划和基于递归滑动法的动态重规划方法。本发明提出的动态任务重规划可以满足a、对原方案的改动最小；b、尽量在短时间内完成规划任务的调整，有较高的搜索效率；
本发明敏捷卫星的动态任务重规划实现方法的优选方案为：
先判断采用动态任务重规划方式，如果能够获取卫星全部任务列表，采用基于任务替换的动态重规划方式；如果只能获取卫星部分任务列表，则采用基于递归滑动法的动态重规划方式；
如果选择使用基于任务替换的动态重规划方法，根据需要插入的任务，生成动态插入任务集；根据需要插入的任务，生成插入任务集；计算插入任务集中每个需要插入的任务执行所需的时间窗口(即任务执行所需的时长，以及起始时间点和结束时间点)；计算插入任务集中每个插入任务的所有可行时间窗口对应的冲突任务集，冲突任务集中的任务定义为冲突任务；对的插入任务集中的每项插入任务从冲突任务集中选择被替换的任务。将选择的被替换任务放入被替换任务集，同时从卫星全部任务列表中移除该被替换任务，将插入任务加入卫星的任务列表；向卫星任务规划列表中插入被替换任务集中的被替换任务。尝试将被替换任务重新规划，即尽可能地保留卫星原任务规划列表中的任务；重复上述步骤，直至卫星插入任务集为空，或者连续10次循环集合保持不变。完成用基于任务替换的动态任务重规划。
如果选择使用基于任务替换的动态重规划方法，根据需要插入的任务，生成插入任务集；计算动态插入任务集中每个需要插入的任务执行所需的时间窗口(即任务执行所需的时长，以及起始时间点和结束时间点)；将插入任务集中的各个插入任务，与卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口前，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行比较，判断以上两任务是否有时间窗口重叠；如果时间窗口没有重叠，则在该位置向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；如果时间窗口有重叠，确定以上两任务的重叠度；如果以上两任务的重叠度小于等于设定的重叠度阈值1，对与插入任务冲突的卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口前，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行时间窗口调整，若能够使插入任务时间窗口不冲突，则满足插入条件，向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；如果以上两任务的重叠度大于设定的重叠度阈值1，将插入任务集中的各个插入任务，与卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口后，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行比较，判断以上两任务是否有时间窗口重叠；如果时间窗口没有重叠，则满足插入条件，则在该位置向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；如果时间窗口有重叠，确定以上两任务的重叠度；如果以上两任务的重叠度小于等于设定的重叠度阈值2，则对与插入任务冲突的卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口后，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行时间窗口调整，若能够使插入任务时间窗口不冲突，则满足插入条件，向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；否则，抛弃该插入任务；如果以上两任务的重叠度大于设定的重叠度阈值2，则抛弃该插入任务。
本发明设计的敏捷卫星动态任务重规划方法可以应用于多用户协同任务规划或应急任务插入等实际任务规划场景下，能有效提高卫星规划调度对突发事件响应的及时性；
本发明设计的敏捷卫星动态重规划方法，明确了整个动态任务重规划的问题描述、任务定义和输入条件，并规定了基于任务替换的动态重规划方法和基于递归滑动法的动态重规划方法的详细实施流程；
本发明设计的基于任务替换的动态重规划方法，一次性考虑全体的任务集合与可视窗口的冲突，多层比对与判断插入任务与原任务集产生的冲突，考虑全面，保证重规划任务结果的最优性；
本发明设计的基于递归滑动法的动态重规划方法，将判断插入任务组所有任务的情况简化成了判断三个相邻任务的冲突情况，减少了计算量，可以较快的实现对新任务的插入与修改，迭代地解决新任务与原任务可能出现的冲突，生成重规划任务结果；
本发明设计的动态任务重规划方法同时考虑了星载观测传感器使用时间窗口冲突和卫星资源使用限制，前者主要是插入任务与已规划任务时间窗口的重叠，后者包括在轨能源使用约束、在轨存储容量约束以及成像质量等带来的使用冲突；
本发明设计的动态任务重规划方法提出的动态任务重规划可以满足对原方案的改动最小；较短时间内完成规划任务的调整，有较高的搜索效率。
通过实施例可以看出，向一个五条带的卫星任务规划序列中插入一个任务，基于任务替换的重规划方法计算时间为10s，基于递归滑动法的重规划方法计算使用时间为5s，成功插入紧急任务，且保证了卫星原任务规划列表的执行。

Claims (7)

1.一种敏捷卫星动态任务重规划方法，其特征在于步骤如下：
(1)判断采用动态任务重规划方式，如果能够获取卫星全部任务列表，采用基于任务替换的动态重规划方式，设置插入任务集，将需要插入的任务，放入插入任务集后，进行步骤(2)；如果只能获取卫星部分任务列表，则采用基于递归滑动法的动态重规划方式，进行步骤(7)；
(2)根据敏捷卫星的轨道参数和成像目标参数，计算插入任务集中每个需要插入的任务执行所需的时间窗口；
(3)将步骤(1)获取卫星全部任务列表中原始任务的时间窗口与插入任务集中需要插入的任务的时间窗口进行比较，选出卫星全部任务列表中与插入任务之间有资源冲突的任务，形成冲突任务集；冲突任务集中的任务定义为冲突任务；
(4)针对步骤(2)中的插入任务集中的每项插入任务，从冲突任务集中选择与该项插入任务有资源冲突的任务，比较该插入任务与该项插入任务有资源冲突的任务之间的优先级，若插入任务的优先级高于与该项插入任务有资源冲突的任务，则将与该项插入任务有资源冲突的任务，作为被替换的任务；否则，不将与该项插入任务有资源冲突的任务作为被替换的任务；建立被替换任务集，将选择的被替换任务放入被替换任务集中，同时从卫星全部任务列表中移除替换任务集中的被替换任务，将与移除的被替换任务对应的插入任务加入卫星全部任务列表中；
(5)将步骤(4)被替换任务集中的被替换任务放入插入任务集，进行步骤(6)；
(6)判断插入任务集中的任务是否发生变化，若发生变化，返回步骤(2)，若不发生变化，完成用基于任务替换的动态任务重规划；
(7)设定插入任务集，将需要插入的任务，放入插入任务集；根据敏捷卫星的轨道参数和成像目标参数，计算动态插入任务集中每个需要插入的任务执行所需的时间窗口；
(8)将插入任务集中的各个插入任务，与卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口前，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行比较，判断以上两任务是否有时间窗口重叠；如果时间窗口没有重叠，则向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；如果时间窗口有重叠，确定以上两任务的重叠度；如果以上两任务的重叠度小于等于设定的重叠度阈值1，进行步骤(9)；如果以上两任务的重叠度大于设定的重叠度阈值1，进行步骤(10)；
(9)对插入任务时间窗口前的卫星部分任务列表中最接近该插入任务的时间窗口的任务进行时间窗口提前，提前后，若能够使插入任务时间窗口不冲突，则满足插入条件，向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；否则，进行步骤(10)；
(10)将插入任务集中的各个插入任务，与卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口后，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行比较，判断以上两任务是否有时间窗口重叠；如果时间窗口没有重叠，则满足插入条件，则在最接近该插入任务的时间窗口的任务位置向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；如果时间窗口有重叠，确定以上两任务的重叠度；如果以上两任务的重叠度小于等于设定的重叠度阈值2，则进行步骤(11)；如果以上两任务的重叠度大于设定的重叠度阈值2，则抛弃该插入任务；
(11)对与插入任务冲突的卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口后，且最接近该插入任务的时间窗口的任务进行时间窗口调整，若能够使插入任务时间窗口不冲突，则满足插入条件，向卫星部分任务列表中加入该插入任务，完成基于递归滑动法的动态重规划；否则，抛弃该插入任务。
2.根据权利要求1所述的一种敏捷卫星动态任务重规划方法，其特征在于：敏捷卫星，具体为能够在短时间内实现大角度快速机动的卫星，利用其快速姿态机动能力，能够迅速改变星上相机对地指向，实现对地面目标的高效、灵活的观测；敏捷卫星可供选择观测模式更加多样，因而大大增加了其在轨任务规划问题求解的复杂性。
3.根据权利要求1所述的一种敏捷卫星动态任务重规划方法，其特征在于：卫星全部任务列表，具体为：敏捷卫星任务规划中利用卫星资源，针对大量的用户任务需求，制定合理的任务执行计划，即在满足卫星观测约束下，为卫星在时间轴上制定的观测目标列表；它是多资源、多任务、多时间窗口、多优化目标和多约束的组合优化问题。
4.根据权利要求1所述的一种敏捷卫星动态任务重规划方法，其特征在于：任务执行所需的时间窗口，是指：任务执行所需的时间段，包括时间段起始时间点和结束时间点，以及时长。
5.根据权利要求1所述的一种敏捷卫星动态任务重规划方法，其特征在于：卫星部分任务列表中任务的调整，具体为：卫星部分任务列表中任务的调整是指适当提前或推迟任务的起始时间，即提前或推迟列表中任务的执行时间窗口，避免与插入任务的探测窗口之间冲突；任务成像时间窗口调整要求满足该任务成像的最大机动角度要求。
6.根据权利要求1所述的一种敏捷卫星动态任务重规划方法，其特征在于：插入任务集、冲突任务集、被替换任务集、保护任务集，定义为：插入任务集为所有想要插入卫星任务列表中的任务组成的任务集合；冲突任务集为卫星全部任务列表中所有与插入任务之间有资源冲突的任务集合；被替换任务集为每项插入任务从冲突任务集中选择出来的被替换的任务集合；保护任务集为已经进入卫星规划方案的插入任务集合。
7.根据权利要求1所述的一种敏捷卫星动态任务重规划方法，其特征在于：两任务的重叠度，定义为：插入任务与卫星部分任务列表中该插入任务时间窗口前或后，且最接近该插入任务的时间窗口的任务之间时间窗口的重叠部分的时长除以插入任务时间窗口前且最接近该插入任务的时间窗口的任务持续时段。
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