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一种卫星任务调度方法及系统

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成果类型:
专利
发明/设计人:
邢立宁;杜永浩;王凌;任腾;王忠伟;...
申请/专利权人:
中南林业科技大学
专利类型:
发明专利
语种:
中文
申请时间:
2019-03-27
申请/专利号:
CN201910236251.2
公开时间:
2019-06-28
公开号:
CN109948944A
主申请人地址:
410000 湖南省长沙市韶山南路498号
申请地区:
湖南
机构署名:
本校为第一完成单位
主权项:
1.一种卫星任务调度方法,其特征在于,所述方法包括: 获取卫星任务集合; 根据所述卫星任务集合对卫星任务调度问题进行统一化的问题描述,确定卫星任务调度问题的决策变量; 根据所述卫星任务集合及所述卫星任务调度问题的决策变量建立卫星任务调度模型;所述卫星任务调度模型包括综合收益值最大化模型和卫星任务调度可行性约束满足模型;所述卫星任务调度可行性约束满足模型包括任务执行唯一性约束、任务时序约束、卫星转换时间约束、测站转换时间约束、星载电量约束和星载固存约束; 采用多策略协同求解所述卫星任务调度模型,获得卫星任务调度解;所述多策略包括启发式构造策略、智能优化策略和针对性改进策略; 根据所述卫星任务调度解进行卫星任务调度。 2.根据权利要求1所述的卫星任务调度方法,其特征在于,所述获取卫星任务集合,具体包括: 获取卫星任务集合R,其中R=RO∪RT,RO为运控任务集合,RT为测控任务集合。 3.根据权利要求2所述的卫星任务调度方法,其特征在于,所述根据所述卫星任务集合对卫星任务调度问题进行统一化的问题描述,确定卫星任务调度问题的决策变量,具体包括: 根据所述卫星任务集合对卫星任务调度问题进行统一化的问题描述,确定卫星任务调度问题的决策变量为: 其中xij表示卫星运控任务或测控任务是否于星地事件可执行时机deoij执行一次;deoij表示任务ri的第j个星地事件可执行时机;yij表示运控任务ri是否于星上事件可执行时机oeoij执行一次;oeoij表示任务ri的第j个星上事件可执行时机;zi表示在运控任务ri∈RO执行后,卫星是否对星载固存进行擦除;ri表示任意第i个卫星任务。 4.根据权利要求3所述的卫星任务调度方法,其特征在于,所述根据所述卫星任务集合及所述卫星任务调度问题的决策变量建立卫星任务调度模型,具体包括: 根据所述卫星任务集合建立综合收益值最大化模型: 其中R*=R*O∪R*T,R*O为运控任务集合RO中被执行的任务集合,R*T为测控任务集合RT中被执行的任务集合;pi表示任务ri的优先级; 根据所述卫星任务调度问题的决策变量建立任务执行唯一性约束: 其中DEOi表示任务ri的星地事件可执行时机集;OEOi表示任务ri的星上事件可执行时机集; 根据所述卫星任务调度问题的决策变量建立任务时序约束: 其中ui表示任务ri的前序任务;bO,i表示任务ri星上事件的开始时刻;bD,i表示任务ri星地事件的开始时刻; 根据所述卫星任务调度问题的决策变量建立卫星转换时间约束: 其中ri表示第i个卫星任务,ri'表示第i'个卫星任务;eO,i表示任务ri星上事件的结束时刻;eD,i表示任务ri星地事件的结束时刻;bO,i’表示任务ri’星上事件的开始时刻;bD,i’表示任务ri’星地事件的开始时刻;eO,i’表示任务ri’星上事件的结束时刻;eD,i’表示任务ri’星地事件的结束时刻;ΔO(ri,ri')表示由任务ri和ri'产生的卫星星上事件转换时间;ΔO(ri',ri)表示由任务ri'和ri产生的卫星星上事件转换时间;s(ri)表示执行任务ri的卫星;s(ri’)表示执行任务ri’的卫星;ΔD(ri,ri')表示由任务ri和ri'产生的卫星星地事件转换时间;ΔD(ri’,ri)表示由任务ri’和ri产生的卫星星地事件转换时间;ΔM表示由任务ri和ri'产生的卫星工作模式转换时间; 根据所述卫星任务调度问题的决策变量建立测站转换时间约束: 其中ΔA(ri,ri')表示由任务ri和ri'产生的测站转换时间;a(ri)表示执行任务ri测站;a(ri’)表示执行任务ri’的测站; 根据所述卫星任务调度问题的决策变量建立星载电量约束: 其中Q表示卫星的星载电池阈值;qi表示任务ri的耗电量;o(ri)表示执行任务ri的轨道;Oij表示卫星sj中可以执行任务ri的轨道集合;ok代表第k条卫星轨道; 根据所述卫星任务调度问题的决策变量建立星载固存约束: 其中M表示卫星的星载固存阈值;mi任务ri所需的数储量;tk(sj)表示由决策变量zi决定的卫星sj第k个固存擦除时刻;tk+1(sj)表示由决策变量zi决定的卫星sj第k+1个固存擦除时刻;S表示卫星集合。 5.根据权利要求4所述的卫星任务调度方法,其特征在于,所述采用多策略协同求解所述卫星任务调度模型,获得卫星任务调度解,具体包括: 采用所述启发式构造策略求解所述卫星任务调度模型,获得初始调度解; 采用所述智能优化策略优化所述初始调度解,生成优化调度解; 采用所述针对性改进策略将所述优化调度解中的卫星非实传模式概率性地调整为实传模式,获得卫星任务调度解。 6.一种卫星任务调度系统,其特征在于,所述系统包括: 卫星任务获取模块,用于获取卫星任务集合; 决策变量确定模块,用于根据所述卫星任务集合对卫星任务调度问题进行统一化的问题描述,确定卫星任务调度问题的决策变量; 模型建立模块,用于根据所述卫星任务集合及所述卫星任务调度问题的决策变量建立卫星任务调度模型;所述卫星任务调度模型包括综合收益值最大化模型和卫星任务调度可行性约束满足模型;所述卫星任务调度可行性约束满足模型包括任务执行唯一性约束、任务时序约束、卫星转换时间约束、测站转换时间约束、星载电量约束和星载固存约束; 模型求解模块,用于采用多策略协同求解所述卫星任务调度模型,获得卫星任务调度解;所述多策略包括启发式构造策略、智能优化策略和针对性改进策略; 卫星任务调度模块,用于根据所述卫星任务调度解进行卫星任务调度。 7.根据权利要求6所述的卫星任务调度系统,其特征在于,所述卫星任务获取模块具体包括: 卫星任务获取单元,用于获取卫星任务集合R,其中R=RO∪RT,RO为运控任务集合,RT为测控任务集合。 8.根据权利要求7所述的卫星任务调度系统,其特征在于,所述决策变量确定模块具体包括: 决策变量确定单元,用于根据所述卫星任务集合对卫星任务调度问题进行统一化的问题描述,确定卫星任务调度问题的决策变量为: 其中xij表示卫星运控任务或测控任务是否于星地事件可执行时机deoij执行一次;deoij表示任务ri的第j个星地事件可执行时机;yij表示运控任务ri是否于星上事件可执行时机oeoij执行一次;oeoij表示任务ri的第j个星上事件可执行时机;zi表示在运控任务ri∈RO执行后,卫星是否对星载固存进行擦除;ri表示任意第i个卫星任务。 9.根据权利要求8所述的卫星任务调度系统,其特征在于,所述模型建立模块具体包括: 综合收益值最大化模型建立单元,用于根据所述卫星任务集合建立综合收益值最大化模型: 其中R*=R*O∪R*T,R*O为运控任务集合RO中被执行的任务集合,R*T为测控任务集合RT中被执行的任务集合;pi表示任务ri的优先级; 任务执行唯一性约束建立单元,用于根据所述卫星任务调度问题的决策变量建立任务执行唯一性约束: 其中DEOi表示任务ri的星地事件可执行时机集;OEOi表示任务ri的星上事件可执行时机集; 任务时序约束建立单元,用于根据所述卫星任务调度问题的决策变量建立任务时序约束: 其中ui表示任务ri的前序任务;bO,i表示任务ri星上事件的开始时刻;bD,i表示任务ri星地事件的开始时刻; 卫星转换时间约束建立单元,用于根据所述卫星任务调度问题的决策变量建立卫星转换时间约束: 其中ri表示第i个卫星任务,ri'表示第i'个卫星任务;eO,i表示任务ri星上事件的结束时刻;eD,i表示任务ri星地事件的结束时刻;bO,i’表示任务ri’星上事件的开始时刻;bD,i’表示任务ri’星地事件的开始时刻;eO,i’表示任务ri’星上事件的结束时刻;eD,i’表示任务ri’星地事件的结束时刻;ΔO(ri,ri')表示由任务ri和ri'产生的卫星星上事件转换时间;ΔO(ri',ri)表示由任务ri'和ri产生的卫星星上事件转换时间;s(ri)表示执行任务ri的卫星;s(ri’)表示执行任务ri’的卫星;ΔD(ri,ri')表示由任务ri和ri'产生的卫星星地事件转换时间;ΔD(ri’,ri)表示由任务ri’和ri产生的卫星星地事件转换时间;ΔM表示由任务ri和ri'产生的卫星工作模式转换时间; 测站转换时间约束建立单元,用于根据所述卫星任务调度问题的决策变量建立测站转换时间约束: 其中ΔA(ri,ri')表示由任务ri和ri'产生的测站转换时间;a(ri)表示执行任务ri测站;a(ri’)表示执行任务ri’的测站; 星载电量约束建立单元,用于根据所述卫星任务调度问题的决策变量建立星载电量约束: 其中Q表示卫星的星载电池阈值;qi表示任务ri的耗电量;o(ri)表示执行任务ri的轨道;Oij表示卫星sj中可以执行任务ri的轨道集合;ok代表第k条卫星轨道; 星载固存约束建立单元,用于根据所述卫星任务调度问题的决策变量建立星载固存约束: 其中M表示卫星的星载固存阈值;mi任务ri所需的数储量;tk(sj)表示由决策变量zi决定的卫星sj第k个固存擦除时刻;tk+1(sj)表示由决策变量zi决定的卫星sj第k+1个固存擦除时刻;S表示卫星集合。 10.根据权利要求9所述的卫星任务调度系统,其特征在于,所述模型求解模块具体包括: 初始调度解求解单元,用于采用所述启发式构造策略求解所述卫星任务调度模型,获得初始调度解; 初始调度解优化单元,用于采用所述智能优化策略优化所述初始调度解,生成优化调度解; 卫星任务调度解求解单元,用于采用所述针对性改进策略将所述优化调度解中的卫星非实传模式概率性地调整为实传模式,获得卫星任务调度解。
摘要:
本发明公开了一种卫星任务调度方法及系统。所述方法对卫星任务调度问题进行统一化的问题描述,确定卫星任务调度问题的决策变量,并根据影响星上事件或星地事件相互关系的约束建立卫星任务调度模型;所述卫星任务调度模型不仅为卫星任务调度问题提供了统一化的描述方法,同时也为卫星任务调度算法的设计与配置提供了统一的接口。在统一化卫星任务调度模型的基础上,本发明采用构造启发式和基于通用邻域结构的智能优化策略保障了求解方法的通用性,而基于卫星领域知识的针对性改进策略则提升了求解方法的针对性,三种策略相互协同,为卫星任务调度问题统一化模型提供通用、有效的求解途径,提高...

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