一種基於可配置通用約束處理規則的衛星任務規劃方法與流程
2023-11-06 06:45:42 1
本發明涉及航天地面任務管控領域，尤其是涉及一種衛星任務規劃方法。
背景技術：
衛星任務規劃針對各個衛星用戶單位下達的衛星觀測任務，在星地資源有限的條件下，綜合考慮衛星及地面站資源的能力和不同用戶的任務需求、不同規劃目標的基礎上，合理安排衛星任務，進行約束檢驗並消除任務間的衝突與資源使用衝突，確定各任務的具體執行次序、執行時間、執行方式，最大限度的滿足用戶需求，生成衛星對地觀測和接收方案。
傳統的衛星任務規划算法大都針對一個特定的衛星系統進行設計，無法滿足不同衛星系統的拓展。隨著航天發射任務的增加，設計一個新的任務規劃系統需要耗費大量的時間和精力，對編程人員和操作人員都是不小的挑戰。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種基於可配置通用約束處理規則的衛星任務規劃方法，通過抽象多星通用的約束處理方法形成通用約束處理方法對衛星任務安排情況進行衝突消解，利用遺傳算法針對衛星任務規划進行求解以快速形成無衝突和優化的觀測與接收方案，最大化完成任務數量和充分利用星地資源。
為了實現上述目的，本發明提供了一種基於可配置通用約束處理規則的衛星任務規劃方法，包括以下步驟：
步驟1、通過分析各衛星的工作模式與使用特點，提煉出通用的約束處理規則；所述通用的約束處理規則為多星通用的約束檢驗方法；
步驟2、利用遺傳算法對任務規劃問題解空間進行搜索，在搜索過程中依據通用的約束處理規則，並採用多準則加權和的評價方法快速得到衛星任務規劃方案。
其中，所述約束檢驗方法包括成像時間約束的檢驗方法、動作時間間隔約束的檢驗方法、滑動圈約束的檢驗方法、數傳時間約束的檢驗方法以及固存約束的檢驗方法。
其中，所述步驟2具體包括以下步驟：
(a)將每個衛星任務的編號抽取至衛星任務集合中；
(b)對衛星任務集合內的所有衛星任務採用隨機算法生成表現型種群；所述表現型種群包含多個表現型個體；
(c)將表現型種群進行編碼生成二進位型種群；所述二進位型種群包含多個二進位型個體；
(d)根據二進位型個體的染色體排列的先後順序和通用的約束處理規則，對每個表現型個體進行資源分配生成衛星任務規劃方案；
(e)採用多準則加權和的評價方法計算衛星任務規劃方案的適應度，將適應度最大的方案對應的表現型個體和二進位型個體作為最優表現型個體和最優二進位型個體進行保留；
(f)對二進位型種群進行遺傳操作，生成新的二進位型種群；對新的二進位型種群中的每一個二進位型個體分別進行解碼一一對應生成新的表現型個體；
(g)判定種群迭代次數是否已達用戶配置的種群迭代進化最大代數，如果已達到，則將保留的最優表現型個體和最優二進位型個體對應的衛星任務規劃方案進行輸出；否則，對新的二進位型個體和新的表現型個體執行步驟(d)。
本發明相比現有技術具有以下有益效果：
本發明提供的基於可配置通用約束處理規則的衛星任務規劃方法，一方面通過提煉多星通用的使用處理方法形成通用的約束處理方法，實現不同衛星衝突消解的快速適應和擴展，提升對不同衛星系統的可重用性；另一方面採取遺傳算法優化衛星任務安排，尋找合理可行的最佳方案。隨著航天發射任務的增加，設計一個新的任務規劃系統僅需修改通用約束模型，而無需耗費大量的時間和精力，解放了編程人員的腦力，大大提高了系統研製工作效率。
附圖說明
圖1是本發明獲取衛星任務規劃方案的流程圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖1，對本發明作進一步的詳細說明。
本發明提供了一種基於可配置通用約束處理規則的衛星任務規劃方法，包括如下步驟：
步驟1、通過分析各衛星的工作模式與使用特點，提煉出通用的約束處理規則；所述通用的約束處理規則為多星通用的約束檢驗方法；
通用的約束處理規則的制定，具體包括：
(a)對成像時間約束進行檢驗：
成像時間約束的檢驗方法的配置內容包括：開機與首次成像間隔時間、關機與末次成像間隔時間、一次成像最長和最短時間、單次開機最長成像時間和最短成像時間以及單次開機最大成像次數和最小成像次數。
(b)對動作時間間隔約束進行檢驗：
動作時間間隔的檢驗方法，包括如下步驟：
(1)將待檢驗衛星任務按時間先後排序；
(2)根據待檢驗衛星任務與前一衛星任務的內容查找相應時間間隔；
(3)驗證時間間隔是否滿足動作時間間隔約束，若是，根據待檢驗任務與後一衛星任務的內容查找相應時間間隔，轉步驟(4)；否則，待檢驗衛星任務違反約束處理規則；
(4)驗證時間間隔是否滿足動作時間間隔約束，若是，待檢驗衛星任務滿足約束處理規則；否則，待檢驗衛星任務違反約束處理規則。
(c)對滑動圈約束進行檢驗：
滑動圈約束的檢驗方法的配置內容包括：滑動圈時長、單圈累計成像最長時間、單圈最大成像次數、單圈最大側擺時間、單圈最大側擺次數、單圈累計數傳最長時間、單圈累計最長開機時間和單圈最大開機次數。
對滑動圈約束的檢驗方法，包括如下步驟：
(1)將待檢驗衛星任務按時間先後排序；
(2)選取待檢驗衛星任務前後各一個滑動圈的衛星任務，從第一個任務開始依次檢驗一個滑動圈的所有約束；
(3)驗證是否滿足滑動圈約束，若是，待檢驗衛星任務滿足約束處理規則；否則，待檢驗衛星任務違反約束處理規則。
(d)對數傳時間約束進行檢驗：
所述數傳時間約束的檢驗方法的配置內容包括：數傳時間計算方式、數傳數據量計算方式、單次數傳最長時間和單次數傳最短時間。
對數傳時間約束的檢驗方法，包括如下步驟：
(1)根據待檢驗衛星任務的觀測時間和數傳模式查找對應的數傳時間計算方法；
(2)根據數傳時間計算方法計算衛星任務數傳所需的時間；
(3)判斷地面站接收時段是否包含衛星任務數傳所需的時間，若是，待檢驗衛星任務滿足約束處理規則；否則，待檢驗衛星任務違反約束處理規則。
(e)對固存約束進行檢驗：
固存約束的檢驗方法的配置內容包括：固存文件數和固存容量。
對固存約束的檢驗方法，包括如下步驟：
(1)查找待檢驗衛星任務之後的所有衛星任務，並按時間先後排序；
(2)從待檢驗衛星任務開始，判斷該衛星任務為觀測任務還是接收任務，若為觀測任務，判斷是否能夠順序記錄，若能，執行步驟(3)；否則轉步驟(4)；若為接收任務，根據所接收數據對應觀測任務標記固存狀態，執行步驟(3)；
(3)判斷衛星任務是否完成遍歷，如果是，待檢驗衛星任務滿足約束處理規則；否則，將下一衛星任務作為待檢驗衛星任務，執行步驟(2)；
(4)判斷是否能夠隨機記錄，若能，執行步驟(3)；否則，待檢驗衛星任務違反約束處理規則。
步驟2、利用遺傳算法對任務規劃問題解空間進行搜索，在搜索過程中依據通用的約束處理規則，並採用多準則加權和的評價方法快速得到衛星任務規劃方案。具體包括如下步驟：
(a)將每個任務的作業任務編號taskNum抽取至一列表TASKNUMLIST中，其中TASKNUMLIST＝{taskNumi|i∈[0，l-1]，l＞1}；
(b)對任務集合內的所有衛星任務採用隨機算法生成表現型種群；所述表現型種群包含多個表現型個體；
(c)將表現型種群進行編碼生成二進位型種群；所述二進位型種群包含多個二進位型個體；
每個任務只有「執行」和「不執行」兩種狀態，0表示不執行，1表示執行。每個個體(二進位串)表示一個可實施的方案，如010111，表示只執行第二、四、五、六個任務；
(d)根據二進位型個體的染色體排列的先後順序和通用的約束處理規則，對每個表現型個體進行資源分配生成衛星任務規劃方案；
(e)採用多準則加權和的評價方法計算衛星任務規劃方案的適應度，將適應度最大的方案對應的表現型個體和二進位型個體作為最優表現型個體和最優二進位型個體進行保留；
所述的多準則加權和的評價方法包括以下評價值：目標數目評價值f1、目標重要性評價值f2、偵察效果評價值f3和附加影響評價值f4；衛星任務規劃方案的適應度fitness，計算方式為：
其中，X1、X2、X3、X4分別為目標數目評價值的權值、目標重要性評價值的權值、偵察效果評價值的權值和附加影響評價值的權值。
(f)對二進位型種群進行遺傳操作，生成新的二進位型種群；對新的二進位型種群中的每一個二進位型個體分別進行解碼一一對應生成新的表現型個體；
所述對二進位型種群進行遺傳操作，具體包括如下步驟：
(1)根據輪盤賭選擇算子從父群體中獲取兩個待交叉的二進位型個體INDIVIDUALx和INDIVIDUALy；
(2)對INDIVIDUALx和INDIVIDUALy採用單點交叉方式進行交叉操作，在兩個個體中隨機選擇一個交叉點，按照交叉概率pc利用伯努利試驗函數確定兩個個體是否交叉操作；
在交叉的過程中採用均勻變異算子按照變異概率pm進行變異操作。
(g)判定種群迭代次數是否已達用戶配置的種群迭代進化最大代數，如果已達到，則將保留的最優表現型個體和最優二進位型個體對應的衛星任務規劃方案進行輸出；否則，將二進位型個體和表現型個體均對應更新為新的二進位型個體和新的表現型個體，執行步驟(d)。
本發明提供的基於可配置通用約束處理規則的衛星接收任務規劃方法提煉多星共用的約束檢驗方法，利用遺傳算法針對任務規劃問題求解快速形成無衝突和優化的衛星任務觀測和接收方案。整個過程只需基於通用衛星約束處理模型，針對具體衛星系統修改相關約束配置即可實現任務規劃系統的適應和擴展，解放了編碼人員的腦力，大大提高了工作效率。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。