一种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划算法
【专利摘要】本发明涉及一种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划算法。本发明针对成像卫星自主任务规划问题进行了研究,建立了基于RHC策略的自主任务规划框架,描述了滚动构造任务规划子问题的优化方法,并提出了基于RHC策略的成像卫星自主任务规划启发式算法。在实验分析中,通过不同问题规模、不同RHC策略参数的对比实验,验证了针对成像卫星自主任务规划问题,本文提出的基于RHC的启发式算法是有效的,该算法边规划边执行的策略对于对地观测网络中随时可能出现的动态任务具有较强的鲁棒性,能够较好地解决成像卫星自主任务规划问题中实时性和最优性间的矛盾。
【专利说明】一种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划算法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划算法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着卫星遥感技术的不断发展，对地观测网络逐渐成为国内外研究的热 点。对地观测网络由各类成像卫星组成，依靠事件感知触发星间或星地信息交互。成像卫 星根据交互信息中随时可能出现的观测任务对观测计划进行实时调整，通过网内卫星协 同观测，快速响应各类突发或渐变事件，从而提供多种空间、时间和光谱分辨率的多源遥 感数据，对推动国家军事、经济和社会发展具有重要意义的同时，也对目前成像卫星任务 规划模式带来巨大挑战。 以现有的地面管控方式为例，成像卫星高度依靠地面任务规划系统对观测任务进行 规划调度，然后再选择合适的上行链路将观测方案上传至卫星执行。如果每次通过信息交 互产生的观测任务都必须首先经过地面纳入观测计划，再将调整后新的观测计划上传至 卫星，那么对地观测网络显然将会失去其快速响应、协同观测的优势，因此对地观测网络 中的成像卫星必须具备一定的自主任务规划能力，才能对随时有可能出现的观测任务做 出快速反应。 要想实现对随时有可能出现的观测任务做出快速反应，就必须将优化和交互信息 结合起来，这是实现自主任务规划的关键。过程控制中得到广泛应用的滚动时域控制 RHC (Receding Horizon Control)正是将优化与信息交互完美结合的一种比较成熟的方法 策略，为解决成像卫星自主任务规划问题提供了新的思路。文献（Robot Path in Globally Unknown Environments based on Rolling Windows,全局环境未知时基于滚动窗口的机器人 路径规划，发表在《中国科学E辑：技术科学》2001年01期。研究了全局环境未知时机器 人的路径规划问题，借鉴预测控制滚动优化原理，提出了基于滚动窗口的移动机器人路径 规划方法。Robot Rolling Path based on Locally Detected Information,基于局部探测信 息的机器人滚动路径规划，发表在《自动化学报》2003年01期。用基于滚动窗口的路径规 划方法研究了全局环境未知时的机器人路径规划问题。该法充分利用机器人实时测得的局 部环境信息，以滚动方式进行在线规划，实现了优化与反馈的合理结合。）成功运用RHC优 化原理在求解移动机器人路径规划问题中取得了一定成果。本发明针对问题特点，同样借 鉴了 RHC优化原理，提出了一种基于RHC的成像卫星自主任务规划启发式算法。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是根据【背景技术】中存在的缺点和问题加以改进，提供一种能够针对 信息交换过程中随时有可能出现的观测任务进行快速响应，且能够取得好的规划结果的基 于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划算法。
[0004] 本发明的技术方案是提供一种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划方法， 其特征在于：包含预测窗口、滚动窗口、规划子问题和滚动机制四要素，所述规划子问题是 指在每个规划时刻根据当前滚动窗口构造的局部规划问题，滚动机制用于在限定了规划子 问题求解后确定规划方案结束的执行位置和下一个规划时刻；该成像卫星自主任务规划方 法是用若干个沿任务轴滚动的局部规划替代一次性全局规划，在每个规划时刻，首先通过 当前的预测窗口对任务信息进行实时更新，更新过程中增加一些新的任务、或者删除被取 消的任务、或者对任务的属性信息进行调整，然后在预测窗口的基础上再确定当前的滚动 窗口，每次局部规划均针对滚动窗口进行，每次局部规划结束后，只执行规划结果中的一部 分任务，这部分任务全部执行结束的时刻是下一次规划的开始时刻。
[0005] 本发明还提供了一种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划算法，其特征在 于：采用启发式方法在预测窗口和滚动窗口不断向前滚动的过程中逐个对每一个规划子问 题进行规划求解，该成像卫星自主任务规划算法包括八个模块：滚动机制控制模块、预测窗 口信息更新模块、滚动窗口预处理模块、观测活动确定模块、约束检查模块、回传活动确定 模块、时间窗口维护模块、方案生成模块； 所述滚动机制控制模块根据自主任务规划方案以及滚动步长确定当前规划时刻的预 测窗口和滚动窗口； 所述预测窗口信息更新模块主要完成对预测窗口内各任务和约束信息的实时更新，为 其它模块操作提供及时准确的数据支持； 所述滚动窗口预处理模块依据排序规则对滚动窗口内的任务进行排序，并按照任务队 列次序依次将观测任务提交给观测活动确定模块，将回传任务提交给回传活动确定模块； 所述观测活动确定模块根据每个任务当前实时更新的可用观测时间窗口信息，选择 任务的观测开始时刻，然后提交给约束检查模块，再根据约束检查模块的反馈结果确定任 务的观测开始时刻； 所述约束检查模块根据任务的观测开始时刻计算卫星固存使用情况，判断任务观测 开始时刻是否合理，并将检查结果提交给观测活动确定模块和回传活动确定模块； 所述回传活动确定模块根据当前任务的可用回传时间窗口情况，确定该任务的回传 开始时刻，并确保回传开始时刻在该任务观测结束时刻之后； 所述时间窗口维护模块利用卫星的已用时间窗口对观测目标当前可用时间窗进行裁 剪，更新观测目标可用时间窗口信息； 所述方案生成模块根据每次迭代后的收益情况，确定每个规划子问题的最终规划结 果； 具体步骤如下： 步骤1 :确定滚动时域调度策略参数后启动算法，令调度时刻P=〇 ; 步骤2:在调度时刻p, p=p+l,确定预测窗口 F(p),同时更新预测窗口内任务及相关约 束信息，并按时间窗口开始时刻的先后顺序进行排序； 步骤3:根据预测窗口 F(p)内信息，建立滚动窗口 K(p); 步骤4 :对滚动窗口内任务进行排序，生成任务队列Sequence, Sequence中包含I个 任务，I=k, Sequence [1]表示队列的首任务； 步骤5 :判断I是否等于0,如果1=0,转至步骤14 ; 步骤6 :判断Sequence [1]是否为观测任务，如果不是，转至步骤11 ; 步骤7 :对Sequence [1]的可用观测时间窗口进行裁剪； 步骤8 :判断Sequence [1]是否有可用观测时间窗口，如果没有，则将Sequence [1]从 Sequence中删除，1=1-1，并转至步骤5 ; 步骤9 :为Sequence [1]确定观测开始时刻t ; 步骤10 :针对Sequence[l]的观测开始时刻进行约束检查，如果Mt>M，其中Mt和Μ 分别表示t时刻卫星固存占用值和卫星固存占用值，则将Sequence [1]从Sequence中删 除，1=1-1，并转至步骤5 ; 步骤11 :对Sequence [1]的回传时间窗口进行裁剪； 步骤12 :判断是否有可用回传时间窗口，如果没有，则将Sequence[l]从Sequence中 删除，1=1-1，并转至步骤5 ; 步骤13 :为Sequence[1]确定回传开始时刻，然后将Sequence[1]从Sequence中删 除，1=1-1，并转至步骤5 ; 步骤14 :生成此次迭代的调度方案； 步骤15 :判断是否满足迭代终止条件，如果不满足，转至步骤4 ; 步骤16 :生成最优调度方案； 步骤17 :卫星只执行方案中前X个任务并删除这些任务； 步骤18 :判断此时是否还有未执行的任务，如果有，转至步骤2 ; 步骤19 :算法暂停，等待新任务的出现。
[0006] 本发明具有以下优点： 本发明提出的算法能够满足成像卫星自主任务规划的需求，实现最优性与实时性的统 一，不仅能够针对信息交换过程中随时可能出现的观测任务进行快速响应，而且能够得到 好的规划结果。
[0007] 本发明针对成像卫星自主任务规划问题进行了研究，建立了基于RHC策略的自主 任务规划框架，描述了滚动构造任务规划子问题的优化方法，并提出了基于RHC策略的成 像卫星自主任务规划启发式算法。在实验分析中，通过不同问题规模、不同RHC策略参数的 对比实验，验证了针对成像卫星自主任务规划问题，本文提出的基于RHC的启发式算法是 有效的，该算法边规划边执行的策略对于对地观测网络中随时可能出现的动态任务具有 较强的鲁棒性，能够较好地解决成像卫星自主任务规划问题中实时性和最优性间的矛盾。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1为本发明所述算法的求解框架图。
[0009] 图2为基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划示意图。
[0010] 图3为成像卫星观测区域示意图。
[0011] 图4为本发明所述算法的流程图。
[0012] 图5为全局规划问题结果比较示意图。
[0013] 图6为基于不同滚动步长下的任务完成率示意图。
[0014] 图7为基于不同滚动步长下的规划次数示意图。
[0015] 图8为滚动规划与假设全局规划在任务完成率上的比较示意图。
[0016] 图9为滚动规划与全局规划在任务完成率上的比较示意图。
[0017] 图10为滚动时域规划与假设全局规划在累计规划时间上的比较示意图。
[0018] 图11为不同排序规则下的任务完成率比较示意图。
【具体实施方式】
[0019] -、问题描述： 成像卫星在进行对地观测时，不仅要遵循各种严格的约束限制，而且只能对其观测区 域内的目标进行观测。成像卫星的观测区域由星下点、侧摆角、俯仰角和视场角共同确定， 如图3所示。在规划周期内，成像卫星可能会有多次机会对某个观测目标进行观测，但每 轨最多只有一次机会对该目标进行观测，每个观测任务均具有一定的观测收益。因此成像 卫星自主任务规划问题可以描述为，成像卫星能够实时根据自身状态、外部环境以及其他 约束条件，在不需要地面干预的情况下，星上自主生成任务规划方案，不仅能够以尽可能 少的规划时间和资源消耗获得尽可能大的观测收益，而且能够对随时有可能出现的观测 任务做出快速响应。 (1) 问题假设： 为便于研究，在不影响对地成像卫星主要需求的前提下，进行如下假设： 1) 只考虑携带一个遥感器的单颗成像卫星，不考虑卫星机动成像，并假设星上数据 能够进行随机存取； 2) 只考虑地面固定点目标或单个条带的区域目标； 3) 只考虑固定地面站，不考虑移动地面站和中继星。只考虑地面站相关约束中的回 传时间窗口约束； 4) 不考虑立体成像任务，不考虑实拍实传任务； 5) 不考虑卫星能量约束。 (2) 问题模型： 模型中各参数定义： J:观测任务集； Jp:第P次局部规划时刻滚动窗口内的观测任务集，Jp e J ; Mj:能够观测目标j的卫星圈次集合，j e J ; Wj:能够回传目标j的观测数据的卫星圈次集合，j e J; wj:目标j的观测收益，j e J ; Pj:观测目标j所需的持续时间，j e j ; dj:回传目标j的观测数据所需的持续时间，j e j ; Μ:卫星固存的最大值； Mt: t时刻卫星固存占用值； wsjk, wejk:目标j在卫星圈次k能被观测的最早开始时刻和最晚开始时刻，wsjk彡0， weJk ^ wsJk, j e J, k e Mj ； rwSjk, rwejk:目标j在卫星圈次k被观测的开始时刻和结束时刻，rwSjk彡wsjk, rweJk ^ weJk, j e J, k e Mj ； dsJm，dejm:目标j的观测数据在卫星圈次m能被回传的最早开始时刻和最晚开始时刻， dsjm 彡 0，dejm 彡 dsjm，j e J，m e % ; rdsjm, rdejm :目标j的观测数据在卫星圈次m被回传的开始时刻和结束时刻， rdsJm ^ dsJm, rdeJm ^ deJm, j e J, m e ffj ； 决策变量： xjk:布尔变量，j e J，k e 如果卫星在圈次k对目标j进行观测，则χΛ =1，否则 xjk =〇 ； yjni:布尔变量，j e J，m e Wj，如果卫星在圈次m对目标j的观测数据进行回传，贝ij yJm =1，否则 =〇 ; 问题模型：
【权利要求】
1. 一种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划方法，其特征在于： 包含预测窗口、滚动窗口、规划子问题和滚动机制四要素，所述规划子问题是指在每个 规划时刻根据当前滚动窗口构造的局部规划问题，滚动机制用于在限定了规划子问题求解 后确定规划方案结束的执行位置和下一个规划时刻； 该成像卫星自主任务规划方法是用若干个沿任务轴滚动的局部规划替代一次性全局 规划，在每个规划时刻，首先通过当前的预测窗口对任务信息进行实时更新，更新过程中增 加一些新的任务、或者删除被取消的任务、或者对任务的属性信息进行调整，然后在预测窗 口的基础上再确定当前的滚动窗口，每次局部规划均针对滚动窗口进行，每次局部规划结 束后，只执行规划结果中的一部分任务，这部分任务全部执行结束的时刻是下一次规划的 开始时刻。
2. -种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划算法，其特征在于：采用启发式方 法在预测窗口和滚动窗口不断向前滚动的过程中逐个对每一个规划子问题进行规划求解， 该成像卫星自主任务规划算法包括八个模块：滚动机制控制模块、预测窗口信息更新模块、 滚动窗口预处理模块、观测活动确定模块、约束检查模块、回传活动确定模块、时间窗口维 护模块、方案生成模块； 所述滚动机制控制模块根据自主任务规划方案以及滚动步长确定当前规划时刻的预 测窗口和滚动窗口； 所述预测窗口信息更新模块主要完成对预测窗口内各任务和约束信息的实时更新，为 其它模块操作提供及时准确的数据支持； 所述滚动窗口预处理模块依据排序规则对滚动窗口内的任务进行排序，并按照任务队 列次序依次将观测任务提交给观测活动确定模块，将回传任务提交给回传活动确定模块； 所述观测活动确定模块根据每个任务当前实时更新的可用观测时间窗口信息，选择 任务的观测开始时刻，然后提交给约束检查模块，再根据约束检查模块的反馈结果确定任 务的观测开始时刻； 所述约束检查模块根据任务的观测开始时刻计算卫星固存使用情况，判断任务观测 开始时刻是否合理，并将检查结果提交给观测活动确定模块和回传活动确定模块； 所述回传活动确定模块根据当前任务的可用回传时间窗口情况，确定该任务的回传 开始时刻，并确保回传开始时刻在该任务观测结束时刻之后； 所述时间窗口维护模块利用卫星的已用时间窗口对观测目标当前可用时间窗进行裁 剪，更新观测目标可用时间窗口信息； 所述方案生成模块根据每次迭代后的收益情况，确定每个规划子问题的最终规划结 果； 具体步骤如下： 步骤1 :确定滚动时域调度策略参数后启动算法，令调度时刻P=〇 ; 步骤2:在调度时刻p, p=p+l,确定预测窗口 F(p),同时更新预测窗口内任务及相关约 束信息，并按时间窗口开始时刻的先后顺序进行排序； 步骤3 :根据预测窗口 F(p)内信息，建立滚动窗口 K(p); 步骤4 :对滚动窗口内任务进行排序，生成任务队列Sequence, Sequence中包含I个 任务，I=k, Sequence [1]表示队列的首任务； 步骤5 :判断I是否等于0,如果1=0,转至步骤14 ; 步骤6 :判断Sequence [1]是否为观测任务，如果不是，转至步骤11 ; 步骤7 :对Sequence [1]的可用观测时间窗口进行裁剪； 步骤8 :判断Sequence [1]是否有可用观测时间窗口，如果没有，则将Sequence [1]从 Sequence中删除，1=1-1，并转至步骤5 ; 步骤9 :为Sequence [1]确定观测开始时刻t ; 步骤10 :针对Sequence[l]的观测开始时刻进行约束检查，如果Mt>M，其中Mt和Μ 分别表示t时刻卫星固存占用值和卫星固存占用值，则将Sequence [1]从Sequence中删 除，1=1-1，并转至步骤5 ; 步骤11 :对Sequence [1]的回传时间窗口进行裁剪； 步骤12 :判断是否有可用回传时间窗口，如果没有，则将Sequence[l]从Sequence中 删除，1=1-1，并转至步骤5 ; 步骤13 :为Sequence[1]确定回传开始时刻，然后将Sequence[1]从Sequence中删 除，1=1-1，并转至步骤5 ; 步骤14 :生成此次迭代的调度方案； 步骤15 :判断是否满足迭代终止条件，如果不满足，转至步骤4 ; 步骤16 :生成最优调度方案； 步骤17 :卫星只执行方案中前X个任务并删除这些任务； 步骤18 :判断此时是否还有未执行的任务，如果有，转至步骤2 ; 步骤19 :算法暂停，等待新任务的出现。
【文档编号】G06F17/50GK104063749SQ201410298321
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月28日 优先权日:2014年6月28日
【发明者】邢立宁, 刘嵩, 袁驵, 贺仁杰, 姚锋, 杨振宇, 刘晓路, 王沛, 张雪婷, 义余江, 李星, 朱剑冰, 郭坚, 汪路元 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学