CN113269385A - 面向敏捷卫星资源的应急调度方法和系统 - Google Patents

面向敏捷卫星资源的应急调度方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法和系统，涉及应急任务调度技术领域。通过在调度算法中考虑地面站的固定俯仰的可见时间窗的插入机会，在不满足敏捷卫星存储约束的情况下，插入合适的地面站的固定俯仰的可见时间窗，以便将敏捷卫星存储数据释放到地面站，减少敏捷卫星成像数据负载，提供任务更多插入机会，提高整体任务完成率。在算法调度过程中，依据设计的应急任务紧急程度启发式因子，计算应急任务紧急程度，对权值较大、固定俯仰的可见时间窗较少且离完成截止时间较近的任务优先安排，降低先安排任务对后续任务插入机会的影响，提高任务完成率和整体方案收益。

Description

面向敏捷卫星资源的应急调度方法和系统
技术领域
本发明涉及应急任务调度技术领域，具体涉及一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法和系统。
背景技术
敏捷卫星作为新一代的三自由度(俯仰，侧摆和偏航)卫星，对地面目标呈现出更长的可见时间窗和更宽的可观测范围，具有非常适合处理应急任务的物理特性。
由于敏捷卫星高度灵活性特点，非常适合高权值和高时效应急任务的完成。现有的敏捷卫星在处理应急任务时，没有充分考虑应急任务的紧急程度、权值、固定俯仰的可见时间窗长短、完成截止时间对任务插入机会的影响。
现有的方案会导致任务完成率和整体方案收益较低。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法和系统，解决了现有敏捷卫星调度方法未充分考虑应急任务紧急程度、卫星俯仰消耗时间、完成截止时间对任务插入机会的影响的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
第一方面，提供了一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法，该方法包括：
S1、获取规划信息；
S2、对所有可变俯仰的可见时间窗依据离散度进行划分，将其离散为多个固定俯仰的可见时间窗；
S3、按紧急程度对未规划应急任务集ET中的应急任务从高至低排序；
S4、从未规划应急任务集ET中遍历选取一个应急任务；
S5、判断是否满足执行应急任务的直接插入策略的条件；若是，执行应急任务的直接插入策略，再执行S10；否则，执行S6；
S6、判断是否满足执行应急任务的移位插入策略的条件；若是，执行应急任务的移位插入策略，再执行S10；否则，执行S7；
S7、判断是否满足执行应急任务的任务和地面站直接插入策略的条件；若是，执行应急任务的任务和地面站直接插入策略，再执行S10；否则，执行S8；
S8、判断是否满足执行应急任务的移位插入和地面站插入策略的条件；若是，执行应急任务的移位插入和地面站插入策略，再执行S10；否则，执行S9；
S9、判断是否满足执行应急任务的删除插入策略的条件；若是，执行应急任务的删除插入策略，再执行S10；否则，直接执行S10；
S10、判断未规划应急任务集ET是否遍历完成，如果是，进入S11，否则返回S4；
S11、从未规划常规任务集GT中遍历选取一个常规任务；
S12、判断是否满足执行常规任务的直接插入策略的条件；若是，执行常规任务的直接插入策略，再执行S15；否则，执行S13；
S13、判断是否满足执行常规任务的移位插入策略的条件；若是，执行常规任务的移位插入策略，再执行S15；否则，执行S14；
S14、判断是否满足执行常规任务的删除插入策略的条件；若是，执行常规任务的删除插入策略，再执行S15；否则，直接执行S15；
S15、判断未规划常规任务集GT是否遍历完成；若是，输出调度方案，否则，返回S11。
进一步的，所述规划信息包括：
原调度方案Po，
卫星集合
Figure BDA0002958515690000031
已规划应急任务集合
Figure BDA0002958515690000032
已规划常规任务集合
Figure BDA0002958515690000033
未规划应急任务集合
Figure BDA0002958515690000034
未规划常规任务集合
Figure BDA0002958515690000035
地面站任务集合
Figure BDA0002958515690000036
可变俯仰的可见时间窗集合VPVTW。
进一步的，所述对所有可变俯仰的可见时间窗依据离散度进行划分，将其离散为多个固定俯仰的可见时间窗包括：特别的，敏捷卫星的通信传感器覆盖很广范围，通常不需要机动，因此，地面站没有可变俯仰的可见时间窗，只有固定俯仰的可见时间窗，且俯仰角为0。
S201、根据每颗敏捷卫星和每个任务，计算子离散度：
Figure BDA0002958515690000037
其中，离散度ΔP＝min{ΔPij|ti∈T,sj∈S}，ΔHj表示敏捷卫星sj俯仰方向的视场角，di表示任务ti的观测时长，S表示敏捷卫星集合，pvj表示敏捷卫星sj俯仰速度，Lj是敏捷卫星sj固定俯仰角时的观测条带覆盖地面目标的时间长度，T＝DET∪DGT∪ET∪GT表示总任务集合，ti是第i个任务，sj表示第j个敏捷卫星；
S202、根据一个可变俯仰的可见时间窗
Figure BDA0002958515690000038
计算固定俯仰的可见时间窗数目：
Figure BDA0002958515690000039
Pj表示敏捷卫星sj的最大俯仰角；
S203、计算每个固定俯仰的可见时间窗：
Figure BDA00029585156900000310
且
Figure BDA0002958515690000041
Figure BDA0002958515690000042
Figure BDA0002958515690000043
其中，
Figure BDA0002958515690000044
表示任务ti在敏捷卫星sj上的第a个固定俯仰的可见时间窗，
Figure BDA0002958515690000045
是开始时间，
Figure BDA0002958515690000046
是结束时间，
Figure BDA0002958515690000047
表示任务ti在敏捷卫星sj上第a个的固定俯仰的可见时间窗的理想侧摆角度(观测条带的中心线过任务位置)，
Figure BDA0002958515690000048
是观测俯仰角度；
Figure BDA0002958515690000049
表示任务ti在敏捷卫星sj上的第u个可变俯仰的可见时间窗；
Figure BDA00029585156900000410
是开始时间，
Figure BDA00029585156900000411
是结束时间，
Figure BDA00029585156900000412
表示任务ti在敏捷卫星sj上第u个的固定俯仰的可见时间窗的理想侧摆角度。
进一步的，所述直接插入策略为：
遍历当前任务的固定俯仰的可见时间窗，如果调度方案中拥有满足任务观测时长的空闲时间段且同时插入后满足敏捷卫星存储和能量约束，则对任务进行直接插入操作。
进一步的，所述移位插入策略为：
遍历当前任务的固定俯仰的可见时间窗，在调度方案中不存在满足任务观测时长的空闲时间段，且同时插入后满足敏捷卫星存储和能量约束时，对相邻冲突任务在其固定俯仰的可见时间窗内进行向前和向后无冲突移动，然后计算移位后的空闲时间段长度，如果移位后的空闲时间段长度满足任务观测时长，则对任务进行插入操作。
进一步的，所述任务和地面站直接插入策略为：
遍历当前任务的固定俯仰的可见时间窗，如果调度方案中拥有满足应急任务观测时长的空闲时间段，只是存在存储超载现象，但拥有合适的地面站的固定俯仰的可见时间窗能够插入到地面站方案中，则在调度方案中插入所述地面站的固定俯仰的可见时间窗，并对应急任务进行插入操作。
进一步的，所述移位插入和地面站插入策略为：
遍历当前任务的固定俯仰的可见时间窗，在调度方案中对相邻冲突任务在其固定俯仰的可见时间窗内进行向前和向后无冲突移动，然后计算移位后的空闲时间段长度，如果移位后的空闲时间段长度满足任务观测时长，只是存在存储超载现象，但拥有合适的地面站的固定俯仰的可见时间窗能够插入到地面站方案中，则在调度方案中插入所述地面站的固定俯仰的可见时间窗，并对任务进行插入操作。
进一步的，所述删除插入策略为：
判断是否存在比任务权值小的待删除冲突，如果存在，则从中删除权值之和最小的待删除冲突，再插入任务，并将删除的冲突中的任务加入到相应类型的未规划任务集；
其中，待删除冲突包括需要删除的固定俯仰的可见时间窗冲突、需要删除的存储冲突以及需要删除的能量冲突中的一种或多种。
进一步的，所述存储约束和能量约束为：
存储约束：每个敏捷卫星在执行任务的过程中存储量不能超过其最大存储量；
Figure BDA0002958515690000051
能量约束：每个圈次内消耗的能量不能超过敏捷卫星最大能量，即：
Figure BDA0002958515690000061
其中，
Figure BDA0002958515690000062
表示地面站gk在敏捷卫星sj上的第b个固定俯仰的可见时间窗是否接收数据，若是，等于1，否则等于0；
Figure BDA0002958515690000063
表示任务ti在敏捷卫星sj上的第a个固定俯仰的可见时间窗是否被执行，若是等于1，否则等于0；
Figure BDA0002958515690000064
表示地面站任务集合，
Figure BDA0002958515690000065
是地面站gk在敏捷卫星sj上的固定俯仰的可见时间窗总数；
Figure BDA0002958515690000066
表示地面站gk在敏捷卫星sj上的第b个固定俯仰的可见时间窗，
Figure BDA0002958515690000067
是开始时间，
Figure BDA0002958515690000068
是结束时间；
Figure BDA0002958515690000069
表示观测侧摆角度，rvj表示侧摆速度，pvj表示俯仰速度，
Figure BDA00029585156900000610
表示连续两个地面站的固定俯仰的可见时间窗之间的任务的固定俯仰的可见时间窗集合；αj表示观测存储消耗率，Mj表示最大存储容量，
Figure BDA00029585156900000611
表示敏捷卫星sj第n圈次内的地面站、常规任务和应急任务的固定俯仰的可见时间窗集合，βj表示观测能量消耗率，ρj表示数据传输能量消耗率，
Figure BDA00029585156900000612
表示在敏捷卫星sj上任务ti的第a个固定俯仰的可见时间窗和任务ti'的第a'个固定俯仰的可见时间窗是否相邻且都被执行，如果是等于1，否则等于0，ωj表示机动能量消耗率；Ej表示每个轨道内最大能量，
Figure BDA00029585156900000613
表示最大轨道数目。
第二方面，一种面向敏捷卫星资源的应急调度系统，所述系统包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
(三)有益效果
本发明提供了一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法和系统。与现有技术相比，具备以下有益效果：
在调度算法中考虑地面站的固定俯仰的可见时间窗的插入机会，在不满足敏捷卫星存储约束的情况下，插入合适的地面站的固定俯仰的可见时间窗，将敏捷卫星存储数据及时下传到地面站，减少敏捷卫星成像数据负载，提供任务更多插入机会，提高整体任务完成率。
在算法调度过程中，依据设计的应急任务紧急程度启发式因子，计算应急任务紧急程度，对权值较大、固定俯仰的可见时间窗较少且离完成截止时间较近的任务优先安排，降低先安排任务对后续任务插入机会的影响，提高任务完成率和整体方案收益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的冲突任务和冲突的示意图；
图2为本发明实施例的流程图；
图3为本发明实施例的将可变俯仰的可见时间窗划分为多个固定俯仰的可见时间窗的示意图；
图4为本发明实施例的直接插入策略示意图；
图5为本发明实施例的移位插入策略示意图；
图6为本发明实施例的任务和地面站直接插入策略示意图；
图7为本发明实施例的移位插入和地面站插入策略示意图；
图8为本发明实施例的删除插入策略示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例通过提供一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法和系统，解决了现有敏捷卫星调度方法未充分考虑应急任务的紧急程度、权值、固定俯仰的可见时间窗长短、完成截止时间对任务插入机会的影响的问题，实现提高任务完成率和整体方案收益的目的。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
设计一种可变俯仰的可见时间窗划分规则，对俯仰角度进行离散，将可变俯仰的可见时间窗离散为多个固定俯仰的可见时间窗，并且连续固定俯仰的可见时间窗之间具有一定的重叠时间，保证固定俯仰的可见时间窗划分在时间上的连续性。在任务调度模型中考虑俯仰时间、任务完成截至时间和能量消耗约束，建立更加精细化的任务调度模型，保证调度方案更加符合实际要求，提高应急任务完成可行性。在调度算法中考虑地面站的固定俯仰的可见时间窗的插入机会，在不满足敏捷卫星存储约束的情况下，插入合适的地面站的固定俯仰的可见时间窗，以便将敏捷卫星存储数据释放到地面站，减少敏捷卫星成像数据负载，提供任务更多插入机会，提高整体任务完成率。在算法调度过程中，依据设计的应急任务紧急程度启发式因子，计算应急任务紧急程度，对权值较大、固定俯仰的可见时间窗较少且离完成截止时间较近的任务优先安排，降低先安排任务对后续任务插入机会的影响，提高任务完成率和整体方案收益。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本发明中用到的变量及其数学符号如下：
Po表示原调度方案；
Pnew表示新调度方案；
Figure BDA0002958515690000081
表示敏捷卫星集合；NS表示敏捷卫星的数量；
Figure BDA0002958515690000091
表示已规划应急任务集合，NDET表示已规划应急任务数量；
Figure BDA0002958515690000092
表示已规划常规任务集合，NDGT表示已规划常规任务数量；
Figure BDA0002958515690000093
表示未规划应急任务集合，NET表示未规划应急任务数量；
Figure BDA0002958515690000094
表示未规划应急任务集合，NGT表示未规划常规任务数量；
T＝DET∪DGT∪ET∪GT表示总任务集合，
NT＝NDGT+NDET+NET+NGT表示总任务数；
ti＝(tvi,di,dli,ci)表示第i个任务，其中，tvi表示任务权重，di表示任务观测时长，dli表示任务完成期限，ci表示任务类型；
Figure BDA0002958515690000095
表示地面站任务集合，NG表示地面站数量。
Figure BDA0002958515690000096
表示任务ti在敏捷卫星sj上的第u个可变俯仰的可见时间窗；
Figure BDA0002958515690000097
是开始时间，
Figure BDA0002958515690000098
是结束时间；
Figure BDA0002958515690000099
表示任务ti在敏捷卫星sj上第u个的固定俯仰的可见时间窗的理想侧摆角度(观测条带的中心线过任务位置)。
Figure BDA00029585156900000910
表示任务ti的固定俯仰的可见时间窗集合，
其中，
Figure BDA00029585156900000911
表示任务ti在敏捷卫星sj上的固定俯仰的可见时间窗集合，
Figure BDA00029585156900000912
是任务ti在敏捷卫星sj上的固定俯仰的可见时间窗总数；
Figure BDA00029585156900000913
表示任务ti在敏捷卫星sj上的第a个固定俯仰的可见时间窗，
Figure BDA00029585156900000914
是开始时间，
Figure BDA00029585156900000915
是结束时间，
Figure BDA00029585156900000916
表示任务ti在敏捷卫星sj上第a个的固定俯仰的可见时间窗的理想侧摆角度(观测条带的中心线过任务位置)，
Figure BDA00029585156900000917
是观测俯仰角度；
Figure BDA00029585156900000918
表示观测开始时间，
Figure BDA00029585156900000919
表示观测结束时间，
Figure BDA00029585156900000920
表示观测侧摆角度；
Figure BDA0002958515690000101
表示地面站gk的固定俯仰的可见时间窗集合；
Figure BDA0002958515690000102
表示地面站gk在敏捷卫星sj上的固定俯仰的可见时间窗集合，
Figure BDA0002958515690000103
是地面站gk在敏捷卫星sj上的固定俯仰的可见时间窗总数；
Figure BDA0002958515690000104
表示地面站gk在敏捷卫星sj上的第b个固定俯仰的可见时间窗，
Figure BDA0002958515690000105
是开始时间，
Figure BDA0002958515690000106
是结束时间；
ΔHj，ΔVj，asj，rvj，pvj，bj，ej，Mj，Ej，
Figure BDA0002958515690000107
αj，βj，ρj和ωj分别是敏捷卫星sj俯仰方向上的视场角，侧摆方向上的视场角，姿态稳定时间，侧摆速度，俯仰速度，开机时间，关机时间，最大存储容量，每个轨道内最大能量，最大轨道数目，观测存储消耗率，观测能量消耗率，数据传输能量消耗率和机动能量消耗率；
Figure BDA0002958515690000108
表示在敏捷卫星sj上任务ti的第a个固定俯仰的可见时间窗和任务ti'的第a'个固定俯仰的可见时间窗是否相邻且都被执行，如果是等于1，否则等于0。
每个敏捷卫星上虚拟一个地面站的固定俯仰的可见时间窗，便于在应急调度时遍历两个地面站的固定俯仰的可见时间窗之间的任务，连续两个地面站的固定俯仰的可见时间窗之间的任务的固定俯仰的可见时间窗集合为
Figure BDA0002958515690000109
Figure BDA00029585156900001010
表示敏捷卫星sj第n圈次内的地面站、常规任务和应急任务的固定俯仰的可见时间窗集合；
Figure BDA00029585156900001011
表示任务ti在敏捷卫星sj上的第a个固定俯仰的可见时间窗是否被执行，若是等于1，否则等于0。
Figure BDA00029585156900001012
表示地面站gk在敏捷卫星sj上的第b个固定俯仰的可见时间窗是否接收数据，若是，等于1，否则等于0。
名词说明：
可变俯仰的可见时间窗是指敏捷卫星以最大俯仰角观测地面目标到以最小俯仰角观测不到地面目标的时间段。
固定俯仰的可见时间窗是指以一个固定的俯仰角度观测地面目标的时间段，在图1至图8中简称为可见时间窗或时间窗。
冲突任务是指致使待插入任务无法直接插入的任务。
可以分为三类：
第一类冲突任务是它们的观测时间窗与待插入任务的固定俯仰的可见时间窗有重叠的任务，固定俯仰的可见时间窗冲突任务集合记为TWT，同时为了更好的遍历冲突任务之间空闲时间段，将固定俯仰的可见时间窗的前一任务和后一任务也做为冲突任务。
第二类冲突任务是它们的观测时间窗与待插入任务的固定俯仰的可见时间窗有相同前后地面站的固定俯仰的可见时间窗，并且它们的观测存储和待插入任务的观测存储会形成敏捷卫星存储超载，存储冲突任务集合记为ST。
第三类冲突任务是它们的观测时间窗与待插入任务的固定俯仰的可见时间窗在敏捷卫星的同一圈次内，并且它们的观测消耗能量和待插入敏捷卫星的观测消耗能量会形成敏捷卫星能量不足，能量冲突任务集合记为ENT。
冲突是指冲突任务的组合，可以分为三类，
第一类冲突是删除一个冲突后就可以满足待插入任务观测时长，固定俯仰的可见时间窗冲突集合记为TWC。
第二类冲突是删除一个冲突后就可以满足与待插入任务有相同前后地面站的固定俯仰的可见时间窗，并且它们的观测存储和待插入任务的观测存储不会形成敏捷卫星存储超载，存储冲突集合记为SC。
第三类冲突是删除一个冲突后就可以满足同一圈次内它们的观测消耗能量和待插入敏捷卫星的观测消耗能量不会形成敏捷卫星能量不足，能量冲突集合记为ENC。
如图1所示，举例说明冲突任务和冲突：
假设每个任务观测消耗的存储和能量都一样，在插入任务时，如果存在时间窗约束、存储约束和能量约束不满足，则任务ti在敏捷卫星sj上的固定俯仰的可见时间窗
Figure BDA0002958515690000111
拥有的
固定俯仰的可见时间窗冲突任务集合TWT＝{{t3}{t4}{t5}{t6}}，
固定俯仰的可见时间窗冲突集合TWC＝{{t4}{t5}}，
存储冲突任务集合ST＝{{t2}{t3}{t4}{t5}{t6}{t7}{t8}}，
存储冲突集合SC＝{{t3}{t4}{t5}{t6}{t7}{t8}}，
能量冲突任务集合ENT＝{{t1}{t2}{t3}{t4}{t5}{t6}{t7}}，
能量冲突集合ENC＝{{t1}{t2}{t3}{t4}{t5}{t6}}
实施例1：
如图2所示，本发明提供了一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法，该方法由计算机执行，该方法包括：
S1、获取规划信息；
S2、对所有可变俯仰的可见时间窗依据离散度进行划分，将其离散为多个固定俯仰的可见时间窗；
S3、按紧急程度对未规划应急任务集ET中的应急任务从高至低排序；
S4、从未规划应急任务集ET中遍历选取一个应急任务；
S5、判断是否满足执行应急任务的直接插入策略的条件；若是，执行应急任务的直接插入策略，再执行S10；否则，执行S6；
S6、判断是否满足执行应急任务的移位插入策略的条件；若是，执行应急任务的移位插入策略，再执行S10；否则，执行S7；
S7、判断是否满足执行应急任务的任务和地面站直接插入策略的条件；若是，执行应急任务的任务和地面站直接插入策略，再执行S10；否则，执行S8；
S8、判断是否满足执行应急任务的移位插入和地面站插入策略的条件；若是，执行应急任务的移位插入和地面站插入策略，再执行S10；否则，执行S9；
S9、判断是否满足执行应急任务的删除插入策略的条件；若是，执行应急任务的删除插入策略，再执行S10；否则，直接执行S10；
S10、判断未规划应急任务集ET是否遍历完成，如果是，进入S11，否则返回S4；
S11、从未规划常规任务集GT中遍历选取一个常规任务；
S12、判断是否满足执行常规任务的直接插入策略的条件；若是，执行常规任务的直接插入策略，再执行S15；否则，执行S13；
S13、判断是否满足执行常规任务的移位插入策略的条件；若是，执行常规任务的移位插入策略，再执行S15；否则，执行S14；
S14、判断是否满足执行常规任务的删除插入策略的条件；若是，执行常规任务的删除插入策略，再执行S15；否则，直接执行S15；
S15、判断未规划常规任务集GT是否遍历完成；若是，输出调度方案，否则，返回S11。
本实施例的有益效果为：
在调度算法中考虑地面站的固定俯仰的可见时间窗的插入机会，在不满足敏捷卫星存储约束的情况下，插入合适的地面站的固定俯仰的可见时间窗，将敏捷卫星存储数据及时下传到地面站，减少敏捷卫星成像数据负载，提供任务更多插入机会，提高整体任务完成率。
在算法调度过程中，依据设计的应急任务紧急程度启发式因子，计算应急任务紧急程度，对权值较大、固定俯仰的可见时间窗较少且离完成截止时间较近的任务优先安排，降低先安排任务对后续任务插入机会的影响，提高任务完成率和整体方案收益。
下面对本发明实施例的实现过程进行详细说明：
S1、获取规划信息；
所述规划信息包括：
原调度方案Po，其中包括：
卫星集合
Figure BDA0002958515690000131
已规划应急任务集合
Figure BDA0002958515690000132
初始化为空集合；
已规划常规任务集合
Figure BDA0002958515690000133
未规划应急任务集合
Figure BDA0002958515690000134
未规划常规任务集合
Figure BDA0002958515690000141
初始化为空集合，
地面站任务集合
Figure BDA0002958515690000142
可变俯仰的可见时间窗集合VPVTW，
观测任务ti∈{GT∪ET∪DET∪DGT}，且每个任务观测消耗的存储和能量都一样。
其中，为了在考虑俯仰时间、任务完成截止日期、存储和能量消耗约束的条件下，使规划任务总权重最大化，因此，原调度方案Po和新调度方案Pnew的设计思路为：
考虑俯仰时间、任务完成截止日期、存储和能量消耗约束，建立以规划任务总权重最大化为目标的任务调度模型。
其中任务调度模型的目标函数为：
Figure BDA0002958515690000143
且所述目标函数满足如下约束如下：
约束1、任务完成次数和截止时间约束：每个成像任务最多只能被执行一次，且任务观测时间在任务完成截止时间之前，即：
Figure BDA0002958515690000144
约束2、同一颗敏捷卫星先后两个执行任务之间必须满足机动时间，同一颗敏捷卫星不能同时向两个地面站进行数据传输，每个地面站同一时刻只能接收一颗敏捷卫星传输的数据，即：
Figure BDA0002958515690000151
约束3、时间窗约束：每个任务的观测时间窗必须在俯仰角度对应的固定俯仰的可见时间窗内，并且观测时间窗条带能够覆盖目标任务，即：
Figure BDA0002958515690000152
约束4、存储约束：每个敏捷卫星在执行任务的过程中存储量不能超过其最大存储量；能量约束：每个圈次内消耗的能量不能超过敏捷卫星最大能量，即：
Figure BDA0002958515690000153
在任务调度模型中考虑俯仰时间、任务完成截止时间和能量消耗约束，建立更加精细化的任务调度模型，保证调度方案更加符合实际要求，提高应急任务完成可行性。
为了实现上述设计思路，因此采用下面的步骤来得到新调度方案，
S2、如图3所示，对所有可变俯仰的可见时间窗依据离散度进行划分，将其离散为多个固定俯仰的可见时间窗；其中：
离散度确定：根据每颗敏捷卫星和每个任务，计算子离散度：
Figure BDA0002958515690000161
其中，离散度ΔP＝min{ΔPij|ti∈T,sj∈S}，可确保所有敏捷卫星有相同离散度。
其中，T是任务集合，ti是第i个任务，di表示任务ti的观测时长，S表示敏捷卫星集合，sj表示第j个敏捷卫星，Lj是敏捷卫星sj固定俯仰角时的观测条带覆盖地面目标的时间长度，ΔHj和pvj表示敏捷卫星sj俯仰方向的视场角和俯仰速度。
划分规则：根据一个可变俯仰的可见时间窗
Figure BDA0002958515690000162
计算固定俯仰的可见时间窗数目：
Figure BDA0002958515690000163
Pj表示敏捷卫星sj的最大俯仰角；
然后计算每个固定俯仰的可见时间窗：
Figure BDA0002958515690000164
其中：
Figure BDA0002958515690000165
或
Figure BDA0002958515690000166
或
Figure BDA0002958515690000167
Figure BDA0002958515690000168
表示固定俯仰的可见时间窗
Figure BDA0002958515690000169
的观测俯仰角，
Figure BDA00029585156900001610
为正数表示向前俯仰，否则，为非正数。
通过划分，可将多个可变俯仰的可见时间窗离散为更多的固定俯仰的可见时间窗。
S3、按紧急程度对未规划应急任务集ET中的应急任务从高至低排序；具体包括：
计算应急任务ti∈ET的紧急程度δi；
其中，应急任务ti的紧急程度计算公式为：
Figure BDA0002958515690000171
其中，Tk是当前调度时刻。
依据应急任务ti的紧急程度δi，对应急任务集ET中的任务ti按从高到低进行排序。
能够使得离任务完成期限较近、任务固定俯仰的可见时间窗较少和任务权值较大的应急任务尽早被安排，减少对后续应急任务插入机会的影响，提高整体方案收益。
S4、从未规划应急任务集ET中遍历选取一个应急任务，即按紧急程度δi从高到低，依次选取应急任务进行后续的处理。
S5、判断是否满足执行应急任务的直接插入策略的条件；若是，执行应急任务的直接插入策略，再执行S10；否则，执行S6。
如图4所示，所述应急任务的直接插入策略为：遍历当前应急任务ti∈ET的固定俯仰的可见时间窗TWi，如果调度方案中拥有满足应急任务观测时长的空闲时间段(即存在固定俯仰的可见时间窗
Figure BDA0002958515690000172
可以插入应急任务ti)且同时插入后满足敏捷卫星存储和能量约束，则对应急任务ti进行直接插入操作，即将应急任务插入到该空闲时间段中。
S6、判断是否满足执行应急任务的移位插入策略的条件；若是，执行应急任务的移位插入策略，再执行S10；否则，执行S7。
如图5所示，所述应急任务的移位插入策略为：遍历当前应急任务ti∈ET的固定俯仰的可见时间窗TWi，在调度方案中不存在满足应急任务观测时长的空闲时间段，且同时插入后满足敏捷卫星存储和能量约束时，对相邻冲突任务在其固定俯仰的可见时间窗内进行向前和向后无冲突移动，然后计算移位后的空闲时间段长度，如果移位后的空闲时间段长度满足应急任务观测时长，则对应急任务ti进行插入操作。
S7、判断是否满足执行应急任务的任务和地面站直接插入策略的条件；若是，执行应急任务的任务和地面站直接插入策略，再执行S10；否则，执行S8；
如图6所示，所述应急任务的任务和地面站直接插入策略为：遍历当前应急任务ti的固定俯仰的可见时间窗TWi，如果调度方案中拥有满足应急任务观测时长的空闲时间段，只是存在存储超载现象(即不满足存储约束)，但拥有合适的地面站的固定俯仰的可见时间窗能够插入到地面站方案中，则在调度方案中插入所述地面站的固定俯仰的可见时间窗，并对应急任务进行插入操作。
S8、判断是否满足执行应急任务的移位插入和地面站插入策略的条件；若是，执行应急任务的移位插入和地面站插入策略，再执行S10；否则，执行S9。
如图7所示，所述应急任务的移位插入和地面站插入策略为：遍历当前应急任务ti的固定俯仰的可见时间窗TWi，在调度方案中对相邻冲突任务在其固定俯仰的可见时间窗内进行向前和向后无冲突移动，然后计算移位后的空闲时间段长度，如果移位后的空闲时间段长度满足应急任务观测时长，只是存在存储超载现象，但拥有合适的地面站的固定俯仰的可见时间窗能够插入到地面站方案中，则在调度方案中插入所述地面站的固定俯仰的可见时间窗，并对应急任务进行插入操作。
S9、判断是否满足执行应急任务的删除插入策略的条件；若是，执行应急任务的删除插入策略，再执行S10；否则，直接执行S10；
如图8所示，所述应急任务的删除插入策略为：遍历当前应急任务ti的固定俯仰的可见时间窗TWi，判断是否存在固定俯仰的可见时间窗内拥有满足应急任务观测时长的空闲时间段，
如果存在，则需要删除的固定俯仰的可见时间窗冲突NTWC为空集，即
Figure BDA0002958515690000191
否则选择固定俯仰的可见时间窗冲突集合TWC中权值之和最小的冲突TWCi∈TWC，作为需要删除的固定俯仰的可见时间窗冲突，即NTWC＝TWCi；
判断删除固定俯仰的可见时间窗冲突后是否满足存储约束，如果满足，则需要删除的存储冲突为空集，即
Figure BDA0002958515690000192
否则，选择存储冲突集合SC中权值之和最小的冲突SCj∈SC，作为需要删除的存储冲突，即NSC＝SCj；
判断删除存储冲突后是否满足能量约束，如果满足，则需要删除的能量冲突为空集，即
Figure BDA0002958515690000193
否则，选择能量冲突集合ENC中权值之和最小的冲突ENCk∈ENC，作为需要删除的能量冲突，即NENC＝ENCk；
最后将NTWC∪NSC∪NENC添加至待删除冲突集合；
固定俯仰的可见时间窗遍历完成后，若待删除冲突集合中存在冲突的权值之和比应急任务的权值小且为最小权值，则进行删除，然后对应急任务进行插入操作；
将删除的冲突中的任务都添加到相应类型的未规划任务集中。在遍历任务集过程中，可对该任务重新插入。
S10、判断未规划应急任务集ET是否遍历完成，如果是，进入S11，否则返回S4；
S11、从未规划常规任务集GT中遍历选取一个常规任务ti∈GT。即依次选取常规任务进行后续的处理。
S12、判断是否满足执行常规任务的直接插入策略的条件；若是，执行常规任务的直接插入策略，再执行S15；否则，执行S13。
所述常规任务的直接插入策略和应急任务的直接插入策略相同，即判断选择的常规任务ti∈GT的所有固定俯仰的可见时间窗集TWi中是否有固定俯仰的可见时间窗
Figure BDA0002958515690000201
可以插入常规任务且满足存储和能量约束，如果是则插入。
S13、判断是否满足执行常规任务的移位插入策略的条件；若是，执行常规任务的移位插入策略，再执行S15；否则，执行S14
所述常规任务的移位插入策略与应急任务的移位插入策略相同，即对无法进行直接插入的常规任务ti∈GT，判断常规任务ti的固定俯仰的可见时间窗的相邻冲突任务在其固定俯仰的可见时间窗内向前和向后无冲突移动后，是否可以插入常规任务ti且满足存储和能量约束，如果是，则移动冲突任务，插入常规任务ti。
S14、判断是否满足执行常规任务的删除插入策略的条件；若是，执行常规任务的删除插入策略，再执行S15；否则，直接执行S15。
所述常规任务的删除插入策略与应急任务的删除插入策略相同，即上述策略无法实现常规任务插入时，判断是否存在比任务ti权值小的待删除冲突，如果存在，则从中删除权值之和最小的待删除冲突，再插入常规任务ti，并将删除的冲突中的任务加入到相应类型的未规划任务集。
S15、判断未规划常规任务集GT是否遍历完成；若是，输出当前的调度方案Pnew，算法停止；否则，返回S11。
实施例2
本发明还提供了一种面向敏捷卫星资源的应急调度系统，所述系统包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
可理解的是，本发明实施例提供的面向敏捷卫星资源的应急调度系统与上述面向敏捷卫星资源的应急调度方法相对应，其有关内容的解释、举例、有益效果等部分可以参考面向敏捷卫星资源的应急调度方法中的相应内容，此处不再赘述。
综上所述，与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
①设计了一种可变俯仰的可见时间窗划分规则，对俯仰角度进行离散，将可变俯仰的可见时间窗离散为多个固定俯仰的可见时间窗，并且连续固定俯仰的可见时间窗之间应该具有一定的重叠时间，保证固定俯仰的可见时间窗划分在时间上的连续性。
②在任务调度模型中考虑俯仰时间、任务完成截至时间和能量消耗约束，建立更加精细化的任务调度模型，保证调度方案更加符合实际要求，提高应急任务完成可行性。
③在调度算法中考虑地面站的固定俯仰的可见时间窗的插入机会，在不满足敏捷卫星存储约束的情况下，插入合适的地面站的固定俯仰的可见时间窗，将敏捷卫星存储数据及时下传到地面站，减少敏捷卫星成像数据负载，提供任务更多插入机会，提高整体任务完成率。
④在算法调度过程中，依据设计的应急任务紧急程度启发式因子，计算应急任务紧急程度，对权值较大、固定俯仰的可见时间窗较少且离完成截止时间较近的任务优先安排，降低先安排任务对后续任务插入机会的影响，提高任务完成率和整体方案收益。
需要说明的是，通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法，其特征在于，该方法包括：
S1、获取规划信息；
S2、对所有可变俯仰的可见时间窗依据离散度进行划分，将其离散为多个固定俯仰的可见时间窗；
S3、按紧急程度对未规划应急任务集ET中的应急任务从高至低排序；
S4、从未规划应急任务集ET中遍历选取一个应急任务；
S5、判断是否满足执行应急任务的直接插入策略的条件；若是，执行应急任务的直接插入策略，再执行S10；否则，执行S6；
S6、判断是否满足执行应急任务的移位插入策略的条件；若是，执行应急任务的移位插入策略，再执行S10；否则，执行S7；
S7、判断是否满足执行应急任务的任务和地面站直接插入策略的条件；若是，执行应急任务的任务和地面站直接插入策略，再执行S10；否则，执行S8；
S8、判断是否满足执行应急任务的移位插入和地面站插入策略的条件；若是，执行应急任务的移位插入和地面站插入策略，再执行S10；否则，执行S9；
S9、判断是否满足执行应急任务的删除插入策略的条件；若是，执行应急任务的删除插入策略，再执行S10；否则，直接执行S10；
S10、判断未规划应急任务集ET是否遍历完成，如果是，进入S11，否则返回S4；
S11、从未规划常规任务集GT中遍历选取一个常规任务；
S12、判断是否满足执行常规任务的直接插入策略的条件；若是，执行常规任务的直接插入策略，再执行S15；否则，执行S13；
S13、判断是否满足执行常规任务的移位插入策略的条件；若是，执行常规任务的移位插入策略，再执行S15；否则，执行S14；
S14、判断是否满足执行常规任务的删除插入策略的条件；若是，执行常规任务的删除插入策略，再执行S15；否则，直接执行S15；
S15、判断未规划常规任务集GT是否遍历完成；若是，输出调度方案，否则，返回S11。
2.如权利要求1所述的一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法，其特征在于，所述规划信息包括：
原调度方案Po，
卫星集合
Figure FDA0002958515680000021
已规划应急任务集合
Figure FDA0002958515680000022
已规划常规任务集合
Figure FDA0002958515680000023
未规划应急任务集合
Figure FDA0002958515680000024
未规划常规任务集合
Figure FDA0002958515680000025
地面站任务集合
Figure FDA0002958515680000026
可变俯仰的可见时间窗集合VPVTW。
3.如权利要求1所述的一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法，其特征在于，所述对所有可变俯仰的可见时间窗依据离散度进行划分，将其离散为多个固定俯仰的可见时间窗包括：
S201、根据每颗敏捷卫星和每个任务，计算子离散度：
Figure FDA0002958515680000027
其中，离散度ΔP＝min{ΔPij|ti∈T,sj∈S}，
ΔHj表示敏捷卫星sj俯仰方向的视场角，
di表示任务ti的观测时长，
S表示敏捷卫星集合，sj表示第j个敏捷卫星，
pvj表示敏捷卫星sj俯仰速度，
Lj是敏捷卫星sj固定俯仰角时的观测条带覆盖地面目标的时间长度，
T＝DET∪DGT∪ET∪GT表示总任务集合，ti是第i个任务；
S202、根据一个可变俯仰的可见时间窗
Figure FDA0002958515680000031
计算固定俯仰的可见时间窗数目：
Figure FDA0002958515680000032
其中，Pj表示敏捷卫星sj的最大俯仰角；
S203、计算每个固定俯仰的可见时间窗：
Figure FDA0002958515680000033
且
Figure FDA0002958515680000034
Figure FDA0002958515680000035
Figure FDA0002958515680000036
其中，
Figure FDA0002958515680000037
表示任务ti在敏捷卫星sj上的第a个固定俯仰的可见时间窗，
Figure FDA0002958515680000038
是开始时间，
Figure FDA0002958515680000039
是结束时间，
Figure FDA00029585156800000310
表示任务ti在敏捷卫星sj上第a个的固定俯仰的可见时间窗的理想侧摆角度(观测条带的中心线过任务位置)，
Figure FDA00029585156800000311
是观测俯仰角度；
Figure FDA00029585156800000312
表示任务ti在敏捷卫星sj上的第u个可变俯仰的可见时间窗；
Figure FDA00029585156800000313
是开始时间，
Figure FDA00029585156800000314
是结束时间，
Figure FDA00029585156800000315
表示任务ti在敏捷卫星sj上第u个的固定俯仰的可见时间窗的理想侧摆角度。
4.如权利要求1所述的一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法，其特征在于，所述直接插入策略为：
遍历当前任务的固定俯仰的可见时间窗，如果调度方案中拥有满足任务观测时长的空闲时间段且同时插入后满足敏捷卫星存储和能量约束，则对任务进行直接插入操作。
5.如权利要求1所述的一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法，其特征在于，所述移位插入策略为：
遍历当前任务的固定俯仰的可见时间窗，在调度方案中不存在满足任务观测时长的空闲时间段，且同时插入后满足敏捷卫星存储和能量约束时，对相邻冲突任务在其固定俯仰的可见时间窗内进行向前和向后无冲突移动，然后计算移位后的空闲时间段长度，如果移位后的空闲时间段长度满足任务观测时长，则对任务进行插入操作。
6.如权利要求1所述的一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法，其特征在于，所述任务和地面站直接插入策略为：
遍历当前任务的固定俯仰的可见时间窗，如果调度方案中拥有满足应急任务观测时长的空闲时间段，只是存在存储超载现象，但拥有合适的地面站的固定俯仰的可见时间窗能够插入到地面站方案中，则在调度方案中插入所述地面站的固定俯仰的可见时间窗，并对应急任务进行插入操作。
7.如权利要求1所述的一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法，其特征在于，所述移位插入和地面站插入策略为：
遍历当前任务的固定俯仰的可见时间窗，在调度方案中对相邻冲突任务在其固定俯仰的可见时间窗内进行向前和向后无冲突移动，然后计算移位后的空闲时间段长度，如果移位后的空闲时间段长度满足任务观测时长，只是存在存储超载现象，但拥有合适的地面站的固定俯仰的可见时间窗能够插入到地面站方案中，则在调度方案中插入所述地面站的固定俯仰的可见时间窗，并对任务进行插入操作。
8.如权利要求1所述的一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法，其特征在于，所述删除插入策略为：
判断是否存在比任务权值小的待删除冲突，如果存在，则从中删除权值之和最小的待删除冲突，再插入任务，并将删除的冲突中的任务加入到相应类型的未规划任务集；
其中，待删除冲突包括需要删除的固定俯仰的可见时间窗冲突、需要删除的存储冲突以及需要删除的能量冲突中的一种或多种。
9.如权利要求1所述的一种面向敏捷卫星资源的应急调度方法，其特征在于，所述存储约束和能量约束为：
存储约束：每个敏捷卫星在执行任务的过程中存储量不能超过其最大存储量；
Figure FDA0002958515680000051
能量约束：每个圈次内消耗的能量不能超过敏捷卫星最大能量，即：
Figure FDA0002958515680000052
其中，
Figure FDA0002958515680000053
表示地面站gk在敏捷卫星sj上的第b个固定俯仰的可见时间窗是否接收数据，若是，等于1，否则等于0；
Figure FDA0002958515680000054
表示任务ti在敏捷卫星sj上的第a个固定俯仰的可见时间窗是否被执行，若是等于1，否则等于0；
Figure FDA0002958515680000055
表示地面站任务集合，
Figure FDA0002958515680000056
是地面站gk在敏捷卫星sj上的固定俯仰的可见时间窗总数；
Figure FDA0002958515680000057
表示地面站gk在敏捷卫星sj上的第b个固定俯仰的可见时间窗，
Figure FDA0002958515680000058
是开始时间，
Figure FDA0002958515680000059
是结束时间；
Figure FDA0002958515680000061
表示观测侧摆角度，
rvj表示侧摆速度，
pvj表示俯仰速度，
Figure FDA0002958515680000062
表示连续两个地面站的固定俯仰的可见时间窗之间的任务的固定俯仰的可见时间窗集合；
αj表示观测存储消耗率，
Mj表示最大存储容量，
Figure FDA0002958515680000063
表示敏捷卫星sj第n圈次内的地面站、常规任务和应急任务的固定俯仰的可见时间窗集合，
βj表示观测能量消耗率，
ρj表示数据传输能量消耗率，
Figure FDA0002958515680000064
表示在敏捷卫星sj上任务ti的第a个固定俯仰的可见时间窗和任务ti'的第a'个固定俯仰的可见时间窗是否相邻且都被执行，如果是等于1，否则等于0，
ωj表示机动能量消耗率，
Ej表示每个轨道内最大能量，
Figure FDA0002958515680000065
表示最大轨道数目。
10.一种面向敏捷卫星资源的应急调度系统，所述系统包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至9任一所述方法的步骤。
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