一种深空探测器自主任务规划时间约束几何处理方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种深空探测器自主任务规划时间约束几何处理方法，属于深空探测
技术领域。
【背景技术】
[0002] 在深空环境下，深空探测器与目标距离远、飞行时间长、所处环境动态多变，传统 地面站-航天器这样的控制方法已经无法满足操作费用、实时性、通讯网络等各项要求。为 达到较高的实时性要求，在探测器中应用自主技术成为重要途径。而自主任务规划技术是 自主技术的关键技术之一。
[0003] 在深空探测领域中，采用自主任务规划，需要对时间进行表示、并对时间约束进行 处理。目前，时间约束网方法是探测器自主任务规划中采用的时间表示和处理方法，并已经 应用到了探索太空的项目中，如深空一号中自治远程代理系统、美国规划、调度和约束推理 平台EUR0PA等。时间约束网方法的一个缺点是如果改变其中一个点的约束或者新加入变量 点，就要对所有点的值进行计算，若在规划过程中引入一个活动，就会引入2个变量点，2*(n +1)个约束弧(η为原来的变量点），导致计算量急剧增加，不适合快速处理时间约束。
[0004] 由于时间在二维情况下能够明确表示出时间的开始点、结束点和持续时间，因此 提出利用二维坐标系对时间进行表示并用几何方法处理时间约束。该方法首先由Rit提出， 后来Pu jari、Kumari和Sattar进一步讨论了一下，其他只是简单进行了介绍，而最近 Ullberg使用了该方法表示少量的定量约束解决环境识别问题中的区间推理问题。上述研 究中虽然做了一定研究，但是没有详细给出利用二维坐标系表示时间和处理时间约束的方 法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对目前深空探测器自主任务规划中时间约束处理问题，为了克 服时间约束网计算量大且计算时间长的缺点，提出一种深空探测器自主任务规划时间约束 几何处理方法，是一种验证时间约束一致性(活动变量值域能够满足所有约束)和约束几何 处理方法，在任务规划活动变量众多的情况下，快速实现时间约束处理，从而满足探测器实 时性要求。
[0006] 本发明通过设计时间约束几何处理方法实现，具体实现步骤如下：
[0007] 步骤1，建立深空探测器时间规划问题模型。
[0008] 深空探测器时间规划问题由探测器系统状态集合、探测器可执行活动变量集合、 活动间的约束集合、探测器初始状态以及目标状态组成，即V= {V1，v2，. . .，vm}。
[0009] 其中，V={V1，V2, . . .，vm}为状态变量集合，且VeDv，Dv为探测器能达到的状态值 域，m为状态变量的数量;0= {〇1，〇2,...，on}为探测器可执行的活动变量集合，η为活动变量 的数量，任意一个探测器活动〇χ具有开始点s x、结束点ex、持续时间dx，即ox = {sx，ex，dx}; C为 探测器活动间的约束集合，此处约束为两个活动间的时间约束，即C(〇x，〇y) = "〇x Cons 〇y"，〇x与〇y为活动间约束对，Cons为活动间约束关系；s。为探测器初始状态，即当时间为Ο (相对零点）时，探测器状态变量都对应相应的值;g为目标状态，即探测器各个变量需要达 到的值。
[0010] 步骤2，对步骤1中探测器活动变量及活动间的时间约束进行表示。
[0011] 在处理时间约束之前，需要对探测器活动变量及时间约束进行表示。
[0012] 1.对探测器活动变量及活动自身约束进行表示。
[0013] 设探测器活动变量集合0= {〇1，02, . . .，Οη}中任意一个探测器活动Ox，且Ox= {sx, ex,dx}。将活动变量ox在二维坐标系下进行表示:横坐标x为开始点，纵坐标y为结束点，y = x +dx与纵坐标交点的值为持续时间。
[0014] 对于探测器活动变量ox= {sx，ex，dx}，自身约束为sxe [slx，s2x]、exE [elx，e2x]和 dxe [dlx，d2x]。其中，slx，s2x为活动o x开始点值域的下界和上界;elx，e2x为活动ox结束点值 域的下界和上界;dl x，d2x为活动ox持续时间值域的下界和上界。如果有相对零点，则slx 2 s2x2 0;slx = s2x时，表示开始点的值域只有一个时刻；同理eld e2x 2 0，dlx2 d2x2 0。
[0015] 2.对深空探测器活动间约束进行表示。
[0016] 设探测器两个活动变量ox= {sx，ex，dx}和oy= {sy，ey，dy}。活动间约束包括ox开始 点对〇y开始点的约束[ss 1，ss2 ]，ss 1，ss2为约束值域的下界和上界;ox开始点对Oy结束点的 约束[sel，se2]，sel，se2为约束值域的下界和上界;o x结束点对oy开始点的约束[esl，es2]， esl，es2为约束值域的下界和上界;ox结束点点对oy结束点的约束[eel，ee2]，eel，ee2为约 束值域的下界和上界。（ssl，ss2，sel，se2，esl，es2，eel，ee2为任意实数）。
[0017] 步骤3，根据探测器活动变量自身约束，对所有探测器活动变量值域进行自我削 减。
[0018] 自我削减方法为：活动变量~={&，&，心}初始值域为^已[81^82」、^已[ 61^ e2x]和dxe [dlx，d2x]。利用几何表示方法，二维坐标系下开始点值域范围界限为x = slx与X =82。结束点值域范围界限为7 = 6]^与7 = 62\，持续时间值域范围界限为7 = 1+(1]^与7 =叉+ d2x。六条直线相交于12个交点。从12个交点中挑选满足条件的交点：Xe[elx，e2 x]，ye [elx，e2x]，y￡ [x+dlx，x+d2x]。剩余η个点(η < 12)，其中任意一点表示为(xn，yn)。
[0019] 经自我削减后，探测器活动变量0x值域为Sxe[ srx，s2'x]、exe[ el'x，e2'xWPdxe ,sl ,x = min(xn),s2 ,x = max(xn) ,el ,x = min(yn),e2 ,x=max(yn) ,(11^ = min(yn_xn)，d2 'X=max(yn-xn)。其中min表示最小值，max表示最大值。
[0020] 步骤4，从深空探测器活动间约束对中任意选择一对以〇\，<^) = 〃<^〇118(^〃根据(^ 值域和约束关系Cons推导〇y的值域。分别推导〇y的开始点值域、结束点值域和持续时间值 域。
[0021 ]步骤4.1，对于Oy的开始点值域[sly，s2y]，ox和约束[ssl，ss2]、[esl，es2]对[sly, s2y]有影响。在坐标系中，为了两个约束同时满足，〇y的开始点可行区域
[0022] Availablex= [slx+ssl，s2x+ss2] Π [elx+esl，e2x+es2] (1)
[0023] 如果交集为空，则表示没有值同时满足两个约束，整个时间约束处理过程结束，结 论为时间约束不一致，即无法得到满足所有时间约束的活动值域。如果交集不为空，则进行 步骤4.2。
[0024] 步骤4.2,对于oy的结束点值域[ely，e2 y]，ox和约束[sel，se2]和[eel，ee2]对其有 影响。在坐标系中，为了两个约束同时满足，0y的结束点可行区域为
[0025] Availabley= [slx+sel，s2x+se2] Π [elx+eel，e2x+ee2] (2)
[0026] 如果交集为空，则表示没有值同时满足两个约束，整个时间约束处理过程结束，结 论为时间约束不一致，即无法得到满足所有时间约束的活动值域。如果交集不为空，则进行 步骤4.3。
[0027]步骤4.3，对〇y的持续时间值域，由式(3)获得。
[0028] Availabled = dl Π d2 Π d3 Π d4 (3)
[0029] 其中，dl = [sel_ss2, se2_ssl ]，d2=[eel_es2, ee2_esl ]，d3 = [d31，d32]，d4 = [d41，d42];且
[0030] d31=min(dlx-ssl+eel，dlx-ssl+ee2，dlx-ss2+eel，dl x-ss2+ee2)，
[0031 ] d32=max(d2x-ssl+eel，d2x-ssl+ee2，d2x-ss2+eel，d2 x-ss2+ee2)，
[0032] d41=min(-dlx-esl+sel，-dlx-esl+se2，-dlx-es2+sel，-dl x-es2+se2)，
[0033] d42=max(-d2x-esl+sel，-d2x-esl+se2，-d2x-es2+sel，-d2 x-es2+se2) 〇
[0034] min表示几个值中的最小值，max表示几个值中的最大值。
[0035]根据式（1)_(3)，得〇y最后可行值域
[0036] Avai lable= Avai lab lex Π Availabley Π Availablea (4)
[0037] 如果交集为空，则表示没有值同时满足两个约束，整个时间约束处理过程结束，结 论为时间约束不一致，即无法得到满足所有时间约束的活动值域。如果交集不为空，则进行 步骤5。
[0038] 步骤5,步骤4中求出的oy可行值域Available与oy原值域s ye [sly，s2y]，eye [ely, e2y]和dye [dly, d2y]进行几何相交。探测器活动oy开始点新值域为Intersect ionx = Availablex Π [sly，s2y]，探测器活动oy结束点新值域为Intersectiony = Availabley Π [ely，e2y]，探测器活动oy持续时间新值域为Intersectiond = Availabled Π [dly，d2y]。最终 求得〇y新值域Intersection:IntersectionxΠ Intersectiony Π Intersectiond。如果交集 为空，整个时间约束处理过程结束，结论为时间约束不一致，即无法得到满足所有时间约束 的活动值域。如果交集不为空，则进行步骤6。
[0039]步骤6,比较Oy新值域Intersection与原值域是否相同，若不同，则将与Oy相关的约 束对再次加入到约束对集合C中。同时，将约束