CN113313348B - 卫星任务规划方法、装置、存储介质和电子设备 - Google Patents

卫星任务规划方法、装置、存储介质和电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种卫星任务规划方法、装置、存储介质和电子设备，涉及卫星任务技术领域。本发明的设计的优化算法在迭代中可以接受不可行解，这样将显著提大搜索范围，提高搜索能力，因为从一个可行解出发去寻找一个更好的可行解难度较大，如果中间以一个不可行解作为桥梁，则有利于降低搜索难度，能更好的寻求最优解，得到的优化任务规划方法能有效的提高卫星资源整体利用率。

Description

卫星任务规划方法、装置、存储介质和电子设备
技术领域
本发明涉及卫星任务技术领域，具体涉及一种卫星任务规划方法、装置、存储介质和电子设备。
背景技术
近年来，随着卫星应用范围越来越广，在轨运行的卫星数量也逐年上升，同时观测任务的需求也日益的复杂、多样，所以如何为观测任务合理的安排卫星资源进行观测，即能满足观测任务的需求，又能够最大限度的利用卫星资源已经成为卫星技术广泛应用急需解决的问题。
一般通过任务规划提高卫星资源的利用率。任务规划的含义是指对待执行的观测任务进行排程、资源匹配，并通过对资源匹配优化，提高卫星的利用率。
然而，现有的卫星任务规划优化方法一般是利用元启发式算法快速生成，虽然思想简单易于实现，但是求解效果一般，即寻优效果差，导致卫星资源利用率较低。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种卫星任务规划方法、装置、存储介质和电子设备，解决了现有卫星任务规划方法卫星资源利用率较低的技术问题。
(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，本发明实施例一种卫星任务规划方法，包括以下步骤：
S1、获取卫星集合和观测任务集合；
S2、从卫星集合中选出当前规划卫星；
S3、对所述当前规划卫星进行任务资源匹配；
S4、从所述未规划卫星集合中删除所述当前规划卫星，更新未规划卫星集合，返回步骤S2，直到没有卫星资源能够再进行规划，结束任务规划，生成初始任务规划序列；
S5、构建卫星任务规划优化模型；
S6、基于所述初始任务规划序列、所述卫星任务规划优化模型和改进的邻域搜索算法获取最终的优化任务规划方案，所述改进的邻域搜索算法的改进之处包括在迭代中可以接受不可行解。
优选的，所述从卫星集合中选出当前规划卫星包括：
利用公式
Figure GDA0003775264980000021
选出当前规划卫星Sn'，S'表示未规划卫星集合，S'初始等于S，S＝{S1,S2,...,Sn,...,SN}表示卫星集合，
Figure GDA0003775264980000022
表示卫星Sn最大储存能量，
Figure GDA0003775264980000023
表示卫星Sn的最大储存容量，φ，
Figure GDA0003775264980000024
为平衡量纲参数。
优选的，所述对当前规划卫星进行任务资源匹配包括：
S301、从未安排任务集合中选择一个最早开始观测时间最早的任务，作为所述当前规划卫星Sn'的首任务，所述未安排任务集合初始为所述观测任务集合，检验所述首任务和所述当前规划卫星Sn'是否满足多种约束，如果满足，将该任务插入到所述当前规划卫星Sn'的执行任务序列中，并在所述未安排任务集合中删除该任务，更新未安排任务集合，执行步骤S302，否则，换下一个未安排任务作为首任务尝试进行插入，如果所有的未安排任务都无法插入，跳到步骤S4；
S302、从未安排任务集合中选择卫星姿势转换时间和等待时间之和最短的任务作为待安排任务，检验所述待安排任务和前规划卫星Sn'是否满足多种约束，如果满足，将该任务插入到所述当前规划卫星Sn'的执行任务序列中，并在未安排任务集合中删除该任务，更新未安排任务集合，重复执行步骤S302，否则，换下一个未安排任务尝试进行插入，如果所有的未安排任务都无法插入，跳到步骤S4。
优选的，所述卫星任务规划优化模型包括：
适应度函数为
Figure GDA0003775264980000031
其中：
Figure GDA0003775264980000032
表示完成任务Tm的观测得到的收益；
Figure GDA0003775264980000033
表示违反约束惩罚值，如果规划方案解Rsolution为可行解
Figure GDA0003775264980000034
否则
Figure GDA0003775264980000035
分别表示解的能量约束惩罚值、储存容量约束惩罚值、时间窗约束惩罚值以及最长工作时间约束惩罚值
Figure GDA0003775264980000036
β，λ、
Figure GDA0003775264980000037
为平衡量纲参数；Rsolution＝{R1,R2,...Rn,...RN}表示一个任务规划方案；Rn表示卫星Sn的执行任务序列，按照卫星Sn依次执行观测任务的先后顺序排列而成；
约束条件包括：
能量约束惩罚约束、储存容量约束惩罚约束、时间约束惩罚约束和最长工作时间惩罚约束，其计算公式如下：
Figure GDA0003775264980000041
其中：
Figure GDA0003775264980000042
表示0和
Figure GDA0003775264980000043
之间的较大值；
Figure GDA0003775264980000044
表示Sn已观测任务消耗的能量，
Figure GDA0003775264980000045
表示卫星Sn观测单位时间消耗的能量，
Figure GDA0003775264980000046
表示任务Tm观测所需时间；
Figure GDA0003775264980000047
表示Sn偏转角进行调整时消耗的能量，其中xijn为0，1变量，当卫星Sn在观测任务Ti后观测任务Tj，xijn＝1，否则的话等于0；
Figure GDA0003775264980000048
表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tj之间的调整时间；
Figure GDA0003775264980000049
表示卫星Sn单位时间姿势调整消耗的能量；
Figure GDA00037752649800000410
其中：
Figure GDA00037752649800000411
表示0和
Figure GDA00037752649800000412
之间的较大值；
Figure GDA00037752649800000413
表示当前规划卫星Sn已经消耗的储存容量，
Figure GDA00037752649800000414
表示当前规划卫星Sn观测单位时间消耗的储存容量，
Figure GDA00037752649800000415
表示任务Tm观测所需时间，
Figure GDA00037752649800000416
表示卫星Sn观测任务Tm需要耗费的储存容量，
Figure GDA00037752649800000417
为卫星Sn的最大储存容量；
Figure GDA00037752649800000418
其中：
Figure GDA00037752649800000419
表示0和
Figure GDA00037752649800000420
之间的较大值，
Figure GDA00037752649800000421
表示任务Tm的最迟开始观测时间，
Figure GDA00037752649800000422
表示卫星Sn尝试对任务Tm执行观测的时间，
Figure GDA0003775264980000051
表示
Figure GDA0003775264980000052
和
Figure GDA0003775264980000053
之间的较大值，Ti表示卫星Sn执行任务Tm之前执行的观测任务，
Figure GDA0003775264980000054
表示卫星Sn尝试对任务Ti执行观测的时间，如果Ti为Sn第一个观测任务，
Figure GDA0003775264980000055
表示任务Ti的最早开始观测时间；timn表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tm之间的调整时间，
Figure GDA0003775264980000056
表示任务Ti观测所需时间；
Figure GDA0003775264980000057
其中：
Figure GDA0003775264980000058
表示0和
Figure GDA0003775264980000059
之间的较大值，
Figure GDA00037752649800000510
为卫星最长工作时间，
Figure GDA00037752649800000511
为卫星实际工作时间，它主要由三部分组成，
Figure GDA00037752649800000512
表示卫星执行任务观测时间，
Figure GDA00037752649800000513
表示任务Tm观测所需时间；
Figure GDA00037752649800000514
表示卫星姿势转换所消耗的时间，其中xijn为0，1变量，当卫星Sn在观测任务Ti后观测任务Tj，xijn＝1，否则的话等于0；
Figure GDA00037752649800000515
表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tj之间的姿势调整时间；
Figure GDA00037752649800000516
表示卫星Sn所消耗的等待时间，
Figure GDA00037752649800000517
表示
Figure GDA00037752649800000518
和0之间的较大值，
Figure GDA00037752649800000519
表示任务Tm的最早开始观测时间，
Figure GDA00037752649800000520
表示当前规划卫星Sn尝试对任务Tm执行观测的时间，
Figure GDA00037752649800000521
表示
Figure GDA00037752649800000522
和
Figure GDA00037752649800000523
之间的较大值，Ti表示当前规划卫星Sn执行任务Tm之前执行的观测任务，timn表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tm之间的调整时间，
Figure GDA00037752649800000524
表示任务Ti观测所需时间。
优选的，基于所述初始任务规划序列、所述卫星任务规划优化模型和改进的邻域搜索算法获取最终的优化任务规划方案，包括：
S601、进行参数初始化，输入所需参数终止系数Wend＝0.1、下降系数Wfall＝0.93、邻域解数量N＝300、当前系数Wnow＝1000，初始规划方案Rinitial，未安排任务集合T'，将初始规划方案Rinitial设置为当前解和最好解，Rnow和Rbest分别用于记录当前解和最好解的适应度值；
S602、随机选择一个邻域操作算子转换当前解生成一个邻域解，重复这个操作直到邻域解的数量达到N，邻域操作算子共有两个分别是交换算子和插入算子；
S603、依次计算N个邻域解的适应度值，取出其中适应度值最高的邻域解，将该邻域解设置为候选解，Rcan用于记录候选解的适应度值；
S604、如果候选解的适应度值大于当前解适应度值，则候选解成为新一代的当前解，否则的话计算
Figure GDA0003775264980000061
是否成立，如果成立则候选解成为新一代的当前解，否则维持当前解不变，Wnow表示当前系数，Random(0,1)用于生成0到1之间随机生成的数据；
S605、判断候选解的违反约束惩罚值是否为0，当不为0时，则保持最好解不变，为0时，则判断Rcan和Rbest的大小，如果Rcan≥Rbest,候选解成为新一轮的最好解，否则保持最好解不变；
S606、当前解和最好解更新完毕后，更新参数Wnow＝Wnow*Wfall，Wnow表示当前系数，Wfall表示下降系数；
S607、如果Wnow≤Wend，算法终止输入最好解，最好解即为最终的优化任务规划方案，否则的话转到S602开始重复迭代直到达到算法终止条件。
优选的，所述交换算子包括：
在当前解中任选一条卫星执行任务序列Rn，从Rn中任意选一段执行任务序列Ra；从未执行任务集合T'中选出若干个卫星Sn可执行的观测任务，将这若干个观测任务按照时间窗先后的排序形成一段任务序列Rb；将这任务序列Ra和任务序列Rb进行交换；
和/或
所述插入算子包括：
在当前解中任选一条卫星执行任务序列Rn，从未执行任务集合T'中取若干个卫星Sn可执行的观测任务并将其按照时间窗先后进行一个排序形成一段任务序列Rc；将任务序列Rc插入到Rn中一个B(Rn)最大的地方，
Figure GDA0003775264980000071
表示Rn的适应度值。
优选的，所述方法还包括：
在步骤S7中得到最终的优化任务规划方案后，判断未安排任务集合T'中的未安排任务能否与最终的优化任务规划方案中已安排任务进行合成观测，合成观测的步骤如下：
C1、根据编号依次选出卫星Sn，每个卫星Sn都对应一个执行任务序列Rn，Rn根据卫星执行任务先后顺序排列而成；
C2、从Rn中按照卫星Sn执行任务顺序依次选出已安排任务Ta，Ta∈Rn；如果Sn中的已安排任务全部被选出，则转C1重新选择卫星；
C3、从未安排任务集合T'选出卫星Sn可执行的任务，按照时间窗先后顺序进行排序，构成待合成任务集合Tn；
C4、从集合Tn依次选出待合成任务Tb，Tb∈Tn；
C5、判断任务Ta和Tb是否满足合成观测条件，若满足，则新建一个任务Tc，Tc由Ta和Tb组成，Tc除了收益所有的属性与Ta一致，
Figure GDA0003775264980000081
将任务Tc和Rn中Ta进行替换；替换代表卫星Sn原本执行任务Ta，现在变成执行任务Tc，否则，转步骤C4重新选择待合成任务Tb，如果所有的待合成任务都无法合成，则转C2重新选择以安排任务Ta，重复上述步骤直到所有的已安排任务全部被选择。
所述合成观测条件包括：
安排任务Ta和未安排任务Tb满足时间约束和角度约束；
利用
Figure GDA0003775264980000082
检验是否满足角度约束，Ta为规划方案Rsolution＝{R1,R2,...Rn,...RN}中的已安排任务，Tb为未安排任务集合T'中的未安排任务，如果Tb的最佳观测角度在Ta的最小和最大观测角度之间，则满足角度约束；
利用
Figure GDA0003775264980000083
检验是否满足时间窗约束，Ta为规划方案Rsolution＝{R1,R2,...Rn,...RN}中的已安排任务，Tb为T'中的未安排任务，如果Ta的观测时间窗把Tb的观测时间窗覆盖，则满足时间窗约束。
第二方面，本发明实施例提供一种卫星任务规划装置，包括：
资源获取模块，用于获取卫星集合和观测任务集合；
当前规划卫星选择模块，用于从卫星集合中选出当前规划卫星；
资源匹配模块，用于对所述当前规划卫星进行任务资源匹配；
更新模块，用于从所述未规划卫星集合中删除所述当前规划卫星，更新未规划卫星集合，返回当前规划卫星选择模块，直到没有卫星资源能够再进行规划，结束任务规划，生成初始任务规划序列；
模型构建模块，用于构建卫星任务规划优化模型；
求解模块，用于基于所述初始任务规划序列、所述卫星任务规划优化模型和改进的邻域搜索算法获取最终的优化任务规划方案，所述改进的邻域搜索算法的改进之处包括在迭代中可以接受不可行解。
第三方面，本发明实施例一种计算机可读存储介质，其存储用于卫星任务规划的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行如上述所述的卫星任务规划方法。
第四方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器；以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如上述所述的卫星任务规划方法。
(三)有益效果
本发明提供了一种卫星任务规划方法、装置、存储介质和电子设备。与现有技术相比，具备以下有益效果：
本发明的设计的优化算法在迭代中可以接受不可行解，这样将显著提大搜索范围，提高搜索能力，因为从一个可行解出发去寻找一个更好的可行解难度较大，如果中间以一个不可行解作为桥梁，则有利于降低搜索难度，能更好的寻求最优解，得到的优化任务规划方法能有效的提高卫星资源整体利用率。
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为本发明实施例一种卫星任务规划方法的框图。
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卫星任务规划方法、装置、存储介质和电子设备，解决了现有卫星任务规划方法卫星资源利用率较低的技术问题，实现有效的提高卫星资源整体利用率。
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：
卫星任务规划系统的第一步是生成初始任务规划方案，它主要通过输入卫星集合S,观测任务集合T的信息，然后通过操作最终生成初始任务规划方案Rinitial＝{R1,R2,...Rn,...RN}；Rn表示卫星Sn的执行任务序列，它是由卫星Sn依次执行观测任务的先后顺序排列而成。卫星任务规划系统的第二步是利用设计的优化算法对初始任务规划序列进行优化得到最终的规划结果。
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。
本发明实施例提供了一种卫星任务规划方法，该方法由计算机执行，如图1所示，包括以下步骤：
S1、获取卫星集合和观测任务集合；
S2、从卫星集合中选出当前规划卫星；
S3、对所述当前规划卫星进行任务资源匹配；
S4、从所述未规划卫星集合中删除所述当前规划卫星，更新未规划卫星集合，返回步骤S2，直到没有卫星资源能够再进行规划，结束任务规划，生成初始任务规划序列；
S5、构建卫星任务规划优化模型；
S6、基于所述初始任务规划序列、所述卫星任务规划优化模型和改进的邻域搜索算法获取最终的优化任务规划方案，所述改进的邻域搜索算法的改进之处包括在迭代中可以接受不可行解等。
本发明实施例的设计的优化算法在迭代中可以接受不可行解，这样将显著提大搜索范围，提高搜索能力，因为从一个可行解出发去寻找一个更好的可行解难度较大，如果中间以一个不可行解作为桥梁，则有利于降低搜索难度，能更好的寻求最优解，得到的优化任务规划方法能有效的提高卫星资源整体利用率。
下面对本发明实施例的实现过程进行详细说明：
S＝{S1,S2,...,Sn,...,SN}表示卫星集合，Sn表示第n颗卫星，N表示总的卫星数量，对于Sn∈S，
Figure GDA0003775264980000111
表示卫星Sn的最大偏转角度，
Figure GDA0003775264980000112
表示卫星的最小偏转角度，
Figure GDA0003775264980000113
表示卫星Sn的最大储存容量，
Figure GDA0003775264980000114
表示卫星观测单位时间所消耗的储存容量，
Figure GDA0003775264980000121
表示卫星Sn最大储存能量，
Figure GDA0003775264980000122
表示卫星最长工作时间，
Figure GDA0003775264980000123
表示卫星Sn观测单位时间消耗的能量，
Figure GDA0003775264980000124
表示卫星Sn单位时间姿势调整消耗的能量，
Figure GDA0003775264980000125
表示卫星Sn单位时间角度偏转速率。
T＝{T1,T2,...,Tm,...,TM}表示观测任务集合，Tm表示第m个观测任务，M表示观测任务总数，
Figure GDA0003775264980000126
表示Tm的最佳观测角度，
Figure GDA0003775264980000127
表示Tm的最早开始观测时间，
Figure GDA0003775264980000128
表示Tm的最晚开始观测时间，
Figure GDA0003775264980000129
表示Tm观测所需时间，
Figure GDA00037752649800001210
分别表示卫星的最大和最小观测角度，
Figure GDA00037752649800001211
表示Tm观测带来的收益，
Figure GDA00037752649800001212
表示满足Tm观测传感器类型的卫星资源集合。
Rsolution＝{R1,R2,...Rn,...RN}表示一个任务规划方案；Rn表示卫星Sn的执行任务序列，按照卫星Sn依次执行观测任务的先后顺序排列而成。
在步骤S1中，计算机获取卫星集合和观测任务集合。
在步骤S2中，从卫星集合中选出当前规划卫星。具体实施过程如下：
利用公式
Figure GDA00037752649800001213
选出当前规划卫星Sn'，S'表示未规划卫星集合，S'初始等于S，S＝{S1,S2,...,Sn,...,SN}表示卫星集合，Sn表示第n颗卫星，N表示总的卫星数量，
Figure GDA00037752649800001214
表示卫星Sn最大储存能量，
Figure GDA00037752649800001215
表示卫星Sn的最大储存容量，φ，
Figure GDA00037752649800001216
为自定义参数用于平衡量纲。
在步骤S3中，对所述当前规划卫星进行任务资源匹配，匹配过程包括：
S301、从未安排任务集合中选择一个最早开始观测时间最早的任务，作为当前规划卫星Sn'的首任务，检验首任务Tm'和当前规划卫星Sn'是否满足多种约束，如果满足，则将该任务插入到当前规划卫星的执行任务序列中，并在未安排任务集合中删除该任务，更新未安排任务集合，执行步骤S302，否则，换下一个未安排任务作为首任务尝试进行插入，如果所有的未安排任务都无法插入，跳到步骤S4。具体包括：
利用公式
Figure GDA0003775264980000131
为当前规划卫星选择首任务Tm'，T'表示未安排任务集合，T'初始等于T，
Figure GDA0003775264980000132
表示任务Tm的最早开始观测时间，
Figure GDA0003775264980000133
就是从未安排任务集合中选择一个最早开始观测时间最早的任务。检验首任务Tm'和当前规划卫星Sn'是否满足多种约束，如果满足，将该任务插入到当前规划卫星的执行任务序列中，并在未安排任务集合中删除该任务，更新未安排任务集合，执行步骤S302，否则，换下一个未安排任务作为首任务尝试进行插入，如果所有的未安排任务都无法插入，说明当前规划卫星的资源已经消耗完，无法在安排任务，该卫星的执行任务序列构建完毕，跳到步骤S4。
S302、从未安排任务集合中选择卫星姿势转换时间和等待时间之和最短的任务作为待安排任务，检验待安排任务前规划卫星Sn'是否满足多种约束，如果满足，将该任务插入到当前规划卫星的执行任务序列中，并在未安排任务集合中删除该任务，更新未安排任务集合，重复执行步骤S302，否则，换下一个未安排任务尝试进行插入，如果所有的未安排任务都无法插入，跳到步骤S4。具体包括：
利用公式
Figure GDA0003775264980000134
选择待安排任务Tm'，Tm'表示未安排任务集合，
Figure GDA0003775264980000135
表示卫星Sn'从执行任务Ti到执行任务Tm之间的姿势调整时间，每一个任务都有一个最佳观测角度，所以卫星在完成上一个任务观测后，在执行下一个任务观测前，需要将自身的设备角度进行一个调整，此处需要消耗一定的时间。Ti表示Sn'的当前最后执行任务，
Figure GDA0003775264980000141
分别表示任务Ti和Tm的最佳观测角度，
Figure GDA0003775264980000142
表示Sn'单位时间角度偏转速率。
Figure GDA0003775264980000143
表示卫星Sn'观测任务Tm所消耗的等待时间，
Figure GDA0003775264980000144
表示
Figure GDA0003775264980000145
和0之间的较大值，
Figure GDA0003775264980000146
表示任务Tm的最早开始观测时间，
Figure GDA0003775264980000147
表示当前规划卫星Sn'尝试对任务Tm执行观测的时间，
Figure GDA0003775264980000148
表示
Figure GDA0003775264980000149
和
Figure GDA00037752649800001410
之间的较大值，Ti表示当前规划卫星Sn'执行任务Tm之前执行的观测任务，timn'表示Sn'从观测任务Ti到观测任务Tm之间的调整时间，
Figure GDA00037752649800001411
表示任务Ti观测所需时间，检验待安排任务Tm'与当前规划卫星Sn'是否满足多种约束，如果满足，将该任务插入到当前规划卫星的执行任务序列中，并在未安排任务集合中删除该任务，更新未安排任务集合，重复执行步骤S302，否则，换下一个未安排任务尝试进行插入，如果所有的未安排任务都无法插入，说明当前规划卫星的资源已经消耗完，无法在安排任务，该卫星的执行任务序列构建完毕，跳到步骤S4。
步骤S301和S302中的多种约束包括：类型约束、角度约束、时间窗约束、储存约束、能量约束、最长工作时间约束。检验首任务和当前规划卫星是否满足约束条件和检验待安排任务和前规划卫星是否满足多种约束的方法一致，下面以检验待安排任务Tm'和当前规划卫星Sn'是否满足多种约束为例进行详细说明。
A1、检验类型约束，利用公式
Figure GDA00037752649800001412
来检验是否类型约束，若满足，则执行步骤A2、否则，跳出约束条件检验过程，
Figure GDA00037752649800001413
表示满足Tm'观测传感器类型的卫星资源集合，不同卫星携带的传感器类型不同，例如光学、红外线等等，而不同任务根据自身观测需求需要不同的传感器类型。
A2、检验角度约束，利用公式
Figure GDA0003775264980000151
检验是否角度约束，若满足，则执行步骤A3、否则，跳出约束条件检验过程，
Figure GDA0003775264980000152
分别表示Sn'传感器的最大、最小偏转角度，
Figure GDA0003775264980000153
表示Tm'的最佳观测角度，每个任务都有一个最佳观测角度，该任务如果想要被卫星观测，必须要满足该任务的最佳观测角度在卫星传感器的最小和最大偏转角之内。
A3、检验时间窗约束，利用公式
Figure GDA0003775264980000154
检验是否满足时间窗约束，若满足，则执行步骤A4、否则，跳出约束条件检验过程，
Figure GDA0003775264980000155
表示Sn'对Tm'的尝试开始观测时间，
Figure GDA0003775264980000156
表示任务Tm'的最迟观测时间，
Figure GDA0003775264980000157
表示
Figure GDA0003775264980000158
和
Figure GDA0003775264980000159
之间的较大值，Ti表示当前规划卫星Sn'最后执行的任务，
Figure GDA00037752649800001510
表示Sn'对Ti的尝试开始观测时间，
Figure GDA00037752649800001511
表示任务Ti的最早观测时间，
Figure GDA00037752649800001512
表示Ti观测所需时间，
Figure GDA00037752649800001513
表示Sn'从任务Ti到任务Tm'之间的姿势调整时间，如果Tm'为当前规划卫星Sn的第一个观测任务，则
Figure GDA00037752649800001514
A4、检验储存约束，利用公式
Figure GDA00037752649800001515
检验是够满足储存约束，若满足，则执行步骤A5、否则，跳出约束条件检验过程，
Figure GDA00037752649800001516
表示当前规划卫星Sn'已经消耗的储存容量，
Figure GDA00037752649800001517
表示Sn'观测单位时间消耗的储存容量，
Figure GDA00037752649800001518
表示任务Tm观测所需时间，
Figure GDA00037752649800001519
表示卫星Sn'观测任务Tm'需要耗费的储存容量。如果Tm'为当前规划卫星Sn'的第一个观测任务，则
Figure GDA00037752649800001520
A5、检验能量约束，利用公式
Figure GDA0003775264980000161
检验是否满足能量约束，若满足，则执行步骤A6、否则，跳出约束条件检验过程，卫星能量消耗消耗主要有两个，一是对任务进行观测，二是卫星偏转角进行调整。
Figure GDA0003775264980000162
表示当前规划卫星Sn'已经消耗的能量；
Figure GDA0003775264980000163
表示Sn'已观测任务消耗的能量，
Figure GDA0003775264980000164
表示卫星Sn'观测单位时间消耗的能量，
Figure GDA0003775264980000165
表示任务Tm观测所需时间；
Figure GDA0003775264980000166
表示Sn'偏转角进行调整时消耗的能量，其中xijn'为0，1变量，当卫星Sn'在观测任务Ti后观测任务Tj，xijn'＝1，否则的话等于0；
Figure GDA0003775264980000167
表示Sn'从观测任务Ti到观测任务Tj之间的调整时间；
Figure GDA0003775264980000168
表示卫星Sn'单位时间姿势调整消耗的能量。如果Tm'为Sn'的第一个观测任务，则
Figure GDA0003775264980000169
Figure GDA00037752649800001610
表示当前规划卫星Sn'从当前最后一个执行任务Ti到待安排任务Tm'的姿势转换消耗的能量，
Figure GDA00037752649800001611
表示Sn'观测任务Tm'所耗费能量。
A6、检验最长工作时间约束，卫星消耗的时间主要由三部分组成，一是对任务进行观测，二是卫星姿势转换时间，三是卫星等待执行任务时间。利用
Figure GDA00037752649800001612
检验是否满足最长工作时间约束，若满足，将该任务插入到所述当前规划卫星Sn'的执行任务序列中；否则，跳出约束条件检验过程；其中
Figure GDA00037752649800001613
为当前规划卫星Sn'的最长工作时长，
Figure GDA00037752649800001614
表示当前规划卫星Sn'已经工作的时长，
Figure GDA00037752649800001615
表示Sn'已观测任务所消耗的时间，
Figure GDA00037752649800001616
表示任务Tm观测所需时间；
Figure GDA00037752649800001617
表示卫星姿势转换所消耗的时间，其中xijn'为0，1变量，当卫星Sn'在观测任务Ti后观测任务Tj，xijn'＝1，否则的话等于0；
Figure GDA00037752649800001618
表示Sn'从观测任务Ti到观测任务Tj之间的姿势调整时间；
Figure GDA0003775264980000171
表示卫星Sn'所消耗的等待时间，
Figure GDA0003775264980000172
表示
Figure GDA0003775264980000173
和0之间的较大值，
Figure GDA0003775264980000174
表示任务Tm的最早开始观测时间，
Figure GDA0003775264980000175
表示当前规划卫星Sn'尝试对任务Tm执行观测的时间，
Figure GDA0003775264980000176
表示
Figure GDA0003775264980000177
和
Figure GDA0003775264980000178
之间的较大值，Ti表示当前规划卫星Sn'执行任务Tm之前执行的观测任务，timn'表示Sn'从观测任务Ti到观测任务Tm之间的调整时间，
Figure GDA0003775264980000179
表示任务Ti观测所需时间；如果Tm'为Sn'的第一个观测任务，则
Figure GDA00037752649800001710
tim'n'表示当前规划卫星Sn'从当前最后一个执行任务Ti到待安排任务Tm'的姿势转换时间，如果Tm'为Sn'的第一个观测任务，tim'n'＝0；
Figure GDA00037752649800001711
表示Sn'观测任务Tm'所消耗时间。
在步骤S4中，从未规划卫星集合S'中删除当前规划卫星Sn'，更新未规划卫星集合S'，返回步骤S2，直到没有卫星资源能够再进行规划，结束任务规划，生成初始任务规划序列Rinitial＝{R1,R2,...Rn,...RN}，Rn表示卫星Sn的执行任务序列，它是由卫星Sn依次执行观测任务的先后顺序排列而成。
在步骤S5中，构建卫星任务规划优化模型。具体实施过程如下：
适应度函数为
Figure GDA00037752649800001712
其中：
Figure GDA00037752649800001713
表示完成任务Tm的观测得到的收益；
Figure GDA00037752649800001714
表示违反约束惩罚值，如果规划方案解Rsolution为可行解
Figure GDA00037752649800001715
否则
Figure GDA00037752649800001716
β，λ、
Figure GDA00037752649800001717
为平衡量纲参数；
Figure GDA00037752649800001718
分别表示能量约束惩罚值、容量约束惩罚值、时间窗约束惩罚值以及最长工作时间约束惩罚值。Rsolution＝{R1,R2,...Rn,...RN}表示一个任务规划方案；Rn表示卫星Sn的执行任务序列，按照卫星Sn依次执行观测任务的先后顺序排列而成；
约束条件包括：
能量约束惩罚约束、储存容量约束惩罚约束、时间约束惩罚约束和最长工作时间惩罚约束，其计算公式如下：
Figure GDA0003775264980000181
其中：
Figure GDA0003775264980000182
表示0和
Figure GDA0003775264980000183
之间的较大值。
Figure GDA0003775264980000184
表示Sn已观测任务消耗的能量，
Figure GDA0003775264980000185
表示卫星Sn观测单位时间消耗的能量，
Figure GDA0003775264980000186
表示任务Tm观测所需时间；
Figure GDA0003775264980000187
表示Sn偏转角进行调整时消耗的能量，其中xijn为0,1变量，当卫星Sn在观测任务Ti后观测任务Tj，xijn＝1，否则的话等于0；
Figure GDA0003775264980000188
表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tj之间的调整时间；
Figure GDA0003775264980000189
表示卫星Sn单位时间姿势调整消耗的能量；
Figure GDA00037752649800001810
其中：
Figure GDA00037752649800001811
表示0和
Figure GDA00037752649800001812
之间的较大值；
Figure GDA00037752649800001813
表示当前规划卫星Sn已经消耗的储存容量，
Figure GDA00037752649800001814
表示当前规划卫星Sn观测单位时间消耗的储存容量，
Figure GDA00037752649800001815
表示任务Tm观测所需时间，
Figure GDA00037752649800001816
表示卫星Sn观测任务Tm需要耗费的储存容量，
Figure GDA00037752649800001817
为卫星Sn的最大储存容量；
Figure GDA00037752649800001818
其中：
Figure GDA0003775264980000191
表示0和
Figure GDA0003775264980000192
之间的较大值，
Figure GDA0003775264980000193
表示任务Tm的最迟开始观测时间，
Figure GDA0003775264980000194
表示卫星Sn尝试对任务Tm执行观测的时间，
Figure GDA0003775264980000195
表示
Figure GDA0003775264980000196
和
Figure GDA0003775264980000197
之间的较大值，Ti表示卫星Sn执行任务Tm之前执行的观测任务，
Figure GDA0003775264980000198
表示卫星Sn尝试对任务Ti执行观测的时间，如果Ti为Sn第一个观测任务，
Figure GDA0003775264980000199
表示任务Ti的最早开始观测时间。timn表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tm之间的调整时间，
Figure GDA00037752649800001910
表示任务Ti观测所需时间；
Figure GDA00037752649800001911
其中：
Figure GDA00037752649800001912
表示0和
Figure GDA00037752649800001913
之间的较大值，
Figure GDA00037752649800001914
为卫星最长工作时间，
Figure GDA00037752649800001915
为卫星实际工作时间，它主要由三部分组成，
Figure GDA00037752649800001916
表示卫星执行任务观测时间，
Figure GDA00037752649800001917
表示任务Tm观测所需时间；
Figure GDA00037752649800001918
表示卫星姿势转换所消耗的时间，其中xijn为0，1变量，当卫星Sn在观测任务Ti后观测任务Tj，xijn＝1，否则的话等于0；
Figure GDA00037752649800001919
表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tj之间的姿势调整时间；
Figure GDA00037752649800001920
表示卫星Sn所消耗的等待时间，
Figure GDA00037752649800001921
表示
Figure GDA00037752649800001922
和0之间的较大值，
Figure GDA00037752649800001923
表示任务Tm的最早开始观测时间，
Figure GDA00037752649800001924
表示当前规划卫星Sn尝试对任务Tm执行观测的时间，
Figure GDA00037752649800001925
表示
Figure GDA00037752649800001926
和
Figure GDA00037752649800001927
之间的较大值，Ti表示当前规划卫星Sn执行任务Tm之前执行的观测任务，timn表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tm之间的调整时间，
Figure GDA00037752649800001928
表示任务Ti观测所需时间，如果Tm是卫星执行的首任务，
Figure GDA0003775264980000201
在步骤S6中，基于所述初始任务规划序列、所述卫星任务规划优化模型和改进的邻域搜索算法获取最终的优化任务规划方案，所述改进的邻域搜索算法的改进之处包括在迭代中可以接受不可行解。
S601、初始化，首先进行参数初始化，输入所需参数终止系数Wend＝0.1、下降系数Wfall＝0.93、邻域解数量N＝300、当前系数Wnow＝1000，初始规划方案Rinitial，未安排任务集合T'，未安排任务指没有被安排进初始规划方案的观测任务。然后将初始规划方案Rinitial设置为当前解和最好解，Rnow和Rbest分别用于记录当前解和最好解的适应度值。
S602、构造邻域解集合，随机选择一个邻域操作算子转换当前解生成一个邻域解，重复这个操作直到邻域解的数量达到N，邻域操作算子共有两个分别是交换算子和插入算子。
交换算子：在当前解中任选一条卫星执行任务序列Rn，从Rn中任意选一段执行任务序列，这段执行任务序列由卫星Sn连续执行的若干个任务组成，可以是单个也可以是多个。然后从未执行任务集合T'中选出若干个卫星Sn可执行的观测任务，即卫星Sn在这些任务满足任务观测传感器类型的卫星资源集合中，将这若干个观测任务按照时间窗先后的排序形成一段任务序列。最后将这两段任务序列进行交换。
插入算子：在当前解中任选一条卫星执行任务序列Rn，从未执行任务集合T'中取若干个卫星Sn可执行的观测任务并将其按照时间窗先后进行一个排序形成一段任务序列，若干个观测任务可以是单个也可以是多个，然后将这段任务序列插入到Rn中一个B(Rn)最大的地方，
Figure GDA0003775264980000211
表示Rn的适应度值。
S603、获得候选解，依次计算N个邻域解的适应度值，取出其中适应度值最高的邻域解，将该邻域解设置为候选解，Rcan用于记录候选解的适应度值。
S604、更新当前解，如果候选解的适应度值大于当前解适应度值，则候选解成为新一代的当前解，否则的话计算
Figure GDA0003775264980000212
是否成立，如果成立则候选解成为新一代的当前解，否则维持当前解不变，Wnow表示当前系数，Random(0,1)用于生成0到1之间随机生成的数据。
S605、更新最好解，首先判断候选解是否为可行解，判断可行解的依据是候选解的违反约束惩罚值是否为0，如果不为可行解，则保持最好解不变，否则的话判断Rcan和Rbest的大小，如果Rcan≥Rbest，该候选解成为新一轮的最好解，否则保持最好解不变。
S606、更新算法参数，当前解和最好解更新完毕后，更新参数Wnow＝Wnow*Wfall，Wnow表示当前系数，Wfall表示下降系数。
S607、判断算法终止：如果Wnow≤Wend，算法终止输入最好解作为最终的优化方案，最好解即为最终的优化方案，否则的话转到S602开始重复迭代直到达到算法终止条件。
在具体实施过程中，本发明实施例还包括、在得到最终的优化任务规划方案后，判断未安排任务集合T'中的未安排任务能否与最终的优化任务规划方案的已安排任务进行合成观测，合成观测是指对两个观测要求相近的任务作为一个合成任务进行观测，这样可以再不影响原有任务规划序列的基础上对更多的任务进行观测，提高观测收益以及卫星资源利用率。具体实施过程如下：
C1、根据编号依次选出卫星Sn，每个卫星Sn都对应一个执行任务序列Rn，Rn根据卫星执行任务先后顺序排列而成。
C2、从Rn中按照卫星Sn依次执行任务顺序选出已安排任务Ta(Ta∈Rn)
C3、从未安排任务集合T'选出卫星Sn可执行的任务，按照时间窗先后顺序进行排序，构成待合成任务集合Tn。
C4、从集合Tn依次选出待合成任务Tb(Tb∈Tn)
C5、判断任务Ta和Tb是否满足合成观测条件，若满足，则新建一个任务Tc，Tc由Ta和Tb组成，Tc除了收益所有的属性与Ta一致，
Figure GDA0003775264980000221
将任务Tc和Rn中Ta进行替换。否则，转步骤C4重新选择待合成任务Tb，如果所有的待合成任务都无法合成，转C2重新选择以安排任务Ta，重复上述步骤直到所有的已安排任务全部被检验能否与为安排任务进行合成观测。
合成观测条件包括：
已安排任务Ta和未安排任务Tb满足时间约束和角度约束；
利用
Figure GDA0003775264980000222
检验是否满足角度约束，Ta为任务规划序列中的已安排任务，Tb为T'中的未安排任务，如果Tb的最佳观测角度在Ta的最小和最大观测角度之间，则满足角度约束。
利用
Figure GDA0003775264980000223
检验是否满足时间窗约束，Ta为任务规划序列中的已安排任务，Tb为T'中的未安排任务，如果Ta的观测时间窗把Tb的观测时间窗覆盖，则满足时间窗约束。
在具体实施过程中，本发明实施例还包括利用公式
Figure GDA0003775264980000231
计算总收益，
Figure GDA0003775264980000232
表示观测任务的收益总合，
Figure GDA0003775264980000233
表示完成任务Tm的观测得到的收益，
Figure GDA0003775264980000234
表示卫星消耗的总成本，
Figure GDA0003775264980000235
表示卫星Sn消耗的成本，其中
Figure GDA0003775264980000236
β表示两个系数用于平衡量纲，
Figure GDA0003775264980000237
表示卫星Sn消耗的能量；
Figure GDA0003775264980000238
表示Sn观测任务消耗的能量，
Figure GDA0003775264980000239
表示Sn偏转角进行调整时消耗的能量；
Figure GDA00037752649800002310
表示当前规划卫星Sn'已经消耗的储存容量，
Figure GDA00037752649800002311
表示Sn'观测单位时间消耗的储存容量，
Figure GDA00037752649800002312
表示任务Tm观测所需时间。
本发明实施例还提供了一种卫星任务规划装置，包括以下步骤：
资源获取模块，用于获取卫星集合和观测任务集合；
当前规划卫星选择模块，用于从卫星集合中选出当前规划卫星；
资源匹配模块，用于对所述当前规划卫星进行任务资源匹配；
更新模块，用于从所述未规划卫星集合中删除所述当前规划卫星，更新未规划卫星集合，返回当前规划卫星选择模块，直到没有卫星资源能够再进行规划，结束任务规划，生成初始任务规划序列；
模型构建模块，用于构建卫星任务规划优化模型；
求解模块，用于基于所述初始任务规划序列、所述卫星任务规划优化模型和改进的邻域搜索算法获取最终的优化任务规划方案，所述改进的邻域搜索算法的改进之处包括在迭代中可以接受不可行解。
可理解的是，本发明实施例提供的卫星任务规划装置与上述卫星任务规划方法相对应，其有关内容的解释、举例、有益效果等部分可以参考卫星任务规划方法中的相应内容，此处不再赘述。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储用于卫星任务规划的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行如上述所述的卫星任务规划方法。
本发明实施例还提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器；以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如上述所述的卫星任务规划方法。
综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：
1、本发明的设计的优化算法在迭代中可以接受不可行解，这样将显著扩大搜索范围，提高搜索能力，因为从一个可行解出发去寻找一个更好的可行解难度较大，如果中间以一个不可行解作为桥梁，则有利于降低搜索难度，能更好的寻求最优解，得到的优化任务规划方法能有效的提高卫星资源整体利用率。
2、本发明实施例在卫星的选择上综合考虑卫星的能量和容量，并设置相应的参数平衡量纲，由于综合评价值较大的卫星更有机会完成难度较大的观测任务，因此排序置后，优先选择综合评价值较小的卫星构造规划方案。在任务的选择上综合考虑卫星姿势转换时间以及等待时间，卫星姿势转换时间越少表示卫星消耗的能量越少，等待时间越少则意味着卫星能将更多的时间用于观测，卫星资源利用率更高，所以综合评级值越小的任务越优先安排。通过上述方法可以快速的对观测任务进行资源分配，极大限度的提高卫星资源调度效率和利用率。
3、本发明实施例考虑了对两个观测要求相近的任务作为一个合成任务进行观测，这样可以再不影响原有任务规划序列的基础上对更多的任务进行观测，提高观测收益以及卫星资源利用率。
4、本发明实施例设计了一种更新机制用于当前解的保留与替换，在当前系数较高时，即使候选解比当前解差，也会大概率替换当前解，这样有利于前期广泛的搜索，伴随当前系数的降低，候选解比当前解差被接受的概率会慢慢降低，直到最后变成只有候选解比当前解更优才能进行替换，这样有利于算法收敛。更新机制可以有效提高算法整体寻优能力。
5、在插入算子的操作中，一般都是使用随机的方式进行插入，而本发明实施例通过计算选择在适应度值最大的地方插入，这样做可以降低随机性，提高插入结果。
需要说明的是，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 (9)

1.一种卫星任务规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取卫星集合和观测任务集合；
S2、从卫星集合中选出当前规划卫星；
S3、对所述当前规划卫星进行任务资源匹配；
S4、从未规划卫星集合中删除所述当前规划卫星，更新未规划卫星集合，返回步骤S2，直到没有卫星资源能够再进行规划，结束任务规划，生成初始任务规划序列；
S5、构建卫星任务规划优化模型；
S6、基于所述初始任务规划序列、所述卫星任务规划优化模型和改进的邻域搜索算法获取最终的优化任务规划方案，所述改进的邻域搜索算法的改进之处包括在迭代中可以接受不可行解；
其中，所述卫星任务规划优化模型包括：
适应度函数为
Figure FDA0003775264970000011
其中：
Figure FDA0003775264970000012
表示完成任务Tm的观测得到的收益；
Figure FDA0003775264970000013
表示违反约束惩罚值，如果规划方案解Rsolution为可行解
Figure FDA0003775264970000014
否则
Figure FDA0003775264970000015
分别表示解的能量约束惩罚值、储存容量约束惩罚值、时间窗约束惩罚值以及最长工作时间约束惩罚值，
Figure FDA0003775264970000016
β，λ、
Figure FDA0003775264970000017
为平衡量纲参数；Rsolution＝{R1,R2,...Rn,...RN}表示一个任务规划方案；Rn表示卫星Sn的执行任务序列，按照卫星Sn依次执行观测任务的先后顺序排列而成；
约束条件包括：
能量约束惩罚约束、储存容量约束惩罚约束、时间窗约束惩罚约束和最长工作时间惩罚约束，其计算公式如下：
Figure FDA0003775264970000021
其中：
Figure FDA0003775264970000022
表示0和
Figure FDA0003775264970000023
之间的较大值；
Figure FDA0003775264970000024
表示Sn已观测任务消耗的能量，
Figure FDA0003775264970000025
表示卫星Sn观测单位时间消耗的能量，
Figure FDA0003775264970000026
表示任务Tm观测所需时间；
Figure FDA0003775264970000027
表示Sn偏转角进行调整时消耗的能量，其中xijn为0，1变量，当卫星Sn在观测任务Ti后观测任务Tj，xijn＝1，否则的话等于0；
Figure FDA0003775264970000028
表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tj之间的调整时间；
Figure FDA0003775264970000029
表示卫星Sn单位时间姿势调整消耗的能量；
Figure FDA00037752649700000210
其中：
Figure FDA00037752649700000211
表示0和
Figure FDA00037752649700000212
之间的较大值；
Figure FDA00037752649700000213
表示当前规划卫星Sn已经消耗的储存容量，
Figure FDA00037752649700000214
表示当前规划卫星Sn观测单位时间消耗的储存容量，
Figure FDA00037752649700000215
表示任务Tm观测所需时间，
Figure FDA00037752649700000216
表示卫星Sn观测任务Tm需要耗费的储存容量，
Figure FDA00037752649700000217
为卫星Sn的最大储存容量；
Figure FDA00037752649700000218
其中：
Figure FDA00037752649700000219
表示0和
Figure FDA00037752649700000220
之间的较大值，
Figure FDA00037752649700000221
表示任务Tm的最迟开始观测时间，
Figure FDA0003775264970000031
表示卫星Sn尝试对任务Tm执行观测的时间，
Figure FDA0003775264970000032
表示
Figure FDA0003775264970000033
和Ti star之间的较大值，Ti表示卫星Sn执行任务Tm之前执行的观测任务，
Figure FDA0003775264970000034
表示卫星Sn尝试对任务Ti执行观测的时间，如果Ti为Sn第一个观测任务，
Figure FDA0003775264970000035
Ti star表示任务Ti的最早开始观测时间；timn表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tm之间的调整时间，
Figure FDA0003775264970000036
表示任务Ti观测所需时间；
Figure FDA0003775264970000037
其中：
Figure FDA0003775264970000038
表示0和
Figure FDA0003775264970000039
之间的较大值，
Figure FDA00037752649700000310
为卫星最长工作时间，
Figure FDA00037752649700000311
为卫星实际工作时间，它主要由三部分组成，
Figure FDA00037752649700000312
表示卫星执行任务观测时间，
Figure FDA00037752649700000313
表示任务Tm观测所需时间；
Figure FDA00037752649700000314
表示卫星姿势转换所消耗的时间，其中xijn为0，1变量，当卫星Sn在观测任务Ti后观测任务Tj，xijn＝1，否则的话等于0；
Figure FDA00037752649700000315
表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tj之间的姿势调整时间；
Figure FDA00037752649700000316
表示卫星Sn所消耗的等待时间，
Figure FDA00037752649700000317
表示
Figure FDA00037752649700000318
和0之间的较大值，
Figure FDA00037752649700000319
表示任务Tm的最早开始观测时间，
Figure FDA00037752649700000320
表示当前规划卫星Sn尝试对任务Tm执行观测的时间，
Figure FDA00037752649700000321
表示
Figure FDA00037752649700000322
和
Figure FDA00037752649700000323
之间的较大值，Ti表示当前规划卫星Sn执行任务Tm之前执行的观测任务，timn表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tm之间的调整时间，
Figure FDA00037752649700000324
表示任务Ti观测所需时间。
2.如权利要求1所述的卫星任务规划方法，其特征在于，所述从卫星集合中选出当前规划卫星包括：
利用公式
Figure FDA0003775264970000041
选出当前规划卫星Sn'，S'表示未规划卫星集合，S'初始等于S，S＝{S1,S2,...,Sn,...,SN}表示卫星集合，
Figure FDA0003775264970000042
表示卫星Sn最大储存能量，
Figure FDA0003775264970000043
表示卫星Sn的最大储存容量，φ，
Figure FDA0003775264970000044
为平衡量纲参数。
3.如权利要求1所述的卫星任务规划方法，其特征在于，所述对所述当前规划卫星进行任务资源匹配包括：
S301、从未安排任务集合中选择一个最早开始观测时间最早的任务，作为所述当前规划卫星Sn'的首任务，所述未安排任务集合初始为所述观测任务集合，检验所述首任务和所述当前规划卫星Sn'是否满足多种约束，如果满足，则将该任务插入到所述当前规划卫星Sn'的执行任务序列中，并在所述未安排任务集合中删除该任务，更新未安排任务集合，执行步骤S302，否则，换下一个未安排任务作为首任务尝试进行插入，如果所有的未安排任务都无法插入，跳到步骤S4；
S302、从未安排任务集合中选择卫星姿势转换时间和等待时间之和最短的任务作为待安排任务，检验所述待安排任务和前规划卫星Sn'是否满足多种约束，如果满足，则将该任务插入到所述当前规划卫星Sn'的执行任务序列中，并在未安排任务集合中删除该任务，更新未安排任务集合，重复执行步骤S302，否则，换下一个未安排任务尝试进行插入，如果所有的未安排任务都无法插入，跳到步骤S4。
4.如权利要求1所述的卫星任务规划方法，其特征在于，基于所述初始任务规划序列、所述卫星任务规划优化模型和改进的邻域搜索算法获取最终的优化任务规划方案，包括：
S601、进行参数初始化，输入所需参数终止系数Wend＝0.1、下降系数Wfall＝0.93、邻域解数量N＝300、当前系数Wnow＝1000，初始规划方案Rinitial，未安排任务集合T'，将初始规划方案Rinitial设置为当前解和最好解，Rnow和Rbest分别用于记录当前解和最好解的适应度值；
S602、随机选择一个邻域操作算子转换当前解生成一个邻域解，重复这个操作直到邻域解的数量达到N，邻域操作算子共有两个分别是交换算子和插入算子；
S603、依次计算N个邻域解的适应度值，取出其中适应度值最高的邻域解，将该邻域解设置为候选解，Rcan用于记录候选解的适应度值；
S604、如果候选解的适应度值大于当前解适应度值，则候选解成为新一代的当前解，否则的话计算
Figure FDA0003775264970000051
是否成立，如果成立则候选解成为新一代的当前解，否则维持当前解不变，Wnow表示当前系数，Random(0,1)用于生成0到1之间随机生成的数据；
S605、判断候选解的违反约束惩罚值是否为0，当不为0时，则保持最好解不变，为0时，则判断Rcan和Rbest的大小，如果Rcan≥Rbest，候选解成为新一轮的最好解，否则保持最好解不变；
S606、当前解和最好解更新完毕后，更新参数Wnow＝Wnow*Wfall，Wnow表示当前系数，Wfall表示下降系数；
S607、如果Wnow≤Wend，算法终止输入最好解，最好解即为最终的优化任务规划方案，否则的话转到S602开始重复迭代直到达到算法终止条件。
5.如权利要求4所述的卫星任务规划方法，其特征在于，所述交换算子包括：
在当前解中任选一条卫星执行任务序列Rn，从Rn中任意选一段执行任务序列Ra；从未执行任务集合T'中选出若干个卫星Sn可执行的观测任务，将这若干个观测任务按照时间窗先后的排序形成一段任务序列Rb；将这任务序列Ra和任务序列Rb进行交换；
和/或
所述插入算子包括：
在当前解中任选一条卫星执行任务序列Rn，从未执行任务集合T'中取若干个卫星Sn可执行的观测任务并将其按照时间窗先后进行一个排序形成一段任务序列Rc；将任务序列Rc插入到Rn中一个B(Rn)最大的地方，
Figure FDA0003775264970000061
表示Rn的适应度值。
6.如权利要求1～5任一所述的卫星任务规划方法，其特征在于，所述方法还包括：
在步骤S7中得到最终的优化任务规划方案后，判断未安排任务集合T'中的未安排任务能否与最终的优化任务规划方案中已安排任务进行合成观测，合成观测的步骤如下：
C1、根据编号依次选出卫星Sn，每个卫星Sn都对应一个执行任务序列Rn，Rn根据卫星执行任务先后顺序排列而成；
C2、从Rn中按照卫星Sn执行任务顺序依次选出已安排任务Ta，Ta∈Rn；如果Sn中的已安排任务全部被选出，则转C1重新选择卫星；
C3、从未安排任务集合T'选出卫星Sn可执行的任务，按照时间窗先后顺序进行排序，构成待合成任务集合Tn；
C4、从集合Tn依次选出待合成任务Tb，Tb∈Tn；
C5、判断任务Ta和Tb是否满足合成观测条件，若满足，则新建一个任务Tc，Tc由Ta和Tb组成，Tc除了收益所有的属性与Ta一致，
Figure FDA0003775264970000071
将任务Tc和Rn中Ta进行替换；替换代表卫星Sn原本执行任务Ta，现在变成执行任务Tc，否则，转步骤C4重新选择待合成任务Tb，如果所有的待合成任务都无法合成，则转C2重新选择以安排任务Ta，重复上述步骤直到所有的已安排任务全部被选择；
所述合成观测条件包括：
已安排任务Ta和未安排任务Tb满足时间约束和角度约束；
利用
Figure FDA0003775264970000072
检验是否满足角度约束，Ta为规划方案Rsolution＝{R1,R2,...Rn,...RN}中的已安排任务，Tb为未安排任务集合T'中的未安排任务，如果Tb的最佳观测角度在Ta的最小和最大观测角度之间，则满足角度约束；
利用
Figure FDA0003775264970000073
检验是否满足时间窗约束，Ta为规划方案Rsolution＝{R1,R2,...Rn,...RN}中的已安排任务，Tb为T'中的未安排任务，如果Ta的观测时间窗把Tb的观测时间窗覆盖，则满足时间窗约束。
7.一种卫星任务规划装置，其特征在于，包括：
资源获取模块，用于获取卫星集合和观测任务集合；
当前规划卫星选择模块，用于从卫星集合中选出当前规划卫星；
资源匹配模块，用于对所述当前规划卫星进行任务资源匹配；
更新模块，用于从未规划卫星集合中删除所述当前规划卫星，更新未规划卫星集合，返回当前规划卫星选择模块，直到没有卫星资源能够再进行规划，结束任务规划，生成初始任务规划序列；
模型构建模块，用于构建卫星任务规划优化模型；
求解模块，用于基于所述初始任务规划序列、所述卫星任务规划优化模型和改进的邻域搜索算法获取最终的优化任务规划方案，所述改进的邻域搜索算法的改进之处包括在迭代中可以接受不可行解；
其中，所述卫星任务规划优化模型包括：
适应度函数为
Figure FDA0003775264970000081
其中：
Figure FDA0003775264970000082
表示完成任务Tm的观测得到的收益；
Figure FDA0003775264970000083
表示违反约束惩罚值，如果规划方案解Rsolution为可行解
Figure FDA0003775264970000084
否则
Figure FDA0003775264970000085
分别表示解的能量约束惩罚值、储存容量约束惩罚值、时间窗约束惩罚值以及最长工作时间约束惩罚值，
Figure FDA0003775264970000086
β，λ、
Figure FDA0003775264970000087
为平衡量纲参数；Rsolution＝{R1,R2,...Rn,...RN}表示一个任务规划方案；Rn表示卫星Sn的执行任务序列，按照卫星Sn依次执行观测任务的先后顺序排列而成；
约束条件包括：
能量约束惩罚约束、储存容量约束惩罚约束、时间窗约束惩罚约束和最长工作时间惩罚约束，其计算公式如下：
Figure FDA0003775264970000088
其中：
Figure FDA0003775264970000091
表示0和
Figure FDA0003775264970000092
之间的较大值；
Figure FDA0003775264970000093
表示Sn已观测任务消耗的能量，
Figure FDA00037752649700000928
表示卫星Sn观测单位时间消耗的能量，
Figure FDA0003775264970000094
表示任务Tm观测所需时间；
Figure FDA0003775264970000095
表示Sn偏转角进行调整时消耗的能量，其中xijn为0，1变量，当卫星Sn在观测任务Ti后观测任务Tj，xijn＝1，否则的话等于0；
Figure FDA0003775264970000096
表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tj之间的调整时间；
Figure FDA0003775264970000097
表示卫星Sn单位时间姿势调整消耗的能量；
Figure FDA0003775264970000098
其中：
Figure FDA0003775264970000099
表示0和
Figure FDA00037752649700000910
之间的较大值；
Figure FDA00037752649700000911
表示当前规划卫星Sn已经消耗的储存容量，
Figure FDA00037752649700000912
表示当前规划卫星Sn观测单位时间消耗的储存容量，
Figure FDA00037752649700000913
表示任务Tm观测所需时间，
Figure FDA00037752649700000914
表示卫星Sn观测任务Tm需要耗费的储存容量，
Figure FDA00037752649700000915
为卫星Sn的最大储存容量；
Figure FDA00037752649700000916
其中：
Figure FDA00037752649700000917
表示0和
Figure FDA00037752649700000918
之间的较大值，
Figure FDA00037752649700000919
表示任务Tm的最迟开始观测时间，
Figure FDA00037752649700000920
表示卫星Sn尝试对任务Tm执行观测的时间，
Figure FDA00037752649700000921
表示
Figure FDA00037752649700000922
和
Figure FDA00037752649700000923
之间的较大值，Ti表示卫星Sn执行任务Tm之前执行的观测任务，
Figure FDA00037752649700000924
表示卫星Sn尝试对任务Ti执行观测的时间，如果Ti为Sn第一个观测任务，
Figure FDA00037752649700000925
Figure FDA00037752649700000926
表示任务Ti的最早开始观测时间；timn表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tm之间的调整时间，
Figure FDA00037752649700000927
表示任务Ti观测所需时间；
Figure FDA0003775264970000101
其中：
Figure FDA0003775264970000102
表示0和
Figure FDA0003775264970000103
之间的较大值，
Figure FDA0003775264970000104
为卫星最长工作时间，
Figure FDA0003775264970000105
为卫星实际工作时间，它主要由三部分组成，
Figure FDA0003775264970000106
表示卫星执行任务观测时间，
Figure FDA0003775264970000107
表示任务Tm观测所需时间；
Figure FDA0003775264970000108
表示卫星姿势转换所消耗的时间，其中xijn为0，1变量，当卫星Sn在观测任务Ti后观测任务Tj，xijn＝1，否则的话等于0；
Figure FDA0003775264970000109
表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tj之间的姿势调整时间；
Figure FDA00037752649700001010
表示卫星Sn所消耗的等待时间，
Figure FDA00037752649700001011
表示
Figure FDA00037752649700001012
和0之间的较大值，
Figure FDA00037752649700001013
表示任务Tm的最早开始观测时间，
Figure FDA00037752649700001014
表示当前规划卫星Sn尝试对任务Tm执行观测的时间，
Figure FDA00037752649700001015
表示
Figure FDA00037752649700001016
和
Figure FDA00037752649700001017
之间的较大值，Ti表示当前规划卫星Sn执行任务Tm之前执行的观测任务，timn表示Sn从观测任务Ti到观测任务Tm之间的调整时间，
Figure FDA00037752649700001018
表示任务Ti观测所需时间。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储用于卫星任务规划的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行如权利要求1～6任一所述的卫星任务规划方法。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器；以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如权利要求1～6任一所述的卫星任务规划方法。
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