CN112580906A - 卫星遥感任务规划与地面资源调度联合求解方法 - Google Patents

卫星遥感任务规划与地面资源调度联合求解方法 Download PDF

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CN112580906A CN201910925135.1A CN201910925135A CN112580906A CN 112580906 A CN112580906 A CN 112580906A CN 201910925135 A CN201910925135 A CN 201910925135A CN 112580906 A CN112580906 A CN 112580906A
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Abstract

本公开实施例提供的卫星遥感任务规划与地面资源调度联合求解方法，涉及卫星任务规划和测控资源调度领域，能够解决目前存在的任务规划与资源调度独立应用导致的重复协调问题。具体技术方案为：根据对地观测和数传任务需求，结合星上载荷属性和设备属性，依次进行地面目标与载荷资源匹配分析以及卫星与设备资源匹配分析，得到匹配结果矩阵；构建目标几何可见模型、星地几何可见模型以及链路可见模型；建立地面资源调度约束条件；获取弧段全集合并输出每个任务可用的对地观测时间窗口列表以及地面资源可用的可见时间窗口列表；确定联合观测以及冲突消除原则；建立任务与资源联合规划调度模型进行求解获得结果。

Description

卫星遥感任务规划与地面资源调度联合求解方法
技术领域
本公开涉及卫星任务规划和测控资源调度领域，尤其涉及卫星遥感任务规划与地面资源调度联合求解方法。
背景技术
遥感卫星是一类利用星载遥感器从太空中获取地面图像信息的对地观测卫星，星载遥感器主要包括光学和微波两大类。
遥感卫星在轨应用包括两个重要环节，其一是针对既定目标的遥感任务规划，再者是保障遥感任务实施的在轨运行管理。遥感任务规划解决在规定的时间范围内对指定的单目标或多目标实施合理观测的问题；在轨运行管理解决卫星实施遥感任务期间提供遥控指令发送、遥测数据接收、遥感数据接收、卫星轨道预报与确定等保障的地面资源调度问题。
遥感任务规划依据观测任务属性信息、卫星属性信息和约束条件开展；地面资源调度依据地面站及设备属性信息、卫星轨道信息及平台状态和约束条件开展。这里，地面资源指承担卫星在轨运行管理的无线电设备，该类设备安装于地面站内。每一个地面资源可同时跟踪测量的卫星数目取决于设备体制和卫星的运行轨道，地面资源调度就是根据任务规划结果及用户需求合理分配设备实施对卫星的在轨运行管理支持工作。
多个地面站或地面设备构成了地面资源网络，基于地面资源网络的资源调度是航天器在轨实施遥感任务过程中较为重要的组成部分，决定了在指定的调度时间段内，网中各类资源的整体分配和使用情况，直接影响到遥感任务的最终完成度和资源利用率。因此，合理高效的任务规划以及资源调度是实现遥感任务效益最大化的必要条件之一。
目前，由于管理层面的分工原因，遥感任务规划与地面资源调度没有深度的交互操作，仅在文件交互层面实现地面资源申请的功能。即：任务规划与资源调度是分而治之的。因此，存在任务规划与资源调度独立应用导致的重复协调问题。
发明内容
本公开实施例提供一种卫星遥感任务规划与地面资源调度联合求解方法，能够解决目前存在的任务规划与资源调度独立应用导致的重复协调问题。
所述技术方案如下：
根据本公开实施例的第一方面，提供一种卫星遥感任务规划与地面资源调度联合求解方法，该方法包括：
根据对地观测和数传任务需求，结合星上载荷属性和设备属性，依次进行地面目标与载荷资源匹配分析以及卫星与设备资源匹配分析，得到匹配结果矩阵；
构建目标几何可见模型、星地几何可见模型以及链路可见模型；
根据任务类型分析建立任务规划过程中需要考虑的限制性因素，并结合地面资源调度需求建立地面资源调度约束条件；
根据所述匹配结果矩阵通过所述目标几何可见模型以及所述星地几何可见模型获取弧段全集合，并根据地面资源调度约束条件进行弧段筛选，输出每个任务可用的对地观测时间窗口列表以及地面资源可用的可见时间窗口列表；
确定联合观测以及冲突消除原则；
建立任务与资源联合规划调度模型；
对所述联合规划调度约束满足模型进行求解，获得满足任务规划以及地面资源调度约束条件的联合调度组合结果。
可选的，构建目标几何可见模型包括：
根据卫星轨道根数、地面目标的地址坐标，采用JGM3引力模型构建卫星对地观测载荷对地面目标几何可见模型。
可选的，构建星地几何可见模型，包括：
根据卫星轨道根数、地面测控站的几何布局和站址坐标，采用J2000地球惯性坐标系构建星地几何可见模型。
可选的，构建链路可见模型，包括：
根据地面和星载测量设备的功能、以及星载天线的安装位置，构建星地的链路可见模型。
可选的，根据对地观测和数传任务需求，结合星上载荷属性和设备属性，依次进行地面目标与载荷资源匹配分析以及卫星与设备资源匹配分析，得到匹配结果矩阵，包括：
Figure BDA0002218756600000038
为星上载荷属性集合，集合中各个元素分别表示载荷类型以及分辨率大小；
Figure BDA0002218756600000039
Figure BDA00022187566000000310
为设备属性集合，集合中各个元素分别表示设备频率、测控模式、调节体制、频点范围以及设备当前状态，其中
Figure BDA00022187566000000311
表示设备可用，
Figure BDA00022187566000000312
表示设备不可用；
集合A为用户对卫星资源偏好，集合B为用户对地面测控资源偏好；
对地观测任务m可用的卫星集合Q表示为：
Figure BDA0002218756600000036
卫星集合S能提供测控支持的设备集合E表示为：
Figure BDA0002218756600000037
T＝{t1,t2,…,tm}为任务集合，I个卫星和J个地面测控站参与任务，通过上述集合运算，得到规模为I×M的匹配结果矩阵；其中，当矩阵中
Figure BDA0002218756600000031
表示任务tm使用卫星si完成任务时可使用的地面测控站集合，当矩阵中
Figure BDA0002218756600000032
表示任务tm无法使用卫星si完成任务，或者卫星si无可支持的地面测控站。
可选的，根据任务类型分析建立任务规划过程中需要考虑的限制性因素，并结合地面资源调度需求建立地面资源调度约束条件，包括：
Figure BDA0002218756600000033
是对地观测任务所需的最小持续观测时长、
Figure BDA0002218756600000034
是对地观测任务要求的最早观测时间
Figure BDA0002218756600000035
是对地观测任务要求的最晚观测时间，dM是实际分配观测弧段的观测时长、startM是分配观测弧段的开始时间、endM是分配观测弧段的结束时间，有效对地观测弧段的约束条件表示为：
Figure BDA0002218756600000041
R是地面测控站与目标卫星的径向距离、E是测控天线电轴与目标卫星间的俯仰角，Rmax是地面测控设备的最大测控距离、Emin是地面测控站跟踪目标的最小仰角要求，有效星地测量数据的约束条件表示为：
R≤Rmax，E≥Emin
Figure BDA0002218756600000042
是地面测控站跟踪目标S要求的最小持续观测时长、
Figure BDA0002218756600000043
是地面测控站跟踪目标S要求的最早观测时间、
Figure BDA0002218756600000044
是地面测控站跟踪目标S要求的最晚观测时间，dS是实际分配测控弧段的观测时长、startS是实际分配测控弧段的开始时间、endS是实际分配测控弧段的结束时间，有效测控弧段的约束条件表示为：
Figure BDA0002218756600000045
其中，有效测控弧段的约束条件体现测控资源调度的部分时间约束是基于相应观测任务的完成时间，两者间存在相互制约关系。
可选的，确定联合观测以及冲突消除原则，包括：
根据卫星对地面目标的可见时间窗口和侧摆角区间，判断是否可通过调整侧摆角同时观测不同目标；
根据任务对观测时长、观测间隔和测站等要求，结合任务优先级，计算前移/后移空余时间，确定申请弧段出现相互重叠时的冲突消除原则。
可选的，根据卫星对地面目标的可见时间窗口和侧摆角区间，判断是否可通过调整侧摆角同时观测不同目标，包括：
卫星s对待观测目标a的可见弧段为[starta,enda]，最小、最大侧摆角为[mina,maxa]；卫星s对待观测目标b的可见弧段为[startb,endb]，最小、最大侧摆角为[minb,maxb]，目标a和目标b可被卫星s同时观测的条件表示为：
Figure BDA0002218756600000046
根据任务对观测时长、观测间隔和测站等要求，结合任务优先级，计算前移/后移空余时间，确定申请弧段出现相互重叠时的冲突消除原则，包括：
T1和T2是某个特定测控设备上待执行的两个任务，设任务T1的执行时刻为St1，任务T2的执行时刻为St2，两任务间的最小执行间隔为△t，在执行时间上两个任务的排序关系表示为：St2≥St1+△t
q是测控设备能够形成的最多波束个数，该设备能够跟踪的最多目标数量表示为：Q≤q
M1和M2是某个特定测控设备上待执行的两个任务，任务M1的执行时刻为Sm1，任务M2的执行时刻为Sm2，两任务间的最小执行间隔为△k，在执行时间上两个任务的排序关系表示为：Sm2≥Sm1+△k。
可选的，建立任务与资源联合规划调度模型，包括：
根据任务规划与地面资源调度的相互制约关系，建立用于模型求解的冲突性约束条件以及以加权满足率最大化为目标的联合规划调度约束满足模型。
可选的，根据任务规划与地面资源调度的相互制约关系，建立用于模型求解的冲突性约束条件以及以加权满足率最大化为目标的联合规划调度约束满足模型，包括：
M＝{m1,m2,…,m|M|}是待执行任务集合，S＝{s1,s2,…,s|S|}是在轨卫星集合，G＝{g1,g2,…,g|G|}是地面测控站集合，noi是星和目标可见弧段的编号，noj是星地可见弧段的编号，tlm为任务m的要求观测时长，
Figure BDA0002218756600000051
是卫星s对任务m目标第i个可见时间窗口起始时间，
Figure BDA0002218756600000052
是卫星s对任务m目标第i个可见时间窗口终止时间，realm∈{0,1}＝{实时传输,事后传输}为任务m数据传输要求标识，
Figure BDA0002218756600000053
是地面测控站g对卫星s第j个可见时间窗口起始时间，
Figure BDA0002218756600000054
是地面测控站g对卫星s第j个可见时间窗口终止时间，prim是测运控任务优先级，一次任务的完成可规范化将可见弧段描述为：
Figure BDA0002218756600000055
Figure BDA0002218756600000056
标识任务m是否被卫星s的第i个可见时间窗口观测，
Figure BDA0002218756600000057
标识任务m结束后是否由地面测控站g的第j个可见时间窗口接受数据，
Figure BDA0002218756600000058
表示可行解集合，该解满足所有的调度约束，针对任务m，可完成其测控要求的条件表示为：
Figure BDA0002218756600000061
caps为卫星s的星上存储器剩余容量，memm为实施任务m需占用的存储容量，每次观测任务实施需满足的星载存储容量约束表示为：
Figure BDA0002218756600000062
每一次数据传输之后需要更新星载存储器剩余容量，表示为：
Figure BDA0002218756600000063
观测任务不同的数据传输方式要求，地面测控资源可见弧段的约束条件不同；
当任务要求实时数据传输时，地面测控弧段时间约束表示为：
Figure BDA0002218756600000064
当任务要求事后数据传输时，地面测控弧段时间约束表示为：
Figure BDA0002218756600000065
测控设备的每一个形成波束在同一个时刻只能为一颗卫星提供服务，表示为：
Figure BDA0002218756600000066
卫星s最小工作转换时间为Δs，测控设备g最小工作转换时间为Δg，每次观测任务以及测控服务间隔的要求表示为：
Figure BDA0002218756600000067
Figure BDA0002218756600000068
O是可行解中可联合观测的任务集合，即
Figure BDA0002218756600000069
Figure BDA00022187566000000610
F(Z)是调度优化目标函数：
Figure BDA0002218756600000071
其中，
Figure BDA0002218756600000072
表示可行解,
Figure BDA0002218756600000073
表示多任务联合观测可节省的星上资源弧段，w1，w2表示权重占比。
本公开实施例提供的卫星遥感任务规划与地面资源调度联合求解方法，根据对地观测和数传任务需求，结合星上载荷属性和设备属性，依次进行地面目标与载荷资源匹配分析以及卫星与设备资源匹配分析，得到匹配结果矩阵；构建目标几何可见模型、星地几何可见模型以及链路可见模型；根据任务类型分析建立任务规划过程中需要考虑的限制性因素，并结合地面资源调度需求建立地面资源调度约束条件；根据所述匹配结果矩阵通过所述目标几何可见模型以及所述星地几何可见模型获取弧段全集合，并根据地面资源调度约束条件进行弧段筛选，输出每个任务可用的对地观测时间窗口列表以及地面资源可用的可见时间窗口列表；确定联合观测以及冲突消除原则；建立任务与资源联合规划调度模型；对所述联合规划调度约束满足模型进行求解，获得满足任务规划以及地面资源调度约束条件的联合调度组合结果，能够解决目前存在的任务规划与资源调度独立应用导致的重复协调问题。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是本公开实施例提供的卫星遥感任务规划与地面资源调度联合求解方法的流程示意图一；
图2是本公开实施例提供的卫星遥感任务规划与地面资源调度联合求解方法的流程示意图二；
图3是本公开实施例中资源匹配结果矩阵的示意图；
图4是本公开实施例中对地观测载荷对地面目标的观测范围示意图；
图5是本公开实施例中地面站对卫星的观测范围示意图；
图6是本公开实施例中对于具体弧段冲突求解的流程示意图；
图7是本公开实施例中改进的禁忌搜索算法的寻优性能曲线示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本公开实施例提供一种卫星遥感任务规划与地面资源调度联合求解方法，如图1所示，该方法包括：
步骤101、根据对地观测和数传任务需求，结合星上载荷属性和设备属性，依次进行地面目标与载荷资源匹配分析以及卫星与设备资源匹配分析，得到匹配结果矩阵；
通过建立模型前资源匹配分析，解决了模型求解过程中资源属性匹配约束条件导致的模型复杂化问题，同时充分考虑了用户的资源偏好。这在传统的航天测运控资源调度方法中是从未涉及的。
步骤102、构建目标几何可见模型、星地几何可见模型以及链路可见模型；
步骤103、根据任务类型分析建立任务规划过程中需要考虑的限制性因素，并结合地面资源调度需求建立地面资源调度约束条件；
步骤104、根据所述匹配结果矩阵通过所述目标几何可见模型以及所述星地几何可见模型获取弧段全集合，并根据地面资源调度约束条件进行弧段筛选，输出每个任务可用的对地观测时间窗口列表以及地面资源可用的可见时间窗口列表；
步骤105、确定联合观测以及冲突消除原则；
通过建立目标联合观测原则，充分考虑了观测弧段的时间以及侧摆角重叠情况，实现了弧段冲突问题向多个目标同时观测需求的转化，进一步提升了测运控资源的利用率。
步骤106、建立任务与资源联合规划调度模型；
本公开实施例中建立的任务与资源联合规划调度模型不仅充分考虑了星上资源的存储约束、数据传输的方式约束、测控弧段的时间约束、优先级约束、资源的偏好约束和测控设备的能力约束，并且有效运用了目标观测弧段与测控弧段之间的相互制约条件，达到两个模块自动交互以获得高效、合理、无冲突的资源调度和任务规划组合解。这在现有的航天测控资源调度方法中是从未涉及的。
步骤107、对所述联合规划调度约束满足模型进行求解，获得满足任务规划以及地面资源调度约束条件的联合调度组合结果。
本公开实施例提供的卫星遥感任务规划与地面资源调度联合求解方法，遥感任务规划模块与地面资源调度模块是相互关联的。遥感任务规划模块将求解得到的遥感计划发送至地面资源调度模块作为资源保障申请，地面资源调度模块将遥感计划作为输入条件之一进行求解，由此得到地面设备工作计划，该计划回送至遥感任务规划模块以确认是否满足遥感计划保障需求。任务规划与资源调度联合求解方法有效地提高了遥感任务实施效率，达到了快速响应用户需求的目的。因此，避免了卫星遥感任务规划以及地面资源调度两个模块独立求解导致的弧段冲突问题，能够解决目前存在的任务规划与资源调度独立应用导致的重复协调问题，实现了国内传统测运控系统向资源调度和任务规划联合调度的过渡。
为了使本领域技术人员更加详细的了解本公开实施例提供的技术方案，以下通过详细的实施例进行说明：
本实施例中的场景如下：
空间场景由中、低轨道卫星组成，卫星轨道类型包括：中低轨单星、兼顾高轨卫星；使用的测控设备类型包括：地基单波束测控设备和地基多波束测控设备，参加调度的地面测控资源5套。
任务场景由8个随机挑选的对地观测目标组成，且保证一个任务至少有一个卫星支持其实施。目标的具体位置坐标如下表所示。
目标编号 经度/度 纬度/度 高度/M
1 102 55.75 370.622
2 100 60 271.76
3 120 30 42.0023
4 68 65 51.6813
5 40 60 160.207
6 0 -82.4 -11.4958
7 -117 49 1934.39
8 -115 47 1446.55
地面场景由5个地面站组成，均为单波束全功能测控设备。5个地面站分别位于我国东北、西北、中西、东南部和境外的北极。
对本实施例场景实施本公开实施例提供的卫星遥感任务规划与地面资源调度联合求解方法，如图2所示，包括如下步骤：
1、根据对地观测和数传任务需求，结合星上载荷属性和设备属性，依次进行地面目标与载荷资源匹配分析以及卫星与设备资源匹配分析，得到匹配结果矩阵；
假设：每个观测任务至少有一个卫星匹配并提供支持，匹配的结果取决于用户对于星上载荷的需求。根据各任务要求，首先对卫星属性信息进行分类分析，得到8个对地观测任务分别可用的卫星列表。然后对地面测控资源信息、状态进行匹配，得到支持每个任务数据下传的地面资源列表，完成资源匹配结果矩阵。匹配结果矩阵中，每个数值代表可支持任务的测控资源列表，长度小于等于5(即5个地面测控资源同时可为该卫星提供可见弧段)。
示例性的，
Figure BDA0002218756600000101
为星上载荷属性集合，集合中各个元素分别表示载荷类型以及分辨率大小；
Figure BDA0002218756600000102
Figure BDA0002218756600000103
为设备属性集合，集合中各个元素分别表示设备频率、测控模式、调节体制、频点范围以及设备当前状态，其中
Figure BDA0002218756600000104
表示设备可用，
Figure BDA0002218756600000105
表示设备不可用；
集合A为用户对卫星资源偏好，集合B为用户对地面测控资源偏好；
对地观测任务m可用的卫星集合Q表示为：
Figure BDA0002218756600000111
卫星集合S能提供测控支持的设备集合E表示为：
Figure BDA0002218756600000112
T＝{t1,t2,…,tm}为任务集合，I个卫星和J个地面测控站参与任务，通过上述集合运算，得到规模为I×M的匹配结果矩阵；其中，当矩阵中
Figure BDA0002218756600000113
表示任务tm使用卫星si完成任务时可使用的地面测控站集合，当矩阵中
Figure BDA0002218756600000114
表示任务tm无法使用卫星si完成任务，或者卫星si无可支持的地面测控站。图3所示为匹配结果矩阵的示意图。
2、构建目标几何可见模型
具体的，根据卫星轨道根数、地面目标的地址坐标，采用JGM3引力模型构建卫星对地观测载荷对地面目标几何可见模型。
示例性的，对地观测载荷对地面目标的观测范围如图4所示。S是在轨运行卫星、O是地心点、A是地面点目标、αmax是卫星载荷最大侧摆角、β是卫星地心连线SO与卫星目标连线SA的夹角。几何可见参数如下：
Figure BDA0002218756600000115
3、构建星地几何可见模型
具体的，根据卫星轨道根数、地面测控站的几何布局和站址坐标，采用J2000地球惯性坐标系构建星地几何可见模型。J2000地球惯性坐标系参见图4。
地面站对卫星的观测范围如图5所示。G是地面测控站、S是在轨运行卫星、E是观测仰角、β是地面测控站到卫星的地心角、R是地面站到卫星的径向距离、rE是地面测控站的地心距、hs是卫星的轨道高度。得到几何可见参数如下：
Figure BDA0002218756600000121
Figure BDA0002218756600000122
4、构建链路可见模型
具体的，根据地面和星载测量设备的功能、以及星载天线的安装位置，构建星地的链路可见模型。
表示星地链路和星间链路的几何可见的主要参数有：距离和俯仰角。
假设：星地链路的最大作用距离是Rmax，地面测控站跟踪目标的最小仰角条件是Emin。得到星地链路可见参数如下：
Figure BDA0002218756600000123
Figure BDA0002218756600000124
5、构建实际可用于调度的可见弧段
根据任务类型分析建立任务规划过程中需要考虑的限制性因素，并结合地面资源调度需求建立地面资源调度约束条件；
根据所述匹配结果矩阵通过所述目标几何可见模型以及所述星地几何可见模型获取弧段全集合，并根据地面资源调度约束条件进行弧段筛选，输出每个任务可用的对地观测时间窗口列表以及地面资源可用的可见时间窗口列表；
具体的，基于资源匹配结果矩阵和步骤2、3计算得到的可见弧段集合，通过限制性约束条件分别进行弧段筛选和调整预处理，获得实际可调度的目标可见弧段以及星地可见弧段集合。其中，由于任务规划和资源调度的联合调度运用，星地可见弧段的预处理主要包括两个方面：一)根据选取的地面目标观测窗口、数据传输方式进行时间起止限制；二)根据数据传输大小进行时间长度限制。
示例性的，
Figure BDA0002218756600000125
是对地观测任务所需的最小持续观测时长、
Figure BDA0002218756600000126
是对地观测任务要求的最早观测时间
Figure BDA0002218756600000127
是对地观测任务要求的最晚观测时间，dM是实际分配观测弧段的观测时长、startM是分配观测弧段的开始时间、endM是分配观测弧段的结束时间，有效对地观测弧段的约束条件表示为：
Figure BDA0002218756600000131
R是地面测控站与目标卫星的径向距离、E是测控天线电轴与目标卫星间的俯仰角，Rmax是地面测控设备的最大测控距离、Emin是地面测控站跟踪目标的最小仰角要求，有效星地测量数据的约束条件表示为：
R≤Rmax，E≥Emin
Figure BDA0002218756600000132
是地面测控站跟踪目标S要求的最小持续观测时长、
Figure BDA0002218756600000133
是地面测控站跟踪目标S要求的最早观测时间、
Figure BDA0002218756600000134
是地面测控站跟踪目标S要求的最晚观测时间，dS是实际分配测控弧段的观测时长、startS是实际分配测控弧段的开始时间、endS是实际分配测控弧段的结束时间，有效测控弧段的约束条件表示为：
Figure BDA0002218756600000135
其中，有效测控弧段的约束条件体现测控资源调度的部分时间约束是基于相应观测任务的完成时间，两者间存在相互制约关系。
6、根据卫星对地面目标的可见时间窗口和侧摆角区间，判断是否可通过调整侧摆角同时观测不同目标；
示例性的，
卫星s对待观测目标a的可见弧段为[starta,enda]，最小、最大侧摆角为[mina,maxa]；卫星s对待观测目标b的可见弧段为[startb,endb]，最小、最大侧摆角为[minb,maxb]，目标a和目标b可被卫星s同时观测的条件表示为：
Figure BDA0002218756600000136
根据任务对观测时长、观测间隔和测站等要求，结合任务优先级，计算前移/后移空余时间，确定申请弧段出现相互重叠时的冲突消除原则，包括：
T1和T2是某个特定测控设备上待执行的两个任务，设任务T1的执行时刻为St1，任务T2的执行时刻为St2，两任务间的最小执行间隔为△t，在执行时间上两个任务的排序关系表示为：St2≥St1+△t
q是测控设备能够形成的最多波束个数，该设备能够跟踪的最多目标数量表示为：Q≤q
M1和M2是某个特定测控设备上待执行的两个任务，任务M1的执行时刻为Sm1，任务M2的执行时刻为Sm2，两任务间的最小执行间隔为△k，在执行时间上两个任务的排序关系表示为：Sm2≥Sm1+△k。
根据任务对观测时长、观测间隔和测站等要求，结合任务优先级，计算前移/后移空余时间，确定申请弧段出现相互重叠时的冲突消除原则。
示例性的，确定冲突消除原则：
1)优先原则：当出现时间冲突时，保证优先级高的任务优先获得弧段使用权。
2)可行原则：对于测控设备以及航天器，在进行任务切换时，保证留有充足的时间进行状态调整、参数配置，以获得可见弧段的可行性。通常，任务间隔时间是5分钟。
3)保留原则：当出现可解冲突时，尽可能通过调整可见弧段的起止时间保留有效时间段并完成任务，避免删除可用资源导致的任务无法完成。
4)不可抢占原则：每个可用弧段被分配后不可被抢占。
5)独占性原则：单波束设备某一时刻只能为一颗航天器提供测控支持。
6)测控设备负担均衡原则：在进行测控资源调度时需考虑测控网承担任务的均衡性，即保证各测控设备承担的测控任务数相差不大，避免出现某个测控设备承担太多的测控支持任务，而另外某个测控设备过于空闲的情况。
具体弧段冲突求解过程见图6。
7、建立资源调度与任务规划联合调度模型：
根据任务规划与地面资源调度的相互制约关系，建立用于模型求解的冲突性约束条件以及以加权满足率最大化为目标的联合规划调度约束满足模型。
示例性的，以任务满足率和资源节省率的加权最大作为调度目标，以天为基本调度周期，建立如下联合调度模型：
M＝{m1,m2,…,m|M|}是待执行任务集合，S＝{s1,s2,…,s|S|}是在轨卫星集合，G＝{g1,g2,…,g|G|}是地面测控站集合，noi是星和目标可见弧段的编号，noj是星地可见弧段的编号，tlm为任务m的要求观测时长，
Figure BDA00022187566000001512
是卫星s对任务m目标第i个可见时间窗口起始时间，
Figure BDA00022187566000001513
是卫星s对任务m目标第i个可见时间窗口终止时间，realm∈{0,1}＝{实时传输,事后传输}为任务m数据传输要求标识，
Figure BDA0002218756600000151
是地面测控站g对卫星s第j个可见时间窗口起始时间，
Figure BDA0002218756600000152
是地面测控站g对卫星s第j个可见时间窗口终止时间，prim是测运控任务优先级，一次任务的完成可规范化将可见弧段描述为：
Figure BDA0002218756600000153
Figure BDA0002218756600000154
标识任务m是否被卫星s的第i个可见时间窗口观测，
Figure BDA0002218756600000155
标识任务m结束后是否由地面测控站g的第j个可见时间窗口接受数据，
Figure BDA0002218756600000156
表示可行解集合，该解满足所有的调度约束，针对任务m，可完成其测控要求的条件表示为：
Figure BDA0002218756600000157
caps为卫星s的星上存储器剩余容量，memm为实施任务m需占用的存储容量，每次观测任务实施需满足的星载存储容量约束表示为：
Figure BDA0002218756600000158
每一次数据传输之后需要更新星载存储器剩余容量，表示为：
Figure BDA0002218756600000159
观测任务不同的数据传输方式要求，地面测控资源可见弧段的约束条件不同；
当任务要求实时数据传输时，地面测控弧段时间约束表示为：
Figure BDA00022187566000001510
当任务要求事后数据传输时，地面测控弧段时间约束表示为：
Figure BDA00022187566000001511
测控设备的每一个形成波束在同一个时刻只能为一颗卫星提供服务，表示为：
Figure BDA0002218756600000161
卫星s最小工作转换时间为Δs，测控设备g最小工作转换时间为Δg，每次观测任务以及测控服务间隔的要求表示为：
Figure BDA0002218756600000162
Figure BDA0002218756600000163
O是可行解中可联合观测的任务集合，即
Figure BDA0002218756600000164
Figure BDA0002218756600000165
F(Z)是调度优化目标函数：
Figure BDA0002218756600000166
其中，
Figure BDA0002218756600000167
表示可行解,
Figure BDA0002218756600000168
表示多任务联合观测可节省的星上资源弧段，w1，w2表示权重占比。
8、算法求解：
对所述联合规划调度约束满足模型进行求解，获得满足任务规划以及地面资源调度约束条件的联合调度组合结果。
示例性的，选择适用于求解较为复杂的大规模组合优化问题的禁忌搜索智能优化方法，设计了动态调整禁忌搜索算法，以提高求解性能。以下主要对算法改进方面进行阐述：
1)基于冲突程度的初始解构造方法：对未安排的任务基于优先级排序以选取待调度任务，计算待调度任务所有备选弧段与已安排任务窗口的冲突程度，包括冲突数量以及冲突时间总和。每次选择冲突程度最小的弧段加入已安排弧段集合中，保证局部最优且利于当前适应值函数增加，以获得性能较好的初始解。
2)基于扩展策略的改进禁忌对象：在大规模且复杂的调度任务下，如果直接将候选解作为禁忌搜索对象，则会消耗大量的存储空间和降低计算效率。为了提高算法求解性能，本公开直接采用目标值作为禁忌对象，将具有相同目标值的状态视为同一个状态，大幅度增加了禁忌的范围。同时，本公开引入了range_rate参数，可以将禁忌对象扩展为一个区间，扩大搜索的多样化。
3)基于动态调整的禁忌长度：禁忌长度决定采用局域搜索还是广域搜索策略。如果禁忌表过长，则便于在更广阔的区域搜索；如果禁忌表较短，则便于在小范围内进行深度搜索。为了达到强化和分散搜索策略的平衡，本公开利用反馈机制自动调整禁忌表长度。通过记录历史解出现次数，判断算法迭代情况，并进行调整。
上述动态调整过程为避免算法陷入循环或无深度搜索的反馈过程，具体操作如下：
假设：当前迭代为i，禁忌长度为l，累计无重复访问的迭代次数为ndec，累计重复访问的迭代次数为nesc；最大无重复访问的累计次数为numdec，最大可重复访问的累计次数为numesc，允许的最大迭代次数为N。
Step1：如果i>N，则转Step6；否则转Step2；
Step2：判断当前解是否重复访问，如果是，转Step3；否则转Step2；
Step3：ndec＝ndec+1，并且判断ndec是否大于numdec，如果大于，则l＝l*a,a＜1；否则i＝i+1，转Step1。
Step4：nesc＝nesc+1，ndec＝0，l＝l*b,b>1，并且判断nesc是否大于numesc，如果大于，则转Step4；否则i＝i+1,转Step1。
Step5：触发逃逸机制，即通过当前解执行若干随机移动生成新解,转Step1。
Step6：迭代结束
算法流程如下：
Step1：通过目标可见模型以及星地可见模型获得初步的可见弧段集合，按照任务或者设备的限制性条件对可见弧段进行筛选以及调整，得到实际可用于调度的弧段集合。
Step2：初始化算法参数。主要包括邻域集合大小M，邻域构造替换率θ，最大迭代次数N，禁忌表长度l，最大无重复访问的累计次数为numdec，最大可重复访问的累计次数为numesc，置迭代计数器n＝1；
Step3：根据编码方法以及初始解构造方法，生成初始解x，计算适应值f(x)，并且设最优解x*＝x以及f(x*)＝f(x)；
Step4：如果n>num，转Step12；否则转Step5；
Step5：基于当前解x和邻域构造替换率θ，构造邻域集合
Figure BDA0002218756600000181
i＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N；同时计算邻域中所有候选解的适应值(包括冲突求解)，并且进行排序。
Step6：如果邻域全部在禁忌表中，则令
Figure BDA0002218756600000182
n＝n+1，转Step10；否则取i＝1；
Step7：如果
Figure BDA0002218756600000183
在禁忌表中，转Step8；否则转Step9；
Step8：如果
Figure BDA0002218756600000184
则令
Figure BDA0002218756600000185
＝n+1，转Step10；否则i＝i+1，转Step7；
Step9：如果
Figure BDA0002218756600000186
则令
Figure BDA0002218756600000187
n＝n+1；否则令
Figure BDA0002218756600000188
n＝n+1；
Step10：更新禁忌表；
Step11：启动动态调整禁忌表长度，更新参数，转Step4；
Step12：算法终止，输出目标函数值和调度方案。
仿真时禁忌搜索算法参数设置如下：
M＝5,θ＝0.8,N＝200,l＝10,numdec＝25,numesc＝25。邻域规模设置为5，迭代200次收敛结果如下表所示：
Figure BDA0002218756600000189
由上表可以看出，当采用改进的禁忌搜索算法进行联合调度时，算法运行时间短，收敛速度较快，能在较短时间内获得可行解。
本公开实施例采用改进的禁忌搜索算法进行200次迭代，需要910秒完成调度。图7给出了改进的禁忌搜索算法的寻优性能曲线，图中曲线表明改进的禁忌搜索算法寻优性能优良。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims (10)

1.一种卫星遥感任务规划与地面资源调度联合求解方法，其特征在于，包括：
根据对地观测和数传任务需求，结合星上载荷属性和设备属性，依次进行地面目标与载荷资源匹配分析以及卫星与设备资源匹配分析，得到匹配结果矩阵；
构建目标几何可见模型、星地几何可见模型以及链路可见模型；
根据任务类型分析建立任务规划过程中需要考虑的限制性因素，并结合地面资源调度需求建立地面资源调度约束条件；
根据所述匹配结果矩阵通过所述目标几何可见模型以及所述星地几何可见模型获取弧段全集合，并根据地面资源调度约束条件进行弧段筛选，输出每个任务可用的对地观测时间窗口列表以及地面资源可用的可见时间窗口列表；
确定联合观测以及冲突消除原则；
建立任务与资源联合规划调度模型；
对所述联合规划调度约束满足模型进行求解，获得满足任务规划以及地面资源调度约束条件的联合调度组合结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建目标几何可见模型包括：
根据卫星轨道根数、地面目标的地址坐标，采用JGM3引力模型构建卫星对地观测载荷对地面目标几何可见模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建星地几何可见模型，包括：
根据卫星轨道根数、地面测控站的几何布局和站址坐标，采用J2000地球惯性坐标系构建星地几何可见模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建链路可见模型，包括：
根据地面和星载测量设备的功能、以及星载天线的安装位置，构建星地的链路可见模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据对地观测和数传任务需求，结合星上载荷属性和设备属性，依次进行地面目标与载荷资源匹配分析以及卫星与设备资源匹配分析，得到匹配结果矩阵，包括：
Figure FDA0002218756590000021
为星上载荷属性集合，集合中各个元素分别表示载荷类型以及分辨率大小；
Figure FDA0002218756590000022
Figure FDA0002218756590000023
为设备属性集合，集合中各个元素分别表示设备频率、测控模式、调节体制、频点范围以及设备当前状态，其中
Figure FDA0002218756590000024
表示设备可用，
Figure FDA0002218756590000025
表示设备不可用；
集合A为用户对卫星资源偏好，集合B为用户对地面测控资源偏好；
对地观测任务m可用的卫星集合Q表示为：
Figure FDA0002218756590000026
卫星集合S能提供测控支持的设备集合E表示为：
Figure FDA0002218756590000027
T＝{t1,t2,…,tm}为任务集合，I个卫星和J个地面测控站参与任务，通过上述集合运算，得到规模为I×M的匹配结果矩阵；其中，当矩阵中
Figure FDA0002218756590000028
表示任务tm使用卫星si完成任务时可使用的地面测控站集合，当矩阵中
Figure FDA0002218756590000029
表示任务tm无法使用卫星si完成任务，或者卫星si无可支持的地面测控站。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据任务类型分析建立任务规划过程中需要考虑的限制性因素，并结合地面资源调度需求建立地面资源调度约束条件，包括：
Figure FDA00022187565900000210
是对地观测任务所需的最小持续观测时长、
Figure FDA00022187565900000211
是对地观测任务要求的最早观测时间
Figure FDA00022187565900000212
是对地观测任务要求的最晚观测时间，dM是实际分配观测弧段的观测时长、startM是分配观测弧段的开始时间、endM是分配观测弧段的结束时间，有效对地观测弧段的约束条件表示为：
Figure FDA0002218756590000031
R是地面测控站与目标卫星的径向距离、E是测控天线电轴与目标卫星间的俯仰角，Rmax是地面测控设备的最大测控距离、Emin是地面测控站跟踪目标的最小仰角要求，有效星地测量数据的约束条件表示为：
R≤Rmax，E≥Emin
Figure FDA0002218756590000032
是地面测控站跟踪目标S要求的最小持续观测时长、
Figure FDA0002218756590000033
是地面测控站跟踪目标S要求的最早观测时间、
Figure FDA0002218756590000034
是地面测控站跟踪目标S要求的最晚观测时间，dS是实际分配测控弧段的观测时长、startS是实际分配测控弧段的开始时间、endS是实际分配测控弧段的结束时间，有效测控弧段的约束条件表示为：
Figure FDA0002218756590000035
endM≤startS
其中，有效测控弧段的约束条件体现测控资源调度的部分时间约束是基于相应观测任务的完成时间，两者间存在相互制约关系。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定联合观测以及冲突消除原则，包括：
根据卫星对地面目标的可见时间窗口和侧摆角区间，判断是否可通过调整侧摆角同时观测不同目标；
根据任务对观测时长、观测间隔和测站等要求，结合任务优先级，计算前移/后移空余时间，确定申请弧段出现相互重叠时的冲突消除原则。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据卫星对地面目标的可见时间窗口和侧摆角区间，判断是否可通过调整侧摆角同时观测不同目标，包括：
卫星s对待观测目标a的可见弧段为[starta,enda]，最小、最大侧摆角为[mina,maxa]；卫星s对待观测目标b的可见弧段为[startb,endb]，最小、最大侧摆角为[minb,maxb]，目标a和目标b可被卫星s同时观测的条件表示为：
Figure FDA0002218756590000036
根据任务对观测时长、观测间隔和测站等要求，结合任务优先级，计算前移/后移空余时间，确定申请弧段出现相互重叠时的冲突消除原则，包括：
T1和T2是某个特定测控设备上待执行的两个任务，设任务T1的执行时刻为St1，任务T2的执行时刻为St2，两任务间的最小执行间隔为△t，在执行时间上两个任务的排序关系表示为：St2≥St1+△t
q是测控设备能够形成的最多波束个数，该设备能够跟踪的最多目标数量表示为：Q≤q
M1和M2是某个特定测控设备上待执行的两个任务，任务M1的执行时刻为Sm1，任务M2的执行时刻为Sm2，两任务间的最小执行间隔为△k，在执行时间上两个任务的排序关系表示为：Sm2≥Sm1+△k。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立任务与资源联合规划调度模型，包括：
根据任务规划与地面资源调度的相互制约关系，建立用于模型求解的冲突性约束条件以及以加权满足率最大化为目标的联合规划调度约束满足模型。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据任务规划与地面资源调度的相互制约关系，建立用于模型求解的冲突性约束条件以及以加权满足率最大化为目标的联合规划调度约束满足模型，包括：
M＝{m1,m2,…,m|M|}是待执行任务集合，S＝{s1,s2,…,s|S|}是在轨卫星集合，G＝{g1,g2,…,g|G|}是地面测控站集合，noi是星和目标可见弧段的编号，noj是星地可见弧段的编号，tlm为任务m的要求观测时长，
Figure FDA0002218756590000041
是卫星s对任务m目标第i个可见时间窗口起始时间，
Figure FDA0002218756590000042
是卫星s对任务m目标第i个可见时间窗口终止时间，realm∈{0,1}＝{实时传输,事后传输}为任务m数据传输要求标识，
Figure FDA0002218756590000043
是地面测控站g对卫星s第j个可见时间窗口起始时间，
Figure FDA0002218756590000044
是地面测控站g对卫星s第j个可见时间窗口终止时间，prim是测运控任务优先级，一次任务的完成可规范化将可见弧段描述为：
Figure FDA0002218756590000045
Figure FDA0002218756590000046
标识任务m是否被卫星s的第i个可见时间窗口观测，
Figure FDA0002218756590000047
标识任务m结束后是否由地面测控站g的第j个可见时间窗口接受数据，
Figure FDA0002218756590000051
表示可行解集合，该解满足所有的调度约束，针对任务m，可完成其测控要求的条件表示为：
Figure FDA0002218756590000052
caps为卫星s的星上存储器剩余容量，memm为实施任务m需占用的存储容量，每次观测任务实施需满足的星载存储容量约束表示为：
Figure FDA0002218756590000053
每一次数据传输之后需要更新星载存储器剩余容量，表示为：
Figure FDA0002218756590000054
观测任务不同的数据传输方式要求，地面测控资源可见弧段的约束条件不同；
当任务要求实时数据传输时，地面测控弧段时间约束表示为：
Figure FDA0002218756590000055
当任务要求事后数据传输时，地面测控弧段时间约束表示为：
Figure FDA0002218756590000056
测控设备的每一个形成波束在同一个时刻只能为一颗卫星提供服务，表示为：
Figure FDA0002218756590000057
卫星s最小工作转换时间为Δs，测控设备g最小工作转换时间为Δg，每次观测任务以及测控服务间隔的要求表示为：
Figure FDA0002218756590000058
Figure FDA0002218756590000059
O是可行解中可联合观测的任务集合，即
Figure FDA00022187565900000510
Figure FDA0002218756590000061
F(Z)是调度优化目标函数：
Figure FDA0002218756590000062
其中，
Figure FDA0002218756590000063
表示可行解,
Figure FDA0002218756590000064
表示多任务联合观测可节省的星上资源弧段，w1，w2表示权重占比。
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