本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是一種任務(wù)規(guī)劃方法及裝置。

背景技術(shù)：

為了使地球成像衛(wèi)星更好地發(fā)揮作用，任務(wù)規(guī)劃技術(shù)顯得尤為關(guān)鍵。任務(wù)規(guī)劃的含義是指對(duì)待執(zhí)行的觀測(cè)任務(wù)進(jìn)行排程、資源匹配，以及對(duì)衛(wèi)星及其載荷的工作時(shí)域、空域和模式等進(jìn)行確定，并制定詳細(xì)工作計(jì)劃的過程，其目的是驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星資源科學(xué)、高效地執(zhí)行任務(wù)。成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃必須在復(fù)雜的約束條件下和多種優(yōu)化目標(biāo)下完成，因此其問題維度廣，優(yōu)化空間大，目前多采用智能算法得出其近似最優(yōu)解。

現(xiàn)有技術(shù)中遺傳算法在處理成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)，但確定的最優(yōu)任務(wù)序列通常不是全局最優(yōu)解，且收斂慢，處理時(shí)間較長(zhǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中遺傳算法處理成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃時(shí)確定的最優(yōu)任務(wù)序列通常不是全局最優(yōu)解，且收斂慢，處理時(shí)間較長(zhǎng)這一技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法和裝置。

第一方面，本發(fā)明提供一種成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法，基于改進(jìn)遺傳算法處理成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題，包括以下步驟：

步驟s1、在初始化步驟中，獲取交叉概率下限值pcmin和交叉概率上限值pcmax；

步驟s2、在每輪迭代中執(zhí)行交叉步驟時(shí)，根據(jù)交叉概率下限值pcmin和交叉概率上限值pcmax解算該輪迭代中每一待交叉組對(duì)應(yīng)的組內(nèi)交叉概率值pc，并根據(jù)所述組內(nèi)交叉概率值pc對(duì)所述每一待交叉組進(jìn)行交叉操作；

步驟s3、在迭代過程終止后，將最后一輪迭代中得到的種群中具有最大適應(yīng)度值的個(gè)體作為成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)解。

可選地，所述步驟s1還包括：在初始化步驟中，獲取變異概率下限值pmmin和變異概率上限值pmmax；相應(yīng)地，

在所述步驟s2之后，步驟s3之前，所述方法還包括：在每輪迭代中執(zhí)行變異步驟時(shí)，根據(jù)變異概率下限值pmmin和變異概率上限值pmmax解算該輪迭代中每一待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的個(gè)體變異概率值pm，并根據(jù)所述個(gè)體變異概率值pm對(duì)所述每一待變異操作的個(gè)體進(jìn)行變異操作。

可選地，所述步驟s2中，根據(jù)交叉概率下限值pcmin和交叉概率上限值pcmax解算該輪迭代中每一待交叉組對(duì)應(yīng)的組內(nèi)交叉概率值pc，具體包括：

根據(jù)第一公式解算每一待交叉組對(duì)應(yīng)的組內(nèi)交叉概率值pc，所述第一公式為：

其中，np為遺傳算法的種群規(guī)模，fmax表示該輪迭代中種群的最大適應(yīng)度值，favg表示該輪迭代中種群的平均適應(yīng)度值，f＇表示每一待交叉組中的兩個(gè)個(gè)體對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值中的較大值，ac為交叉調(diào)整因子。

可選地，所述根據(jù)變異概率下限值pmmin和變異概率上限值pmmax解算該輪迭代中每一待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的個(gè)體變異概率值pm，具體包括：

根據(jù)第二公式解算每一待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的個(gè)體變異概率值pm，所述第二公式為：

其中，np為遺傳算法的種群規(guī)模，fmax表示該輪迭代中種群的最大適應(yīng)度值，favg表示該輪迭代中種群的平均適應(yīng)度值，f表示待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值，am為變異調(diào)整因子。

可選地，所述步驟s1還包括：在初始化步驟中，采用實(shí)數(shù)編碼方式對(duì)成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的初始方案進(jìn)行編碼，得到遺傳算法的初始解；相應(yīng)地，

所述步驟s3還包括：對(duì)成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)解進(jìn)行解碼，得到成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)方案。

可選地，所述初始方案或最優(yōu)方案中包括真實(shí)衛(wèi)星的待執(zhí)行任務(wù)序列和一顆虛擬衛(wèi)星記錄的不可執(zhí)行任務(wù)序列，所述待執(zhí)行任務(wù)序列中包括按照時(shí)間先后順序排列的對(duì)地觀測(cè)任務(wù)時(shí)間窗和對(duì)地下傳任務(wù)時(shí)間窗，每個(gè)所述對(duì)地觀測(cè)任務(wù)時(shí)間窗與一對(duì)地觀測(cè)目標(biāo)相對(duì)應(yīng)，每個(gè)所述對(duì)地下傳任務(wù)時(shí)間窗與一地面站相對(duì)應(yīng)。

可選地，所述方法還包括：

將所述最優(yōu)方案中與每一顆衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的待執(zhí)行任務(wù)序列發(fā)送至該衛(wèi)星中，使得該衛(wèi)星執(zhí)行所述待執(zhí)行任務(wù)序列。

第二方面，本發(fā)明還提供一種成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃處理裝置，基于改進(jìn)遺傳算法處理成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題，包括：

接收模塊、與所述接收模塊連接的處理模塊；

所述接收模塊用于接收待多個(gè)衛(wèi)星執(zhí)行的對(duì)地觀測(cè)任務(wù)；

所述處理模塊用于采用改進(jìn)遺傳算法處理成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃，具體包括：

在采用遺傳算法處理成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃時(shí)，在初始化步驟中，獲取交叉概率下限值pcmin和交叉概率上限值pcmax；

在每輪迭代中執(zhí)行交叉步驟時(shí)，根據(jù)交叉概率下限值pcmin和交叉概率上限值pcmax解算該輪迭代中每一待交叉組對(duì)應(yīng)的組內(nèi)交叉概率值pc，并根據(jù)所述組內(nèi)交叉概率值pc對(duì)所述每一待交叉組進(jìn)行交叉操作；

在迭代過程終止后，將最后一輪迭代中得到的種群中具有最大適應(yīng)度值的個(gè)體作為成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)解。

可選地，所述裝置中的所述處理模塊用于采用改進(jìn)遺傳算法處理成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃，具體還包括：

在初始化步驟中，獲取變異概率下限值pmmin和變異概率上限值pmmax；相應(yīng)地，

在每輪迭代中執(zhí)行變異步驟時(shí)，根據(jù)變異概率下限值pmmin和變異概率上限值pmmax解算該輪迭代中每一待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的個(gè)體變異概率值pm，并根據(jù)所述個(gè)體變異概率值pm對(duì)所述每一待變異操作的個(gè)體進(jìn)行變異操作；

和/或

在初始化步驟中，采用實(shí)數(shù)編碼方式對(duì)成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的初始方案進(jìn)行編碼，得到遺傳算法的初始解；相應(yīng)地，

對(duì)成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)解進(jìn)行解碼，得到成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)方案。

可選地，所述裝置中的所述處理模塊用于根據(jù)交叉概率下限值pcmin和交叉概率上限值pcmax解算該輪迭代中每一待交叉組對(duì)應(yīng)的組內(nèi)交叉概率值pc，具體包括：

根據(jù)第一公式解算每一待交叉組對(duì)應(yīng)的組內(nèi)交叉概率值pc，所述第一公式為：

其中，np為所述遺傳算法的種群規(guī)模，fmax表示該輪迭代中種群的最大適應(yīng)度值，favg表示該輪迭代中種群的平均適應(yīng)度值，f＇表示每一待交叉組中的兩個(gè)個(gè)體對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值中的較大值，ac為交叉調(diào)整因子。

可選地，所述裝置中的所述處理模塊用于根據(jù)變異概率下限值pmmin和變異概率上限值pmmax解算該輪迭代中每一待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的個(gè)體變異概率值pm，具體包括：

根據(jù)第二公式解算每一待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的個(gè)體變異概率值pm，所述第二公式為：

其中，np為所述遺傳算法的種群規(guī)模，fmax表示該輪迭代中種群的最大適應(yīng)度值，favg表示該輪迭代中種群的平均適應(yīng)度值，f表示待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值，am為變異調(diào)整因子。

可選地，所述裝置中的所述處理模塊獲得的所述初始方案或最優(yōu)方案中包括真實(shí)衛(wèi)星的待執(zhí)行任務(wù)序列和一顆虛擬衛(wèi)星記錄的不可執(zhí)行任務(wù)序列，所述待執(zhí)行任務(wù)序列中包括按照時(shí)間先后順序排列的對(duì)地觀測(cè)任務(wù)時(shí)間窗和對(duì)地下傳任務(wù)時(shí)間窗，每個(gè)所述對(duì)地觀測(cè)任務(wù)時(shí)間窗與一對(duì)地觀測(cè)目標(biāo)相對(duì)應(yīng)，每個(gè)所述對(duì)地下傳任務(wù)時(shí)間窗與一地面站相對(duì)應(yīng)。

可選地，所述裝置還包括：與處理模塊連接的發(fā)射模塊；

所述發(fā)射模塊用于將每一顆衛(wèi)星的待執(zhí)行任務(wù)序列發(fā)送至該衛(wèi)星中，使得該衛(wèi)星按照規(guī)劃的待執(zhí)行任務(wù)序列執(zhí)行觀測(cè)任務(wù)和/或下傳任務(wù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法，采用改進(jìn)的遺傳算法可在提高運(yùn)算效率的同時(shí)獲得更好的近似最優(yōu)解，得到當(dāng)前規(guī)劃周期中的最優(yōu)方案，具有全局搜索能力，提高了收斂速度，能夠保證求解的觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃具有較好的質(zhì)量，且處理效率高。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃裝置，采用改進(jìn)的遺傳算法可在提高運(yùn)算效率的同時(shí)獲得更好的近似最優(yōu)解，得到當(dāng)前規(guī)劃周期中的最優(yōu)方案，具有全局搜索能力，提高了收斂速度，能夠保證求解的觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃具有較好的質(zhì)量，且處理效率高。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中衛(wèi)星觀測(cè)地面目標(biāo)及向地面站下傳數(shù)據(jù)的示意圖；

圖2為衛(wèi)星的時(shí)間窗與觀測(cè)時(shí)間窗的示意圖；

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例提供的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法的流程示意圖；

圖4為本發(fā)明又一實(shí)施例提供的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃裝置的組成示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更好的解釋本發(fā)明，以便于理解，下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。

首先，界定以下基本事實(shí)，這些事實(shí)均為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知曉的：

如圖1所示，成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題可以簡(jiǎn)要描述為：一組衛(wèi)星、一組觀測(cè)任務(wù),每個(gè)觀測(cè)任務(wù)的完成包含數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)回傳兩個(gè)活動(dòng)。為每個(gè)觀測(cè)任務(wù)指定一個(gè)優(yōu)先級(jí)；觀測(cè)任務(wù)對(duì)應(yīng)的地面目標(biāo)與衛(wèi)星之間具有一組可用時(shí)間窗口；一個(gè)參考時(shí)間范圍作為任務(wù)規(guī)劃的起止時(shí)間。衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)需要滿足以下約束：每個(gè)觀測(cè)任務(wù)必須在其某個(gè)可用時(shí)間窗口內(nèi)完成；衛(wèi)星連續(xù)兩次觀測(cè)之間必須有足夠的調(diào)整時(shí)間；衛(wèi)星的側(cè)視調(diào)整次數(shù)、存儲(chǔ)容量有限,使每個(gè)圈次的累積觀測(cè)時(shí)間有限。

在每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，每一個(gè)衛(wèi)星與每一個(gè)地面目標(biāo)之間有不止一個(gè)可見時(shí)間窗口；在每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，每一個(gè)衛(wèi)星與每一個(gè)地面站之間有不止一個(gè)可見時(shí)間窗口；在每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，每個(gè)地面目標(biāo)只需要也僅能被觀測(cè)一次，也即，地面目標(biāo)的數(shù)目與觀測(cè)任務(wù)的數(shù)目是相同的；在每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，每個(gè)地面站可以多次與不同的衛(wèi)星進(jìn)行通信，接收下傳數(shù)據(jù)。

在每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，受制于可見時(shí)間窗，會(huì)出現(xiàn)待調(diào)度的觀測(cè)任務(wù)不能全部被完成的情形，因此，為了保證觀測(cè)任務(wù)總數(shù)目的完整性，設(shè)置一個(gè)虛擬衛(wèi)星來記錄不能被執(zhí)行的觀測(cè)任務(wù)。

另一方面，衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)需要滿足以下約束條件：

(1)對(duì)地面目標(biāo)的成像必須等待衛(wèi)星在某一軌道圈次內(nèi)運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)的上空時(shí)進(jìn)行，此時(shí)衛(wèi)星的遙感器會(huì)在一個(gè)時(shí)間段之內(nèi)能夠看見目標(biāo)，這個(gè)時(shí)間段稱為時(shí)間窗。在給定的規(guī)劃周期內(nèi)，衛(wèi)星與目標(biāo)之間一般不止一個(gè)時(shí)間窗，衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)需在其中某一個(gè)時(shí)間窗之內(nèi)完成，且目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)的時(shí)間窗一般會(huì)小于可見的時(shí)間窗，圖2中示出了觀測(cè)時(shí)間窗的開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間。

(2)一顆衛(wèi)星在執(zhí)行2個(gè)前后相繼的觀測(cè)任務(wù)時(shí)，中間需要有一定的過渡時(shí)間，以讓衛(wèi)星遙感器作好調(diào)整。類似的，地面站接受衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)時(shí)與觀測(cè)任務(wù)一樣，數(shù)據(jù)下傳需要在地面站對(duì)衛(wèi)星的下傳可見時(shí)間窗口之內(nèi)完成。

(3)每一次開關(guān)機(jī)時(shí)間內(nèi)，衛(wèi)星的側(cè)視調(diào)整次數(shù)是有限的。

(4)衛(wèi)星上有一個(gè)固定容量的星上存儲(chǔ)器，衛(wèi)星將觀測(cè)的目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)暫時(shí)存放在存儲(chǔ)器中。在將數(shù)據(jù)傳回地面站之后，存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量被釋放。因此存儲(chǔ)器的實(shí)時(shí)容量在整個(gè)觀測(cè)過程中是動(dòng)態(tài)變化的。

從以上內(nèi)容可知，成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃必須在復(fù)雜的約束條件下和多種優(yōu)化目標(biāo)下求解，因此其問題維度廣，優(yōu)化空間大，采用智能算法得出其近似最優(yōu)解的難度比較大。

遺傳算法是一種常用的求解成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的算法。本發(fā)明提出基于參數(shù)自適應(yīng)的改進(jìn)遺傳算法來處理成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃，以提高對(duì)問題的求解質(zhì)量和效率。

目前，已有的基于遺傳算法處理成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題的解算流程如下：

step1：初始化步驟。

(1)、設(shè)置以下參數(shù)的值：種群規(guī)模np、交叉概率值pc、變異概率值pm和終止代數(shù)t。

(2)、生成初始種群，即確定初始的np個(gè)可行解。具體地，在每一顆衛(wèi)星上隨機(jī)地插入觀測(cè)任務(wù)或下傳任務(wù)，插入的觀測(cè)任務(wù)或下傳任務(wù)均滿足前述約束條件。

step2：選擇步驟。根據(jù)輪盤賭方法，選擇遺傳到下一代的個(gè)體。

step3：交叉步驟。對(duì)隨機(jī)選擇的每?jī)蓷l父代，依據(jù)交叉概率值進(jìn)行交叉。具體地，選擇一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，將時(shí)間點(diǎn)之后任務(wù)的時(shí)間窗進(jìn)行交叉，將交叉過程中產(chǎn)生沖突的觀測(cè)任務(wù)放入到虛擬衛(wèi)星中，并將虛擬衛(wèi)星中所有的任務(wù)嘗試重新插入到真實(shí)衛(wèi)星上，如果插入失敗，則繼續(xù)留在虛擬衛(wèi)星上。

step4：保留優(yōu)勢(shì)解步驟。將隨機(jī)選擇的每?jī)蓷l父代交叉之后得到的兩個(gè)子代染色體的適應(yīng)度值與父代比較，若子代適應(yīng)度值大于父代，則保留子代，反之，則保留父代。

step5：變異步驟。選擇某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，按變異概率值對(duì)時(shí)間點(diǎn)最近的下傳任務(wù)進(jìn)行變異。具體地，將變異過程中產(chǎn)生沖突的觀測(cè)任務(wù)放入到虛擬衛(wèi)星中，并將虛擬衛(wèi)星中所有的任務(wù)嘗試重新插入到真實(shí)衛(wèi)星上，如果插入失敗，則繼續(xù)留在虛擬衛(wèi)星上。

step6：判斷是否滿足終止條件，若滿足則迭代結(jié)束，若不滿足則回到step2。

以上現(xiàn)有技術(shù)中基于遺傳算法求解成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的解算流程存下以下缺點(diǎn)：

(1)、在求解成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃過程,其交叉概率和變異概率一直是固定的，求解初期，交叉概率和變異概率較小，種群很難產(chǎn)生優(yōu)秀的新個(gè)體。求解后期，模式向高適應(yīng)度的個(gè)體集中，倘若仍然采用較大的交叉概率和變異概率，容易破壞優(yōu)良的模式，使算法陷入局部收斂；

(2)、此遺傳算法不能根據(jù)種群的大小調(diào)整交叉概率和變異概率的大小，即在種群較大時(shí)，不能保證較大的交叉概率，使之盡快交叉基因組合成最優(yōu)的染色體，并且不能保證較小的變異概率，盡量減少多次重復(fù)變異出現(xiàn)相同個(gè)體的無用功。

為此，一方面，如圖3所示，本發(fā)明一實(shí)施例提供一種成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法，基于改進(jìn)遺傳算法處理成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題，包括下述步驟：

步驟s1、在初始化步驟中，獲取交叉概率下限值pcmin和交叉概率上限值pcmax；

步驟s2、在每輪迭代中執(zhí)行交叉步驟時(shí)，根據(jù)交叉概率下限值pcmin和交叉概率上限值pcmax解算該輪迭代中每一待交叉組對(duì)應(yīng)的組內(nèi)交叉概率值pc，并根據(jù)所述組內(nèi)交叉概率值pc對(duì)所述每一待交叉組進(jìn)行交叉操作；

步驟s3、在迭代過程終止后，將最后一輪迭代中得到的種群中具有最大適應(yīng)度值的個(gè)體作為成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)解。

需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例提供的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法中涉及的解算適應(yīng)度值的適應(yīng)度函數(shù)與現(xiàn)有技術(shù)中基于遺傳算法處理成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法中的定義相同，請(qǐng)參考cn105955812a《一種地球觀測(cè)衛(wèi)星任務(wù)調(diào)度的方法及系統(tǒng)》，這里不再贅述。

舉例來說，根據(jù)交叉概率下限值pcmin和交叉概率上限值pcmax解算該輪迭代中每一待交叉組對(duì)應(yīng)的組內(nèi)交叉概率值pc，具體包括：

根據(jù)第一公式解算每一待交叉組對(duì)應(yīng)的組內(nèi)交叉概率值pc，所述第一公式為：

其中，np為遺傳算法的種群規(guī)模，fmax表示該輪迭代中種群的最大適應(yīng)度值，favg表示該輪迭代中種群的平均適應(yīng)度值，f＇表示每一待交叉組中的兩個(gè)個(gè)體對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值中的較大值，ac為交叉調(diào)整因子。

具體地，交叉調(diào)整因子ac≥10。

具體地，對(duì)于函數(shù)當(dāng)a>＝10時(shí)，ψ(a)接近0；當(dāng)a<＝-10，ψ(a)接近于1。為保證具有最大適應(yīng)度值的個(gè)體參與交叉的概率比較低，設(shè)定交叉調(diào)整因子ac≥10。

在一種優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述步驟s1還可以包括：在初始化步驟中，獲取變異概率下限值pmmin和變異概率上限值pmmax；相應(yīng)地，

在所述步驟s2之后，步驟s3之前，所述方法還可以包括：在每輪迭代中執(zhí)行變異步驟時(shí)，根據(jù)變異概率下限值pmmin和變異概率上限值pmmax解算該輪迭代中每一待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的個(gè)體變異概率值pm，并根據(jù)所述個(gè)體變異概率值pm對(duì)所述每一待變異操作的個(gè)體進(jìn)行變異操作。

舉例來說，根據(jù)第二公式解算每一待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的個(gè)體變異概率值pm，所述第二公式為：

其中，np為遺傳算法的種群規(guī)模，fmax表示該輪迭代中種群的最大適應(yīng)度值，favg表示該輪迭代中種群的平均適應(yīng)度值，f表示待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值，am為變異調(diào)整因子。

具體地，變異調(diào)整因子am≥10。

具體地，對(duì)于函數(shù)當(dāng)a>＝10時(shí)，ψ(a)接近0；當(dāng)a<＝-10，ψ(a)接近于1。為保證具有最大適應(yīng)度值的個(gè)體參與變異的概率比較低，設(shè)定變異調(diào)整因子ac≥10。

在一種優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述步驟s1還包括：在初始化步驟中，采用實(shí)數(shù)編碼方式對(duì)成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的初始方案進(jìn)行編碼，得到遺傳算法的初始解；相應(yīng)地，

所述步驟s3還包括：對(duì)成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)解進(jìn)行解碼，得到成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)方案。

可以理解為，所述初始方案或最優(yōu)方案中包括真實(shí)衛(wèi)星的待執(zhí)行任務(wù)序列和一顆虛擬衛(wèi)星記錄的不可執(zhí)行任務(wù)序列，所述待執(zhí)行任務(wù)序列中包括按照時(shí)間先后順序排列的對(duì)地觀測(cè)任務(wù)時(shí)間窗和對(duì)地下傳任務(wù)時(shí)間窗，每個(gè)所述對(duì)地觀測(cè)任務(wù)時(shí)間窗與一對(duì)地觀測(cè)目標(biāo)相對(duì)應(yīng)，每個(gè)所述對(duì)地下傳任務(wù)時(shí)間窗與一地面站相對(duì)應(yīng)。

需要說明的是，本申請(qǐng)?zhí)幚沓上裥l(wèi)星任務(wù)規(guī)劃時(shí)，所以得到的初始方案或最優(yōu)方案中會(huì)包括至少一顆真實(shí)衛(wèi)星的待執(zhí)行任務(wù)序列。

在實(shí)際應(yīng)用中，上述方法還可以包括：

將所述最優(yōu)方案中與每一顆衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的待執(zhí)行任務(wù)序列發(fā)送至該衛(wèi)星中，使得該衛(wèi)星執(zhí)行所述待執(zhí)行任務(wù)序列。

本發(fā)明實(shí)施例確定的基于改進(jìn)遺傳算法的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法的解算流程示例如下：

st1：初始化步驟。

(1)、設(shè)置以下參數(shù)的值：種群規(guī)模np，交叉概率下限值pcmin，交叉概率上限值pcmax，變異概率下限值pmmin，變異概率上限值pmmax，終止代數(shù)t。

(2)、生成初始種群，即確定初始的np個(gè)可行解。具體地，在每一顆衛(wèi)星上隨機(jī)地插入觀測(cè)任務(wù)或下傳任務(wù)，插入的觀測(cè)任務(wù)或下傳任務(wù)均滿足前述約束條件。

st2：選擇步驟。根據(jù)輪盤賭方法，選擇遺傳到下一代的個(gè)體。

st3：交叉步驟：首先計(jì)算出該輪迭代中種群的最大適應(yīng)度、種群的平均適應(yīng)度。隨機(jī)選擇的每?jī)蓷l父代形成一個(gè)待交叉組。針對(duì)每一個(gè)待交叉組，計(jì)算每一個(gè)待交叉對(duì)象的適應(yīng)度，并根據(jù)第一公式解算組內(nèi)交叉概率值；隨后根據(jù)組內(nèi)交叉概率值確定是否需要進(jìn)行交叉操作。針對(duì)需要進(jìn)行交叉操作的待交叉組，選擇一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，將時(shí)間點(diǎn)之后任務(wù)的時(shí)間窗進(jìn)行交叉，將交叉過程中產(chǎn)生沖突的觀測(cè)任務(wù)放入到虛擬衛(wèi)星中，并將虛擬衛(wèi)星中所有的任務(wù)嘗試重新插入到衛(wèi)星上，如果插入失敗，則繼續(xù)留在虛擬衛(wèi)星上。

st4：保留優(yōu)勢(shì)解步驟。將隨機(jī)選擇的每?jī)蓷l父代染色體交叉之后得到的兩個(gè)子代染色體的適應(yīng)度值與父代比較，若子代適應(yīng)度值大于父代，則保留子代，反之，則保留父代。

st5：變異步驟。首先根據(jù)第二公式解算每一待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的個(gè)體變異概率值，選擇某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，按變異概率值對(duì)改時(shí)間點(diǎn)最近的下傳任務(wù)進(jìn)行變異。具體地，將變異過程中產(chǎn)生沖突的觀測(cè)任務(wù)放入到虛擬衛(wèi)星中，并將虛擬衛(wèi)星中所有的任務(wù)嘗試重新插入真實(shí)衛(wèi)星上，如果插入失敗，則繼續(xù)留在虛擬衛(wèi)星上。

st6：判斷是否滿足終止條件，若滿足則迭代結(jié)束，若不滿足則回到st2。

本發(fā)明實(shí)施例通過改進(jìn)現(xiàn)有的遺傳算法，在提高運(yùn)算效率的同時(shí)可以獲得更好的近似最優(yōu)解，從而得到當(dāng)前規(guī)劃周期中的最優(yōu)方案。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于改進(jìn)遺傳算法的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法，具有全局搜索能力，提高了收斂速度，能夠保證求解的觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃具有較好的質(zhì)量，且處理效率高。

具體地，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中采用的固定交叉概率和變異概率問題，設(shè)計(jì)出了自適應(yīng)的交叉概率和變異概率，使其能夠根據(jù)交叉和變異個(gè)體適應(yīng)度在整體適應(yīng)度中的情況而定，即適應(yīng)度高的個(gè)體交叉概率和變異概率較低，以保證較優(yōu)個(gè)體得到保存，適應(yīng)度低的個(gè)體具有高的交叉概率，加快新個(gè)體產(chǎn)生的速度，此是跳出局部最優(yōu)解的關(guān)鍵因素。

通過變異概率和交叉概率按照個(gè)體的適應(yīng)度在平均適應(yīng)度和最大適應(yīng)度之間隨sigmoid曲線進(jìn)行非線性調(diào)整，當(dāng)種群中的大部分個(gè)體擁有相近的適應(yīng)度且平均適應(yīng)度與最大適應(yīng)度接近時(shí)，從而提高大多數(shù)個(gè)體的交叉概率和變異概率。

針對(duì)在種群規(guī)模較大，即染色體類型(一般情況下，種群越大，不同的個(gè)體就會(huì)越多，則染色體類型就會(huì)越多)較多時(shí)不能保證較大交叉概率和較小的變異概率問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于種群自適應(yīng)的交叉概率和變異概率，使之能夠在種群較大時(shí)，交叉概率較大，從而加快最優(yōu)個(gè)體的產(chǎn)生速度；變異概率則較小，從而減少變異成種群中相同個(gè)體的概率，加快算法速度；同理，種群較小時(shí)，則可以保證較小的交叉概率和較大的變異概率。

遺傳算法解決成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題，比較重要也很難的是染色體的編碼問題，常用的二進(jìn)制編碼在成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃中并不是很適用，無法直觀的表現(xiàn)出染色體所代表的解的意思，同時(shí)二進(jìn)制編碼也會(huì)使編碼的結(jié)果過于繁瑣，特別是在任務(wù)的數(shù)量比較多的時(shí)候，解的長(zhǎng)度將會(huì)很大。本發(fā)明實(shí)施例采用實(shí)數(shù)編碼，每一個(gè)基因位上的數(shù)字就代表任務(wù)的編號(hào)。這樣可以非常直觀的看到每個(gè)衛(wèi)星上所觀測(cè)的任務(wù)及其觀測(cè)順序。

在成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃中，染色體的編碼規(guī)則、解碼規(guī)則以及在迭代中針對(duì)染色體的運(yùn)算規(guī)則、約束條件的校驗(yàn)等操作請(qǐng)參考cn105955812a《一種地球觀測(cè)衛(wèi)星任務(wù)調(diào)度的方法及系統(tǒng)》，這里不再贅述。

另一方面，如圖4所示，本發(fā)明又一實(shí)施例提供一種成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃裝置，基于改進(jìn)遺傳算法處理成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題，包括：

接收模塊10、與所述接收模塊10連接的處理模塊20；

所述接收模塊10用于接收待多個(gè)衛(wèi)星執(zhí)行的對(duì)地觀測(cè)任務(wù)；

所述處理模塊20用于采用改進(jìn)遺傳算法處理成像衛(wèi)星任務(wù)的規(guī)劃，具體包括：

在初始化步驟中，獲取交叉概率下限值pcmin和交叉概率上限值pcmax；

在每輪迭代中執(zhí)行交叉步驟時(shí)，根據(jù)交叉概率下限值pcmin和交叉概率上限值pcmax解算該輪迭代中每一待交叉組對(duì)應(yīng)的組內(nèi)交叉概率值pc，并根據(jù)所述組內(nèi)交叉概率值pc對(duì)所述每一待交叉組進(jìn)行交叉操作；

在迭代過程終止后，將最后一輪迭代中得到的種群中具有最大適應(yīng)度值的個(gè)體作為成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)解。

可選地，裝置中的所述處理模塊20用于采用改進(jìn)遺傳算法處理成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問題，具體還可以包括：

在初始化步驟中，獲取變異概率下限值pmmin和變異概率上限值pmmax；相應(yīng)地，

在每輪迭代中執(zhí)行變異步驟時(shí)，根據(jù)變異概率下限值pmmin和變異概率上限值pmmax解算該輪迭代中每一待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的個(gè)體變異概率值pm，并根據(jù)所述個(gè)體變異概率值pm對(duì)所述每一待變異操作的個(gè)體進(jìn)行變異操作；

和/或

在初始化步驟中，采用實(shí)數(shù)編碼方式對(duì)成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的初始方案進(jìn)行編碼，得到遺傳算法的初始解；相應(yīng)地，

對(duì)成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)解進(jìn)行解碼，得到成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)方案。

可選地，裝置中的所述處理模塊20用于根據(jù)交叉概率下限值pcmin和交叉概率上限值pcmax解算該輪迭代中每一待交叉組對(duì)應(yīng)的組內(nèi)交叉概率值pc，具體包括：

根據(jù)第一公式解算每一待交叉組對(duì)應(yīng)的組內(nèi)交叉概率值pc，所述第一公式為：

其中，np為遺傳算法的種群規(guī)模，fmax表示該輪迭代中種群的最大適應(yīng)度值，favg表示該輪迭代中種群的平均適應(yīng)度值，f＇表示每一待交叉組中的兩個(gè)個(gè)體對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值中的較大值，ac為交叉調(diào)整因子。

可選地，裝置中的所述處理模塊20用于根據(jù)變異概率下限值pmmin和變異概率上限值pmmax解算該輪迭代中每一待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的個(gè)體變異概率值pm，具體包括：

根據(jù)第二公式解算每一待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的個(gè)體變異概率值pm，所述第二公式為：

其中，np為遺傳算法的種群規(guī)模，fmax表示該輪迭代中種群的最大適應(yīng)度值，favg表示該輪迭代中種群的平均適應(yīng)度值，f表示待變異操作的個(gè)體對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值，am為變異調(diào)整因子。

可選地，裝置中的所述處理模塊20獲得的所述初始方案或最優(yōu)方案中包括真實(shí)衛(wèi)星的待執(zhí)行任務(wù)序列和一顆虛擬衛(wèi)星記錄的不可執(zhí)行任務(wù)序列，所述待執(zhí)行任務(wù)序列中包括按照時(shí)間先后順序排列的對(duì)地觀測(cè)任務(wù)時(shí)間窗和對(duì)地下傳任務(wù)時(shí)間窗，每個(gè)所述對(duì)地觀測(cè)任務(wù)時(shí)間窗與一對(duì)地觀測(cè)目標(biāo)相對(duì)應(yīng)，每個(gè)所述對(duì)地下傳任務(wù)時(shí)間窗與一地面站相對(duì)應(yīng)。

可選地，所述裝置還包括：與處理模塊20連接的發(fā)射模塊30；

所述發(fā)射模塊30用于將每一顆衛(wèi)星的待執(zhí)行任務(wù)序列發(fā)送至該衛(wèi)星中，使得該衛(wèi)星按照規(guī)劃的待執(zhí)行任務(wù)序列執(zhí)行觀測(cè)任務(wù)和/或下傳任務(wù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例提供的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)化裝置，采用改進(jìn)的遺傳算法可在提高運(yùn)算效率的同時(shí)獲得更好的近似最優(yōu)解，得到當(dāng)前規(guī)劃周期中的最優(yōu)方案，能夠保證求解的觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃具有較好的質(zhì)量，且處理效率高。

最后應(yīng)說明的是：以上所述的各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。