一种格网驱动的卫星观测与数传任务解耦规划方法与流程

本发明属于卫星，尤其涉及一种格网驱动的卫星观测与数传任务解耦规划方法。

背景技术：

1、当前，我国的卫星观测任务规划一般都是在地面完成，并同时考虑卫星观测资源和地面数传资源，任务规划结果包含一组观测任务计划和一组数传任务计划，两者一一对应，相互耦合。非专利文献“地观测卫星任务规划研究”(邓宝松,孟志鹏,义余江,余烨,周晓光.对地观测卫星任务规划研究[j].计算机测量与控制,2019,v.27；no.254(11):130-139)详细介绍了卫星观测任务流程，为主要分为上行流程和下行流程两部分。上行流程为:用户提出任务申请，任务经预处理形成元任务输入至任务规划系统；任务规划系统根据卫星、测控站、数传接收站等可用资源集合，以及待规划的元任务集合和卫星约束模型，进行优化求解并获得任务观测计划、数传计划，并更新数据库相关信息；最后将任务观测计划和数传计划转化为卫星指令，发送至测控运管中心并上注卫星执行。下行流程为:卫星执行观测任务后，按照数传计划将观测数据发送至地面接收站；下行数据经数据预处理和数据处理后，通过数据库获取元任务信息，建立数据与任务的关联，并经数据分发系统发送回用户。

2、任务规划本质上是特定模型约束下的时间资源规划问题，合理的数学抽象是解决上述问题的关键。对于联动观测任务约束问题，可引入统一的联动任务标识，把具有相同联动标识的任务作为不可分割的元任务进行规划算法处理。多资源候选集合是一个计算复杂度较高的组合优化问题，可综合采用禁忌搜索思想及相关优化算法(如遗传算法)进行求解。对于一体化任务规划问题，可把所有元任务(包括联合观测任务)的时间窗口作为任务规划算法的统一输入，把任务观测计划、卫星数传计划、地面接收计划等的时间窗口作为统一输出，把各卫星平台及载荷的约束模型以具有统一接口的插件形式实现，从而完成任务规划算法的一体化设计与实现。论文“敏捷成像卫星需求筹划系统应用探析”(电讯技术，2015.56(5):508-516)对敏捷成像卫星的需求筹划系统展开研究，针对其特殊的工作模式和约束条件，分析筹划模型的特点及关键技术,并且建立了任务筹划模型。论文将敏捷成像卫星需求筹划问题的求解过程划分为目标需求分解、综合筹划调度以及动态调整与冲突消解三个主要阶段。目标需求分解阶段根据不同的特殊需求类型，将复杂工作模式的需求分解简化成便于统一综合筹划调度的基本观测需求，即一次成像就能完成的观测需求。综合筹划调度通过需求筹划与调度处理，得到一组初始的筹划调度结果，包含了可执行的需求序列和对应的时间段、存在冲突的需求集以及需求被拒绝的理由信息。动态调整与冲突消解阶段针对特殊的几种工作模式进行处理，包括需要对其分解后的多个基本观测需求筹划结果进行统一分析评估，区域成像需求需要分析其成像条带对于该目标区域的覆盖程度是否能满足用户要求，立体成像和动态监视需求需要评估受理通过的可执行基本观测需求数目是否满足要求等。该技术方案全过程从提出需求到获取信息需要通过星地闭环链路的控制过程，人工操作多、协调环节多、自动化程度低难以满足时效性需求。该技术方案在综合筹划调度环节通过目标需求分解的预处理后，所有的任务需求转换成了一组待分配的基本观测需求集合，根据敏捷卫星的性能参数和候选需求类型等情况，设置需求筹划的各类约束条件，这种方法并没有考虑到观测与数传环节中解耦问题，随着未来卫星平台规模进一步提升，其需求筹划的难度也会越来越大；此外，这种将数传资源作为观测卫星任务规划约束条件的方法，会导致卫星观测任务的调度受到除卫星观测本身之外的约束，极大限制了卫星观测的灵活度，在平时观测任务量不大、时效性要求不高时，问题较小；但在应急或者战时，观测任务量大、时效性要求高，需求变化快等条件下，观测卫星会出现受数传任务约束而空转，或者在需求动态变化时，低优先级任务占用数传资源导致高优先级任务难以及时满足等问题，所提出的技术为考虑这些因素，在实际应用中会受到严重的制约。

3、卫星任务筹划是一个面向典型应用场景，对多星观测任务进行分配，提供高效、优质服务的过程。任务筹划的输入为根据观测需求、观测意图进行解译得到的可用观测任务集合(包含目标位置、卫星、开始时刻、结束时刻等)，输出为经过挑选得到的确定实施的观测任务，这些最终确定的观测任务组成了一整套联合保障方案，该方案可以作为每颗卫星自主任务规划的驱动。实际的应用场景对任务分配考虑的因素较多，往往要优先保障重点目标的观测需求，同时避免单一载荷受环境干扰、利用多种载荷的协同优势保证对各个目标观测的成功率，防止卫星资源集中观测少量目标造成资源浪费，还要优先使用用户偏好的卫星的基础上用其它卫星进行补充。

4、公开号cn112529322a的中国专利面向全球热点目标快速监视、常态化观测需求，提供一种兼顾多目标优化的多星联合任务筹划方法，具备多单位卫星分级管理、优先保障重要任务、卫星资源负载均衡、提高任务成功率能力，采用启发式规则获得的计算结果唯一，能够在应急调整时保证多次计算结果稳定、降低应急调整的影响范围，且易于实现。但该方案采用遗传算法迭代运算、大规模种群抽样等技术算法复杂度较高，训练样本时所需数据量庞大，并且方案中仅考虑观测窗口的任务目标补充问题，并没有考虑多星同时数传情况，尤其是面向未来大规模星群时在数传过程中占用数传资源过多，容易出现受数传资源制约，卫星观测资源无法发挥全部效益的情况，因此所提出方案需要在数传资源分配等方面进行改进。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一套以观测需求热力网格为驱动的卫星自主规划和多星协同观测理论和方法，引导天基观测资源按需求权值分别开展观测计划和数传计划，实现观测任务和数传任务的解耦，提升观测任务的灵活度和时效性，提升卫星观测资源资源利用率。

2、本发明公开的格网驱动的卫星观测与数传任务解耦规划方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：日常情况下，根据星座观测任务完成情况，在地面任务中心生成或更新态势需求热力图，然后按照局部最优原则对全局任务进行拆分，生成面向单星分解的热力图；应急情况下，根据应急任务对态势需求热力图进行修改，并对个别单星任务进行更改；

4、步骤s2：在测控站可用弧段期间，上传观测任务需求热力图，卫星根据观测任务需求热力图结合星历、能量、载荷、目标区域天气预报，执行观测规划算法，并生成拍摄计划表；卫星执行拍摄任务，并同步地面中心更新态势需求热力图；

5、步骤s3：地面数传根据更新后态势需求热力图和卫星拍摄计划表，按照最新观测任务态势需求热力图优先的原则，生成卫星数传任务规划；卫星执行观测任务后，按照数传计划将观测数据发送至地而接收站；下行数据经数据预处理和数据处理后，通过数据库获取元任务信息，建立数据与任务的关联，并经数据分发系统发送回用户；

6、步骤s4：数传执行完毕，并进行数据处理形成产品，数传计划反馈中心、产品反馈用户，并进行态势需求热力图进行更新，重复步骤s1-s3；

7、步骤s5：执行应急任务规划，应急任务规划在保证应急任务和应急数传的成功规划前提下，对局部热力图进行修改，在平衡重规划效率最大化和已有观测热力图的最小调整的前提下，对个别卫星热力图进行修改，再执行步骤s3-s4。

8、进一步的，所述态势热力图的生成包括：一幅区域为等分格网，热力值为需求观测次数/时间的函数，其中地球分格网采用h3格网对地球表面进行等大小划分；

9、所述单星热力图是幅区域为等分格网，热力值为需求观测次数/时间的函数，单星态势热力图的生成包括：首先通过对全局热力图进行分段拆解，通过局部最优算法对态势热力图逐层分解，得到单星态势热力图。

10、进一步的，所述观测规划算法包括：采用基于时序的前瞻启发式算法，基于专家知识的启发式规则安排任务及卫星动作，生成任务观测计划同时，生成卫星的动作序列，具体步骤包括：

11、基于全局热力图定义基准热力函数；

12、给定热力图变化的时域函数及空域函数；

13、给出待解决组合优化问题每一个实例的一个可行解；

14、计算可行解与理论最优解的偏离程度。

15、进一步的，所述数传规划算法包括：采用多用户资源分配规划算法，任务规划综合考虑了星上固存、任务运行规则、多用户资源分配、优先级约束，以任务数量及数传数据量最大化为优化目标，使用构造算法进行求解，具体步骤包括：

16、定义用户节点数，计算多用户并行传输最大参考速率；

17、定义多用户优先级，分配用户优先级系数；

18、利用梯度下降的方法迭代计算现行传输容量与理论最大容量的差值，得出数传数据量的理论最大值；

19、根据用户优先级系数对迭代系数进行修正，计算理论并行传输最大用户数。

20、本发明的有益效果如下：

21、(1)目前的卫星需求筹划系统具有观测资源与观测作战需求缺乏高效管理和呈现手段的问题，本发明专利在原有卫星需求筹划系统基础上，重点研究地表网格划分与编码、热力图网格赋权与动态更新等内容，通过设计网格划分与编码方法、网格自适应调整方法,建立网格赋权机制、热力图动态更新机制，形成一套网格服务工具包，构建一套时敏观测需求的网格组织管理与呈现系统，服务于时敏观测任务筹划。

22、(2)卫星系统数量较少时，敏捷成像卫星任务筹划算法可以实现星群敏捷处理，但是随着卫星规模逐渐增大，难以实现观测任务最优化分配。本发明专利通过在地面为每颗卫星划分对应层次的局部热力图，使局部热力网格内的高低优先级任务所占比例基本相当，通过统一指令规范批量上注至任务卫星，实现面向单星的批量派单，采用格网态势图来管理卫星观测任务需求，将需求进行了函数化描述，通过分解需求到每一颗卫星，将全局任务筹划问题简化为单星规划问题，提升了系统运行速度和效率，具备了在卫星上开展任务规划的基础，可以满足未来大规模星座的需求。

23、(3)面向未来大规模星群时，目前的卫星需求筹划系统难以在测控资源受限情况下或应急情况下实现单星任务高效自主规划。本发明专利重点研究单星根据局部热力网格图任务自寻优、应急任务响应、星间任务协同等内容，单星得到局部热力图指令后，结合自身对地表的覆盖观测的能力特征通过实时变化的需求格网态势图，即卫星观测任务的瞬时优先级，确定卫星数传顺序，卫星“先拍”和“先传”可以解耦，所以针对一颗星的调度和数传都是实时动态的，是一种动态规划办法，通过对选择合适区域去拍摄，同时建立应急/高优先级任务响应等机制，实现以局部最优逼近全局最优，以及高优先级/应急任务及时被响应的效果。

24、(4)目前的卫星需求筹划系统数传规划与观测规划深度绑定、难以及时响应应急任务。本发明专利重点研究观测任务和数传任务解耦，观测任务不再受数传任务限制。优先级高的观测卫星将优先得到数传资源，提升卫星观测时效性。同时对卫星数传需求管理、热力网格驱动的数传任务分配算法、应急数传任务响应、异常状态处理等内容进行分析，通过星上建立数传弧段志愿列表、建立应急响应模式、建立异常处理模式，同时地面结合需求热力网格快速筹划确定回传模式，实现数传任务的合理分配、数传任务及时处理和响应，是一种动态任务规划方法。

25、(5)本发明专利相较于传统的卫星筹划系统具有较强的鲁棒性。传统的卫星筹划系统仅在接收地面指令后才执行侦照任务，如果在传输过程中受到影响，卫星不会执行响应任务导致系统效率降低。本发明专利方案中地面上注完成后，卫星可以根据分配的需求网格热力图在一段时间内独立自主运行。即地面站在段在被破坏的情况下，星座仍然可以自主运行一段时间，待地面资源恢复后，下传数据并接受新任务，鲁棒性和抗毁能力增强。