一種空間天文衛(wèi)星巡天掃描多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種空間天文衛(wèi)星巡天掃描多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃方法，所述方法包括：步驟1，天球網(wǎng)格劃分與編號(hào)；步驟2，可見窗口及約束條件處理；步驟3，多目標(biāo)多約束任務(wù)規(guī)劃建模；步驟4，多目標(biāo)多約束任務(wù)規(guī)劃模型解算處理。本發(fā)明空間天文衛(wèi)星巡天掃描多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃方法，綜合考慮了星上能源、存儲(chǔ)及地面數(shù)傳約束，從科學(xué)探測(cè)需求和工程實(shí)施需求出發(fā)進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃問題建模，提出求解算法可以降低沖突消解的時(shí)間和空間復(fù)雜度。
【專利說明】一種空間天文衛(wèi)星巡天掃描多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星資源任務(wù)規(guī)劃調(diào)度領(lǐng)域，尤其涉及一種空間天文衛(wèi)星巡天掃描多 目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 空間天文觀測(cè)是指從距離地面幾十千米的高空到地球大氣層以外的太空所進(jìn)行 的天文觀測(cè)，是人類精確探測(cè)宇宙現(xiàn)象，揭示宇宙規(guī)律，推動(dòng)自身進(jìn)步的重要途徑。
[0003] 作為衛(wèi)星運(yùn)行和探測(cè)任務(wù)高效順利實(shí)施的重要保障，衛(wèi)星任務(wù)調(diào)度規(guī)劃策略研究 對(duì)于合理安排探測(cè)計(jì)劃、優(yōu)化星地資源、最大實(shí)現(xiàn)觀測(cè)目標(biāo)具有重要意義。與傳統(tǒng)對(duì)地觀測(cè) 衛(wèi)星任務(wù)相比，空間天文衛(wèi)星在工作模式上具有其自身特點(diǎn)，包括巡天掃描、定點(diǎn)觀測(cè)、小 天區(qū)掃描等幾種模式。其中，巡天掃描對(duì)象是整個(gè)天球，依靠軌道進(jìn)動(dòng)和姿態(tài)變化實(shí)現(xiàn)全天 區(qū)的掃描覆蓋，獲取整個(gè)天圖；同時(shí)，巡天掃描需要不斷對(duì)天區(qū)進(jìn)行持續(xù)探測(cè)，數(shù)據(jù)量較大， 而星上存儲(chǔ)和地面站資源有限，如何利用有限地面站和星上存儲(chǔ)容量實(shí)現(xiàn)星上數(shù)據(jù)高效、 快速下傳是其中一個(gè)難點(diǎn)；此外，針對(duì)巡天類衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題，需要綜合考慮星上資源、 地面資源、太陽規(guī)避角以及南大西洋異常區(qū)等多種約束條件，對(duì)多種約束條件下的多目標(biāo) 復(fù)雜規(guī)劃問題建模和求解帶來一定難度。
[0004] 目前針對(duì)運(yùn)行的多顆空間天文類科學(xué)衛(wèi)星，研制開發(fā)了一系列調(diào)度規(guī)劃系統(tǒng)，但 這些系統(tǒng)更多關(guān)注于任務(wù)的長(zhǎng)期規(guī)劃，缺少對(duì)地面站等資源的考慮。傳統(tǒng)的對(duì)地觀測(cè)任務(wù) 規(guī)劃模型不能適用于巡天類衛(wèi)星任務(wù)的工作模式；而有限的地面站資源也存在著多星并發(fā) 沖突訪問的問題，需要在任務(wù)規(guī)劃建模中統(tǒng)一考慮；此外，科學(xué)探測(cè)需求及衛(wèi)星工程約束需 求需要進(jìn)行平衡，傳統(tǒng)的單目標(biāo)加權(quán)合并的規(guī)劃方法難以解決多個(gè)任務(wù)規(guī)劃目標(biāo)的優(yōu)化問 題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，綜合考慮星上能源、存儲(chǔ)及地面數(shù)傳約束， 從科學(xué)探測(cè)需求和工程實(shí)施需求出發(fā)進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃問題建模，提供一種空間天文衛(wèi)星巡 天掃描多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃方法，所提出的算法可以降低沖突消解的時(shí)間和空間復(fù)雜度。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種空間天文衛(wèi)星巡天掃描多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃方 法，所述方法包括：
[0007] 步驟1，天球網(wǎng)格劃分與編號(hào)；
[0008] 步驟2,可見窗口及約束條件處理；
[0009] 步驟3,多目標(biāo)多約束任務(wù)規(guī)劃建模；
[0010] 步驟4,多目標(biāo)多約束任務(wù)規(guī)劃模型解算處理。
[0011] 進(jìn)一步的，所述步驟1具體為，針對(duì)空間天文衛(wèi)星巡天掃描任務(wù)模式，基于觀測(cè)角 視場(chǎng)范圍對(duì)全天球進(jìn)行經(jīng)緯網(wǎng)格劃分，構(gòu)成單位天區(qū)，并進(jìn)行編號(hào)，為巡天掃描任務(wù)規(guī)劃可 見窗口計(jì)算提供輸入。
[0012] 進(jìn)一步的，所述步驟2具體為，基于衛(wèi)星軌道及姿態(tài)信息，對(duì)輸入的單位天區(qū)按照 規(guī)劃時(shí)段計(jì)算單位天區(qū)的觀測(cè)機(jī)會(huì)窗口，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)約束角、衛(wèi)星南大西洋異常工作 區(qū)、衛(wèi)星地球遮擋等這類約束條件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合單位天區(qū)觀測(cè)機(jī)會(huì)窗口去處不滿足上述 約束條件的窗口，為下一步顧及能源、數(shù)傳的統(tǒng)一規(guī)劃提供輸入數(shù)據(jù)。
[0013] 進(jìn)一步的，所述步驟3具體為，將能源約束、數(shù)傳約束與觀測(cè)時(shí)段約束統(tǒng)一考慮， 建立多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃模型，規(guī)劃目標(biāo)使得姿態(tài)調(diào)整的次數(shù)越少越好，同時(shí)，保證掃描天區(qū)覆 蓋百分比的最大化。
[0014] 進(jìn)一步的，所述步驟4具體為，針對(duì)建立的巡天掃描任務(wù)多任務(wù)規(guī)劃模型，采用多 目標(biāo)粒子群算法進(jìn)行求解，構(gòu)造算法的解向量，設(shè)計(jì)解向量調(diào)整策略，降低沖突消減過程的 時(shí)空復(fù)雜度，最終生成滿足規(guī)劃目標(biāo)的規(guī)劃結(jié)果。
[0015] 本發(fā)明空間天文衛(wèi)星巡天掃描多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃方法，綜合考慮了星上及地面數(shù)傳 約束，從科學(xué)探測(cè)需求和工程實(shí)施需求出發(fā)進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃問題建模，提出求解算法可以 降低沖突消解的時(shí)間和空間復(fù)雜度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明空間天文衛(wèi)星巡天掃描多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0018] 本發(fā)明從天球最大化覆蓋和觀測(cè)姿態(tài)最小調(diào)整的規(guī)劃目標(biāo)要求出發(fā)，統(tǒng)一考慮數(shù) 傳、能源等約束條件，提出一種巡天掃描多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃方法。
[0019] 圖1為本發(fā)明空間天文衛(wèi)星巡天掃描多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃方法的處理流程圖，如圖所 示，本發(fā)明具體包括如下步驟：
[0020] 步驟101，天球網(wǎng)格劃分與編號(hào)；
[0021] 具體包括，針對(duì)空間天文衛(wèi)星巡天掃描任務(wù)模式，基于觀測(cè)角視場(chǎng)范圍對(duì)全天球 進(jìn)行經(jīng)緯網(wǎng)格劃分，構(gòu)成單位天區(qū)，并進(jìn)行編號(hào)，為巡天掃描任務(wù)規(guī)劃可見窗口計(jì)算提供輸 入。
[0022] 由于天球是一個(gè)連續(xù)的球體模型，而計(jì)算機(jī)本質(zhì)上只能對(duì)離散化的數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理。因此，必須對(duì)天球進(jìn)行劃分和編號(hào)，將其離散化。本發(fā)明擬按照當(dāng)前載荷視場(chǎng)大小，采 用經(jīng)緯網(wǎng)格對(duì)天球進(jìn)行劃分，通過赤經(jīng)和赤緯定義一個(gè)單位區(qū)域，即單位天區(qū)，作為規(guī)劃預(yù) 處理階段輸入數(shù)據(jù)。
[0023] 步驟102,可見窗口及約束條件處理；
[0024] 具體包括，基于衛(wèi)星軌道及姿態(tài)信息，對(duì)輸入的單位天區(qū)按照規(guī)劃時(shí)段計(jì)算單位 天區(qū)的觀測(cè)機(jī)會(huì)窗口，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)約束角、衛(wèi)星南大西洋異常工作區(qū)、衛(wèi)星地球遮擋等 這類約束條件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合單位天區(qū)觀測(cè)機(jī)會(huì)窗口去處不滿足上述約束條件的窗口，為 下一步顧及能源、數(shù)傳的統(tǒng)一規(guī)劃提供輸入數(shù)據(jù)。
[0025] 約束條件建模是指對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)規(guī)避角約束、衛(wèi)星南大西洋異常工作區(qū)約束、衛(wèi)星 地球遮擋約束、衛(wèi)星能源約束、衛(wèi)星數(shù)傳約束等進(jìn)行數(shù)學(xué)描述與建模。
[0026] 巡天掃描任務(wù)規(guī)劃之前，需要對(duì)離散化后的單位天區(qū)進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)衛(wèi)星星歷 數(shù)據(jù)和軌道進(jìn)動(dòng)速率，計(jì)算每個(gè)單位天區(qū)的觀測(cè)機(jī)會(huì)窗口以及用于數(shù)傳接收的地面站可見 窗口；同時(shí)，分析梳理出當(dāng)前規(guī)劃任務(wù)的主要約束條件，這些約束條件包括兩類：一類是在 預(yù)處理階段即可過濾掉的不滿足觀測(cè)要求的約束條件，如南大西洋異常區(qū)約束、太陽避免 角約束、地球遮擋約束、月球遮擋約束、最短觀測(cè)時(shí)間約束等；另一類是在規(guī)劃建模需要統(tǒng) 一考慮的約束條件，如星上存儲(chǔ)容量、地面數(shù)傳能力、星上能源等。特別針對(duì)第一類約束條 件，要在預(yù)處理環(huán)節(jié)根據(jù)衛(wèi)星星歷、載荷安裝位置、星體星歷等進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)計(jì)算值，對(duì)不 滿足當(dāng)前觀測(cè)要求的觀測(cè)窗口進(jìn)行去除。在此，本發(fā)明給出輸入觀測(cè)任務(wù)和輸出觀測(cè)機(jī)會(huì) 窗口定義：
[0027] 定義L定義輸入觀測(cè)任務(wù)SpUnitMission，一個(gè)SpUnitMission可以由一個(gè)四 兀組表不（unitID，sideLength, centerLat, centerLon)，其中，unitID 代表單位天區(qū)編號(hào)， sideLength代表天區(qū)網(wǎng)格步長(zhǎng)，centerLat代表單位天區(qū)中心點(diǎn)諱度，centerLon代表中心 點(diǎn)經(jīng)度。
[0028] 定義2.定義觀測(cè)機(jī)會(huì)窗口為SpUnitWin，一個(gè)SpUnitWin可以由一個(gè)五元組表示 (winID，unitID，startTime, endTime, satAtt)，其中 winID 代表觀測(cè)機(jī)會(huì)窗口編號(hào)，unitID 代表單位天區(qū)編號(hào)，startTime代表窗口開始時(shí)間，endTime代表窗口結(jié)束時(shí)間，satAtt為 代表衛(wèi)星姿態(tài)結(jié)構(gòu)體。
[0029] 步驟103,多目標(biāo)多約束任務(wù)規(guī)劃建模；
[0030] 具體包括，將能源約束、數(shù)傳約束與觀測(cè)時(shí)段約束統(tǒng)一考慮，建立多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃 模型，規(guī)劃目標(biāo)使得姿態(tài)調(diào)整的次數(shù)越少越好，同時(shí)，保證掃描天區(qū)覆蓋百分比的最大化。
[0031] 多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃建模是對(duì)輸入的具有沖突的待規(guī)劃?rùn)C(jī)會(huì)窗口集，按照天球最大化 覆蓋和觀測(cè)姿態(tài)最小調(diào)整的規(guī)劃目標(biāo)要求，統(tǒng)一考慮數(shù)傳、能源等約束條件，建立巡天掃描 規(guī)劃模型目標(biāo)函數(shù)。
[0032] 建立多目標(biāo)多約束巡天掃描任務(wù)規(guī)劃模型，首先給出以下定義：
[0033] 定義3.衛(wèi)星從任務(wù)Xi到任務(wù)χ」是否經(jīng)過姿態(tài)調(diào)整記為gesChgk。其中，Xi是按 照時(shí)間順序安排的第k-Ι個(gè)任務(wù)，&是按照時(shí)間順序安排的第k個(gè)任務(wù)，則記 ：
[0034]

【權(quán)利要求】
1. 一種空間天文衛(wèi)星巡天掃描多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃方法，其特征在于，所述方法包括： 步驟1，天球網(wǎng)格劃分與編號(hào)； 步驟2,可見窗口及約束條件處理； 步驟3,多目標(biāo)多約束任務(wù)規(guī)劃建模； 步驟4,多目標(biāo)多約束任務(wù)規(guī)劃模型解算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1具體為，針對(duì)空間天文衛(wèi)星巡 天掃描任務(wù)模式，基于觀測(cè)角視場(chǎng)范圍對(duì)全天球進(jìn)行經(jīng)緯網(wǎng)格劃分，構(gòu)成單位天區(qū)，并進(jìn)行 編號(hào)，為巡天掃描任務(wù)規(guī)劃觀測(cè)機(jī)會(huì)窗口計(jì)算提供輸入。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2具體為，基于衛(wèi)星軌道及姿態(tài) 信息，對(duì)輸入的單位天區(qū)按照規(guī)劃時(shí)段計(jì)算單位天區(qū)的觀測(cè)機(jī)會(huì)窗口，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)約 束角、衛(wèi)星南大西洋異常工作區(qū)、衛(wèi)星地球遮擋等這類約束條件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合單位天區(qū)觀 測(cè)機(jī)會(huì)窗口去處不滿足上述約束條件的窗口，為下一步顧及能源、數(shù)傳的統(tǒng)一規(guī)劃提供輸 入數(shù)據(jù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3具體為，將能源約束、數(shù)傳約束 與觀測(cè)時(shí)段約束統(tǒng)一考慮，建立多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃模型，規(guī)劃目標(biāo)使得姿態(tài)調(diào)整的次數(shù)越少 越好，同時(shí)，保證掃描天區(qū)覆蓋百分比的最大化。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4具體為，針對(duì)建立的巡天掃描 任務(wù)多任務(wù)規(guī)劃模型，采用多目標(biāo)粒子群算法進(jìn)行求解，構(gòu)造算法的解向量，設(shè)計(jì)解向量調(diào) 整策略，降低沖突消減過程的時(shí)空復(fù)雜度，最終生成滿足規(guī)劃目標(biāo)的規(guī)劃結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G06F9/46GK104090819SQ201410349069
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】李立鋼, 倪偉, 鄭偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心