[发明专利]一种成像质量优先的任务调度方法

说明书

技术领域

本发明属于卫星任务规划与调度领域，涉及一种卫星任务调度方法。

背景技术

快速姿态机动成像卫星借助快速姿态机动能力，可实现多种复杂成像模式。与采用星下点成像的传统对地观测卫星相比，快速姿态机动能力大大增加了卫星对目标的观测机会，因而具有更强的观测能力。快速姿态机动成像卫星的每一种成像模式都伴随着多个姿态机动、相机开关机等操作，这些操作形成一个前后连贯的控制指令序列。由于指令繁多，无法保证指令编排和上注的可靠性和指令执行的实时性问题，因此必须建立一套任务规划与调度系统，完成大批量观测任务的自动化分析与处理。

为了便于快速姿态机动成像卫星的任务调度，通常将观测任务分解为多个可以通过一次观测完成的原子任务，即分割成一个或多个单任务条带，每个任务条带由四个顶点的经纬度描述，将条带作为任务规划与调度系统确定观测方案的基本单元。

任务调度方法是任务规划与调度系统的核心部分，由于卫星任务调度是一个十分复杂的组合优化问题，即使当任务数目较少，要想求得问题的最优解也是十分困难的，问题的规模通常使得完整的枚举式方法不可行，因此几乎所有的现有研究都采用了不完全算法(或近似算法)，如Bensana等人在1996年和1999年发表的文章《Exact and Approximate Methods for the Daily Management of an Earth Observing Satellite》和《Earth Observing Satellite Management》中，研究了SPOT-5卫星的日常调度问题，分别比较了完全搜索算法(深度优先搜索、动态规划、Russian Doll Search)和不完全搜索算法(贪婪搜索、禁忌搜索)在不同规模问题实例下的计算性能。结果表明，当问题规模不大时，采用完全搜索算法可以在较短的时间内得到一个最优解，但当问题规模较大时，采用完全搜索算法就不能在合理的时间内得到问题的解，而禁忌搜索可以在合理的时间内得到问题的一个满意解。Pemberton在2000年第2届国际空间规划与调度会议上发表的《Towards scheduling over-constrained remote sensing satellites》一文中，提出了一种对大规模问题迭代求解的方法，其基本思想是首先按照某种规则对所有的观测需求进行排序，n个一组，将所有的观测需求分组，然后按分组顺序对每组中的观测需求都采用完全算法求得最优解。在调度过程中，前面分组的调度结果将作为后面分组调度的约束条件。

另外还有一些针对在轨卫星的应用设计的任务调度方法，如William Potter 和John Gasch在2001年发表的《A Photo Album of Earth：Sched uling LANSDAT 7Mission Daily Activities》一文中，讨论了Landsat 7卫星资源调度问题的求解算法，其主要思想是在考虑长期的全球普查任务和其他任务的需求后，将卫星的任务细分到每天。日常调度问题的求解分步进行：首先计算48小时内卫星所能采集到的所有场景信息，然后基于场景选择因素对场景进行筛选，对场景的默认优先级进行调整，再按时间与优先级顺序根据固存容量排出调度方案，当固存用完时，不考虑低优先级的后续任务，只有出现高优先级的任务时才用高优先级任务取代低优先级任务。R.Sherwood等在1998年和1999年分别发表了《Using ASPEN to automate EO-1activity planning》和《Iterative planning for spacecraftoperations using the ASPEN system》，采用ASPEN系统对EO-1卫星的日常活动进行任务调度和安排。ASPEN采用了一种基于修正的局部搜索算法，其基本思想是首先生成一个初始任务调度方案，然后通过调整变量取值不断消解冲突。

这些任务调度方法都存在一定的局限性，不能很好地满足实际应用需求，主要表现在：

第一，大多数任务调度方法假设卫星的所有动作是瞬时完成的，但是卫星遥感器一般都具有一维或二维的侧摆自由度和俯仰自由度，在执行对指定地面目标的观测任务时，可以通过侧摆或俯仰一定的角度来获得更大的可见时间窗口或更好的成像质量。卫星侧摆机动或俯仰机动需要消耗不可忽略的时间，并且这个时间长度与侧摆或俯仰角度的大小以及卫星的姿态机动能力有关，传统的任务调度方法没有考虑卫星进行不同观测任务之间的姿态机动时间，容易造成计划与实际的脱节；