[发明专利]基于动态价值的航天器自主多区域目标观测任务规划方法

摘要

本发明涉及一种基于动态价值的航天器自主多区域目标观测任务规划方法，属于航空航天技术领域。本发明的目的是为了解决现有背包问题模型存在的物品价值固定且需要提前给定进而使得具有复杂观测需求的任务规划问题无法在综合考虑多种因素的情况下得到有效求解的问题，提供一种基于动态价值的航天器自主多区域目标观测任务规划方法，该方法采用基于动态价值的多重背包模型对面向区域目标的观测任务规划问题进行建模，并采用基于最大价值收益启发式的贪婪搜索算法进行求解，具有求解速度快、通用性好、算法实现简单等特点，便于实现星上自主观测任务规划。

主权项

基于动态价值的航天器自主多区域目标观测任务规划方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、获得各个大块区域观测目标的基本信息，包含自身代号、区域经度坐标、区域纬度坐标和是否包含重点目标；获得各个小块区域重点观测目标的基本信息，包含自身代号、所属大块区域观测目标代号、区域经度坐标、区域纬度坐标和优先级；选定星上时时间零点t0，并确定本次任务规划的时间长度T；进而得到T时间内航天器相对于各数传站可见的所有星上时起止时间区间和起止星下点经纬度，以及大块区域观测目标相对于航天器可见的所有星上时起止时间区间和起止星下点经纬度；步骤二、对步骤一获得的航天器相对于各数传站可见的所有星上时起止时间区间进行预处理，删除不满足数传站有效工作时间[tss,tsl](24小时制)和单次数传最小时长约束tsmin的时间区间；根据航天器实际数据下传速率Vs，计算剩下的起止时间区间所对应的下传数据量，从而得到数传区间结构体数组SC[l]，其中l表示处理后得到的数传区间总个数，每个数传区间包含的属性有星上时起止时间、当地时起止时间、起止星下点经纬度、时长和下传数据量；对步骤一获得的大块区域观测目标相对于航天器可见的所有星上时起止时间区间进行预处理，删除不满足航天器载荷有效工作时间[tps,tpl](24小时制，主要与光照有关)和单次载荷最小时长约束tpmin的时间区间；根据航天器实际数据生成速率Vp，计算剩下的起止时间区间所对应的数据量；根据载荷成像幅宽FKp，计算剩下的起止时间区间所对应的起止星下点经纬度，从而得到观测条带结构体数组GC[m]，其中m表示处理后得到的观测条带总个数，每个观测条带包含的属性有自身代号、所属大块区域观测目标代号、星上时起止时间、当地时起止时间、起止星下点经纬度、时长、数据量和是否包含重点目标；步骤三、合并步骤二得到的数传区间结构体数组SC[l]和观测条带结构体数组GC[m]，得到统一的多重背包模型候选区间结构体数组DB[k]；其中k表示合并后得到的候选区间总个数，每个候选区间包含的属性有星上时起止时间、起止星下点经度、时长、数据量、包含重点目标优先级之和、对重点目标覆盖范围之和、与当前最优解中观测条带重叠范围之和、起始时间前当前最优解中总数据量占总存储容量之比和当前价值；针对多重背包模型候选区间结构体数组DB[k]，建立基于动态价值的多重背包问题模型，采用基于最大价值收益启发式的贪婪算法求解；其中目标为使价值收益最大，约束条件包含航天器总存储容量AS、单次候选区间时长最大值tmax(主要与能量消耗有关)和观测条带候选区间和数传候选区间的起止时间不能重叠；模型如下所示：maxz=Σi=1kvixis.t.Σi=1ksjixi≤ASti≤tmax∀(i,j)∈Y,xi+xj≤1∀i,xi∈{0,1}---(1)]]>其中，i表示多重背包模型候选区间结构体数组DB[k]中第i个候选区间，xi表示候选区间i是否被选中，(i,j)∈Y表示观测条带候选区间i和数传候选区间j的起止时间有重叠，sji、ti和vi分别表示候选区间i的数据量、时长和当前价值；步骤四、从步骤三的DB[k]中生成初始解；初始解中不含数传区间，且保证初始解先满足时长最长原则，然后满足观测条带覆盖范围互不重叠原则；所述时长最长原则为：当时长相同时以时间先后为原则；此时初始解为当前最优解；步骤五、根据当前最优解，改变DB[k]中未选候选区间的当前价值；对于数传区间，当前最优解中所有结束时间位于待选数传区间起始时间之前的已选区间总数据量越大，价值越大；对于观测区间，含重点目标优先级越高、覆盖范围越大，价值越大，与当前最优解中观测条带覆盖范围重叠越少，价值越大；步骤六、从步骤五得到的改变了当前价值的未选候选区间中选取一个添加到当前最优解中；选取条件为：1)当前价值最大；2)满足公式(1)的约束；3)当选取的是数传区间，且与当前最优解中已选观测区间时间上有重叠时，删除已选观测区间；当选取的是观测区间，且与当前最优解中已选数传区间时间上有重叠时，放弃该候选观测区间；当前最优解无法更新或未选候选区间全部是数传区间且当前最优解中所有结束时间位于待选数传区间起始时间之前的已选区间总数据量占总存储容量之比未超过阈值比例时，转步骤七，否则更新当前最优解并转步骤五；步骤七、输出当前最优解为最优解，得到最终的航天器载荷和数传任务规划结果。