CN112529322B - 一种多目标优化的卫星联合任务筹划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多目标优化的卫星联合任务筹划方法，在同时兼顾重要任务优先、卫星资源负载均衡、确保任务成功率、用户偏好卫星优先原则下将对目标群的观测任务分配到多星；根据目标的重要程度、紧迫程度、需求来源属性优先为高优先级的目标分配卫星资源；为了避免大量的卫星资源集中在少量重点目标，限定每个目标的观测次数最多为5次；为了提高对目标的观测成功率，为每个目标最多分配光学、雷达、电子三种载荷卫星进行观测；另外，优先使用用户偏好的卫星的基础上用其它卫星进行补充。本发明适用于在应急任务调整时保证调整前后结果的相对一致性，能够降低应急任务的影响范围。

Description

一种多目标优化的卫星联合任务筹划方法

技术领域

本发明涉及一种多目标优化的卫星联合任务筹划方法，适用于面向全球热点目标快速监视需求快速完成多星任务分配，获得的筹划方案能够在重要任务优先、卫星资源负载均衡、确保任务成功率、用户偏好卫星优先等方面寻求平衡。

背景技术

传统的卫星观测全过程从提出需求到获取信息需要通过星地闭环链路的控制过程，难以满足时效性需求。自主运行的对地观测星群可以在没有或很少依赖于地面系统的支持下具备自行完成观测任务的能力，具备快速、灵活的特点。为了在实际应用中提高目标观测效能，需要尽可能多的协同多载荷、多轨道卫星组网提高对目标的时、空、频多维覆盖能力，因此需要一套任务筹划系统完成多星任务的协同管理和高效分配。

卫星任务筹划是一个面向典型应用场景，对多星观测任务进行分配，提供高效、优质服务的过程。任务筹划的输入为根据观测需求、观测意图进行解译得到的可用观测任务集合(包含目标位置、卫星、开始时刻、结束时刻等)，输出为经过挑选得到的确定实施的观测任务，这些最终确定的观测任务组成了一整套联合保障方案，该方案可以作为每颗卫星自主任务规划的驱动。实际的应用场景对任务分配考虑的因素较多，往往要优先保障重点目标的观测需求，同时避免单一载荷受环境干扰、利用多种载荷的协同优势保证对各个目标观测的成功率，防止卫星资源集中观测少量目标造成资源浪费，还要优先使用用户偏好的卫星的基础上用其它卫星进行补充。

然而，传统的多星任务分配方法大多面向单一优化目标寻找最优解，不能在任务成功率、资源利用率、用户偏好等多个方面进行平衡。目前已有的多目标寻优方法在多星任务分配时，采用遗传算法等迭代运算、大规模种群抽样的思想寻找非劣解集，具有复杂度高、对硬件性能要求高、解空间大等特点，不适合在星上运算和决策，另外也不能确保反复多次运算结果的稳定性和结果一致性，不适合在应急调整时的方案微调。因此，目前的实际应用中，尚不具备星上自主任务筹划能力，为了获得优质的卫星任务分配方案，需要采用人机结合的方式在地面进行方案制定，操作员根据多类偏好进行人工生成多星观测任务。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为克服现有技术的不足，本发明面向全球热点目标快速监视、常态化观测需求，提供一种兼顾多目标优化的多星联合任务筹划方法，具备多单位卫星分级管理、优先保障重要任务、卫星资源负载均衡、提高任务成功率能力，采用启发式规则获得的计算结果唯一，能够在应急调整时保证多次计算结果稳定、降低应急调整的影响范围，且易于实现。

本发明的技术方案是：一种多目标优化的卫星联合任务筹划方法，其实现步骤如下：

一种多目标优化的卫星联合任务筹划方法，实现步骤如下：

(1)根据输入目标列表中的每个目标Tar_i的重要程度、紧迫程度、需求来源进行加权计算优先级Tp_i，对目标按照优先级由高到低进行排序，形成排序后的目标集合建立集合RES用于存储任务筹划结果；

(2)输入的卫星集合表示为其中P为卫星归属的单位集合，从目标集合中依次取出目标Tar_i进行访问计算，得到所有的可用观测窗口集合为其中/>代表Tsk_i存在w_i个可选窗口每个窗口包含目标、卫星、开始时刻、结束时刻四个主要要素；

(3)从目标集合中依次取出目标Tar_i，从配置文件中获得需要优先使用的卫星单位集合P_i(P_i∈P)，然后从可用观测窗口集合Tsk_i中过滤出优先选用的观测窗口，将其按照载荷类型划分为四个集合：光学优选观测窗口集合雷达优选观测窗口集合电子优选观测窗口集合非优先使用的观测窗口集合

(4)从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，分别从步骤(3)对应的集合中，按照一定策略，依次确定最早光学成像任务、雷达成像任务、电子探测任务及补充观测任务，并将每次确定的任务加入筹划结果集合RES中；

(5)最终的筹划结果集合RES为从观测窗口集合TSK中优选出来的观测窗口，即任务筹划结果。

进一步的，步骤(4)中，确定最早光学成像任务的方法为：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，从优先选用的观测窗口集合Tsk′_i中获得Tend_k最早且与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W′_i，将其加入筹划结果集合RES中；直到所有目标都取出后，转入确定高分辨率成像任务。

进一步的，步骤(4)中，确定高分辨率成像任务的方法为：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，从优先选用的观测窗口集合Tsk′_i中获得Sat_j分辨率最高且与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W′_i，将其加入筹划结果集合RES中；直到所有目标都取出后，转入确定雷达成像任务。

进一步的，步骤(4)中，确定雷达成像任务的方法为：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，从优先选用的观测窗口集合Tsk″_i中获得第一个与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W′_i，将其加入筹划结果集合RES中；直到所有目标都取出后，转入确定电子探测任务。

进一步的，步骤(4)中，确定电子探测任务的方法为：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，从优先选用的观测窗口集合Tsk″′_i中获得第一个与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W′_i，将其加入筹划结果集合RES中；直到所有目标都取出后，转入确定补充观测任务。

进一步的，步骤(4)中，确定补充观测任务的方法为：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，检查RES中对应目标目标Tar_i的窗口数量v_i，如果v_i＜3则从优先选用的观测窗口集合Tsk″″_i中获得Tend_k最早且与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W′_i，将其加入筹划结果集合RES中；如果v_i≥3则不进行操作；直到所有目标都取出后，转入步骤(5)。

进一步的，判断当前窗口W′_i是否与筹划结果集合RES存在冲突的方法为：

(7.1)对于当前待判断窗口W′_i＝[Tar′,Sat′,Tstart′,Tend′]，依次从筹划结果集合RES中取出每个窗口W″_i＝[Tar″,Sat″,Tstart″,Tend″]，如果Tar′＝Tar″，且Sat′＝Sat″，且则认定为冲突，其中Δt为卫星任务切换间隔要求；

(7.2)如果当前待判断窗口W′_i和筹划结果集合RES中的所有窗口都不存在冲突，则认定为W′_i与RES不存在冲突。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)传统的多星任务分配算法大多面向单一优化目标寻找最优解，不能在任务成功率、资源利用率、用户偏好等多个方面进行平衡；本发明能够优先保障重点任务，利用光学、雷达、电子等多种载荷的优势特点在保证各任务执行成功率的情况下进行资源分配，并防止卫星资源集中在少量的任务造成浪费，同时采用优先使用用户偏好的卫星、其它卫星进行补充的原则，即前三个集合为用户偏好，第四个集合为用户不偏好，最终实现同时兼顾多种优化目标；

(2)目前已有的多目标寻优方法在多星任务分配时，采用遗传算法等迭代运算、大规模种群抽样的思想具有复杂度高、对硬件性能要求高等特点，不适合在星上执行；本发明基于专家规则的方法，便于星载计算机执行，对星上计算和存储资源要求低，更易于工程实现；其计算结果在多次计算条件下比较稳定，适用于在应急任务调整时保证调整前后结果的相对一致性，能够降低应急任务的影响范围。

附图说明

图1为本发明一种多目标优化的卫星联合任务筹划方法示意图。

具体实施方式

除非另外定义，否则所有在此使用的术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所述领域的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。应该进一步理解，除非这里明确定义，否则术语(如在通用的字典中定义的术语)应该被解释为具有与在有关技术的上下文中的意思一致的意思，并不应该以理想化的或过于正式的意义来解释它们的意思。

本发明研究适合星上快速计算、综合考虑多种优化目标提高筹划方案质量的方法，解决好用、易用的问题。在星群具备网络互联互通的基础上，以星群中的主星(或空间站)作为星群联合规划的发起者和管理者，在星上自主完成任务筹划，将任务快速分配到具体卫星。

下面结合附图1对本发明作进一步说明。

一种多目标优化的卫星联合任务筹划方法，实现步骤如下：

(1)根据输入目标列表中的每个目标Tar_i的重要程度、紧迫程度、需求来源进行加权计算优先级Tp_i，对目标按照优先级由高到低进行排序，形成排序后的目标集合建立集合RES用于存储任务筹划结果；

(2)输入的卫星集合表示为其中P为卫星归属的单位集合，星载计算机从目标集合中依次取出目标Tar_i进行访问计算，得到所有的可用观测窗口集合为/>其中/>代表Tsk_i存在w_i个可选窗口/>每个窗口包含目标、卫星、开始时刻、结束时刻四个主要要素；

(3)从目标集合中依次取出目标Tar_i，从配置文件中获得需要优先使用的卫星单位集合P_i(P_i∈P)，然后从可用观测窗口集合Tsk_i中过滤出优先选用的观测窗口，将其按照载荷类型划分为4个集合：光学优选观测窗口集合雷达优选观测窗口集合电子优选观测窗口集合非优先使用的观测窗口集合

(4)确定最早光学成像任务：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，从优先选用的观测窗口集合Tsk′_i中获得Tend_k最早且与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W′_i，将其加入筹划结果集合RES中；直到所有目标都取出后，转入步骤(5)；

(5)确定高分辨率成像任务：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，从优先选用的观测窗口集合Tsk′_i中获得Sat_j分辨率最高且与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W′_i，将其加入筹划结果集合RES中；直到所有目标都取出后，转入步骤(6)；步骤(4)、(5)选用光学优选观测窗口集合；

(6)确定雷达成像任务：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，从优先选用的观测窗口集合Tsk″_i中获得第一个与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W′_i，将其加入筹划结果集合RES中；直到所有目标都取出后，转入步骤(7)；选用雷达优选观测窗口集合；

(7)确定电子探测任务：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，从优先选用的观测窗口集合Tsk″′_i中获得第一个与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W′_i，将其加入筹划结果集合RES中；直到所有目标都取出后，转入步骤(8)；选用电子优选观测窗口集合；

(8)确定补充观测任务：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，检查RES中对应目标目标Tar_i的窗口数量v_i，如果v_i＜3则从优先选用的观测窗口集合Tsk″″_i中获得Tend_k最早且与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W′_i，将其加入筹划结果集合RES中；如果v_i≥3则不进行操作；直到所有目标都取出后，转入步骤(9)；非优先使用的观测窗口集合；

(9)最终的筹划结果集合RES为从观测窗口集合TSK中优选出来的观测窗口，即任务筹划结果。

所述步骤(4)、(5)、(6)、(7)、(8)中，判断当前窗口W′_i是否与筹划结果集合RES存在冲突的步骤为：

(4.1)对于当前待判断窗口W′_i＝[Tar′,Sat′,Tstart′,Tend′]，依次从筹划结果集合RES中取出每个窗口W″_i＝[Tar″,Sat″,Tstart″,Tend″]，如果Tar′＝Tar″，且Sat′＝Sat″，且则认定为冲突，其中Δt为卫星任务切换间隔要求；

(4.2)如果当前待判断窗口W′_i和筹划结果集合RES中的所有窗口都不存在冲突，则认定为W′_i与RES不存在冲突。

本发明的研究目的是完成多星任务分配，在同时兼顾多种分配原则的前提下组织多载荷、多轨道的星群协同完成对目标群的快速精准观测，生成的筹划方案作为后续单星自主任务规划的驱动。本发明面向多优化目标进行任务分配的需求来源于实际的应用场景：

首先，由于卫星资源有限、轨道基本固定，而观测目标的数量和位置是不确定的，而且不同目标的重要程度、紧迫程度、需求来源也可能不同，那么采用不同的卫星对不同的目标进行观测获得的观测收益也不一样。因此，如何利用有限的资源获得最大的观测收益成为一个重要问题。本发明根据目标的重要程度、紧迫程度、需求来源等属性，采用预设的权重为每个目标赋予一个优先级，优先为高优先级的目标分配卫星资源。另外，为了避免大量的卫星资源集中在少量重点目标，限定每个目标的观测次数最多为5次，参见最早光学、高分辨率观测、雷达观测、电子特性观测和补充观测。

其次，由于不同目标在不同的环境条件下对于不同载荷的敏感度不同，例如可见光载荷受云雾、光照条件干扰，雷达载荷受虚假场景干扰，电子载荷受电磁环境干扰。因此，本发明为了提高对目标的观测成功率，为每个目标最多分配光学、雷达、电子三种载荷卫星进行观测。

再次，卫星资源分属于不同的单位进行管理，在实际使用时对不同卫星的使用偏好也存在优先级。因此，本发明将卫星分为优先使用、非优先使用两组，先从第一组卫星中分配与目标适配的任务，再选择第二组中的卫星进行补充。

最后，为了适应星载计算机的性能较低的特点，本发明采用了基于启发式规则的方法降低对计算和存储的压力，便于在星上执行。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (2)

1.一种多目标优化的卫星联合任务筹划方法，其特征在于，实现步骤如下：

(1)根据输入目标列表中的每个目标Tar_i的重要程度、紧迫程度、需求来源进行加权计算优先级Tp_i，对目标按照优先级由高到低进行排序，形成排序后的目标集合建立集合RES用于存储任务筹划结果；

(2)输入的卫星集合表示为其中P为卫星归属的单位集合，从目标集合中依次取出目标Tar_i进行访问计算，得到所有的可用观测窗口集合为其中/>代表Tsk_i存在w_i个可选窗口每个窗口包含目标、卫星、开始时刻、结束时刻四个要素；

(3)从目标集合中依次取出目标Tar_i，从配置文件中获得需要优先使用的卫星单位集合P_i，P_i∈P，然后从可用观测窗口集合Tsk_i中过滤出优先选用的观测窗口，将其按照载荷类型划分为四个集合：光学优选观测窗口集合雷达优选观测窗口集合电子优选观测窗口集合非优先使用的观测窗口集合

(4)从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，分别从步骤(3)对应的集合中，按照一定策略，依次确定最早光学成像任务、雷达成像任务、电子探测任务及补充观测任务，并将每次确定的任务加入筹划结果集合RES中；

(5)最终的筹划结果集合RES为从观测窗口集合TSK中优选出来的观测窗口，即任务筹划结果；

步骤(4)中，确定最早光学成像任务的方法为：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，从优先选用的观测窗口集合Tsk_i ^′中获得Tend_k最早且与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W_i ^′，将其加入筹划结果集合RES中；直到所有目标都取出后，转入确定高分辨率成像任务；

步骤(4)中，确定高分辨率成像任务的方法为：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，从优先选用的观测窗口集合Tsk_i ^′中获得Sat_j分辨率最高且与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W_i ^′，将其加入筹划结果集合RES中；直到所有目标都取出后，转入确定雷达成像任务；

步骤(4)中，确定雷达成像任务的方法为：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，从优先选用的观测窗口集合Tsk_i″中获得第一个与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W_i ^′，将其加入筹划结果集合RES中；直到所有目标都取出后，转入确定电子探测任务；

步骤(4)中，确定电子探测任务的方法为：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，从优先选用的观测窗口集合Tsk_i″′中获得第一个与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W_i ^′，将其加入筹划结果集合RES中；直到所有目标都取出后，转入确定补充观测任务；

步骤(4)中，确定补充观测任务的方法为：从TAR的第一个目标开始依次取出目标Tar_i，检查RES中对应目标Tar_i的窗口数量v_i，如果v_i<3则从优先选用的观测窗口集合Tsk_i″″中获得Tend_k最早且与RES中的所有窗口不冲突的观测窗口W_i ^′，将其加入筹划结果集合RES中；如果v_i≥3则不进行操作；直到所有目标都取出后，转入步骤(5)。

2.根据权利要求1所述的一种多目标优化的卫星联合任务筹划方法，其特征在于：判断当前窗口W_i ^′是否与筹划结果集合RES存在冲突的方法为：

(7.1)对于当前待判断窗口W_i ^′＝[Tar^′,Sat^′,Tstart^′,Tend^′]，依次从筹划结果集合RES中取出每个窗口W_i″＝[Tar″,Sat″,Tstart″,Tend″]，如果Tar^′＝Tar″，且Sat^′＝Sat″，且则认定为冲突，其中Δt为卫星任务切换间隔要求；

(7.2)如果当前待判断窗口W_i ^′和筹划结果集合RES中的所有窗口都不存在冲突，则认定为W_i ^′与RES不存在冲突。