[发明专利]一种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划算法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划算法。

背景技术

近年来,随着卫星遥感技术的不断发展,对地观测网络逐渐成为国内外研究的热点。对地观测网络由各类成像卫星组成,依靠事件感知触发星间或星地信息交互。成像卫星根据交互信息中随时可能出现的观测任务对观测计划进行实时调整,通过网内卫星协同观测,快速响应各类突发或渐变事件,从而提供多种空间、时间和光谱分辨率的多源遥感数据,对推动国家军事、经济和社会发展具有重要意义的同时,也对目前成像卫星任务规划模式带来巨大挑战。

以现有的地面管控方式为例,成像卫星高度依靠地面任务规划系统对观测任务进行规划调度,然后再选择合适的上行链路将观测方案上传至卫星执行。如果每次通过信息交互产生的观测任务都必须首先经过地面纳入观测计划,再将调整后新的观测计划上传至卫星,那么对地观测网络显然将会失去其快速响应、协同观测的优势,因此对地观测网络中的成像卫星必须具备一定的自主任务规划能力,才能对随时有可能出现的观测任务做出快速反应。

要想实现对随时有可能出现的观测任务做出快速反应,就必须将优化和交互信息结合起来,这是实现自主任务规划的关键。过程控制中得到广泛应用的滚动时域控制RHC(Receding Horizon Control)正是将优化与信息交互完美结合的一种比较成熟的方法策略,为解决成像卫星自主任务规划问题提供了新的思路。文献（Robot Path in Globally Unknown Environments based on Rolling Windows,全局环境未知时基于滚动窗口的机器人路径规划,发表在《中国科学E辑:技术科学》 2001年01期。研究了全局环境未知时机器人的路径规划问题,借鉴预测控制滚动优化原理,提出了基于滚动窗口的移动机器人路径规划方法。Robot Rolling Path based on Locally Detected Information,基于局部探测信息的机器人滚动路径规划,发表在《自动化学报》 2003年01期。用基于滚动窗口的路径规划方法研究了全局环境未知时的机器人路径规划问题。该法充分利用机器人实时测得的局部环境信息,以滚动方式进行在线规划,实现了优化与反馈的合理结合。）成功运用RHC优化原理在求解移动机器人路径规划问题中取得了一定成果。本发明针对问题特点,同样借鉴了RHC优化原理,提出了一种基于RHC的成像卫星自主任务规划启发式算法。

发明内容

本发明的目的是根据背景技术中存在的缺点和问题加以改进，提供一种能够针对信息交换过程中随时有可能出现的观测任务进行快速响应，且能够取得好的规划结果的基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划算法。

本发明的技术方案是提供一种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划方法，其特征在于：包含预测窗口、滚动窗口、规划子问题和滚动机制四要素，所述规划子问题是指在每个规划时刻根据当前滚动窗口构造的局部规划问题，滚动机制用于在限定了规划子问题求解后确定规划方案结束的执行位置和下一个规划时刻；该成像卫星自主任务规划方法是用若干个沿任务轴滚动的局部规划替代一次性全局规划，在每个规划时刻，首先通过当前的预测窗口对任务信息进行实时更新，更新过程中增加一些新的任务、或者删除被取消的任务、或者对任务的属性信息进行调整，然后在预测窗口的基础上再确定当前的滚动窗口，每次局部规划均针对滚动窗口进行，每次局部规划结束后，只执行规划结果中的一部分任务，这部分任务全部执行结束的时刻是下一次规划的开始时刻。

本发明还提供了一种基于滚动时域控制的成像卫星自主任务规划算法，其特征在于：采用启发式方法在预测窗口和滚动窗口不断向前滚动的过程中逐个对每一个规划子问题进行规划求解，该成像卫星自主任务规划算法包括八个模块：滚动机制控制模块、预测窗口信息更新模块、滚动窗口预处理模块、观测活动确定模块、约束检查模块、回传活动确定模块、时间窗口维护模块、方案生成模块；

所述滚动机制控制模块根据自主任务规划方案以及滚动步长确定当前规划时刻的预测窗口和滚动窗口；

所述预测窗口信息更新模块主要完成对预测窗口内各任务和约束信息的实时更新，为其它模块操作提供及时准确的数据支持；

所述滚动窗口预处理模块依据排序规则对滚动窗口内的任务进行排序，并按照任务队列次序依次将观测任务提交给观测活动确定模块，将回传任务提交给回传活动确定模块；

所述观测活动确定模块根据每个任务当前实时更新的可用观测时间窗口信息,选择任务的观测开始时刻,然后提交给约束检查模块,再根据约束检查模块的反馈结果确定任务的观测开始时刻；