基于重点任务优先规则快速卫星任务规划方法

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1、基于重点任务优先规则快速卫星任务规划方法　　摘要加快任务规划效率是提高遥感卫星任务规划快速反应能力的关键问题之一。该文提出基于重点任务优先规则的启发式算法，设计了任务插入方法，使算法能够尽快生成优化解。仿真试验表明，该算法能在较短时间内获得满足约束的规划方案，提高了效率。【关键词】遥感卫星任务规划启发式算法1引言遥感卫星任务规划是遥感卫星管理控制的核心内容，它的主要任务是针对卫星遥感任务需求，统一考虑卫星平台、有效载荷、成像要求等各种约束条件，进行规划调度，为任务合理地安排卫星资源和时间窗口，使任务收益最大化。国内外学者针对遥感卫星任务规划问题做了很多研究工作，主

2、要的解决方法是采用遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法等人工智能方法。这些算法应用于解决遥感卫星任务规划问题取得了较好的效果，但也存在一些不足，其中一点就是这些算法一般采用迭代和回溯机制，计算时间较长，在算法的后期逼近最优解时，要做大量无用的冗余迭代。10在遥感卫星的实际应用中，遥感任务成像的需求方一般会针对重点任务提出特定的要求，明确重点任务由哪种型号的遥感卫星进行成像并规定成像的时间窗口，即这部分重点任务已经有明确的卫星成像方案；本文设计了基于重点任务优先规则的启发式插入任务算法，高效率地完成任务规划，实现了遥感卫星任务规划优化效果和求解效率的统一。2问题分析遥感

3、卫星进行成像观测需要满足多种复杂约束条件，本文在解决遥感卫星任务规划问题的前提下对诸多约束条件做了适当简化和规范化处理，避免了由于包含过多的非关键性要素导致问题过于复杂而难以求解，具有一定的实用意义。遥感卫星任务规划问题的主要约束条件如下：（1）必须满足卫星存储容量约束，即卫星总成像时长不能超过卫星存储容量；（2）必须满足卫星成像转换时间约束，即某次成像结束到下一次成像开始时间间隔大于卫星成像结束恢复时间与成像开始准备时间之合；（3）必须满足卫星能源约束，卫星进行成像和星载传感器侧摆都会消耗一定的能源，卫星任务规划方案中的全部成像动作消耗的能源不能超过卫星最大能量

4、限制；（4）必须满足卫星星上指令存储约束，卫星的成像动作均对应一定的指令序列，卫星任务规划方案中的全部成像动作对应的指令条数不能超过卫星最大指令存储数量限制；10（5）必须满足最短成像时间约束，卫星单次成像时长不能少于最短成像时间限制；（6）必须满足最长成像时间约束，卫星单次成像时长不能多于最长成像时间限制。在满足上述约束条件的基础上，遥感卫星任务规划问题要实现的优化目标为成像收益最大，即尽可能多地对重要任务进行成像。本文的参数定义见下表。3算法研究遥感卫星任务规划问题是典型的多目标优化问题，人工智能优化方法对于解决这类问题有较好的适用性，其中启发式算法由于具备简

5、单易于实现、速度快求解效率高、直观便于人工参与制定规则的优点，得到了广泛的应用[5]。启发式算法可以根据用户在不同任务规划模式下的不同偏好，明确制定相应的规则，基于这些规则从空解（所有卫星尚未承担任何成像任务的起始状态）开始逐步构造一个完整解（所有卫星承担的成像任务以及任务间的执行次序都已确定的状态）；由于不需要回溯或迭代，因此启发式算法对常见的问题都可以很快返回一个可行解，适用于对生成卫星任务规划方案的时效性要求较高的情况。本文在启发式算法基础上设计了基于重点任务优先规则的快速插入任务算法，解决遥感卫星任务规划问题。3.1任务合并成像10遥感卫星成像时，通过对传

6、感器侧视角度和成像时长的调整，可以在一次成像的观测条带内包含多个任务，称为任务的合并成像[6]。卫星对重点任务的一次成像时间窗口为，传感器侧视角度为，如果一个任务满足：，，则重点任务和任务可以进行合并成像。3.2重点任务选择启发式规则重点任务在任务规划开始前的任务协商阶段由遥感任务成像的需求方指定，明确由哪种型号的遥感卫星进行成像、规定成像的时间窗口，如果不同的需求方提出的重点任务之间存在冲突，可以按照多因素分层启发式规则进行任务选择。多因素分层启发式规则来源于决策理论中针对多准则优化问题采用的一种策略。其主要思想为将多个需要考虑的因素按照一定标准进行重要度排序，

7、分为最重要因素，次要因素等等，然后按照重要度的降序，逐个地针对每个因素，构造初始解。本文采用以下规则逐步进行存在冲突的重点任务选择：优先选择成像收益高的任务；判断可合并成像任务数量，选择合并成像数量较多的任务；判断传感器侧视角度，选择侧视角度较小的任务；判断成像时刻太阳高度角，选择太阳高度角较高的任务；判断成像开始时间，选择开始时间较早的任务；如果以上条件都相同，随机选择一个任务。重点任务成像集合为，经过重点任务选择后，待成像任务集合。103.3启发式任务插入方法在确定重点任务的成像观测方案后，按照3.1节的方法确定可与重点任务进行合并成像的任务，这部分任务的成像

8、集合为，则