JP5737056B2

JP5737056B2 - 衛星運用計画装置

Info

Publication number: JP5737056B2
Application number: JP2011178753A
Authority: JP
Inventors: 大介遠山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2031-08-18
Also published as: JP2013042409A

Description

この発明は、人工衛星の運用管制を行うための地上局を割り当てる計画を生成する衛星運用計画装置に関する。

人工衛星（以下、衛星）の運用管制を行う際、地上局から衛星へのコマンドのアップリンクや衛星から地上局へのデータのダウンリンクを行うために、衛星通信を行う地上局が衛星毎に割り当てられる。従来、衛星の観測データをダウンリンクするために地上局を割り当てる際、運用計画立案者は地上局や衛星ごとに優先度を設定して、優先度にもとづき地上局の割り当て計画を立案していた（例えば、特許文献１参照）。

一方、複数の衛星や複数の地上局が存在する場合、優先度にもとづくその割り当て方には何通りもの数が存在し、割り当て方によっては特定の衛星に地上局の割り当てが偏ってしまい、地上局の割り当てが少ない衛星ではデータをダウンリンクしきれず、全体としてデータのダウンリンク量が少なくなってしまう。そこで、例えば線形計画法やメタヒューリスティクスと呼ばれる最適化計算を用いることで、地上局の割り当てを最適化することが求められている（メタヒューリスティクスの計算方法については非特許文献１を参照）。

特開２００１−２３３００号公報

久保、ペドロソ著、「メタヒューリスティクスの数理」、共立出版(２００９)

従来の衛星と地上局の割り当て方法では、衛星の機数が増加するにつれて、優先度の低い衛星では割り当て回数が減ってしまい、観測データをダウンリンクする機会が減少してしまう、あるいは可視時間の偏りに関わらず優先度に基づき割り当てを行うため、観測データを最大限ダウンリンクする観点からは最適な割り当てではない、という課題があった。

この発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、衛星毎の地上局の割り当てを最適化することにより、特定の衛星による可視時間の偏りをなくして、衛星の観測データのダウンリンク量をより多くすることを目的とする。

この発明による衛星運用計画装置は、衛星毎に通信を割り当てる地上局及び当該地上局と通信を行う可視時間を識別するための可視番号を設定し、衛星毎に割り当てる地上局の可視数分だけ可視番号を第１の最適候補解として選択する処理を行う候補解演算部と、上記候補解演算部にて算出された第１の最適候補解の中から、同一可視時間に１つの衛星が１つの地上局と通信を行う条件下で、任意に選択した衛星と当該衛星に割り当てる地上局との可視番号を変更して第２の最適候補解を求め、上記第１の最適候補解の可視番号に対応する可視時間の合計と第２の最適候補解に対応する可視時間の可視時間の合計の差分と、繰り返しの更新回数に応じて低下する冷却温度との比で求まる負性係数に依存する採用確率が、所定値を超えた場合に最適解を更新し、当該採用確率が所定値以下となった場合に、最適解の最大更新回数を超えるかもしくはＮ回連続して第１の最適候補解が更新されなくなるまで、上記候補解演算部にて第１の最適候補解の選択処理を再び繰り返し、衛星に対する地上局の可視時間の割り当てを最適化する最適化計算部と、を備えたものである。

この発明によれば、衛星毎の地上局の割り当てに対して最適化計算を行うことにより、特定の衛星による可視時間の偏りを無くし、衛星の観測データのダウンリンク量をより多くすることが可能となる。

実施の形態１による衛星運用計画装置の構成を示す図である。実施の形態１による割り当て装置の構成を示す図である。実施の形態１による割り当て装置における処理フローを説明するための図である。

実施の形態１．
以下、本発明に係る実施の形態１について図面を用いて説明する。図１は実施の形態１による衛星運用計画装置の構成を示す図である。図２は実施の形態１による地上局割り当て装置１の構成を示す図である。

図１において、衛星運用計画装置１００は、地上局割り当て装置１と、入力部１１と、出力部１２を備えて構成される。複数の地上局６０は、ケーブルまたは無線を媒体とする通信回線を通じて衛星運用計画装置１００に接続される。複数の衛星５０は、衛星通信回線を通じて通信の割り当てをなされた地上局６０に接続され、コマンド受信や観測データ送信などのデータ通信処理を行う。衛星運用計画装置１００は、運用計画立案者が入力部１１から情報入力して、衛星５０の運用管制と、衛星５０と通信を行うように割り当てられた地上局６０の運用管制とを行うための運用計画を生成し、生成した運用計画を地上局６０に送信する。地上局６０は、衛星運用計画装置１００から受信した運用計画に基づいて地上局６０を運用し、衛星５０の運用管制を行うとともに、衛星５０との間でコマンド送信や観測データ受信などのデータ通信処理を行う。地上局割り当て装置１は、入力部１１からの入力データについて、各衛星５０の通信相手となる特定の地上局６０を特定の通信時間に割り当てる処理を行い、地上局６０の割り当て結果を出力部１２に出力する。また、衛星運用計画装置１００は、出力部１２を介して地上局６０が衛星５０から受信した観測データの出力処理を行う。

図２において、地上局割り当て装置１は、候補解演算部４と、最適化計算部５を備えて構成される。地上局割り当て装置１は、入力部１１から割り当て要求２と可視情報３を含む入力データが入力されると、メタヒューリスティクス（非特許文献１参照）のアニーリング法を用いて、候補解演算部４及び最適化計算部５にて割り当て処理を行い、処理結果を地上局割り当て結果６として出力し、出力部１２を介して運用計画立案者に結果表示する。運用計画立案者は、表示された地上局割り当て結果６に基づいて、衛星５０を地上局５０に割り当てた場合の衛星５０及び地上局５０の運用計画を立案する。

次に、地上局割り当て装置１の候補解演算部４、最適化計算部５による割り当て処理について図面を用いて説明する。図３は、実施の形態１による地上局割り当て装置１の処理フローを説明するための図である。候補解演算部４は、ステップＳ１からステップＳ３の処理を行い、最適化計算部５は、ステップＳ４からステップＳ７の処理を行う。

図３において、まず、ステップＳ１の初期設定において、一定期間における、各衛星５０の地上局６０毎の可視情報３を取得する。可視情報３としては、衛星５０の地上局６０との通信の開始時刻、終了時刻、及び衛星５０から可視となる（衛星通信回線が接続され、通信可能となる）地上局６０の所要とする可視時間が与えられる。これらの可視情報３には、衛星毎の可視となる全ての地上局について可視時間及び可視の識別のための可視番号を付与し、候補解の集合とする。また、ある期間において、各衛星５０に割り当てたい可視情報の数（可視数）を割り当て要求２として設定する。

次に、候補解の集合の中から、各衛星５０に割り当てたい可視数だけ可視毎にランダムに可視番号を選択し、その選択した組み合わせを最適候補解の初期値（第１の最適候補解）とする。
さらに、最適候補解から目的関数ｆ_ｏｐｔを計算しておく。目的関数は、例えばｉ番目（１≦ｉ≦全衛星機数）の衛星５０に対して割り当てた、ｊ番目の可視情報（１≦ｊ≦割り当てたい可視数。ｊは衛星ｉに対して割り当てた可視）の可視時間を、次式（１）により合計して求めた合計可視時間によって与える。

ここで、例えば地上局がＡ、Ｂ、Ｃの３局あり、衛星ｉの可視はそれぞれＡ局が３可視、Ｂ局が２可視、Ｃ局が４可視あるとすると、衛星ｉの最適候補解の初期値としては、次の例のように可視番号の割り当てが行われる。
（例）可視番号１は衛星ｉの地上局Ａに対する可視Ａ−１、可視番号２は衛星ｉの地上局Ａに対する可視Ａ−２、可視番号３は衛星ｉの地上局Ａに対する可視Ａ−３、可視番号４は衛星ｉの地上局Ｂに対する可視Ｂ−１、可視番号５は衛星ｉの地上局Ｂに対する可視Ｂ−２、可視番号６は衛星ｉの地上局Ｃに対する可視Ｃ−１、可視番号７は衛星ｉの地上局Ｃに対する可視Ｃ−２、可視番号８は衛星ｉの地上局Ｃに対する可視Ｃ−３、可視番号９は衛星ｉの地上局Ｃに対する可視Ｃ−４とする。このとき、例えばある期間（例えば１日）に割り当てたい可視数が３であるとし、１番目の可視の可視番号が４であるとすると、その衛星ｉの可視は可視Ｂ−１となる。

次に、ステップＳ２において、最適候補解の探索を行う。
最適候補解の内、各衛星５０におけるいずれか１つの可視の可視番号を、候補解の集合からランダムに選択した可視番号と入れ替え、新しい候補解（第２の最適候補解）とする。

次に、ステップＳ３において、新しい候補解について、制約条件のチェックを行う。
制約条件として、１つの地上局６０に対して、「可視時間が重複する衛星５０はどちらか一方のみ割り当てが可能になる」ように、可視干渉を避ける制約を設ける。すなわち、１つの地上局６０が、同一の可視時間に２つ以上の衛星５０との間で通信を行うことがないように（同一可視時間に１つの衛星が１つの地上局と通信を行うように）制約される。
また、１つの衛星５０に対して、「可視時間が重複する地上局６０はどちらか一方のみ割り当てが可能になる」ように、可視干渉を避ける制約を設ける。すなわち、１つの衛星５０が、同一の可視時間に２つ以上の地上局６０との間で通信を行うことがないように（同一可視時間に１つの衛星が１つの地上局と通信を行うように）制約される。
これらの制約条件を満たさない場合、改めてステップＳ２に戻り候補解の選択を行う。

一方、上記制約条件を満たす場合、ステップＳ４にて、新しい候補解について、式（１）に示した目的関数を計算する。目的関数は新しい候補解の合計可視時間とする。

ここで、新しい候補解（第２の最適候補解）の目的関数が現在の最適候補解（第１の最適候補解）の目的関数よりも大きくなる場合、ステップＳ５に移行して、新しい候補解を最適候補解として、最適候補解を更新する。

また、新しい候補解の目的関数が最適候補解の目的関数よりも小さくなる場合、ステップＳ６にて、更新回数に応じた採用確率Ａを計算する。採用確率Ａは次式（２）により求める。

ここで、ｆ_optは最適候補解（第１の最適候補解）の目的関数の値、ｆ_{opt_trial}は新しい候補解（第２の最適候補解）の目的関数の値、Ｔは冷却温度と呼ばれる値である。

求めた採用確率Ａが所定の確率を超えた場合、新しい候補解（第２の最適候補解）を最適候補解として、ステップＳ５に移行して最適候補解を更新する。これは局所最適解に陥ることを避けるため、一時的に改悪を許すためである。求めた採用確率Ａが所定の確率を超えない場合は、改めてステップＳ２に戻り候補解の選択を行う。

次に、ステップＳ５では、最適候補解が更新される度に、冷却温度の更新を行う。冷却温度の更新は、次式（３）により求める。

ここで、Ｔ_oldは更新前の冷却温度、Ｔ_newは更新後の冷却温度である。λは冷却係数と呼ばれる値で１よりも小さい値である。

最適候補解が更新されるにつれて、冷却温度は幾何級数的に小さくなっていく。このため、最適候補解が更新されるにつれて採用確率Ａは小さくなっていき、改悪となる最適候補解の更新は行われなくなる。

上記のステップを繰り返し行うことにより、目的関数が最大となる解の探索を行う。ステップＳ７にて、終了条件を満たしたところで繰り返しを終了する。
ここでの終了条件は、最大更新回数を超えた場合、またはＮ回連続して最適候補解が更新されなかった場合である。

地上局割り当て装置１では以上の処理を行い、最終的に得られた最適候補解を最適解として、衛星５０毎に地上局６０の割り当てを行う。これにより、衛星５０毎に可視時間を最大とする地上局６０の割り当てが可能となり、衛星５０から地上局６０への観測データのダウンリンク量を最大化することが可能となる。また、地上局割り当て装置１の最適化計算部５は、冷却温度及び冷却係数により最適解の近似精度及び計算時間を調整するメタヒューリスティクスな手法を用いて最適化計算を行うので、一時的に改悪を許すことで局所最適解に陥ることを防ぐことができ、任意の計算時間で最適化を終了することが可能となる。

以上説明したとおり、実施の形態１による衛星運用計画装置は、衛星毎に通信を割り当てる地上局及び当該地上局と通信を行う可視時間を識別するための可視番号を設定し、衛星毎に割り当てる地上局の可視数分だけ可視番号を第１の最適候補解として選択する処理を行う候補解演算部と、上記候補解演算部にて算出された第１の最適候補解の中から、同一可視時間に１つの衛星が１つの地上局と通信を行う条件下で、任意に選択した衛星と当該衛星に割り当てる地上局との可視番号を変更して第２の最適候補解を求め、上記第１の最適候補解の可視番号に対応する可視時間の合計と第２の最適候補解に対応する可視時間の可視時間の合計の差分と、繰り返しの更新回数に応じて低下する冷却温度との比で求まる負性係数に依存する採用確率が、所定値を超えた場合に最適解を更新し、当該採用確率が所定値以下となった場合に、最適解の最大更新回数を超えるかもしくはＮ回連続して第１の最適候補解が更新されなくなるまで、上記候補解演算部にて第１の最適候補解の選択処理を再び繰り返し、衛星に対する地上局の可視時間の割り当てを最適化する最適化計算部と、を備えたことを特徴とする。これによって、衛星毎の地上局の割り当てに対して最適化計算を行うことにより、特定の衛星による可視時間の偏りを無くし、衛星の観測データのダウンリンク量をより多くして最適化することが可能となる。

１地上局割り当て装置、４候補解演算部、５最適化計算部。

Claims

衛星毎に通信を割り当てる地上局及び当該地上局と通信を行う可視時間を識別するための可視番号を設定し、衛星毎に割り当てる地上局の可視数分だけ可視番号を第１の最適候補解として選択する処理を行う候補解演算部と、
上記候補解演算部にて算出された第１の最適候補解の中から、同一可視時間に１つの衛星が１つの地上局と通信を行う条件下で、任意に選択した衛星と当該衛星に割り当てる地上局との可視番号を変更して第２の最適候補解を求め、上記第１の最適候補解の可視番号に対応する可視時間の合計と第２の最適候補解に対応する可視時間の可視時間の合計の差分と、繰り返しの更新回数に応じて低下する冷却温度との比で求まる負性係数に依存する採用確率が、所定値を超えた場合に最適解を更新し、当該採用確率が所定値以下となった場合に、最適解の最大更新回数を超えるかもしくはＮ回連続して第１の最適候補解が更新されなくなるまで、上記候補解演算部にて第１の最適候補解の選択処理を再び繰り返し、衛星に対する地上局の可視時間の割り当てを最適化する最適化計算部と、
を備えた衛星運用計画装置。
上記採用確率は、

ｆ_optは第１の最適候補解の可視時間の合計時間、ｆ_{opt_trial}は第２の最適候補解の可視時間の合計時間、Ｔは冷却温度、Ａは採用確率、で与えられ、
上記冷却温度Ｔは、

Ｔ_oldは更新前の冷却温度Ｔ、Ｔ_newは更新後の冷却温度Ｔ、λは１よりも小さい係数、
で与えられることを特徴とする請求項１記載の衛星運用計画装置。