[发明专利]一种基于状态目标性的启发式航天器任务规划方法

摘要

本发明公开的一种基于状态目标性的启发式航天器任务规划方法，涉及一种航天器任务规划方法，属于航空航天技术领域。本发明针对航天器系统约束复杂和系统状态信息互相耦合特点，利用多维时间线刻画航天器的多个并行子系统；并根据子系统约束特点，对满足时间线参量化筛选条件的时间线进行时间线参量化处理，削减问题的搜索空间；同时，根据状态的目标性信息进行状态和缺陷挑选的启发式设计，通过对最高权值的状态和最高评价值的缺陷进行优先挑选确保任务目标的实现，提高航天器任务规划效率。本发明能够提高真实航天器任务规划中问题搜索和求解速率，在更短的时间内获取合理的规划解，解决规划操作引发的规划效率低下的问题。

主权项

1.一种基于状态目标性的启发式航天器任务规划方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：综合考虑航天器结构、任务需求、设备状态和航天器能力四项因素，对航天器的构成、资源、分系统功能以及需要满足的各种约束条件进行描述；针对航天器系统约束复杂和系统状态信息互相耦合的特点，利用多维时间线刻画航天器的多个并行子系统，通过时间线的耦合关系描述系统的复杂约束及系统间依赖关系，形成多维耦合时间线的模型架构，对各并行子系统的行为随时间的演化和依赖关系进行描述；步骤二：选取模型中满足时间线参量化筛选条件的状态变量A_i进行时间线参量化处理，将状态变量A_i当作状态变量A_j的参量进行建模，用于缩减问题搜索空间，提高规划的求解速率；各并行子系统分别由一个状态变量进行表示，每个状态变量都由时间线的形式进行描述，各并行子系统对应的状态变量为状态变量A₁、状态变量A₂、状态变量A₃……状态变量A_n；所述的时间线参量化筛选条件指当其中一个状态变量A_i的状态除与自身状态存在约束外，仅与另一个状态变量A_j，i≠j间存在约束关系，所述的状态变量A_i即为满足时间线参量化筛选条件的状态变量；当满足上述的时间线参量化筛选条件时，选取模型中状态变量A_i，进行时间线参量化处理，将状态变量A_i当作状态变量A_j的参量进行建模，用于缩减问题搜索空间，提高规划的求解速率；步骤三：选用规划空间规划方法作为基本的算法架构，根据状态目标性信息进行状态和缺陷挑选启发式设计，优先确保实现任务目标，提高算法的效率；所述的步骤三具体实现方法包括如下步骤，步骤3.1：将时间线根据与目标状态的相关性分类：目标时间线，即存在状态为规划任务目标的时间线；强目标约束时间线指不存在状态为规划任务目标，但与目标状态存在直接约束关系的时间线；弱目标约束时间线指不存在状态为规划任务目标，与目标状态之间无直接约束关系，但是与目标时间线上其它状态存在约束关系的时间线；普通时间线指既不存在状态为规划任务目标，又与目标时间线上所有状态都无直接联系的时间线；状态为状态变量的取值；定义状态k的权值为q_k，权值q_k作为规划过程中状态挑选顺序的评价指标，其中q_k∈R⁺；权值q_k的取值与其本身是否为目标状态及其所属时间线类型相关；步骤3.2：在状态集合中对确定权值函数的状态进行挑选，优先挑选权值q_k大的状态k作为步骤3.3需要处理的对象；步骤3.3：对挑选出的状态k的未解决的开放条件open condition缺陷的评价值F进行计算，并优先挑选评价值F大的缺陷进行优先解决；解决开放条件缺陷通过两种形式实现，方式一为在解决缺陷的过程中，需要不断向各时间线上添加新的状态，方式二为在解决缺陷的过程中，与已经存在的状态建立新的约束关系；同一时间线上，由于互斥约束的存在，不允许不同状态在时间上存在重叠；为避免上述情况，对缺陷的评价值F进行计算，以确定缺陷的处理顺序，其中，m为所要添加的状态所在时间线已有状态数量，ε∈[0,10]为开放条件缺陷的适应度参数，表示开放条件缺陷在所有缺陷中的优先程度，ε取值越高，表明开放条件缺陷在所有缺陷中的优先程度越低；步骤3.4：迭代处理步骤3.2和步骤3.3，将全部缺陷解决后，输出最终的规划结果，完成航天器任务规划；所述的全部缺陷包括开放条件、未赋值变量缺陷和冲突缺陷；所述的步骤3.1中权值q_k具体计算方法包括如下步骤，步骤3.1.1：时间线TL_i存在目标相关度指标α，α∈[0,1]；根据上述时间线的分类情况，目标时间线上α_g＝1，普通时间线α_s＝0，另两类时间线，即强目标约束时间线的目标相关度α_q与弱目标约束时间线的目标相关度α_r之间的关系为，0＜α_r＜α_q＜1其中，α_q与α_r的具体取值可根据任务约束数量及耦合度具体选择；步骤3.1.2：状态k的目标性β_k：β_k∈[0,10]，根据状态k与目标状态G的约束相关性，决定该状态的目标性β_k，具体取值范围为，其中，目标S_g为任务规划目标状态；目标约束状态S_c为非任务规划目标状态，表示与目标状态存在直接约束关系的状态；目标弱相关状态S_r为非任务规划目标状态，描述那些与目标状态同一时间线但与目标无直接约束的状态；目标无关状态S_s为非任务规划目标状态，表示那些既与目标无直接关系，也位于不同时间线的状态；步骤3.1.3：定义状态k自身状态约束值W_k；所挑选的状态自身的状态约束数量以及约束状态的目标性会影响任务规划可能的规划步数以及回溯情况，从而影响规划问题的求解速度；假设状态k的状态约束数量为n，则自身状态约束值W_k为，其中，γ为约束适应度；步骤3.1.4：求取状态k的权值q_k的计算函数为：