一種復(fù)雜約束條件下多星多任務(wù)觀測(cè)調(diào)度優(yōu)化方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種復(fù)雜約束條件下多星多任務(wù)觀測(cè)調(diào)度優(yōu)化方法，屬于深空探測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)的蟻群算法實(shí)現(xiàn)，將環(huán)繞地球一個(gè)軌道圈次的一顆衛(wèi)星資源用一只衛(wèi)星代表，所有軌道圈次中的衛(wèi)星資源形成一個(gè)蟻群系統(tǒng)；結(jié)合觀測(cè)約束，引入能量需求預(yù)估和容量需求預(yù)估來(lái)控制轉(zhuǎn)移概率。在狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則中考慮了時(shí)間、能量和存儲(chǔ)量等約束，并且觀測(cè)調(diào)度任務(wù)具有優(yōu)先級(jí),該方法有助于提高真實(shí)衛(wèi)星任務(wù)調(diào)度中的數(shù)據(jù)收集能力和應(yīng)用水平。其中的改進(jìn)蟻群算法，在可行的迭代范圍內(nèi)即能收斂得到更優(yōu)質(zhì)的解。
【專(zhuān)利說(shuō)明】-種復(fù)雜約束條件下多星多任務(wù)觀測(cè)調(diào)度優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種復(fù)雜約束條件下多星多任務(wù)觀測(cè)調(diào)度優(yōu)化方法，屬于深空探測(cè)技 術(shù)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 航天調(diào)度系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著合理調(diào)配測(cè)控資源、支持航天器正常工作的重要任務(wù)。其核 心是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)時(shí)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（DEDS)，其本質(zhì)是含有復(fù)雜約束的多資源、大規(guī)模 優(yōu)化問(wèn)題。近年來(lái)由于在軌運(yùn)行和規(guī)劃研制的航天器數(shù)量、種類(lèi)越來(lái)越多，而測(cè)控資源囿于 各種限制無(wú)法大量增加，因此"星多站少"的矛盾日趨嚴(yán)重，尤其對(duì)低軌衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，由于衛(wèi)星 數(shù)量多、過(guò)境時(shí)間短等因素，這一問(wèn)題尤其突出。世界各國(guó)對(duì)該問(wèn)題均十分重視，各國(guó)學(xué)者 結(jié)合本國(guó)實(shí)際進(jìn)行了多角度的研究。
[0003] Burrowbridge的工作在該問(wèn)題的早期研究中具有較強(qiáng)的代表性，以最大化測(cè) 控任務(wù)數(shù)量為目標(biāo)函數(shù)，證明并找到了一類(lèi)測(cè)控資源調(diào)度問(wèn)題的多項(xiàng)式時(shí)間算法。其后 Barbulescu等人詳細(xì)證明了一般測(cè)控資源調(diào)度問(wèn)題為NPC問(wèn)題，并以最大化測(cè)控任務(wù)數(shù)量 為目標(biāo)函數(shù)，比較了多種常用優(yōu)化算法在該問(wèn)題中的求解性能。Tapan以最大化觀測(cè)時(shí)間為 目標(biāo)函數(shù)，研究了遺傳算法在低軌航天器測(cè)控問(wèn)題中的應(yīng)用，獲得良好效果。張娜等針對(duì)該 問(wèn)題建立了一種新的復(fù)合獨(dú)立集模型，在建模方面進(jìn)行了有益的探索。
[0004] 綜上所述，目前對(duì)該問(wèn)題的研究多以最大化測(cè)控任務(wù)數(shù)量為目標(biāo)函數(shù)，但在實(shí)際 測(cè)控任務(wù)中必須考慮任務(wù)優(yōu)先級(jí)對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響。雖然已有學(xué)者開(kāi)始對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研 究，但所研究問(wèn)題各有側(cè)重，尚不全面。例如賀仁杰、李元新等人的研究了單資源系統(tǒng)測(cè)控 調(diào)度問(wèn)題的求解；對(duì)于多資源測(cè)控調(diào)度，凌曉冬等設(shè)計(jì)了禁忌遺傳算法求解其中一類(lèi)測(cè)控 調(diào)度問(wèn)題，將不同航天器賦以不同優(yōu)先級(jí)，目標(biāo)函數(shù)為最大化優(yōu)先級(jí)之和。李玉慶等研究了 一類(lèi)測(cè)控弧段具有優(yōu)先級(jí)約束的多資源多航天器調(diào)度問(wèn)題。邱滌珊等研究了電量和存儲(chǔ)器 容量有限情況下的多星密集觀測(cè)調(diào)度問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)低軌航天器對(duì)地觀測(cè)調(diào)度中任務(wù)優(yōu)先級(jí)對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響 問(wèn)題，提出一種復(fù)雜約束條件下多星多任務(wù)觀測(cè)調(diào)度優(yōu)化方法，是一種在時(shí)序和資源等約 束條件下、具有優(yōu)先級(jí)的大規(guī)模多任務(wù)調(diào)度方法。
[0006] 本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)的蟻群算法（AOC)實(shí)現(xiàn)：將環(huán)繞地球一個(gè)軌道圈次的一顆衛(wèi) 星資源用一只衛(wèi)星代表，所有軌道圈次中的衛(wèi)星資源形成一個(gè)蟻群系統(tǒng)；結(jié)合觀測(cè)約束，弓丨 入能量需求預(yù)估和容量需求預(yù)估來(lái)控制轉(zhuǎn)移概率。具體步驟如下：
[0007] 步驟1，對(duì)多任務(wù)多資源調(diào)度問(wèn)題模型參數(shù)（時(shí)序參數(shù)、優(yōu)先級(jí)參數(shù)、存儲(chǔ)器容量 參數(shù)、電量參數(shù)）進(jìn)行初始化，產(chǎn)生待選觀測(cè)任務(wù)集合（地面觀測(cè)目標(biāo)所產(chǎn)生的觀測(cè)任務(wù)和 地面站所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)下傳任務(wù)的集合），并在環(huán)繞地球的所有軌道圈次中隨機(jī)放置多個(gè)衛(wèi) 星初始運(yùn)行位置。
[0008] 步驟2,進(jìn)行約束分析，綜合考慮各類(lèi)約束，建立問(wèn)題模型和約束模型。
[0009] 所述的各類(lèi)約束包括：
[0010] (a)優(yōu)先級(jí)：在實(shí)際任務(wù)中，不同的觀測(cè)目標(biāo)針對(duì)不同的事件，其具備的科學(xué)價(jià)值 與工程價(jià)值各不相同，因此，各個(gè)觀測(cè)目標(biāo)具有各不相同的優(yōu)先級(jí)。
[0011] (b)時(shí)間約束：在調(diào)度過(guò)程的每一步都要進(jìn)行檢查。調(diào)度過(guò)程中的時(shí)間約束主要 體現(xiàn)為任務(wù)之間的時(shí)序約束，主要表現(xiàn)為任務(wù)的時(shí)間參數(shù)之間的變量約束。
[0012] (C)資源約束：在調(diào)度過(guò)程的每一步都要進(jìn)行檢查，由于調(diào)度過(guò)程中衛(wèi)星的資源 具有總量限制，在任意時(shí)刻的調(diào)度方案中資源使用數(shù)量不能超過(guò)對(duì)應(yīng)類(lèi)型資源容量。
[0013] (d)觀測(cè)目標(biāo)任務(wù)的唯一性約束：調(diào)度過(guò)程中，觀測(cè)目標(biāo)任務(wù)具有唯一性，而地面 站則對(duì)數(shù)據(jù)下傳任務(wù)來(lái)說(shuō)僅具有即時(shí)獨(dú)占約束。
[0014] 將多任務(wù)多資源問(wèn)題描述為六元組的形式，建立問(wèn)題模型如下：
[0015] MTRS= {S,T,P,G,R,ff} (1)
[0016] 其中，S表示衛(wèi)星集合，設(shè)能執(zhí)行觀測(cè)任務(wù)的衛(wèi)星數(shù)量為Ns，有S= {V心 ，其中Sl，S2，…，分別表示第1顆衛(wèi)星，第2顆衛(wèi)星，…，第Ns顆衛(wèi)星；T表示所有任 務(wù)集合，設(shè)候選觀測(cè)任務(wù)數(shù)量為Nt，則候選觀測(cè)任務(wù)集孕=啉沖2，…，隊(duì),}，數(shù)據(jù)下傳任 務(wù)數(shù)量為Nd，則數(shù)據(jù)下傳任務(wù)集=丨〃/i，〃/ 2，…，W。丨_ ;p表示觀測(cè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的集合， Z5 = {巧,P2,…，，乃=丨外,朽,…,As}為任務(wù)ti在各衛(wèi)星上的優(yōu)先級(jí)，即P1為任務(wù)、在第 1顆衛(wèi)星上的優(yōu)先級(jí)，P2為任務(wù)h在第2顆衛(wèi)星上的優(yōu)先級(jí)，為任務(wù)、在第Ns顆衛(wèi)星 上的優(yōu)先級(jí)；G表示地面站集合,地面站數(shù)量為Ne, ，gi，g2，…，分別 表示第1，2,…，^個(gè)地面站；R表示調(diào)度過(guò)程中資源約束的集合，R= {E，C}，其中E表示能 量，例如電量、燃料，C表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量;W表示可見(jiàn)窗口集合。為衛(wèi)星 Si的可用觀測(cè)軌道圈次集，其中Ntj為Si可用觀測(cè)軌道數(shù)量。
[0017] 建立多任務(wù)多資源問(wèn)題的約束模型為：
[0018] ①調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)：
[0019]

【權(quán)利要求】
1. 一種復(fù)雜約束條件下多星多任務(wù)觀測(cè)調(diào)度優(yōu)化方法，其特征在于：包括如下步驟： 步驟1，對(duì)多任務(wù)多資源調(diào)度問(wèn)題模型的時(shí)序參數(shù)、優(yōu)先級(jí)參數(shù)、存儲(chǔ)器容量參數(shù)、電量 參數(shù)進(jìn)行初始化，產(chǎn)生待選觀測(cè)任務(wù)集合，并在環(huán)繞地球的所有軌道圈次中隨機(jī)放置多個(gè) 衛(wèi)星初始運(yùn)行位置； 步驟2,進(jìn)行約束分析，綜合考慮各類(lèi)約束，建立問(wèn)題模型和約束模型； 將多任務(wù)多資源問(wèn)題描述為六元組的形式，建立問(wèn)題模型如下： MTRS = {S, T, P, G, R, ff} (1) 其中，S表示衛(wèi)星集合，設(shè)能執(zhí)行觀測(cè)任務(wù)的衛(wèi)星數(shù)量為Ns，有*S = O1Jw7vsL 其中，…，分別表示第1顆衛(wèi)星，第2顆衛(wèi)星，…，第Ns顆衛(wèi)星；T表示所有任務(wù) 集合，設(shè)候選觀測(cè)任務(wù)數(shù)量為Nt，則候選觀測(cè)任務(wù)集= !扒，的丨，數(shù)據(jù)下傳任 務(wù)數(shù)量為隊(duì)，則數(shù)據(jù)下傳任務(wù)集7>/ =沐〇21___^\,,!_;?表示觀測(cè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的集合， P=丨C2，….八丨，G =M,外,…,/\丨為任務(wù)ti在各衛(wèi)星上的優(yōu)先級(jí)，P1為任務(wù)心在第1 顆衛(wèi)星上的優(yōu)先級(jí)，P2為任務(wù)^在第2顆衛(wèi)星上的優(yōu)先級(jí)，/?為任務(wù)^在第Ns顆衛(wèi)星上 的優(yōu)先級(jí)；G表示地面站集合，地面站數(shù)量為Ne，G = {gpg2，…，，gpg2,…，gWe分別表示 第1，2,…，^個(gè)地面站；R表示調(diào)度過(guò)程中資源約束的集合，R= {E，C}，其中E表示能量， C表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量；W表示可見(jiàn)窗口集合；J = …丨為衛(wèi)星Si的可用觀測(cè)軌道圈 次集，其中K為Si可用觀測(cè)軌道數(shù)量； 建立多任務(wù)多資源問(wèn)題的約束模型為：

上述約束模型中： 時(shí)序參數(shù)=Cli為候選任務(wù)ti的觀測(cè)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)；tacu為任務(wù)ti到任務(wù)h的姿態(tài)調(diào)整時(shí) 間長(zhǎng)度； 優(yōu)先級(jí)參數(shù)％為任務(wù)&的優(yōu)先級(jí)，對(duì)包括觀測(cè)任務(wù)及數(shù)據(jù)下傳任務(wù)在內(nèi)的所有任務(wù) 的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行隨機(jī)賦值； 存儲(chǔ)器容量參數(shù)：Q為衛(wèi)星Sp總的可用存儲(chǔ)容量；Ci為任務(wù)&所需占用的存儲(chǔ)容量； Cmax = Hiax(Ci)為所有觀測(cè)任務(wù)中占用存儲(chǔ)器容量的最大值； 電量參數(shù)：C為衛(wèi)星Sp單個(gè)軌道圈次內(nèi)可用的電量總量Wi為任務(wù)h觀測(cè)所需消耗電 量；4為數(shù)據(jù)下傳任務(wù)tdi所需消耗電量；eM為姿態(tài)機(jī)動(dòng)單位角度所需能量；es為姿態(tài)穩(wěn)定 所需消耗電量，常數(shù)值； 調(diào)度過(guò)程中的決策變量為：
步驟3,對(duì)一個(gè)軌道圈次內(nèi)的任意一顆衛(wèi)星，根據(jù)公式（4)計(jì)算滿足時(shí)間約束的任務(wù)集 合，并判斷集合是否為空；篩選出該衛(wèi)星在該圈次內(nèi)能夠執(zhí)行的且滿足時(shí)序約束的任務(wù)集 合； 步驟4,在步驟3得到的滿足時(shí)間約束的任務(wù)集合中，根據(jù)公式（5) -（7)選取能夠同 時(shí)滿足能量和存儲(chǔ)容量約束的任務(wù)；在滿足所有約束的任務(wù)集合中，對(duì)當(dāng)前衛(wèi)星進(jìn)行狀態(tài) 轉(zhuǎn)移，并逐步得到滿足約束的可行任務(wù)序列；具體方法為： 采用的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則為
的位置時(shí)間參數(shù)不能滿足時(shí)間約束的目標(biāo)任務(wù)集合； qc!*控制轉(zhuǎn)移規(guī)則的參數(shù)，在[〇, 1]區(qū)間內(nèi)取值；q為[〇, 1]區(qū)間上均勻分布的隨機(jī)變 量；
9 j為存儲(chǔ)器容量需求的影響； 步驟5,經(jīng)過(guò)步驟4的狀態(tài)轉(zhuǎn)移后，輸出當(dāng)前衛(wèi)星在該圈次內(nèi)需要探索的可行任務(wù)序 列，更新信息素；信息素更新策略采用所有衛(wèi)星同步迭代的轉(zhuǎn)移方式，具體方法如下： 步驟5. 1，為所有衛(wèi)星隨機(jī)分配初始目標(biāo)，然后所有衛(wèi)星根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則依次選擇下 一任務(wù)，當(dāng)所有的衛(wèi)星完成可行任務(wù)序列構(gòu)造，得到所有衛(wèi)星的可行任務(wù)序列集合為：
若無(wú)法找到任務(wù)，則返回該衛(wèi)星的可行任務(wù)序列t_fi，執(zhí)行步驟5. 2 ; 步驟5. 2,將TF收益與當(dāng)前最優(yōu)任務(wù)執(zhí)行序列集TFBest作比較； 若TF的總收益Ptf不大于TFBest的總收益PBest，則TF所有邊上的信息素?fù)]發(fā)； 步驟5. 3,經(jīng)過(guò)揮發(fā)更新之后，任務(wù)&與任務(wù)&間的信息素濃度為：C' = (1-，其中 P為信息素?fù)]發(fā)度，為任務(wù)h與任務(wù)&間的原信息素強(qiáng)度；若當(dāng)前迭代步驟產(chǎn)生任務(wù) 序列的總收益Ptf大于PBest，則更新全局最優(yōu)任務(wù)執(zhí)行序列集TFBest = TF ; 每次循環(huán)僅在當(dāng)前迭代步數(shù)達(dá)到Nmax時(shí)，對(duì)當(dāng)前全局最優(yōu)任務(wù)執(zhí)行序列集中的信息素 濃度進(jìn)行更新：
步驟6,設(shè)置蟻群算法最大遺傳代數(shù)為Nmax，若迭代步數(shù)未達(dá)到Nmax，則重新執(zhí)行步驟 3-步驟5,每個(gè)迭代步驟中，所有衛(wèi)星都完成自己的尋找過(guò)程；當(dāng)?shù)綌?shù)等于Nmax時(shí)，對(duì)當(dāng) 前全局最優(yōu)任務(wù)執(zhí)行序列集中的信息素濃度進(jìn)行更新，完成一次循環(huán)，并輸出結(jié)果TFbest。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜約束條件下多星多任務(wù)觀測(cè)調(diào)度優(yōu)化方法，其特征 在于：步驟2所述的各類(lèi)約束包括： (a)優(yōu)先級(jí)：在實(shí)際任務(wù)中，不同的觀測(cè)目標(biāo)針對(duì)不同的事件，其具備的科學(xué)價(jià)值與工 程價(jià)值各不相同，因此，各個(gè)觀測(cè)目標(biāo)具有各不相同的優(yōu)先級(jí)； (b) 時(shí)間約束：在調(diào)度過(guò)程的每一步都要進(jìn)行檢查；調(diào)度過(guò)程中的時(shí)間約束主要體現(xiàn) 為任務(wù)之間的時(shí)序約束，主要表現(xiàn)為任務(wù)的時(shí)間參數(shù)之間的變量約束； (c) 資源約束：在調(diào)度過(guò)程的每一步都要進(jìn)行檢查，由于調(diào)度過(guò)程中衛(wèi)星的資源具有 總量限制，在任意時(shí)刻的調(diào)度方案中資源使用數(shù)量不能超過(guò)對(duì)應(yīng)類(lèi)型資源容量； (d) 觀測(cè)目標(biāo)任務(wù)的唯一性約束：調(diào)度過(guò)程中，觀測(cè)目標(biāo)任務(wù)具有唯一性，而地面站則 對(duì)數(shù)據(jù)下傳任務(wù)來(lái)說(shuō)僅具有即時(shí)獨(dú)占約束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜約束條件下多星多任務(wù)觀測(cè)調(diào)度優(yōu)化方法，其特征 在于：總收益Ptf為全部衛(wèi)星探索任務(wù)的目標(biāo)函數(shù)值，計(jì)算方法為任務(wù)的優(yōu)先級(jí)與獲得數(shù)據(jù) 量的乘積之和；總收益PBest為全部衛(wèi)星最優(yōu)探索任務(wù)的目標(biāo)函數(shù)值。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104361234SQ201410650731
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月15日
【發(fā)明者】徐瑞, 趙凡宇, 崔平遠(yuǎn), 李朝玉, 朱圣英 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)