[发明专利]一种资源充足情形下最小完工时间的卫星任务规划方法

权利要求书

1.一种资源充足情形下最小完工时间的卫星任务规划方法，其特征是应用于由一个待观测矩形区域R和n个成像卫星的覆盖机会集合S＝{s₁,s₂,...,s_i,...s_n}构成的任务规划场景中；其中，s_i表示第i个覆盖机会，1≤i≤n；所述卫星任务规划方法是按如下步骤进行：

步骤1.参数定义和初始化：

以所述待观测矩形区域R的任意一个顶点为原点o，以与所述原点相邻的两条边分别为x轴和y轴，从而建立坐标系o-xy；

所述任务规划场景中，每个覆盖机会对应一个卫星到地面的垂直投影点直线轨迹，简称为星下点轨迹，记第i个覆盖机会s_i对应的星下点轨迹为o_i；

每个覆盖机会对应一个卫星到地面高度，记第i个覆盖机会s_i对应的卫星到地面高度为h_i；

每个覆盖机会对应一个观测结束时间，记第i个覆盖机会s_i对应的观测结束时间为t_i；

每个覆盖机会对应一个最大观测长度，记第i个覆盖机会s_i对应的最大观测长度为d_i；

每个覆盖机会对应一个最大偏转角度，记第i个覆盖机会s_i对应的最大偏转角度为p_i；

每个覆盖机会对应一个相机视场角度，记第i个覆盖机会s_i对应的相机视场角度为w_i；由所述第i个覆盖机会s_i的星下点轨迹o_i、卫星到地面高度h_i、观测结束时间t_i、最大观测长度d_i、最大偏转角度p_i和相机视场角度w_i共同构成所述第i个覆盖机会s_i的属性；

步骤2.定义当前迭代次数为k，并初始化k＝1；

步骤3.将所述待观测矩形区域R进行第k次划分，得到若干个大小相等的正方形网格所组成的第k个网格R_k，将第k个网格R_k中的每个小正方形称为单元格；并对每个单元格进行编号为1,2,…,j,…,Q_k，且记录每个单元格的四个顶点的坐标位置；

步骤4.对每个覆盖机会得到左单元格集合和上单元格集合：

步骤4.1.初始化i＝1；

步骤4.2.从第k个网格R_k中遍历得到第i个覆盖机会s_i的所有左单元格，并构成左单元格集合其中，表示第i个覆盖机会s_i的第m个左单元格；M_i表示第i个覆盖机会s_i的左单元格总数，m＝1,2,…,M_i；

步骤4.3.从第k个网格R_k中遍历得到第m个左单元格的上单元格，并构成上单元格集合其中，表示第i个覆盖机会s_i的第m个左单元格的第e个上单元格，e＝1,2,…,E_m，从而得到第i个覆盖机会s_i的所有左单元格的上单元格集合

步骤4.4.将i+1赋值给i，判断in是否成立，若成立则执行步骤5，否则转步骤4.2；

步骤5.对每个覆盖机会生成若干个覆盖模式，即观测条带：

步骤5.1.令i＝1，初始化第k个覆盖模式总集合C_k为空集；

步骤5.2.初始化第k个覆盖模式总集合C_k中第i个覆盖机会s_i的覆盖模式集合为空集，令m＝1；

步骤5.3.令e＝1；

步骤5.4.根据第i个覆盖机会s_i及其左单元格集合U_i中第m个左单元格以及其第e个上单元格利用覆盖模式生成法生成覆盖模式并存入覆盖模式集合中；

步骤5.4.1.过第m个左单元格的左下角顶点构造平行于星下点轨迹o_i的直线并作为覆盖模式c的左边界；

步骤5.4.2.过第e个上单元格的左上角顶点构造垂直于星下点轨迹o_i的直线并作为覆盖模式c的上边界；

步骤5.4.3.在直线的右侧，构造与直线平行，且到直线的距离为条带宽度的直线并作为覆盖模式c的右边界；

步骤5.4.4.在直线的下方，构造与直线平行，且到直线的距离为最大观测长度d_i的直线并作为覆盖模式c的下边界；

步骤5.4.5.由所述直线直线直线直线所构成的矩形即为覆盖模式c；

步骤5.5.将e+1赋值给e，并判断eE_m是否成立，若成立，则执行步骤5.6，否则转步骤5.4；

步骤5.6.将m+1赋值给m，并判断mM_i是否成立，若成立，则将覆盖模式集合存入第k个覆盖模式总集合C_k后，执行步骤5.7，否则转步骤5.3；

步骤5.7.将i+1赋值给i，判断in是否成立，若成立，则获得第k个覆盖模式总集合并执行步骤6，否则转步骤5.2；

步骤6.使用基于动态贪婪的启发式算法从第k个覆盖模式总集合C_k中选出部分覆盖模式构成第k个可行解P_k，若无法得到第k个可行解P_k，则将第k-1个可行解P_k-1作为最终解；

所述步骤6中使用基于动态贪婪的启发式算法是按如下过程从覆盖模式总集合C_k中选出部分覆盖模式构成可行解P_k；

步骤6.1.将所述第k个网格R_k中所有单元格的状态初始化为“未覆盖”，初始化第k个可行解P_k为空；

步骤6.2.从第k个覆盖模式总集合C_k中选出一个能覆盖所有“未覆盖”状态的单元格最多的一个覆盖模式放入第k个可行解P_k中，并将所选出的覆盖模式中完全处于覆盖范围内的所有单元格的“未覆盖”状态均更新为“已覆盖”，将选择出的覆盖模式所在的覆盖模式集合从第k个覆盖模式总集合C_k中删除；

步骤6.3.判断第k个网格R_k中是否存在“未覆盖”状态的单元格，若存在，则执行步骤6.4，否则，得到第k个可行解P_k；

步骤6.4.判断第k个覆盖模式总集合C_k是否为空集，若是，则表示无法生成第k个可行解，否则，转步骤6.2；

步骤7.将k+1赋值给k后，将第k-1个网格R_k-1作为父网格，将父网格中的每个单元格等分为小正方形，得到若干个大小相等的小正方形所组成的第k个网格R_k，并称为子网格，将所述第k个网格R_k中的小正方形作为新的单元格，记录每个新单元格的四个顶点坐标，从而完成一次嵌套父子网格的构造；

步骤8.将第k-1个可行解P_k-1中的覆盖模式按照观测结束时间t_i进行升排序，得到序列P′_k-1，定义序列P′_k-1中的覆盖模式数量为|P′_k-1|，将序列P′_k-1中前|P′_k-1|-1个覆盖模式映射到第k个网格R_k下，即将前|P′_k-1|-1个覆盖模式的左单元格和上单元格更新为第k个网格R_k中的左单元格和上单元格；

步骤9.对映射后的第k个网格R_k上的|P′_k-1|-1个覆盖模式构造若干个临近覆盖模式后，一起存入第k个覆盖模式总集合C_k，再返回步骤6；

所述步骤9是按如下过程构造第i个覆盖模式的临近覆盖模式：

步骤9.1.遍历第k-1个可行解P_k-1中第i个覆盖模式，并以第i个覆盖模式的左单元格u_i的左上角顶点为圆心，以v为半径，得到所有左上角位于圆内的单元格，根据步骤4.2.2～步骤4.2.4，将所有左上角位于圆内的单元格中符合左单元格条件的放入第i个覆盖模式的左单元格集合中，并利用步骤4.3.2的式(2)计算出各个左单元格对应的条带宽度；

步骤9.2.以第i个覆盖模式的上单元格t_i的左上角顶点为圆心，以v为半径，得到所有左上角位于圆内的单元格，根据步骤4.3.1～步骤4.3.6，将所有左上角位于圆内的单元格中，符合上单元格条件的放入上单元格集合中；

步骤9.3.根据所述第i个覆盖机会s_i、第i个覆盖模式的左单元格集合中的任一左单元格及其上单元格，利用覆盖模式生成法生成覆盖模式，并作为第i个覆盖模式的临近覆盖模式。