CN116862167A - 基于多背包模型的低轨遥感卫星星座应急任务规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多背包模型的低轨遥感卫星星座应急任务规划方法，包括步骤：获取用户提出的应急成像需求，获取应急目标信息并根据应急需求指定的多颗卫星和卫星轨道信息计算应急目标的多星过境成像窗口，并根据观测时效区间，剔除不在区间内的过境成像窗口；判断多星过境成像窗口是否有满足上注条件的测控站，将没有满足上注条件测控站的过境成像窗口剔除；根据过境成像窗口所归属的卫星，判断该卫星数传站是否满足回传时效。本发明以现有规划方案为基础，选择满足测控资源、观测时效、数传时效、任务云量、任务分辨率的成像窗口，根据任务收益值，在最大化收益下的多星应急任务规划方案，有效应对突发应急事件的快速响应。

Description

基于多背包模型的低轨遥感卫星星座应急任务规划方法
技术领域
本发明涉及低轨遥感卫星星座任务规划技术领域，特别涉及一种基于多背包模型的低轨遥感卫星星座应急任务规划方法。
背景技术
常规任务规划涉及用户需求、需求调度、卫星测控和数据接收等部分。用户需求为用户根据目标点或目标区域观测任务提出的常规观测需求。需求类型包括单轨覆盖点位目标和多轨区域覆盖目标，需求获取周期分为一次有效观测或多次重复观测。需求调度是将所有用户观测需求，在满足卫星约束下结合任务收益、气象云图预报信息、窗口侧摆值、太阳高度角等限制消解卫星资源冲突；任务规划根据卫星成像任务分布为成像任务分配合适的数传站接收资源，为成像任务指定数传站后生成卫星成像与数传计划指令和数传站接收计划。
随着卫星技术的不断发展和用户对遥感需求的不断提高，突发性任务和强时效性要求的观测任务也在不断增多，例如：爆炸、森林火灾、地震、滑坡、泥石流、火山爆发等自然灾害或者其他应急观测任务。它们与传统观测不同，需求通常具有突发性和不可预测性，应急目标范围一般比较集中，同时，任务伴随着强时效要求，超过时效要求的数据将丧失价值。
此类应急任务突发性强、时效性要求高，需要系统快速响应，及时调动卫星资源获取影像数据，在规定时效期限内完成任务拍摄与数据传输。常规任务规划模式为当天规划第二天的成像任务与数传任务，无法满足应急任务规划需求。在应急任务中，任务时效主要是由目标观测和数据传输两个步骤组成的，两个步骤分别影响着应急任务的总体时效。因此，在应急任务到来时，针对两个步骤分别提出观测时效要求和数据传输要求；在多星下快速目标观测中，因卫星轨道和地方时不同，导致卫星在目标点的过境时间不同，因此，可选择的成像窗口应满足观测时效，即过境窗口时间在指定的时间范围内才认定为符合时效；在快速数据传输部分，不同地区的数传站受任务拥挤度和网络限制存在着不同的数据回传时间，因此，被选择是数传站应满足数据回传时效。因此，针对快速目标观测和快速数据传输两个部分，应急任务规划如何选择合适的观测窗口与数传站传输资源尤其重要。
在应急任务规划过程中，需要满足以下条件：
(1)应急任务规划需要根据用户提供的应急目标点区域信息和需求应急时效，根据卫星轨道和目标点，生成应急需求的过境窗口，过境窗口需要满足观测时效区间。
(2)应急需求的过境窗口需要具备测控资源，且测控资源需要满足应急指令上注，最低满足当圈测控要求，完成当日应急指令上注。
(3)选择测控时间后，可以调整测控时刻后的未完成数传传输的成像计划，进行应急任务及常规任务的重新编排，为应急任务选择满足数据回传时效的数传站进行数据传输；同时，为重新编排的应急成像方案生成对应计划及指令，分别发送至数传站、数据接收系统，应急指令发送至应急测控圈次。
(4)应急需求提出当天进行应急任务规划，但由于常规任务规划的当日卫星指令已完成上注，当与应急任务发生冲突时，需要调整卫星成像计划并提高指令优先级进行任务替换。
(5)数传站接收应急任务数据，优先传输至处理系统，优先进行数据处理，实现数据处理的快速响应。
(6)若应急需求提出时，需求指定卫星当天均不具备观测窗口，则该任务无法执行。
发明内容
本发明在多星多应急任务下针对应急任务到达后与原始任务序列的调整再规划的问题，提供一种基于多背包模型的低轨遥感卫星星座应急任务规划方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种基于多背包模型的低轨遥感卫星星座应急任务规划方法，包括以下步骤：
步骤一：获取用户提出的应急成像需求，获取应急目标信息并根据应急需求指定的多颗卫星和卫星轨道信息计算应急目标的多星过境成像窗口，并根据观测时效区间，剔除不在区间内的过境成像窗口；
步骤二：判断多星过境成像窗口是否有满足上注条件的测控站，将没有满足上注条件测控站的过境成像窗口剔除；
步骤三：根据过境成像窗口所归属的卫星，判断该卫星数传站是否满足回传时效；
步骤四：当存在多个应急需求，每个需求存在多个符合条件的成像窗口时，对每个符合条件的窗口进行循环判断所属卫星是否存在满足时效的未被使用的空余数传，若存在空余数传则直接使用空余数传完成该应急需求，该需求被标记为已完成；未完成的需求进入步骤五；
步骤五：根据步骤四仍未规划的多个需求的多星成像窗口和常规任务规划方案构建多星应急任务多背包模型，，在多背包模型中，将常规任务规划所用数传的数传集合抽象为背包，将日常任务规划完成的任务和应急任务窗口抽象为物品，将多星应急任务规划问题抽象为多背包问题，以任务总收益最大尽可能小调整原始方案为目标进行优化，得到最终多星应急任务规划方案；
步骤六：基于多背包模型构建的多星应急任务规划算法通过禁忌搜索算法进行求解。
在上述技术方案中，在步骤五中，多星应急任务规划的多背包模型为：
观测资源卫星集合S＝{1,2,3,…,Ns}，其中，Ns为卫星的数量；
测控站集合C＝{1,2,3,…,NC}，其中，Nc为测控站数量；
数传站集合D＝{1,2,3,…,Nd}，其中，Nd为数传站数量；
卫星s对测控站c的第k个可见时间窗口进行指令上注，其中/>为开始时间，/>为结束时间；卫星s对数传站d的第h个可见时间窗口/>进行数据传输，其中，开始时间为/>结束时间为/> 代表数传站d的数据回传时间；
任务包括常规任务和应急任务；任务集合A＝{1,2,3,…,Na}，其中Na为任务数量；对于任务集合中的任意任务i的属性包括：任务类别Class，任务观测时效区间WTL，数据传输时效DTlimit，任务收益Profit，任务可见窗口集TWi六个属性；
其中，Class＝normal，为常规任务，Class＝Emergency，代表应急任务；任务观测时效区间WTL＝[WTLstart,WTLend]，其中，WTLstart为区间开始时间，WTLend为区间结束时间；TWi＝{1,2,3…Ntw}，其中，Ntw为任务i可见窗口个数；
卫星s对任务i的第j个可见窗口为其中窗口开始时间为/>结束时间为/>变量/>为卫星s对任务i的第j个窗口是否选择该窗口执行任务的决策变量，/>代表选择该窗口，/>代表不选择该窗口；定义决策变量/>代表卫星s对于任务i的第j个窗口，是否使用数传站d在卫星s下的第h个数传窗口进行数据传输，/>代表卫星s在任务i的第j个观测窗口使用数传窗口进行传输，/>代表着不使用数传窗口/>进行传输；
1)、成像目标的唯一性约束
任务i的多星成像窗口中最多选择一次：
2)、卫星任务间的转换约束
同卫星两窗口间隔时间需大于姿态调整时间；
任务i与i′的成像窗口和/>同时被选择时的转换约束，根据卫星侧摆机动角度对应的卫星转换时间Ttrans，需满足：
或
任务i与数传站d的成像窗口与数传窗口/>同时被选择时的转换约束：
或
同一卫星s对两个数传站d与d′两次数传窗口和/>同时被选择时的转换约束：
或
3)、数传站唯一性约束
同一数传站的天线同一时间只能对一颗卫星进行数传，数传站天线的转换时间为T_trans。数传站d对卫星s与s′两颗星的数传窗口同时被使用时应满足转换约束：
或
4)、数传时长约束
要求卫星s使用的数传d的第h个窗口传输的所有成像任务的总时长应小于等于数传站d的可用数传总时长：
5)、成像任务时效约束
成像任务具有时效要求，需要应急任务观测窗口在观测时效区间内完成成像拍摄：
6)、数传时效约束
所使用卫星s的数传站d的第h个窗口执行的任务i时应满足数传时效约束：
7)、目标函数
将卫星最终安排的成像收益作为总收益进行衡量；
在上述技术方案中，在步骤六中，通过禁忌搜索算法求解多背包模型，在算法收敛或达到设置的迭代次数10000次时，算法终止，得到算法结果。
本发明具有以下有益效果：
本发明针对应急任务具有应急任务突发性强、时效性要求高的特点，提出基于多背包模型的低轨遥感卫星星座应急任务规划方法，该方法以现有规划方案为基础，选择满足测控资源、观测时效、数传时效、任务云量、任务分辨率的成像窗口，根据任务收益值，在最大化收益下的多星应急任务规划方案，有效应对突发应急事件的快速响应。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的基于多背包模型的低轨遥感卫星星座应急任务规划方法应用于多星多站任务的应急规划流程示意图。
图2为图1中多背包模型生成多星应急任务的规划方案流程子图。
图3是本发明中涉及到的禁忌搜索算法结构示意图。
具体实施方式
本发明的发明思想为：在多星应急任务规划中需要考虑卫星轨道、卫星机动、任务时效、卫星测控、数传站数传窗口等约束条件及其复杂且耦合的多约束限制。将多星应急任务规划问题定义为多背包问题，将成像窗口抽象为物品，将待使用的数传抽象为背包，数传容量即为背包容量，成像窗口时长即为物品所占用的空间大小在此，对多星应急任务规划的多背包模型中的相关变量定义和约束进行说明，如下所示：
观测资源卫星集合S＝{1,2,3,…,Ns}，其中，Ns为卫星的数量。
测控站集合C＝{1,2,3,…,NC}，其中，Nc为测控站数量。
数传站集合D＝{1,2,3,…,Nd}，其中，Nd为数传站数量。
卫星s对测控站c的第k个可见时间窗口进行指令上注，其中/>为开始时间，/>为结束时间；卫星s对数传站d的第h个可见时间窗口/>进行数据传输。其中，开始时间为/>结束时间为/> 代表数传站d的数据回传时间。
任务包括常规任务和应急任务。任务集合A＝{1,2,3,…,Na}，其中Na为任务数量；对于任务集合中的任意任务i的属性包括：任务类别Class，任务观测时效区间WTL，数据传输时效DTlimit，任务收益Profit，任务可见窗口集TWi等六个属性。
其中，Class＝normal，为常规任务，Class＝Emergency，代表应急任务。任务观测时效区间WTL＝[WTLstart,WTLend]，其中，WTLstart为区间开始时间，WTLend为区间结束时间；TWi＝{1,2,3…Ntw}，其中，Ntw为任务i可见窗口个数。
卫星s对任务i的第j个可见窗口为其中窗口开始时间为/>结束时间为/>变量/>为卫星s对任务i的第j个窗口是否选择该窗口执行任务的决策变量，/>代表选择该窗口，/>代表不选择该窗口。定义决策变量/>代表卫星s对于任务i的第j个窗口，是否使用数传站d在卫星s下的第h个数传窗口进行数据传输，/>代表卫星s在任务i的第j个观测窗口使用数传窗口进行传输，/>代表着不使用数传窗口/>进行传输。
1)、成像目标的唯一性约束
任务i的多星成像窗口中最多选择一次：
2)、卫星任务间的转换约束
同卫星两窗口间隔时间需大于姿态调整时间。
任务i与i′的成像窗口和/>同时被选择时的转换约束，根据卫星侧摆机动角度对应的卫星转换时间Ttrans，需满足：
或
任务i与数传站d的成像窗口与数传窗口/>同时被选择时的转换约束：
或
同一卫星s对两个数传站d与d′两次数传窗口和/>同时被选择时的转换约束：
或
3)、数传站唯一性约束
同一数传站的天线同一时间只能对一颗卫星进行数传，数传站天线的转换时间为T_trans。数传站d对卫星s与s′两颗星的数传窗口同时被使用时应满足转换约束：
或
4)、数传时长约束
要求卫星s使用的数传d的第h个窗口传输的所有成像任务的总时长应小于等于数传站d的可用数传总时长：
5)、成像任务时效约束
成像任务具有时效要求，需要应急任务观测窗口在观测时效区间内完成成像拍摄：
6)、数传时效约束
所使用卫星s的数传站d的第h个窗口执行的任务i时应满足数传时效约束：
7)、目标函数
将卫星最终安排的成像收益作为总收益进行衡量。
在多星应急任务规划模型中，将可用数传窗口集合D定义为背包，数传容量即为背包的容量；将成像任务窗口/>定义为物品，成像任务得到价值即为物品的利润值，成像窗口时长/>为物品所占用数传容量的大小，通过多背包模型对确定多任务执行顺序并为其分配数传资源，目标函数是使得放置在背包中的所有物品的利润总和最大化。
下面结合附图对本发明做以详细说明。
如图1-3所示，本发明的基于多背包模型的低轨遥感卫星星座应急任务规划方法，包括以下步骤：
步骤一：获取用户提出的应急成像需求，获取应急目标信息并根据应急需求指定的多颗卫星和卫星轨道信息计算应急目标的多星过境成像窗口，并根据观测时效区间，剔除不在区间内的过境成像窗口，若过境成像窗口均不在观测时效区间内，则无法规划此任务；
步骤二：判断多星过境成像窗口是否有满足上注条件的测控站，将没有满足上注条件测控站的过境成像窗口剔除，若所有多星过境成像窗口均没有满足上注条件的测控站，则无法规划此任务；
步骤三：满足上述条件后，根据过境成像窗口所归属的卫星，判断该卫星数传站是否满足回传时效；在多星应急任务规划中，将卫星常规任务规划已使用数传站和未被使用的空闲数传站作为应急规划数传站备选集合，使用常规任务规划所使用的数传集合可以降低新规划方案与原始规划方案之间的差异性，避免新方案与原始方案差距过大。同时，需要判断备选集合中是否满足数据回传时效，若均不满足数据回传时效，则将过境成像窗口剔除。
步骤四：满足上述条件后，当存在多个应急需求，每个需求存在多个符合条件的成像窗口时，对每个符合条件的窗口进行循环判断所属卫星是否存在满足时效的未被使用的空余数传，若存在空余数传则直接使用空余数传完成该应急需求，该需求被标记为已完成；未完成的需求进入步骤五；
步骤五：将步骤四仍未规划的多个需求的多星成像窗口和常规任务规划方案构建多星应急任务多背包模型，在多背包模型中，将常规任务规划所用数传的数传集合抽象为背包，将日常任务规划完成的任务和应急任务窗口抽象为物品，以任务总收益最大调整原始方案，得到最终多星应急任务规划方案。
步骤六：基于多背包模型构建的多星应急任务规划算法通过禁忌搜索算法进行求解。禁忌搜索算法又称为爬山启发式算法，它从当前解开始搜索并和周围的邻域解进行比较，不断向最优解靠近，即使邻域中没有比当前解更好的解，依然可以选择其中的最优，这一特性使得禁忌搜索能够跳出局部最优，具有搜寻全局最优解的能力。多星应急任务规划问题中，使用禁忌搜索算法求解多背包多星应急任务规划问题。充分发挥禁忌搜索算法较强的局部搜索能力，利用禁忌搜索算法对规划问题进行求解，得到更优的结果。
通过禁忌搜索算法求解多背包模型，在算法收敛或达到设置的迭代次数10000次时，算法终止，得到算法结果。禁忌搜索算法在调整常规方案下基于最大化收益得到多星应急任务规划方案，有效应对突发应急事件的快速响应，完成应急任务多星下的成像窗口与数传窗口选择。
最终通过基于多背包模型的多星应急任务规划算法得到满足测控资源、观测时效、数传时效等要求的成像窗口与数传窗口的匹配方案，生成多星应急任务规划指令，实现应急任务快速响应并实现自动化。
本发明针对应急任务具有应急任务突发性强、时效性要求高的特点，提出了基于多背包模型的低轨遥感卫星星座应急任务规划方法，该方法以现有规划方案为基础，选择满足测控资源、观测时效、数传时效、任务云量、任务分辨率的成像窗口，根据任务收益值，在最大化收益下的多星应急任务规划方案，有效应对突发应急事件的快速响应。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种基于多背包模型的低轨遥感卫星星座应急任务规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：获取用户提出的应急成像需求，获取应急目标信息并根据应急需求指定的多颗卫星和卫星轨道信息计算应急目标的多星过境成像窗口，并根据观测时效区间，剔除不在区间内的过境成像窗口；
步骤二：判断多星过境成像窗口是否有满足上注条件的测控站，将没有满足上注条件测控站的过境成像窗口剔除；
步骤三：根据过境成像窗口所归属的卫星，判断该卫星数传站是否满足回传时效；
步骤四：当存在多个应急需求，每个需求存在多个符合条件的成像窗口时，对每个符合条件的窗口进行循环判断所属卫星是否存在满足时效的未被使用的空余数传，若存在空余数传则直接使用空余数传完成该应急需求，该需求被标记为已完成；未完成的需求进入步骤五；
步骤五：根据步骤四仍未规划的多个需求的多星成像窗口和常规任务规划方案构建多星应急任务多背包模型，在多背包模型中，将常规任务规划所用数传的数传集合抽象为背包，将日常任务规划完成的任务和应急任务窗口抽象为物品，将多星应急任务规划问题抽象为多背包问题，以任务总收益最大调整原始方案，得到最终多星应急任务规划方案；
步骤六：基于多背包模型构建的多星应急任务规划算法通过禁忌搜索算法进行求解。
2.根据权利要求1所述的基于多背包模型的低轨遥感卫星星座应急任务规划方法，其特征在于，在步骤五中，多星应急任务规划的多背包模型为：观测资源卫星集合S＝{1,2,3,…,Ns}，其中，Ns为卫星的数量；
测控站集合C＝{1,2,3,…,NC}，其中，Nc为测控站数量；
数传站集合D＝{1,2,3,…,Nd}，其中，Nd为数传站数量；
卫星s对测控站c的第k个可见时间窗口进行指令上注，其中/>为开始时间，/>为结束时间；卫星s对数传站d的第h个可见时间窗口/>进行数据传输，其中，开始时间为/>结束时间为/>代表数传站d的数据回传时间；
任务包括常规任务和应急任务；任务集合A＝{1,2,3,…,Na}，其中Na为任务数量；对于任务集合中的任意任务i的属性包括：任务类别Class，任务观测时效区间WTL，数据传输时效DTlimit，任务收益Profit，任务可见窗口集TWi六个属性；
其中，Class＝normal，为常规任务，Class＝Emergency，代表应急任务；任务观测时效区间WTL＝[WTLstart,WTLend]，其中，WTLstart为区间开始时间，WTLend为区间结束时间；TWi＝{1,2,3…Ntw}，其中，Ntw为任务i可见窗口个数；
卫星s对任务i的第j个可见窗口为其中窗口开始时间为/>结束时间为/>变量/>为卫星s对任务i的第j个窗口是否选择该窗口执行任务的决策变量，/>代表选择该窗口，/>代表不选择该窗口；定义决策变量/>代表卫星s对于任务i的第j个窗口，是否使用数传站d在卫星s下的第h个数传窗口进行数据传输，/>代表卫星s在任务i的第j个观测窗口使用数传窗口/>进行传输，/>代表着不使用数传窗口/>进行传输；
1)、成像目标的唯一性约束
任务i的多星成像窗口中最多选择一次：
2)、卫星任务间的转换约束
同卫星两窗口间隔时间需大于姿态调整时间；
任务i与i′的成像窗口和/>同时被选择时的转换约束，根据卫星侧摆机动角度对应的卫星转换时间Ttrans，需满足：
或
任务i与数传站d的成像窗口与数传窗口/>同时被选择时的转换约束：
或
同一卫星s对两个数传站d与d′两次数传窗口和/>同时被选择时的转换约束：
或
3)、数传站唯一性约束
同一数传站的天线同一时间只能对一颗卫星进行数传，数传站天线的转换时间为T_trans。数传站d对卫星s与s′两颗星的数传窗口同时被使用时应满足转换约束：
或
4)、数传时长约束
要求卫星s使用的数传d的第h个窗口传输的所有成像任务的总时长应小于等于数传站d的可用数传总时长：
5)、成像任务时效约束
成像任务具有时效要求，需要应急任务观测窗口在观测时效区间内完成成像拍摄：
6)、数传时效约束
所使用卫星s的数传站d的第h个窗口执行的任务i时应满足数传时效约束：
7)、目标函数
将卫星最终安排的成像收益作为总收益进行衡量；
3.根据权利要求1所述的基于多背包模型的低轨遥感卫星星座应急任务规划方法，其特征在于，在步骤六中，通过禁忌搜索算法求解多背包模型，在算法收敛或达到设置的迭代次数10000次时，算法终止，得到算法结果。
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