一种基于贪婪思想与最短路径法的应急任务规划方法
阅读说明：本技术 一种基于贪婪思想与最短路径法的应急任务规划方法 (Emergency task planning method based on greedy thought and shortest path method ) 是由 刘晓丽 高朝晖 宋世杰 辛维政 张国亭 颜博 赵超 张栋 岳群彬 林晓勇 张超 于 2021-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于贪婪思想与最短路径法的应急任务规划方法,该方法包括：针对应急观测任务,基于贪婪思想优选高优先级观测任务,并优选高观测效益的观测时间窗口；对优选的观测时间窗口按照观测效益从高到低依次进行资源优化决策,基于最短路径法进行观测时间窗口的相应测控时间窗口与数传时间窗口优化决策；基于综合评价值优选应急任务的观测时间窗口,结合确定的测控时间窗口与数传时间窗口,生成应急任务规划方案。本发明采用贪婪思想与最短路径法指导观测、测控与数传资源的优化决策过程,不需要进行反复迭代搜索,简单快捷,大大提升了应急资源规划效率,并提升了应急任务时效性与观测效果。(The invention discloses an emergency task planning method based on a greedy thought and a shortest path method, which comprises the following steps: aiming at the emergency observation task, preferably selecting a high-priority observation task based on a greedy thought, and preferably selecting an observation time window with high observation benefit; carrying out resource optimization decision on the optimal observation time windows in sequence from high to low according to the observation benefits, and carrying out optimization decision on the corresponding measurement and control time windows and the data transmission time windows of the observation time windows based on a shortest path method; and optimizing an observation time window of the emergency task based on the comprehensive evaluation value, and combining the determined measurement and control time window and the data transmission time window to generate an emergency task planning scheme. The method adopts a greedy thought and a shortest path method to guide the optimization decision process of the observation, measurement and control and data transmission resources, does not need repeated iterative search, is simple and quick, greatly improves the emergency resource planning efficiency, and improves the timeliness and the observation effect of emergency tasks.)
技术领域
本发明涉及航天地面任务管控领域，是基于贪婪思想与最短路径法的应急任务规划方法，适用于在时效性与观测效益要求较高，且测控与数传资源可透明共享的应急快响情况下，进行应急任务观测卫星、测控资源与数传资源优化决策与应急任务调整规划，可快速推理生成满足要求的应急任务规划方案与执行计划。
背景技术
现有的遥感卫星地面任务管控系统中常规任务规划，一般都采用智能启发式优化搜索算法进行反复多次迭代，虽然能够实现资源的全局均衡使用与任务优化安排，但过程耗时，且无法实现在已有方案基础上的应急任务插入调整，特别是方案中部分任务已经上注卫星执行的情况下，对星上上注任务进行调整的情况，需要人工进行繁多的资源分析决策，一方面时效性差，另一方面应急任务实施可靠性与执行效果较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于贪婪思想与最短路径法的应急任务规划方法，采用贪婪思想与最短路径法指导应急任务各类资源的优化决策与应急任务规划过程，解决应急任务规划快速响应与执行效果问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明公开了一种基于贪婪思想与最短路径法的应急任务规划方法，具体步骤如下：
一种基于贪婪思想与最短路径法的应急任务规划方法，包括以下步骤：
(1)对应急任务集合T中应急任务进行优先级评估与排序；
(2)基于贪婪思想按照优先级从高到低依次从应急任务集合T中选取应急任务Ti；
(3)分析计算应急任务Ti所有的卫星观测时间窗口集合S；
(4)评价卫星观测时间窗口集合S中每个观测时间窗口的任务观测效益；
(5)基于贪婪思想从卫星观测时间窗口集合S中选取观测效益最好的设定个数卫星观测时间窗口，形成最优观测时间窗口集合S’；
(6)从最优观测时间窗口集合S’中选取一个卫星观测时间窗口；
(7)判断选取的应急任务Ti在选取的卫星观测时间窗口中是否可与相应卫星上已安排的任务合并使用测控时间窗口，若可以，则转入步骤(9)，若不可以，则转入步骤(8)；
(8)基于卫星指令上注与指令解包约束，考虑任务影响最小，为应急任务Ti优化决策可用测控时间窗口，若有可用测控时间窗口，则转入步骤(9)，否则，卫星观测时间窗口安排失败，从最优观测时间窗口集合S’中重新选取卫星观测时间窗口，转入步骤(7)；直至最优观测时间窗口集合S’中没有可选择的卫星观测时间窗口；
(9)判断选取的应急任务是否可与卫星上已安排的任务合并使用数传时间窗口，若可以，则转入步骤(11)，若不可以，则转入步骤(10)；
(10)基于任务时效性要求与卫星数传使用约束，考虑任务影响最小，采用最短路径法为应急任务优化决策数传时间窗口，若有满足时效性要求的数传时间窗口，则转入步骤(11)，否则卫星观测时间窗口安排失败，重新选择卫星观测时间窗口，转入步骤(7)，直至最优观测时间窗口集合S’中没有可选择的卫星观测时间窗口；
(11)基于优化决策的测控时间窗口与数传时间窗口，卫星载荷使用约束进行应急任务调整可行性分析；
(12)判断最优观测时间窗口集合S’中是否还有未进行测控时间窗口与数传时间窗口优化决策的卫星观测时间窗口，若有，则重新选择卫星观测时间窗口，转入步骤(7)，直至最优观测时间窗口集合S’中没有可选择的卫星观测时间窗口；若无，则转入步骤(13)；
(13)基于已决策的测控时间窗口与数传时间窗口，对最优观测时间窗口集合S’中所有观测时间窗口进行时效性、观测质量与任务影响度综合评价；
(14)基于综合评价值优选应急任务Ti的观测时间窗口，结合确定的测控时间窗口与数传时间窗口，生成应急任务规划方案；
(15)判断应急任务集合T中所有应急任务是否都已处理，若是，应急任务规划结束，生成应急任务规划方案，否则，转入步骤(2)。
其中，所述测控时间窗口为地面站天线对卫星的测控可视时间窗口，数传时间窗口为地面站天线对卫星的数传可视时间窗口。
其中，步骤(10)所述最短路径法具体为：
计算从当前时间到卫星对应急任务进行观测、数据下传地面、数据处理至产品分发全流程所经路径的全程时间，优选时间最短的路径。
其中，步骤(10)基于任务时效性要求与卫星数传使用约束，考虑任务影响最小，采用最短路径法为应急任务优化决策数传时间窗口，具体为：
(1001)从可用的数传时间窗口中选择设定个数的数传开始时间早的数传时间窗口，形成候选数传时间窗口集D；
(1002)从候选数传时间窗口集D中依次取一个数传时间窗口di；
(1003)获取di对应的地面站，根据地面站到数据中心的地面传输链路情况，预估数据传输时间，计算从数传开始时间到数据完全传输到数据中心的时间长度ti；
(1004)候选数传时间窗口集D中所有数传时间窗口计算完成后，优选时间长度最小的数传时间窗口，返回数传资源决策结果。
其中，步骤(11)具体为：
(1101)基于原有任务规划方案与卫星载荷使用约束，进行应急任务插入调整，取消冲突的已安排常规任务，精确确定应急任务观测开始时间、结束时间和观测模式；
(1102)基于应急任务与原方案保留的观测任务，预估上注指令包数据量，精确计算确定测控开始时间与结束时间；
(1103)基于应急任务、原方案保留的观测任务与数传时间窗口，预估数传数据量，精确计算确定数传开始时间与结束时间；
(1104)基于卫星载荷使用约束检验确定的观测卫星时间窗口的合法性，若不合法，则重新选择卫星观测时间窗口，转入步骤(7)，直至最优观测时间窗口集合S’中没有可选择的卫星观测时间窗口；
(1105)基于卫星载荷使用约束检验选取的测控资源的合法性，若不合法，则转入步骤(8)重新决策测控时间窗口；
(1106)基于卫星载荷使用约束检验确定的数传资源的合法性，若不合法，则转入步骤(10)重新决策数传时间窗口。
本发明相比于现有技术具有以下有益效果：
1、本发明提供的一种基于贪婪思想与最短路径法的应急任务规划方法，基于贪婪思想进行应急任务观测卫星时间窗口启发式搜索，基于最短路径法进行应急任务测控时间窗口与数传时间窗口优化决策，指导应急任务规划过程，解决应急任务规划快速响应与执行效果问题，能够很好地解决地面运控系统应急任务快速响应问题，缩减了搜索空间，减低卫星应急资源决策复杂度，提升应急任务规划效率，提升应急任务实施效果，并兼顾任务观测效益与对已安排任务的影响度。
2、利用本发明，解决观测、测控与数传资源的应急一体化综合调度问题，改变目前应急调整过程人工分析决策、协调费时且效果不佳的情况，解决常规任务规划算法无法满足应急任务高时效性的情况，提升应急任务全流程执行效率，并减低值班人员工作压力。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于贪婪思想与最短路径法的应急任务规划方法的流程图。
图2是本发明资源可用时间窗口获取流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明复杂步骤的实施方法进一步详细说明。一种基于贪婪思想与最短路径法的应急任务规划方法的流程图如图1所示。包括以下步骤：
(1)对应急任务集合T中应急任务进行优先级评估与排序；
步骤(1)实施之前，需要先获取各资源的可用时间窗口。如图2所示，具体实施方法为：计算各测控资源对各卫星的可视时间窗口，然后获取各测控资源的空闲时间窗口，进行时间匹配，获取测控资源空闲时间窗口与测控资源可视时间窗口重叠的时间窗口；计算各数传资源与对各卫星的可视时间窗口，然后获取各数传资源的空闲时间窗口，进行时间匹配，获取数传资源空闲时间窗口与数传资源可视时间窗口重叠的时间窗口。
(2)基于贪婪思想按照优先级从高到低依次从应急任务集合T中选取应急任务Ti；
(3)分析计算应急任务Ti所有的卫星观测时间窗口集合S；
步骤(3)实施之前，需要先匹配应急任务可用卫星与相应的载荷工作模式，具体实施方法为：根据应急任务目标类型，匹配可满足该类目标观测要求的卫星；根据应急任务观测要求中的分辨率要求，匹配分辨率高于该要求的卫星；根据应急任务观测要求中的载荷类型要求，匹配包含该载荷类型的卫星；根据应急任务载荷工作模式要求，匹配包含该载荷工作模式的卫星及载荷工作模式；若应急任务中无相关的观测要求，在辅助进行人工选择，或者根据目标特性与当前状态进行自主匹配选择。
(4)评价卫星观测时间窗口集合S中每个观测时间窗口的任务观测效益；
步骤(4)的实施方法：任务观测效益评价方法由观测姿态角度、太阳高度角、云量、图像分辨率等进行加权求和。
(5)基于贪婪思想从卫星观测时间窗口集合S中选取观测效益最好的m个数卫星观测时间窗口，形成最优观测时间窗口集合S’；
(6)从最优观测时间窗口集合S’中选取一个卫星观测时间窗口；
(7)判断选取的应急任务Ti在选取的卫星观测时间窗口中是否可与相应卫星上已安排的任务合并使用测控时间窗口，若可以，则转入步骤(9)，若不可以，则转入步骤(8)；所述测控时间窗口为地面站天线对卫星的测控可视时间窗口；
步骤(7)的实施方法：依次判断应急任务待安排卫星上已安排任务的测控时间窗口是否可用于当前应急任务，判断方法：卫星上已安排的测控时间窗口结束时间在应急任务可视时间窗口之前，且间隔时间大于指令解包时间加载荷动作开始准备时间。
(8)基于卫星指令上注与指令解包约束，考虑任务影响最小，为应急任务Ti优化决策可用测控时间窗口，若有可用测控时间窗口，则转入步骤(9)，否则，卫星观测时间窗口安排失败，从最优观测时间窗口集合S’中重新选取卫星观测时间窗口，转入步骤(7)；直至最优观测时间窗口集合S’中没有可选择的卫星观测时间窗口；所述的数传时间窗口为地面站天线对卫星的数传可视时间窗口；
步骤(8)的实施方法：依次判断应急任务可用的测控时间窗口的结束时间在应急任务可视时间窗口之前，且间隔时间大于指令解包时间加载荷动作开始准备时间，判断该测控时间窗口进行测控时对星上已安排任务的影响，若无影响，直接安排，若有影响，根据影响任务数量与优先级计算影响度，选择影响度最小的测控时间窗口。
(9)判断选取的应急任务是否可与卫星上已安排的任务合并使用数传时间窗口，若可以，则转入步骤(11)，若不可以，则转入步骤(10)；
步骤(9)的实施方法：依次判断星上已安排的数传时间窗口是否可用，判断方法：数传时间窗口开始时间在应急任务结束时间之后，且间隔时间满足载荷动作间隔时间约束，应急任务安排到该数传时间窗口后，不影响已安排的任务，且该数传时间窗口满足应急任务时效性要求。
(10)基于任务时效性要求与卫星数传使用约束，考虑任务影响最小，采用最短路径法为应急任务优化决策数传时间窗口，若有满足时效性要求的数传时间窗口，则转入步骤(11)，否则卫星观测时间窗口安排失败，重新选择卫星观测时间窗口，转入步骤(7)，直至最优观测时间窗口集合S’中没有可选择的卫星观测时间窗口；
基于任务时效性要求与卫星数传使用约束，考虑任务影响最小，采用最短路径法为应急任务优化决策数传时间窗口，具体为：
(1001)从可用的数传时间窗口中选择设定个数的数传开始时间早的数传时间窗口，形成候选数传时间窗口集D；
(1002)从候选数传时间窗口集D中依次取一个数传时间窗口di；
(1003)获取di对应的地面站，根据地面站到数据中心的地面传输链路情况，预估数据传输时间，计算从数传开始时间到数据完全传输到数据中心的时间长度ti；
(1004)候选数传时间窗口集D中所有数传时间窗口计算完成后，优选时间长度最小的数传时间窗口，返回数传资源决策结果。
其中，所述最短路径法具体为：计算从当前时间到卫星对应急任务进行观测、数据下传地面、数据处理至产品分发全流程所经路径的全程时间，优选时间最短的路径。
(11)基于优化决策的测控时间窗口与数传时间窗口，卫星载荷使用约束进行应急任务调整可行性分析；具体为：
(1101)基于原有任务规划方案与卫星载荷使用约束，进行应急任务插入调整，取消冲突的已安排常规任务，精确确定应急任务观测开始时间、结束时间和观测模式；
(1102)基于应急任务与原方案保留的观测任务，预估上注指令包数据量，精确计算确定测控开始时间与结束时间；
(1103)基于应急任务、原方案保留的观测任务与数传时间窗口，预估数传数据量，精确计算确定数传开始时间与结束时间；
(1104)基于卫星载荷使用约束检验确定的观测卫星时间窗口的合法性，若不合法，则重新选择卫星观测时间窗口，转入步骤(7)，直至最优观测时间窗口集合S’中没有可选择的卫星观测时间窗口；
(1105)基于卫星载荷使用约束检验选取的测控资源的合法性，若不合法，则转入步骤(8)重新决策测控时间窗口；
(1106)基于卫星载荷使用约束检验确定的数传资源的合法性，若不合法，则转入步骤(10)重新决策数传时间窗口。
(12)判断最优观测时间窗口集合S’中是否还有未进行测控时间窗口与数传时间窗口优化决策的卫星观测时间窗口，若有，则重新选择卫星观测时间窗口，转入步骤(7)，直至最优观测时间窗口集合S’中没有可选择的卫星观测时间窗口；若无，则转入步骤(13)；
(13)基于已决策的测控时间窗口与数传时间窗口，对最优观测时间窗口集合S’中所有观测时间窗口进行时效性、观测质量与任务影响度综合评价；
(14)基于综合评价值优选应急任务Ti的观测时间窗口，结合确定的测控时间窗口与数传时间窗口，生成应急任务规划方案；
(15)判断应急任务集合T中所有应急任务是否都已处理，若是，应急任务规划结束，生成应急任务规划方案，否则，转入步骤(2)。
本发明提出的一种基于贪婪思想与最短路径法的应急任务规划方法，基于贪婪思想优选高优先级观测任务，并优选高观测效益的观测时间窗口；对优选的观测时间窗口按照观测效益从高到低依次进行资源优化决策，基于最短路径法进行观测时间窗口的相应测控时间窗口与数传时间窗口优化决策；基于综合评价值优选应急任务的观测时间窗口，结合确定的测控时间窗口与数传时间窗口，生成应急任务规划方案。本发明采用贪婪思想与最短路径法指导资源的优化决策过程，大大提升的应急资源规划效率，并提升了应急任务时效性与观测效果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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