本發(fā)明涉及航天地面任務(wù)管控領(lǐng)域，尤其是涉及一種衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃針對(duì)各個(gè)衛(wèi)星用戶單位下達(dá)的衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)，在星地資源有限的條件下，綜合考慮衛(wèi)星及地面站資源的能力和不同用戶的任務(wù)需求、不同規(guī)劃目標(biāo)的基礎(chǔ)上，合理安排衛(wèi)星任務(wù)，進(jìn)行約束檢驗(yàn)并消除任務(wù)間的沖突與資源使用沖突，確定各任務(wù)的具體執(zhí)行次序、執(zhí)行時(shí)間、執(zhí)行方式，最大限度的滿足用戶需求，生成衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)和接收方案。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃算法大都針對(duì)一個(gè)特定的衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)法滿足不同衛(wèi)星系統(tǒng)的拓展。隨著航天發(fā)射任務(wù)的增加，設(shè)計(jì)一個(gè)新的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，對(duì)編程人員和操作人員都是不小的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于可配置通用約束處理規(guī)則的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法，通過(guò)抽象多星通用的約束處理方法形成通用約束處理方法對(duì)衛(wèi)星任務(wù)安排情況進(jìn)行沖突消解，利用遺傳算法針對(duì)衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行求解以快速形成無(wú)沖突和優(yōu)化的觀測(cè)與接收方案，最大化完成任務(wù)數(shù)量和充分利用星地資源。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于可配置通用約束處理規(guī)則的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法，包括以下步驟：

步驟1、通過(guò)分析各衛(wèi)星的工作模式與使用特點(diǎn)，提煉出通用的約束處理規(guī)則；所述通用的約束處理規(guī)則為多星通用的約束檢驗(yàn)方法；

步驟2、利用遺傳算法對(duì)任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題解空間進(jìn)行搜索，在搜索過(guò)程中依據(jù)通用的約束處理規(guī)則，并采用多準(zhǔn)則加權(quán)和的評(píng)價(jià)方法快速得到衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案。

其中，所述約束檢驗(yàn)方法包括成像時(shí)間約束的檢驗(yàn)方法、動(dòng)作時(shí)間間隔約束的檢驗(yàn)方法、滑動(dòng)圈約束的檢驗(yàn)方法、數(shù)傳時(shí)間約束的檢驗(yàn)方法以及固存約束的檢驗(yàn)方法。

其中，所述步驟2具體包括以下步驟：

(a)將每個(gè)衛(wèi)星任務(wù)的編號(hào)抽取至衛(wèi)星任務(wù)集合中；

(b)對(duì)衛(wèi)星任務(wù)集合內(nèi)的所有衛(wèi)星任務(wù)采用隨機(jī)算法生成表現(xiàn)型種群；所述表現(xiàn)型種群包含多個(gè)表現(xiàn)型個(gè)體；

(c)將表現(xiàn)型種群進(jìn)行編碼生成二進(jìn)制型種群；所述二進(jìn)制型種群包含多個(gè)二進(jìn)制型個(gè)體；

(d)根據(jù)二進(jìn)制型個(gè)體的染色體排列的先后順序和通用的約束處理規(guī)則，對(duì)每個(gè)表現(xiàn)型個(gè)體進(jìn)行資源分配生成衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案；

(e)采用多準(zhǔn)則加權(quán)和的評(píng)價(jià)方法計(jì)算衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案的適應(yīng)度，將適應(yīng)度最大的方案對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)型個(gè)體和二進(jìn)制型個(gè)體作為最優(yōu)表現(xiàn)型個(gè)體和最優(yōu)二進(jìn)制型個(gè)體進(jìn)行保留；

(f)對(duì)二進(jìn)制型種群進(jìn)行遺傳操作，生成新的二進(jìn)制型種群；對(duì)新的二進(jìn)制型種群中的每一個(gè)二進(jìn)制型個(gè)體分別進(jìn)行解碼一一對(duì)應(yīng)生成新的表現(xiàn)型個(gè)體；

(g)判定種群迭代次數(shù)是否已達(dá)用戶配置的種群迭代進(jìn)化最大代數(shù)，如果已達(dá)到，則將保留的最優(yōu)表現(xiàn)型個(gè)體和最優(yōu)二進(jìn)制型個(gè)體對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案進(jìn)行輸出；否則，對(duì)新的二進(jìn)制型個(gè)體和新的表現(xiàn)型個(gè)體執(zhí)行步驟(d)。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

本發(fā)明提供的基于可配置通用約束處理規(guī)則的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法，一方面通過(guò)提煉多星通用的使用處理方法形成通用的約束處理方法，實(shí)現(xiàn)不同衛(wèi)星沖突消解的快速適應(yīng)和擴(kuò)展，提升對(duì)不同衛(wèi)星系統(tǒng)的可重用性；另一方面采取遺傳算法優(yōu)化衛(wèi)星任務(wù)安排，尋找合理可行的最佳方案。隨著航天發(fā)射任務(wù)的增加，設(shè)計(jì)一個(gè)新的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)僅需修改通用約束模型，而無(wú)需耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，解放了編程人員的腦力，大大提高了系統(tǒng)研制工作效率。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明獲取衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案的流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖1，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明提供了一種基于可配置通用約束處理規(guī)則的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法，包括如下步驟：

步驟1、通過(guò)分析各衛(wèi)星的工作模式與使用特點(diǎn)，提煉出通用的約束處理規(guī)則；所述通用的約束處理規(guī)則為多星通用的約束檢驗(yàn)方法；

通用的約束處理規(guī)則的制定，具體包括：

(a)對(duì)成像時(shí)間約束進(jìn)行檢驗(yàn)：

成像時(shí)間約束的檢驗(yàn)方法的配置內(nèi)容包括：開(kāi)機(jī)與首次成像間隔時(shí)間、關(guān)機(jī)與末次成像間隔時(shí)間、一次成像最長(zhǎng)和最短時(shí)間、單次開(kāi)機(jī)最長(zhǎng)成像時(shí)間和最短成像時(shí)間以及單次開(kāi)機(jī)最大成像次數(shù)和最小成像次數(shù)。

(b)對(duì)動(dòng)作時(shí)間間隔約束進(jìn)行檢驗(yàn)：

動(dòng)作時(shí)間間隔的檢驗(yàn)方法，包括如下步驟：

(1)將待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)按時(shí)間先后排序；

(2)根據(jù)待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)與前一衛(wèi)星任務(wù)的內(nèi)容查找相應(yīng)時(shí)間間隔；

(3)驗(yàn)證時(shí)間間隔是否滿足動(dòng)作時(shí)間間隔約束，若是，根據(jù)待檢驗(yàn)任務(wù)與后一衛(wèi)星任務(wù)的內(nèi)容查找相應(yīng)時(shí)間間隔，轉(zhuǎn)步驟(4)；否則，待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)違反約束處理規(guī)則；

(4)驗(yàn)證時(shí)間間隔是否滿足動(dòng)作時(shí)間間隔約束，若是，待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)滿足約束處理規(guī)則；否則，待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)違反約束處理規(guī)則。

(c)對(duì)滑動(dòng)圈約束進(jìn)行檢驗(yàn)：

滑動(dòng)圈約束的檢驗(yàn)方法的配置內(nèi)容包括：滑動(dòng)圈時(shí)長(zhǎng)、單圈累計(jì)成像最長(zhǎng)時(shí)間、單圈最大成像次數(shù)、單圈最大側(cè)擺時(shí)間、單圈最大側(cè)擺次數(shù)、單圈累計(jì)數(shù)傳最長(zhǎng)時(shí)間、單圈累計(jì)最長(zhǎng)開(kāi)機(jī)時(shí)間和單圈最大開(kāi)機(jī)次數(shù)。

對(duì)滑動(dòng)圈約束的檢驗(yàn)方法，包括如下步驟：

(1)將待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)按時(shí)間先后排序；

(2)選取待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)前后各一個(gè)滑動(dòng)圈的衛(wèi)星任務(wù)，從第一個(gè)任務(wù)開(kāi)始依次檢驗(yàn)一個(gè)滑動(dòng)圈的所有約束；

(3)驗(yàn)證是否滿足滑動(dòng)圈約束，若是，待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)滿足約束處理規(guī)則；否則，待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)違反約束處理規(guī)則。

(d)對(duì)數(shù)傳時(shí)間約束進(jìn)行檢驗(yàn)：

所述數(shù)傳時(shí)間約束的檢驗(yàn)方法的配置內(nèi)容包括：數(shù)傳時(shí)間計(jì)算方式、數(shù)傳數(shù)據(jù)量計(jì)算方式、單次數(shù)傳最長(zhǎng)時(shí)間和單次數(shù)傳最短時(shí)間。

對(duì)數(shù)傳時(shí)間約束的檢驗(yàn)方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)的觀測(cè)時(shí)間和數(shù)傳模式查找對(duì)應(yīng)的數(shù)傳時(shí)間計(jì)算方法；

(2)根據(jù)數(shù)傳時(shí)間計(jì)算方法計(jì)算衛(wèi)星任務(wù)數(shù)傳所需的時(shí)間；

(3)判斷地面站接收時(shí)段是否包含衛(wèi)星任務(wù)數(shù)傳所需的時(shí)間，若是，待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)滿足約束處理規(guī)則；否則，待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)違反約束處理規(guī)則。

(e)對(duì)固存約束進(jìn)行檢驗(yàn)：

固存約束的檢驗(yàn)方法的配置內(nèi)容包括：固存文件數(shù)和固存容量。

對(duì)固存約束的檢驗(yàn)方法，包括如下步驟：

(1)查找待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)之后的所有衛(wèi)星任務(wù)，并按時(shí)間先后排序；

(2)從待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)開(kāi)始，判斷該衛(wèi)星任務(wù)為觀測(cè)任務(wù)還是接收任務(wù)，若為觀測(cè)任務(wù)，判斷是否能夠順序記錄，若能，執(zhí)行步驟(3)；否則轉(zhuǎn)步驟(4)；若為接收任務(wù)，根據(jù)所接收數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)觀測(cè)任務(wù)標(biāo)記固存狀態(tài)，執(zhí)行步驟(3)；

(3)判斷衛(wèi)星任務(wù)是否完成遍歷，如果是，待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)滿足約束處理規(guī)則；否則，將下一衛(wèi)星任務(wù)作為待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)，執(zhí)行步驟(2)；

(4)判斷是否能夠隨機(jī)記錄，若能，執(zhí)行步驟(3)；否則，待檢驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)違反約束處理規(guī)則。

步驟2、利用遺傳算法對(duì)任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題解空間進(jìn)行搜索，在搜索過(guò)程中依據(jù)通用的約束處理規(guī)則，并采用多準(zhǔn)則加權(quán)和的評(píng)價(jià)方法快速得到衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案。具體包括如下步驟：

(a)將每個(gè)任務(wù)的作業(yè)任務(wù)編號(hào)taskNum抽取至一列表TASKNUMLIST中，其中TASKNUMLIST＝{taskNum_i|i∈[0，l-1]，l＞1}；

(b)對(duì)任務(wù)集合內(nèi)的所有衛(wèi)星任務(wù)采用隨機(jī)算法生成表現(xiàn)型種群；所述表現(xiàn)型種群包含多個(gè)表現(xiàn)型個(gè)體；

(c)將表現(xiàn)型種群進(jìn)行編碼生成二進(jìn)制型種群；所述二進(jìn)制型種群包含多個(gè)二進(jìn)制型個(gè)體；

每個(gè)任務(wù)只有“執(zhí)行”和“不執(zhí)行”兩種狀態(tài)，0表示不執(zhí)行，1表示執(zhí)行。每個(gè)個(gè)體(二進(jìn)制串)表示一個(gè)可實(shí)施的方案，如010111，表示只執(zhí)行第二、四、五、六個(gè)任務(wù)；

(d)根據(jù)二進(jìn)制型個(gè)體的染色體排列的先后順序和通用的約束處理規(guī)則，對(duì)每個(gè)表現(xiàn)型個(gè)體進(jìn)行資源分配生成衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案；

(e)采用多準(zhǔn)則加權(quán)和的評(píng)價(jià)方法計(jì)算衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案的適應(yīng)度，將適應(yīng)度最大的方案對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)型個(gè)體和二進(jìn)制型個(gè)體作為最優(yōu)表現(xiàn)型個(gè)體和最優(yōu)二進(jìn)制型個(gè)體進(jìn)行保留；

所述的多準(zhǔn)則加權(quán)和的評(píng)價(jià)方法包括以下評(píng)價(jià)值：目標(biāo)數(shù)目評(píng)價(jià)值f₁、目標(biāo)重要性評(píng)價(jià)值f₂、偵察效果評(píng)價(jià)值f₃和附加影響評(píng)價(jià)值f₄；衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案的適應(yīng)度f(wàn)itness，計(jì)算方式為：

其中，X₁、X₂、X₃、X₄分別為目標(biāo)數(shù)目評(píng)價(jià)值的權(quán)值、目標(biāo)重要性評(píng)價(jià)值的權(quán)值、偵察效果評(píng)價(jià)值的權(quán)值和附加影響評(píng)價(jià)值的權(quán)值。

(f)對(duì)二進(jìn)制型種群進(jìn)行遺傳操作，生成新的二進(jìn)制型種群；對(duì)新的二進(jìn)制型種群中的每一個(gè)二進(jìn)制型個(gè)體分別進(jìn)行解碼一一對(duì)應(yīng)生成新的表現(xiàn)型個(gè)體；

所述對(duì)二進(jìn)制型種群進(jìn)行遺傳操作，具體包括如下步驟：

(1)根據(jù)輪盤(pán)賭選擇算子從父群體中獲取兩個(gè)待交叉的二進(jìn)制型個(gè)體INDIVIDUAL_x和INDIVIDUAL_y；

(2)對(duì)INDIVIDUAL_x和INDIVIDUAL_y采用單點(diǎn)交叉方式進(jìn)行交叉操作，在兩個(gè)個(gè)體中隨機(jī)選擇一個(gè)交叉點(diǎn)，按照交叉概率p_c利用伯努利試驗(yàn)函數(shù)確定兩個(gè)個(gè)體是否交叉操作；

在交叉的過(guò)程中采用均勻變異算子按照變異概率p_m進(jìn)行變異操作。

(g)判定種群迭代次數(shù)是否已達(dá)用戶配置的種群迭代進(jìn)化最大代數(shù)，如果已達(dá)到，則將保留的最優(yōu)表現(xiàn)型個(gè)體和最優(yōu)二進(jìn)制型個(gè)體對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方案進(jìn)行輸出；否則，將二進(jìn)制型個(gè)體和表現(xiàn)型個(gè)體均對(duì)應(yīng)更新為新的二進(jìn)制型個(gè)體和新的表現(xiàn)型個(gè)體，執(zhí)行步驟(d)。

本發(fā)明提供的基于可配置通用約束處理規(guī)則的衛(wèi)星接收任務(wù)規(guī)劃方法提煉多星共用的約束檢驗(yàn)方法，利用遺傳算法針對(duì)任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題求解快速形成無(wú)沖突和優(yōu)化的衛(wèi)星任務(wù)觀測(cè)和接收方案。整個(gè)過(guò)程只需基于通用衛(wèi)星約束處理模型，針對(duì)具體衛(wèi)星系統(tǒng)修改相關(guān)約束配置即可實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的適應(yīng)和擴(kuò)展，解放了編碼人員的腦力，大大提高了工作效率。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。