考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度方法和系统

技术领域

本发明涉及多星应急任务调度技术领域，具体涉及一种考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度方法、系统、存储介质和电子设备。

背景技术

随着卫星技术的不断发展和用户对遥感需求的不断提高，对地观测卫星在战争、地震、火山爆发和森林火灾等应急事件中扮演着越来越重要的角色，成为获取信息的重要手段。实际观测过程中，高动态、高时效任务即时产生，即任务必须在规定期限内完成，否则将会丧失观测价值。

对地观测卫星对应急任务观测需要满足时间窗、能量、侧摆角等多方面的约束，在任务观测需求远大于卫星资源数量的现实情况下，有效的任务调度方法能够提高卫星资源利用率和任务完成率。针对应急条件下对地观测任务时敏度高、动态性强的特点，一般采用启发式算法解决卫星应急任务调度问题。

但是常规应急任务观测研究中，在选择应急任务进行调度时，基于应急任务权重的贪婪准则为常用准则，但容易导致权重较低的应急任务难以调度，不利于整体寻优。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度方法、系统、存储介质和电子设备，解决了权重较低的应急任务难以调度的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度方法，包括：

S1、获取卫星资源集合和待观测的应急任务集合，所述卫星资源集合中任一卫星上的初始任务调度序列均为常规任务；

S2、根据所述应急任务集合，采用精英选择策略确定一待调度应急任务；

S3、根据所述初始任务调度序列和待调度应急任务，结合预设的考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度模型，获取多星应急任务调度序列。

优选的，所述S2中，采用精英选择策略确定一待调度应急任务包括：

S21、判断所述应急任务集合是否为空，若否，随机从所述应急任务集合中至少选择两个应急任务；若是，结束任务选择；

S22、比较所选择的各个应急任务的优先度；

S23、选择优先度值较高的应急任务作为所述待调度应急任务；

S24、将未被选择的剩余应急任务放回，更新所述应急任务集。

优选的，所述S3中考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度模型，包括：

考虑多星任务调度的最大化观测收益的第一目标函数：

考虑多星任务调度的最小化扰动的第二目标函数：

其中，S＝{S1,S2...S

p

fd表示不同类型扰动的权重；

优选的，所述S3中考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度模型，还包括约束条件：

其中，公式(4)表示任一应急任务是不可分且非抢占的，一个任务最多被观测一次；K表示卫星s

公式(5)表示任务观测开始时间不大于任务观测结束时间；

公式(6)表示连续观测任务时间间隔约束；

公式(7)表示卫星姿态转换时间分为姿态稳定时间和姿态调整时间之和；τ

公式(8)表示卫星最大开机时间约束；span

优选的，所述第一目标函数中的p

定义ECT

当

当

优选的，所述S3中，获取多星应急任务调度序列包括：

S301、将根据所述精英选择策略确定的待调度应急任务定义为t

S302、采用候选时间窗选择策略，在t

S303、判断

S304、判断所选择的候选时间窗的任一常规任务是否可以进行任务合成操作，若可以，转入S305；否则，转入S307；

所述任务合成操作至少需要：

第一，合成任务满足观测时间约束：

其中，

第二，合成任务满足观测角度约束：

其中，公式(12)表示待调度应急任务t

公式(13)表示卫星视场角能同时覆盖t

S305、t

S306、判断冲突任务类型：若冲突任务为常规任务，直接操作，将该常规任务从任务调度序列删除并加入所述应急任务集，更新任务调度序列并转入S310；若冲突任务为应急任务，取消操作，并从CVTW

S307、判断所选择的候选时间窗内是否可以进行任务插入操作，若可以，转入S308；否则，转入S309；

S308、将t

S309、对所选择的候选时间窗进行任务替换操作，判断t

若不冲突，再判断被替换任务类型：若被替换任务类型为常规任务，直接替换，更新任务调度序列并转入S310，同时将该常规任务从任务调度序列删除并加入所述应急任务集；若被替换任务类型为应急任务，取消操作并从CVTW

若冲突，转入S306；

S310、将调度结果反馈给所述候选时间窗选择策略，直至获取最终的多星应急任务调度序列，任务调度算子操作终止。

优选的，所述S302中的候选时间窗选择策略为随机-贪婪策略，具体包括：

定义ξ＝{ξ1，ξ2}为候选时间窗选择策略，其中：

ξ1为基于随机策略RS选择两个候选时间窗放入CVTW

ξ2为基于贪婪策略GS选择两个候选时间窗放入CVTW；具体指对应急任务t

具体步骤如下：

步骤一：动态选择ξ类型；

步骤二：对所述待调度应急任务t

步骤三：将调度结果反馈给ξ，若t

一种考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度系统，包括：

获取模块，用于获取卫星资源集合和待观测的应急任务集合，所述卫星资源集合中任一卫星上的初始任务调度序列均为常规任务；

选择模块，用于根据所述应急任务集合，采用精英选择策略确定一待调度应急任务；

调度模块，用于根据所述初始任务调度序列和待调度应急任务，结合预设的考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度模型，获取多星应急任务调度序列。

一种存储介质，其存储有用于考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行如上所述的多星应急任务调度方法。

一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器；以及

一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如上所述的多星应急任务调度方法。

(三)有益效果

本发明提供了一种考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度方法、系统、存储介质和电子设备。与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明中，获取卫星资源集合和待观测的应急任务集合，所述卫星资源集合中任一卫星上的初始任务调度序列均为常规任务；根据所述应急任务集合，采用精英选择策略确定一待调度应急任务；根据所述初始任务调度序列和待调度应急任务，结合预设的考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度模型，获取多星应急任务调度序列。设计精英选择策略选择待调度应急任务，保证收益值高的任务能被优先安排调度，收益值较低的任务也具有观测机会，利于整体寻优。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例通过提供一种考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度方法、系统、存储介质和电子设备，解决了权重较低的应急任务难以调度的技术问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本发明实施例中，获取卫星资源集合和待观测的应急任务集合，所述卫星资源集合中任一卫星上的初始任务调度序列均为常规任务；根据所述应急任务集合，采用精英选择策略确定一待调度应急任务；根据所述初始任务调度序列和待调度应急任务，结合预设的考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度模型，获取多星应急任务调度序列。设计精英选择策略选择待调度应急任务，保证收益值高的任务能被优先安排调度，收益值较低的任务也具有观测机会，利于整体寻优。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例：

第一方面，如图1所示，本发明实施例提供了一种考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度方法，包括：

S1、获取卫星资源集合和待观测的应急任务集合，所述卫星资源集合中任一卫星上的初始任务调度序列均为常规任务；

S2、根据所述应急任务集合，采用精英选择策略确定一待调度应急任务；

S3、根据所述初始任务调度序列和待调度应急任务，结合预设的考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度模型，获取多星应急任务调度序列。

本发明实施例设计了精英选择策略选择待调度应急任务，保证收益值高的任务能被优先安排调度，收益值较低的任务也具有观测机会，利于整体寻优。

下面将结合具体内容详细介绍上述技术方案的各个步骤：

首先需要说明的是，本发明实施例提供的多星应急任务调度方案为了方便建模，做出了如下假设：

1)本文只涉及点目标任务，所述点目标任务是指点目标指面积较小，成像卫星通过一次成像动作就可以完成观测的目标，如机场港口等；任意点目标不可再进一步拆分为多个子任务，或者任意两/多个点目标任务之间不可以合并；

2)已知常规任务初始调度方案；

3)不考虑云层遮挡、资源变更、敌方干扰等其它因素；

4)采用非抢占调度方式，已完成和正在观测常规任务调度决策不能改变。

S1、获取卫星资源集合和待观测的应急任务集合，所述卫星资源集合中任一卫星上的初始任务调度序列均为常规任务。

定义S＝{S1,S2...S

S2、根据所述应急任务集合，采用精英选择策略确定一待调度应急任务。

采用精英选择策略确定一待调度应急任务包括：

S21、判断所述应急任务集合是否为空，若否，随机从所述应急任务集合中至少选择两个应急任务；若是，结束任务选择；

S22、比较所选择的各个应急任务的优先度(关于优先度的具体计算过程将在后续步骤S3中介绍)；

S23、选择优先度值较高的应急任务作为所述待调度应急任务；

S24、将未被选择的剩余应急任务放回，更新所述应急任务集。

S3、根据所述初始任务调度序列和待调度应急任务，结合预设的考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度模型，获取多星应急任务调度序列。

上述精英选择策略保证了收益值高的任务能被优先安排调度，同时收益值较低的任务也具有观测机会。

所述S3中考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度模型，包括：

考虑多星任务调度的最大化观测收益的第一目标函数：

考虑多星任务调度的最小化扰动的第二目标函数：

其中，S＝{S1,S2...S

p

fd表示不同类型扰动的权重；

(1)

(2)

本发明实施例提供的多星应急任务调度模型兼顾最大收益，以及应急任务的调度对初始常规任务调度序列造成的扰动，利于卫星资源的最大化利用。

所述S3中考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度模型，还包括约束条件：

其中，公式(4)表示任一应急任务是不可分且非抢占的，一个任务最多被观测一次；K表示卫星s

公式(5)表示任务观测开始时间不大于任务观测结束时间；

公式(6)表示连续观测任务时间间隔约束；

公式(7)表示卫星姿态转换时间分为姿态稳定时间和姿态调整时间之和；τ

公式(8)表示卫星最大开机时间约束；span

针对现有常规应急任务观测研究中，设置应急任务观测收益固定不变，未考虑应急任务完成时间对观测收益的影响，不能满足应急任务观测的及时性需求，本发明实施例将所述第一目标函数中的p

定义ECT

当

当

应急任务调度开始后，在满足卫星资源约束和任务需求的情况下，根据应急任务调度策略进行调度，包括应急任务合成、应急任务插入和应急任务替换。由于应急任务合成与传统观测模式相比，具有减少卫星传感器姿态转换次数、增强卫星稳定性的优点，在任务调度时优先考虑应急任务合成，其次考虑应急任务插入，最后考虑应急任务替换。

为降低算法的时间复杂度，在策略中嵌入启发式算法，相应的，所述S3中获取多星应急任务调度序列包括：

S301、将根据所述精英选择策略确定的待调度应急任务定义为t

S302、采用候选时间窗选择策略，在t

本步骤中设计了候选时间窗成对竞争策略，确保应急任务调度成功的同时对原调度序列造成的扰动最小。

S303、判断

S304、判断所选择的候选时间窗的任一常规任务是否可以进行任务合成操作，若可以，转入S305；否则，转入S307；

所述任务合成操作至少需要：

第一，合成任务满足观测时间约束：

其中，

第二，合成任务满足观测角度约束：

其中，公式(12)表示待调度应急任务t

公式(13)表示卫星视场角能同时覆盖t

此处还需要补充的是：

p

其中，公式(14)表示应急任务t

公式(15)表示合成任务t

公式(16)表示卫星s

S305、t

S306、判断冲突任务类型：若冲突任务为常规任务，直接操作，将该常规任务从任务调度序列删除并加入所述应急任务集，更新任务调度序列并转入S310；若冲突任务为应急任务，取消操作，并从CVTW

S307、判断所选择的候选时间窗内是否可以进行任务插入操作，若可以，转入S308；否则，转入S309；

S308、将t

S309、对所选择的候选时间窗进行任务替换操作，判断t

若不冲突，再判断被替换任务类型：若被替换任务类型为常规任务，直接替换，更新任务调度序列并转入S310，同时将该常规任务从任务调度序列删除并加入所述应急任务集；若被替换任务类型为应急任务，取消操作并从CVTW

若冲突，转入S306；

S310、将调度结果反馈给所述候选时间窗选择策略，直至获取最终的多星应急任务调度序列，任务调度算子操作终止。

特别的，所述S302中的候选时间窗选择策略为随机-贪婪策略，具体包括：

定义ξ＝{ξ1，ξ2}为候选时间窗选择策略，其中：

ξ1为基于随机策略RS选择两个候选时间窗放入CVTW

ξ2为基于贪婪策略GS选择两个候选时间窗放入CVTW；具体指对应急任务t

具体步骤如下：

步骤一：动态选择ξ类型；

步骤二：对所述待调度应急任务t

步骤三：将调度结果反馈给ξ，若t

采用上述随机-贪婪策略的动态选择，以避免算法陷入局部最优；以及根据调度结果的反馈动态选择策略，增大应急任务调度成功率，同时，优化任务调度方法，获得更好的多星应急任务调度方案，提高卫星资源利用效率。

第二方面，本发明实施例提供了一种考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度系统，包括：

获取模块，用于获取卫星资源集合和待观测的应急任务集合，所述卫星资源集合中任一卫星上的初始任务调度序列均为常规任务；

选择模块，用于根据所述应急任务集合，采用精英选择策略确定一待调度应急任务；

调度模块，用于根据所述初始任务调度序列和待调度应急任务，结合预设的考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度模型，获取多星应急任务调度序列。

第三方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其存储有用于考虑最小扰动和最大收益的多星应急任务调度的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行如上所述的多星应急任务调度方法。

第四方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器；以及

一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如上所述的多星应急任务调度方法。

综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、本发明实施例设计了精英选择策略选择待调度应急任务，保证收益值高的任务能被优先安排调度，收益值较低的任务也具有观测机会，利于整体寻优。

2、本发明实施例提供的多星应急任务调度模型兼顾最大收益，以及应急任务的调度对初始常规任务调度序列造成的扰动，利于卫星资源的最大化利用。

3、设计了候选时间窗成对竞争策略，确保应急任务调度成功的同时对原调度序列造成的扰动最小。

4、采用上述随机-贪婪策略的动态选择，以避免算法陷入局部最优；以及根据调度结果的反馈动态选择策略，增大应急任务调度成功率，同时，优化任务调度方法，获得更好的多星应急任务调度方案，提高卫星资源利用效率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。