[发明专利]基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法

说明书

本发明公开了一种基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法，本发明将单卫星调度问题的自适应大邻域搜索扩展到多卫星调度问题。通过定义四种分配操作，将自适应任务分配机制引入到大邻域搜索框架中。在基于自适应任务分配的大邻域搜索中，移除操作从当前解决方案中移除任务，插入操作将任务插入被移除的解决方案中，如果解决方案经过多次迭代仍未改进，则分配操作将任务重新分配给不同的卫星。本发明优化了动态任务的敏捷地球观测卫星群的任务分配问题，使卫星在运行过程中，可以随时处理动态任务。

技术领域

本发明属于卫星技术领域，涉及一种基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法。

背景技术

地球观测卫星作为空间图像采集的主要平台，在经济发展、灾害救援和应急监测等方面发挥着越来越重要的作用。当前的观测卫星大多采用光学传感器，光照条件对成像效果有很大影响，比如乌云等。传统的非敏捷地球观测卫星只有一个自由度，只有在卫星在观测地区正上空时才可以执行任务，观测时间窗口的长度等于可见时间窗口的长度。如果在该时间窗口内光照条件不佳，观测任务就会失败。敏捷地球观测卫星是新一代观测卫星。与传统观测卫星相比，它们有三个自由度，分别是横摇、俯仰和偏航，这使它们能够在垂直地球之前或之后观察目标。这种敏捷性极大地提高了卫星的观测能力，它的可见时间窗比观测时间窗长的多。更复杂的任务，包括立体成像和大面积成像，因此可以交流完成。

尽管敏捷地球观测卫星有很多优势，但是它的调度被认为比老一代的卫星要困难的多。由于灵活性的原因，他们的可见时间窗比观测时间窗长很多，观测开始时间可以在可见时间窗的任何位置，这很难确定。另一个困难是它是依赖时间的。不同的观测时间意味着不同的观测角度，而不同的观测角度又影响着相应的转换时间。此外，根据敏捷观测卫星的观测特性，不同的观测角度会导致不同的图像质量，因此不同的观测时间也会影响图像质量。基于上述特点，敏捷观测卫星调度问题已被征明是一个NP-困难组合优化问题。

发明内容

多敏捷卫星调度问题是一个时变调度问题，由于其求解空间较大，相对于单个敏捷卫星调度问题，其难度要大得多。本发明针对现有技术的不足，提供一种基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法，优化了动态任务的敏捷地球观测卫星群的任务分配问题，使卫星在运行过程中，可以随时处理动态任务。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于大邻域搜索算法的多敏捷地球观测卫星任务分配方法，该方法通过定义四种分配操作，将自适应任务分配机制引入到大邻域搜索框架中；在基于自适应任务分配的大邻域搜索中，移除操作从当前解决方案中移除任务，插入操作将任务插入被移除的解决方案中，如果解决方案经过多次迭代仍未改进，则通过分配操作将任务重新分配给不同的卫星；该方法具体包括如下步骤：

(1)初始化多敏捷地球观测卫星模型中的参数；定义分配指示符ξ用来表示是否混合和重新分配来自不同卫星的任务，分配指示符ξ初始化为false。

(2)将单卫星的初始调度方案定义为初始奖励定义为把赋值给当前调度方案和最佳调度方案把赋值给当前奖励和最佳奖励

(3)对于单卫星，在当前调度方案中执行移除操作，即把当前调度方案中的部分任务移除到单卫星任务库M^s中；根据任务的优先级，迭代的移除优先级最低的p个任务，得到移除后的调度方案

(4)当ξ为true时，触发任务分配操作，并且重置ξ为false。分配操作分为四种，每种分配操作分别定义一个分数τ和一个权重定义τ_i和为第i种分配操作的分数和权重，并初始化；使用轮盘赌算法来选择分配操作，选择分配操作的概率计算方法为

(5)在步骤(4)中选定分配操作后，执行该分配操作。任务分配操作是在所有卫星的总任务库M上进行的。该过程是把单卫星任务库M^s中的任务混合到总任务库M中，再按照以下分配操作的一种，分配到各自的任务库M^s中。任务分配操作由以下四种组成：