一種基于滾動時域控制的成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃算法制造技術

本發(fā)明專利技術涉及一種基于滾動時域控制的成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃算法。本發(fā)明專利技術針對成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃問題進行了研究,建立了基于RHC策略的自主任務規(guī)劃框架,描述了滾動構造任務規(guī)劃子問題的優(yōu)化方法,并提出了基于RHC策略的成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃啟發(fā)式算法。在實驗分析中,通過不同問題規(guī)模、不同RHC策略參數的對比實驗,驗證了針對成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃問題,本文提出的基于RHC的啟發(fā)式算法是有效的,該算法邊規(guī)劃邊執(zhí)行的策略對于對地觀測網絡中隨時可能出現的動態(tài)任務具有較強的魯棒性,能夠較好地解決成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃問題中實時性和最優(yōu)性間的矛盾。

【技術實現步驟摘要】
一種基于滾動時域控制的成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃算法
本專利技術涉及一種基于滾動時域控制的成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃算法。
技術介紹
近年來,隨著衛(wèi)星遙感技術的不斷發(fā)展,對地觀測網絡逐漸成為國內外研究的熱點。對地觀測網絡由各類成像衛(wèi)星組成,依靠事件感知觸發(fā)星間或星地信息交互。成像衛(wèi)星根據交互信息中隨時可能出現的觀測任務對觀測計劃進行實時調整,通過網內衛(wèi)星協同觀測,快速響應各類突發(fā)或漸變事件,從而提供多種空間、時間和光譜分辨率的多源遙感數據,對推動國家軍事、經濟和社會發(fā)展具有重要意義的同時,也對目前成像衛(wèi)星任務規(guī)劃模式帶來巨大挑戰(zhàn)。以現有的地面管控方式為例,成像衛(wèi)星高度依靠地面任務規(guī)劃系統(tǒng)對觀測任務進行規(guī)劃調度,然后再選擇合適的上行鏈路將觀測方案上傳至衛(wèi)星執(zhí)行。如果每次通過信息交互產生的觀測任務都必須首先經過地面納入觀測計劃,再將調整后新的觀測計劃上傳至衛(wèi)星,那么對地觀測網絡顯然將會失去其快速響應、協同觀測的優(yōu)勢,因此對地觀測網絡中的成像衛(wèi)星必須具備一定的自主任務規(guī)劃能力,才能對隨時有可能出現的觀測任務做出快速反應。要想實現對隨時有可能出現的觀測任務做出快速反應,就必須將優(yōu)化和交互信息結合起來,這是實現自主任務規(guī)劃的關鍵。過程控制中得到廣泛應用的滾動時域控制RHC(RecedingHorizonControl)正是將優(yōu)化與信息交互完美結合的一種比較成熟的方法策略,為解決成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃問題提供了新的思路。文獻（RobotPathinGloballyUnknownEnvironmentsbasedonRollingWindows,全局環(huán)境未知時基于滾動窗口的機器人路徑規(guī)劃,發(fā)表在《中國科學E輯:技術科學》2001年01期。研究了全局環(huán)境未知時機器人的路徑規(guī)劃問題,借鑒預測控制滾動優(yōu)化原理,提出了基于滾動窗口的移動機器人路徑規(guī)劃方法。RobotRollingPathbasedonLocallyDetectedInformation,基于局部探測信息的機器人滾動路徑規(guī)劃,發(fā)表在《自動化學報》2003年01期。用基于滾動窗口的路徑規(guī)劃方法研究了全局環(huán)境未知時的機器人路徑規(guī)劃問題。該法充分利用機器人實時測得的局部環(huán)境信息,以滾動方式進行在線規(guī)劃,實現了優(yōu)化與反饋的合理結合。）成功運用RHC優(yōu)化原理在求解移動機器人路徑規(guī)劃問題中取得了一定成果。本專利技術針對問題特點,同樣借鑒了RHC優(yōu)化原理,提出了一種基于RHC的成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃啟發(fā)式算法。
技術實現思路
本專利技術的目的是根據
技術介紹
中存在的缺點和問題加以改進，提供一種能夠針對信息交換過程中隨時有可能出現的觀測任務進行快速響應，且能夠取得好的規(guī)劃結果的基于滾動時域控制的成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃算法。本專利技術的技術方案是提供一種基于滾動時域控制的成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃方法，所述方法包含預測窗口、滾動窗口、規(guī)劃子問題和滾動機制四要素，所述規(guī)劃子問題是指在每個規(guī)劃時刻根據當前滾動窗口構造的局部規(guī)劃問題，滾動機制用于在限定了規(guī)劃子問題求解后確定規(guī)劃方案結束的執(zhí)行位置和下一個規(guī)劃時刻；該成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃方法是用若干個沿任務軸滾動的局部規(guī)劃替代一次性全局規(guī)劃，在每個規(guī)劃時刻，首先通過當前的預測窗口對任務信息進行實時更新，更新過程中增加一些新的任務、或者刪除被取消的任務、或者對任務的屬性信息進行調整，然后在預測窗口的基礎上再確定當前的滾動窗口，每次局部規(guī)劃均針對滾動窗口進行，每次局部規(guī)劃結束后，只執(zhí)行規(guī)劃結果中的一部分任務，這部分任務全部執(zhí)行結束的時刻是下一次規(guī)劃的開始時刻，其中，采用啟發(fā)式方法在預測窗口和滾動窗口不斷向前滾動的過程中逐個對每一個規(guī)劃子問題進行規(guī)劃求解，該成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃算法包括八個模塊：滾動機制控制模塊、預測窗口信息更新模塊、滾動窗口預處理模塊、觀測活動確定模塊、約束檢查模塊、回傳活動確定模塊、時間窗口維護模塊、方案生成模塊；所述滾動機制控制模塊根據自主任務規(guī)劃方案以及滾動步長確定當前規(guī)劃時刻的預測窗口和滾動窗口；所述預測窗口信息更新模塊主要完成對預測窗口內各任務和約束信息的實時更新，為其它模塊操作提供及時準確的數據支持；所述滾動窗口預處理模塊依據排序規(guī)則對滾動窗口內的任務進行排序，并按照任務隊列次序依次將觀測任務提交給觀測活動確定模塊，將回傳任務提交給回傳活動確定模塊；所述觀測活動確定模塊根據每個任務當前實時更新的可用觀測時間窗口信息,選擇任務的觀測開始時刻,然后提交給約束檢查模塊,再根據約束檢查模塊的反饋結果確定任務的觀測開始時刻；所述約束檢查模塊根據任務的觀測開始時刻計算衛(wèi)星固存使用情況,判斷任務觀測開始時刻是否合理,并將檢查結果提交給觀測活動確定模塊和回傳活動確定模塊；所述回傳活動確定模塊根據當前任務的可用回傳時間窗口情況,確定該任務的回傳開始時刻,并確保回傳開始時刻在該任務觀測結束時刻之后；所述時間窗口維護模塊利用衛(wèi)星的已用時間窗口對觀測目標當前可用時間窗進行裁剪,更新觀測目標可用時間窗口信息；所述方案生成模塊根據每次迭代后的收益情況,確定每個規(guī)劃子問題的最終規(guī)劃結果；具體步驟如下：步驟1：確定滾動時域調度策略參數后啟動算法,令調度時刻p=0；步驟2：在調度時刻p,p=p+1,確定預測窗口F(p),同時更新預測窗口內任務及相關約束信息,并按時間窗口開始時刻的先后順序進行排序；步驟3：根據預測窗口F(p)內信息,建立滾動窗口K(p)；步驟4：對滾動窗口內任務進行排序,生成任務隊列Sequence,Sequence中包含I個任務,I=k,Sequence[1]表示隊列的首任務；步驟5：判斷I是否等于0,如果I=0,轉至步驟14；步驟6：判斷Sequence[1]是否為觀測任務,如果不是,轉至步驟11；步驟7：對Sequence[1]的可用觀測時間窗口進行裁剪；步驟8：判斷Sequence[1]是否有可用觀測時間窗口,如果沒有,則將Sequence[1]從Sequence中刪除,I=I-1,并轉至步驟5；步驟9：為Sequence[1]確定觀測開始時刻t；步驟10：針對Sequence[1]的觀測開始時刻進行約束檢查,如果Mt>M,其中Mt和M分別表示t時刻衛(wèi)星固存占用值和衛(wèi)星固存占用值，則將Sequence[1]從Sequence中刪除,I=I-1,并轉至步驟5；步驟11：對Sequence[1]的回傳時間窗口進行裁剪；步驟12：判斷是否有可用回傳時間窗口,如果沒有,則將Sequence[1]從Sequence中刪除,I=I-1,并轉至步驟5；步驟13：為Sequence[1]確定回傳開始時刻,然后將Sequence[1]從Sequence中刪除,I=I-1,并轉至步驟5；步驟14：生成此次迭代的調度方案；步驟15：判斷是否滿足迭代終止條件,如果不滿足,轉至步驟4；步驟16：生成最優(yōu)調度方案；步驟17：衛(wèi)星只執(zhí)行方案中前x個任務并刪除這些任務；步驟18：判斷此時是否還有未執(zhí)行的任務,如果有,轉至步驟2；步驟19：算法暫停,等待新任務的出現。本專利技術具有以下優(yōu)點：本專利技術提出的算法能夠滿足成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃的需求，實現最優(yōu)性與實時性的統(tǒng)一，不僅能夠針對信息交換過程中隨時可能出現的觀測任務進行快速響應，而且能夠得到好的規(guī)劃結果。本專利技術針對成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于滾動時域控制的成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃方法，其特征在于：包含預測窗口、滾動窗口、規(guī)劃子問題和滾動機制四要素，所述規(guī)劃子問題是指在每個規(guī)劃時刻根據當前滾動窗口構造的局部規(guī)劃問題，滾動機制用于在限定了規(guī)劃子問題求解后確定規(guī)劃方案結束的執(zhí)行位置和下一個規(guī)劃時刻；該成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃方法是用若干個沿任務軸滾動的局部規(guī)劃替代一次性全局規(guī)劃，在每個規(guī)劃時刻，首先通過當前的預測窗口對任務信息進行實時更新，更新過程中增加一些新的任務、或者刪除被取消的任務、或者對任務的屬性信息進行調整，然后在預測窗口的基礎上再確定當前的滾動窗口，每次局部規(guī)劃均針對滾動窗口進行，每次局部規(guī)劃結束后，只執(zhí)行規(guī)劃結果中的一部分任務，這部分任務全部執(zhí)行結束的時刻是下一次規(guī)劃的開始時刻。

【技術特征摘要】
1.一種基于滾動時域控制的成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃方法，其特征在于：包含預測窗口、滾動窗口、規(guī)劃子問題和滾動機制四要素，所述規(guī)劃子問題是指在每個規(guī)劃時刻根據當前滾動窗口構造的局部規(guī)劃問題，滾動機制用于在限定了規(guī)劃子問題求解后確定規(guī)劃方案結束的執(zhí)行位置和下一個規(guī)劃時刻；該成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃方法是用若干個沿任務軸滾動的局部規(guī)劃替代一次性全局規(guī)劃，在每個規(guī)劃時刻，首先通過當前的預測窗口對任務信息進行實時更新，更新過程中增加一些新的任務、或者刪除被取消的任務、或者對任務的屬性信息進行調整，然后在預測窗口的基礎上再確定當前的滾動窗口，每次局部規(guī)劃均針對滾動窗口進行，每次局部規(guī)劃結束后，只執(zhí)行規(guī)劃結果中的一部分任務，這部分任務全部執(zhí)行結束的時刻是下一次規(guī)劃的開始時刻，其中，采用啟發(fā)式方法在預測窗口和滾動窗口不斷向前滾動的過程中逐個對每一個規(guī)劃子問題進行規(guī)劃求解，該成像衛(wèi)星自主任務規(guī)劃算法包括八個模塊：滾動機制控制模塊、預測窗口信息更新模塊、滾動窗口預處理模塊、觀測活動確定模塊、約束檢查模塊、回傳活動確定模塊、時間窗口維護模塊、方案生成模塊；所述滾動機制控制模塊根據自主任務規(guī)劃方案以及滾動步長確定當前規(guī)劃時刻的預測窗口和滾動窗口；所述預測窗口信息更新模塊主要完成對預測窗口內各任務和約束信息的實時更新，為其它模塊操作提供及時準確的數據支持；所述滾動窗口預處理模塊依據排序規(guī)則對滾動窗口內的任務進行排序，并按照任務隊列次序依次將觀測任務提交給觀測活動確定模塊，將回傳任務提交給回傳活動確定模塊；所述觀測活動確定模塊根據每個任務當前實時更新的可用觀測時間窗口信息,選擇任務的觀測開始時刻,然后提交給約束檢查模塊,再根據約束檢查模塊的反饋結果確定任務的觀測開始時刻；所述約束檢查模塊根據任務的觀測開始時刻計算衛(wèi)星固存使用情況,判斷任務觀測開始時刻是否合理,并將檢查結果提交給觀測活動確定模塊和回傳活動確定模塊；所述回傳活動確定模塊根據當前任務的可用回傳時間窗口情況,確定該任務的回傳開始時刻,并確保回傳開始時刻在該任務觀測結束時刻之后；所述時間窗口維護模塊利用衛(wèi)星...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：邢立寧，劉嵩，袁駔，賀仁杰，姚鋒，楊振宇，劉曉路，王沛，張雪婷，義余江，李星，朱劍冰，郭堅，汪路元，
申請(專利權)人：中國人民解放軍國防科學技術大學，
類型：發(fā)明
國別省市：湖南;43