CN114841596A - 一种基于异类动作队列冲突的星上任务在轨调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于异类动作队列冲突的星上任务在轨调整方法，涉及遥感卫星任务管控技术领域。本发明通过构造卫星观测与接收异类动作队列，对每种动作队列设计和使用更有针对性的启发式因子，据此分别遍历观测窗口和数传窗口，可以更精准地指导卫星在轨调整计划的快速生成。本发明可扩展至搭载多载荷卫星的应用场景，通过异类载荷动作队列解耦能够有效降低问题的处理复杂度，提高了星上任务在轨调度方法的有效性和准确性。

Description

一种基于异类动作队列冲突的星上任务在轨调整方法

技术领域

本发明涉及遥感卫星任务管控技术领域，尤其是指一种基于异类动作队列冲突的星上任务在轨调整方法，可实现遥感卫星星上任务方案的动态调整规划。

背景技术

遥感卫星作为一种对地观测的重要手段发挥着不可替代的作用。卫星管控***在地面通过汇集用户观测需求，综合考虑卫星、地面站等天地基资源的能力，预先编排卫星的观测、接收等动作，生成动作指令上注卫星从而实现对卫星的日常管理。

随着管控模式的转变，临时性的用户需求日益增多，迫切地需要卫星管控***改变原来固定周期的方式，实现对突发临时性任务的在轨动态管控，为任务的动态决策提供依据。临时性任务的下达时机一般比较随意，如果距离任务执行时间很近，此时相应时段的卫星星上可能已有预设的动作指令。如何在保证卫星安全使用的原则下，使新增任务的执行尽量减少对星上已有动作队列的调整和影响，必须设计合理的星上任务在轨调度方法。

传统的星上任务在轨调整方法通常只针对卫星观测任务，采用贪婪策略对卫星成像载荷的观测动作进行调整。这种方法未考虑卫星数传动作的编排冲突，并且对星上存在的多类载荷动作的分析考虑欠缺，容易影响星上方案的完整性和优化性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于异类动作队列冲突的星上任务在轨调整方法。该方法在分析临机调整类任务及其可用数传资源的前提下确定卫星星上动作的最小影响范围，按照星上成像、数传等多类别载荷构造异类动作队列，针对异类动作队列分别设计不同的优化目标趋势强、效率高的冲突启发式因子，更好地指导紧迫性强和重要性高的任务***原有动作队列，实现星上任务的快速调整以及动作的精细化控制。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于异类动作队列冲突的星上任务在轨调整方法，包括以下步骤：

步骤1，获取待规划观测及接收任务集合：接收受理外部下达的卫星观测任务，按照观测要求进行目标访问计算生成卫星成像载荷的各个观测时间窗口，称为卫星观测元任务，生成待调度观测元任务集合R＝{R₁,....,R_|R|}；根据待调度观测元任务集合R的时间分布情况筛选得到空闲的地面站数传时间窗口集合，记为S＝{S₁,....,S_|S|}；

步骤2，确定任务调整决策时刻点：为卫星申请可用的测控时间窗口，根据测控开始时间及新加入的首个卫星观测元任务执行时间，确定星上任务决策时刻点，记为T；

步骤3，分析星上任务影响域：获取星上原来存在的动作，根据任务决策时刻点确定动作的执行状态，包括星上已执行动作和未执行动作，分析星上动作队列影响域，确定在轨调整问题的初始态和输入；

步骤4，构造异类动作队列：构造待规划观测任务、数传任务的异类动作队列，分别计算不同队列中各个任务的时间窗口冲突因子，将此作为启发式因子，按照启发式因子从小到大对异类动作队列进行排序；

步骤5，基于冲突度的任务调整：从各异类队列中依次选取观测任务和数传任务，以星上动作队列整体最小变化原则尝试***该观测任务和数传任务，如果成功则更新任务调整调度方案并从待规划动作队列中删除该观测任务和数传任务，转入步骤6；否则标记该观测任务不能安排，并从队列中删除该观测任务，转入步骤6；

步骤6，更新异类动作队列：判断观测任务队列是否为空，如果不为空则按照步骤4中的计算方法重新计算各异类队列中剩余任务的各个冲突启发式因子，更新队列任务顺序，转入步骤5；否则进入步骤7；

步骤7，生成任务调度计划：将此时星上任务调度方案转换成各类工作计划，同步记录各动作执行结束的状态信息。

进一步的，步骤2的具体方式为：

步骤2.1，以当前时刻T₀为开始时间，待调度观测元任务队列R＝{R₁,....,R_|R|}中最早的任务执行开始时间记为T_e，构造申请测控时间区间[T₀,T_e-ΔT]，发送该时间区间内的测控资源申请，其中ΔT为卫星指令上注用时；

步骤2.2，获取满足条件的测控时间窗口，测控时间窗口开始时间记为T_c，且T_c∈[T₀,T_e-ΔT]；

步骤2.3，初始化星上任务决策时刻点T，令T＝T_c；

步骤2.4，读取星上位于区间[T₀,T_c]内的载荷动作A＝{A₁,....,A_|A|}，依次判断动作持续时间A_i＝[T_is,T_ie]是否覆盖T_c，若T_c∈[T_is,T_ie]且T≥T_is则令星上任务决策时刻点T赋值为该动作的开始时间，即T＝T_is。

进一步的，步骤3的具体方式为：

步骤3.1，将星上动作按照载荷类别划分为多个队列，假设星上载荷有成像载荷和数传载荷两种载荷，则存在两个队列分别记为：O＝{O₁,....,O_|O|}和P＝{P₁,....,P_|P|}；

步骤3.2，根据任务决策时刻点T设置调整规划算法的初始状态，具体为：分别将O、P两个队列中执行结束时间小于T时刻的动作挑选出来组成动作队列O′和P′，O′和P′两个队列作为调整规划算法的初始化状态，在调整过程中不可变更，即：

其中，

和

分别代表成像动作的结束时间和数传动作的结束时间；

步骤3.3，星上可调整动作队列为

及

待优化决策的任务输入为观测队列

和数传队列

进一步的，步骤4中，分别计算不同队列中各个任务的时间窗口冲突因子，具体方式为：

步骤4.1，观测队列DR中第i个观测任务Task_i的时间窗口冲突因子的计算方法如下：

首先定义obs_conf_ij为Task_i与已规划任务观测任务Task_j的冲突性计算结果，当两任务时间窗存在交叠时取值为1，否则为0；

对于观测任务Task_i，其累积冲突度obs_conf_i定义为：

其中，w_j为Task_j的优先级权重，用于衡量Task_j的重要程度；最终Task_i所占据的时间窗口冲突因子定义如下：

其中，obs_conf为当前观测任务所有时间窗的冲突性计算结果集合；

步骤4.2，数传队列DS中第i个数传任务Tran_i的时间窗口冲突因子计算方法如下：

首先定义trans_conf_ij为Tran_i与已规划数传任务Tran_j的冲突性计算结果，当两任务时间窗存在交叠时取值为交叠长度与两者最大长度的比值，否则为0；

对于接收任务Trans_i，其累积冲突度trans_conf_i定义为：

其中，v_j为Trans_j的权重，用于衡量Trans_j所回放任务的数量；最终Trans_i所占据的时间窗口冲突因子定义如下：

其中，trans_conf为当前接收任务所有时间窗的冲突性计算结果集合。

本发明相比现有技术具有以下有益效果：

1、本发明通过分别构造卫星观测与接收异类动作队列，对每种动作队列设计使用更有针对性的启发式因子，依据启发式因子分别遍历观测窗口和资源窗口，可以更精准地指导卫星在轨调整计划的快速生成。

2、本发明可扩展至搭载多载荷卫星的应用场景，通过异类载荷动作队列的解耦操作能够有效降低问题的处理复杂度，提高了星上任务在轨调度方法的有效性和准确性。

附图说明

图1是基于异类动作队列冲突的星上任务在轨调整流程图。

图2是确定任务决策时刻点的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于异类动作队列冲突的星上任务在轨调整方法，包括如下步骤：

步骤1、获取待规划任务队列：接收受理外部下达的卫星观测任务，按照观测要求进行目标访问计算生成卫星成像载荷的各个观测时间窗口，称为卫星观测元任务，生成待调度观测元任务集合R＝{R₁,....,R_|R|}；根据待调度观测元任务集合R的时间分布情况筛选空闲的地面站数传时间窗口，记为S＝{S₁,....,S_|S|}。

步骤2、确定任务调整决策时刻点：为卫星申请可用的测控时间窗口，根据测控开始时间及新加入的首个卫星观测元任务执行时间，确定星上任务决策时刻点，记为T。参照附图2，具体包括如下步骤：

步骤2.1，以当前时刻T₀为开始时间，待调度观测元任务队列R＝{R₁,....,R_|R|}中最早的任务执行开始时间记为T_e，构造申请测控时间区间[T₀,T_e-ΔT]，发送该时间区间内的测控资源申请，其中ΔT为卫星指令上注用时，一般根据经验值设定；

步骤2.2，获取满足条件的测控时间窗口，测控时间窗口开始时间记为T_c，且有T_c∈[T₀,T_e-ΔT]成立；

步骤2.3，初始化星上任务决策时刻点T，令T＝T_c；

步骤2.4，读取星上位于区间[T₀,T_c]内的载荷动作A＝{A₁,....,A_|A|}，依次判断动作持续时间A_i＝[T_is,T_ie]是否覆盖T_c，若T_c∈[T_is,T_ie]且T≥T_is则令星上任务决策时刻点T赋值为该动作的开始时间，即T＝T_is。

步骤3、分析星上任务影响域：获取星上原来存在的动作，根据任务决策时刻点确定动作的执行状态(包括星上已执行动作和未执行动作)，分析星上动作队列影响域，确定在轨调整问题的初始态和输入。具体包括如下步骤：

步骤3.1，将星上动作按照载荷类别划分为多个队列，不失一般性，假设星上载荷有成像载荷和数传载荷两种载荷，则存在两个队列分别记为：O＝{O₁,....,O_|O|}和P＝{P₁,....,P_|P|}。

步骤3.2，根据任务决策时刻点T设置调整规划算法的初始状态，具体为：分别将O、P两个队列中执行结束时间小于T时刻的动作挑选出来组成动作队列O′和P′，O′和P′两个队列作为调整规划算法的初始化状态，在调整过程中不可变更。

其中，

和

分别代表成像动作的结束时间和数传动作的结束时间。

步骤3.3，星上可调整动作队列为

及

待优化决策的任务输入为观测队列

和数传队列

步骤4、构造异类动作队列：构造待规划观测任务、数传任务等异类动作队列，分别计算不同队列中各个任务的时间窗口冲突因子，将此作为启发式因子，按照启发式因子由小到大对异类动作队列进行排序。具体包括如下步骤：

步骤4.1，观测队列DR中第i个观测任务Task_i的时间窗口冲突因子计算方法如下：

首先定义obs_conf_ij为Task_i与已规划任务观测任务Task_j的冲突性计算结果，当两任务时间窗存在交叠时取值为1，否则为0。有以下公式成立：

其中，t_si、t_ei、t_sj、t_ej分别表示Task_i的开始时刻、结束时刻，Task_j的开始时刻、结束时刻。

对于观测任务Task_i,其累积冲突度obs_conf_i定义为：

其中，w_j为Task_j的优先级权重，衡量Task_j的重要程度；最终Task_i所占据的时间窗口冲突因子定义如下：

其中，obs_conf为当前观测任务所有时间窗的冲突性计算结果集合。

步骤4.2，数传队列DS中第i个数传任务Tran_i的时间窗口冲突因子计算方法如下：

首先定义trans_conf_ij为Tran_i与已规划数传任务Tran_j的冲突性计算结果，当两任务时间窗存在交叠时取值为交叠长度与两者最大长度的比值，否则为0。有以下公式成立：

其中，t_si、t_ei、t_sj、t_ej分别表示Trans_i的开始时刻、结束时刻，Trans_j的开始时刻、结束时刻；len(·)为区间长度求值函数。

对于接收任务Trans_i,其累积冲突度trans_conf_i定义为：

其中，v_j为Trans_j的权重，衡量Trans_j所回放任务的数量；最终Trans_i所占据的时间窗口冲突因子定义如下：

其中，trans_conf为当前接收任务所有时间窗的冲突性计算结果集合。

步骤5，基于冲突度的任务调整：从各异类队列中依次选取观测任务和数传任务，以星上动作队列整体最小变化原则尝试***该观测任务和数传任务，如果成功则更新任务调整调度方案并从待规划动作队列中删除该观测任务和数传任务，转入步骤6；否则标记该观测任务不能安排，并从队列中删除该观测任务，转入步骤6。

步骤6，更新异类动作队列：判断观测任务队列是否为空，如果不为空则按照步骤4中的计算方法重新计算各异类队列中剩余任务的各个冲突启发式因子，更新队列任务顺序，转入步骤5；否则进入步骤7。

步骤7，生成任务调度计划：将此时星上任务调度方案转换成各类工作计划，同步记录各动作执行结束的状态信息。

总之，本发明通过构造卫星观测与接收异类动作队列，对每种动作队列设计和使用更有针对性的启发式因子，据此分别遍历观测窗口和数传窗口，可以更精准地指导卫星在轨调整计划的快速生成。本发明可扩展至搭载多载荷卫星的应用场景，通过异类载荷动作队列解耦能够有效降低问题的处理复杂度，提高了星上任务在轨调度方法的有效性和准确性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于异类动作队列冲突的星上任务在轨调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取待规划观测及接收任务集合：接收受理外部下达的卫星观测任务，按照观测要求进行目标访问计算生成卫星成像载荷的各个观测时间窗口，称为卫星观测元任务，生成待调度观测元任务集合R＝{R₁,....,R_|R|}；根据待调度观测元任务集合R的时间分布情况筛选得到空闲的地面站数传时间窗口集合，记为S＝{S₁,....,S_|S|}；

步骤2，确定任务调整决策时刻点：为卫星申请可用的测控时间窗口，根据测控开始时间及新加入的首个卫星观测元任务执行时间，确定星上任务决策时刻点，记为T；

步骤3，分析星上任务影响域：获取星上原来存在的动作，根据任务决策时刻点确定动作的执行状态，包括星上已执行动作和未执行动作，分析星上动作队列影响域，确定在轨调整问题的初始态和输入；

步骤4，构造异类动作队列：构造待规划观测任务、数传任务的异类动作队列，分别计算不同队列中各个任务的时间窗口冲突因子，将此作为启发式因子，按照启发式因子从小到大对异类动作队列进行排序；

步骤5，基于冲突度的任务调整：从各异类队列中依次选取观测任务和数传任务，以星上动作队列整体最小变化原则尝试***该观测任务和数传任务，如果成功则更新任务调整调度方案并从待规划动作队列中删除该观测任务和数传任务，转入步骤6；否则标记该观测任务不能安排，并从队列中删除该观测任务，转入步骤6；

步骤6，更新异类动作队列：判断观测任务队列是否为空，如果不为空则按照步骤4中的计算方法重新计算各异类队列中剩余任务的各个冲突启发式因子，更新队列任务顺序，转入步骤5；否则进入步骤7；

步骤7，生成任务调度计划：将此时星上任务调度方案转换成各类工作计划，同步记录各动作执行结束的状态信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于异类动作队列冲突的星上任务在轨调整方法，其特征在于，步骤2的具体方式为：

步骤2.1，以当前时刻T₀为开始时间，待调度观测元任务队列R＝{R₁,....,R_|R|}中最早的任务执行开始时间记为T_e，构造申请测控时间区间[T₀,T_e-ΔT]，发送该时间区间内的测控资源申请，其中ΔT为卫星指令上注用时；

步骤2.2，获取满足条件的测控时间窗口，测控时间窗口开始时间记为T_c，且T_c∈[T₀,T_e-ΔT]；

步骤2.3，初始化星上任务决策时刻点T，令T＝T_c；

步骤2.4，读取星上位于区间[T₀,T_c]内的载荷动作A＝{A₁,....,A_|A|}，依次判断动作持续时间A_i＝[T_is,T_ie]是否覆盖T_c，若T_c∈[T_is,T_ie]且T≥T_is则令星上任务决策时刻点T赋值为该动作的开始时间，即T＝T_is。

3.根据权利要求1所述的一种基于异类动作队列冲突的星上任务在轨调整方法，其特征在于，步骤3的具体方式为：

步骤3.1，将星上动作按照载荷类别划分为多个队列，假设星上载荷有成像载荷和数传载荷两种载荷，则存在两个队列分别记为：O＝{O₁,....,O_|O|}和P＝{P₁,....,P_|P|}；

步骤3.2，根据任务决策时刻点T设置调整规划算法的初始状态，具体为：分别将O、P两个队列中执行结束时间小于T时刻的动作挑选出来组成动作队列O′和P′，O′和P′两个队列作为调整规划算法的初始化状态，在调整过程中不可变更，即：

其中，

和

分别代表成像动作的结束时间和数传动作的结束时间；

步骤3.3，星上可调整动作队列为

及

待优化决策的任务输入为观测队列

和数传队列

4.根据权利要求1所述的一种基于异类动作队列冲突的星上任务在轨调整方法，其特征在于，步骤4中，分别计算不同队列中各个任务的时间窗口冲突因子，具体方式为：

步骤4.1，观测队列DR中第i个观测任务Task_i的时间窗口冲突因子的计算方法如下：

首先定义obs_conf_ij为Task_i与已规划任务观测任务Task_j的冲突性计算结果，当两任务时间窗存在交叠时取值为1，否则为0；

对于观测任务Task_i，其累积冲突度obs_conf_i定义为：

其中，w_j为Task_j的优先级权重，用于衡量Task_j的重要程度；最终Task_i所占据的时间窗口冲突因子定义如下：

其中，obs_conf为当前观测任务所有时间窗的冲突性计算结果集合；

步骤4.2，数传队列DS中第i个数传任务Tran_i的时间窗口冲突因子计算方法如下：

首先定义trans_conf_ij为Tran_i与已规划数传任务Tran_j的冲突性计算结果，当两任务时间窗存在交叠时取值为交叠长度与两者最大长度的比值，否则为0；

对于接收任务Trans_i，其累积冲突度trans_conf_i定义为：

其中，v_j为Trans_j的权重，用于衡量Trans_j所回放任务的数量；最终Trans_i所占据的时间窗口冲突因子定义如下：

其中，trans_conf为当前接收任务所有时间窗的冲突性计算结果集合。

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