郭 超，熊 偉，劉呈祥

(裝備學院 a.研究生管理大隊；b.復雜電子系統(tǒng)仿真實驗室，北京 101416)

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基于優(yōu)先級與時間裕度的衛(wèi)星應(yīng)急觀測任務(wù)規(guī)劃*

郭 超**a，熊 偉b，劉呈祥a

(裝備學院 a.研究生管理大隊；b.復雜電子系統(tǒng)仿真實驗室，北京 101416)

應(yīng)急觀測是對地觀測衛(wèi)星為配合地面緊急行動而執(zhí)行的任務(wù)，具有緊迫性、集中性等特點，為任務(wù)規(guī)劃帶來了困難。針對應(yīng)急觀測的特點，描述了影響任務(wù)規(guī)劃的衛(wèi)星資源及任務(wù)的主要屬性，定義了考慮重要性與緊迫性的任務(wù)優(yōu)先級，提出了一個反映任務(wù)緊迫性要求滿足程度的屬性——時間裕度。建立了任務(wù)規(guī)劃模型，構(gòu)造了一個基于優(yōu)先級與任務(wù)時間裕度的規(guī)劃目標，確定了一系列規(guī)劃約束，并利用遺傳算法對模型進行求解。通過與最大化任務(wù)重要度的常規(guī)任務(wù)規(guī)劃進行對比可見，所建立的模型能夠有效提高任務(wù)成功率。

對地觀測衛(wèi)星；應(yīng)急觀測；任務(wù)規(guī)劃；時間裕度

1 引 言

對地觀測衛(wèi)星的任務(wù)規(guī)劃就是在衛(wèi)星數(shù)量固定、傳感器能力有限，而任務(wù)之間存在沖突的情況下，確定任務(wù)的執(zhí)行順序以及其與資源、時間的對應(yīng)關(guān)系，以排除不同任務(wù)之間的沖突，并最大化滿足用戶的需求，對于提高衛(wèi)星資源的利用率、優(yōu)化觀測任務(wù)的執(zhí)行方案具有重要的意義?，F(xiàn)有相關(guān)研究通過對目標觀測過程建立整數(shù)規(guī)劃[1]、約束滿足問題(Constraint Satisfied Problem，CSP)[2-4]、圖論[5]模型，并利用啟發(fā)式算法[6]或智能算法[7]來求解，取得了較好的效果。

完整的對地觀測任務(wù)包含目標觀測和數(shù)據(jù)下傳兩個步驟，現(xiàn)有的多數(shù)研究以目標觀測過程的規(guī)劃為主，往往假設(shè)通信資源充足，數(shù)據(jù)下傳不受約束而予以忽略。僅有少數(shù)學者研究了同時考慮目標觀測和數(shù)據(jù)下傳的情況，典型研究如：孫凱等[8]研究了成像衛(wèi)星星地聯(lián)合調(diào)度問題，分別給出了成像觀測和數(shù)據(jù)回傳兩個階段調(diào)度的優(yōu)化目標和約束條件，但其將成像觀測和數(shù)據(jù)回傳作為兩個獨立的過程，以前者的結(jié)果作為后者的輸入預案，后者的結(jié)果無法對前者產(chǎn)生影響；Wang等[9]研究了考慮數(shù)傳過程的對地觀測衛(wèi)星星座的規(guī)劃問題，提出一種基于優(yōu)先級的沖突避免啟發(fā)式算法，但未考慮任務(wù)截止時間的影響。

此外，現(xiàn)有研究多針對常規(guī)背景下的觀測任務(wù)，實際上目前對地觀測衛(wèi)星在搶險救災、局部戰(zhàn)爭、突發(fā)事件處置等緊急活動中也發(fā)揮著重要作用。以上研究成果直接應(yīng)用于此類應(yīng)急背景下的觀測任務(wù)尚顯不足，因此，本文從應(yīng)急觀測任務(wù)規(guī)劃的特點入手，在現(xiàn)有規(guī)劃模型的基礎(chǔ)上提出改進，建立了應(yīng)急觀測任務(wù)規(guī)劃模型。

2 應(yīng)急觀測任務(wù)的特點

應(yīng)急觀測是衛(wèi)星支持地面緊急行動時所承擔的觀測活動，任務(wù)時間和所針對的目標都無法事先確定，具有較強的時效性要求。現(xiàn)有研究中對數(shù)傳過程的簡化假設(shè)，對于常規(guī)情況下的觀測任務(wù)是可行的，這是因為常規(guī)觀測任務(wù)的執(zhí)行時間是確定的，不會在一定時間內(nèi)集中突然出現(xiàn)大量緊急觀測需求，且不要求將觀測結(jié)果盡快下傳，衛(wèi)星可長時間存儲觀測數(shù)據(jù)等待下傳時機。應(yīng)急觀測不同于常規(guī)觀測，主要體現(xiàn)在緊迫性、時間集中性和空間集中性3個特點。

(1)緊迫性

應(yīng)急觀測任務(wù)的緊迫性來源于兩個方面：一是觀測的緊迫性，指任務(wù)所指向的目標可能只在當前一段時間內(nèi)可見，若無法及時獲得足夠目標信息，目標狀態(tài)及觀測條件可能發(fā)生變化，要求衛(wèi)星在一定的截止時間內(nèi)完成觀測：二是任務(wù)總體的緊迫性，指地面行動的執(zhí)行者需要盡早獲得衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，若目標信息無法及時下傳，其時效性會降低進而導致任務(wù)失敗，故要保證在一定截止時間內(nèi)觀測數(shù)據(jù)下傳完畢。

(2)時間集中性

在地面緊急行動中，各種突發(fā)情況無法預測，造成了應(yīng)急觀測任務(wù)需要隨機到來，往往表現(xiàn)為在一定時間內(nèi)突然集中出現(xiàn)。

(3)空間集中性

由于作戰(zhàn)、搶險等緊急行動一般不會覆蓋廣大的地理空間，而只是集中在有限的空間邊界內(nèi)進行，如局部戰(zhàn)場、受災區(qū)域等，故應(yīng)急觀測任務(wù)所指向目標的地面位置也具有一定的局限性，不會出現(xiàn)目標大范圍分散的情況。

緊迫性使任務(wù)具有更為苛刻的時間約束，不僅需要在有限的可見的時間窗口和一定的截止時間內(nèi)完成觀測，還需要在任務(wù)要求的截止時間內(nèi)將觀測數(shù)據(jù)下傳，以同時滿足目標觀測的緊迫性和任務(wù)總體緊迫性的雙重要求。時間和空間上的集中性則會導致任務(wù)分布的不均勻，大大增加了不同任務(wù)間的潛在沖突，這種沖突既包括在衛(wèi)星傳感器資源占用上的沖突，也包括在星地數(shù)據(jù)傳輸資源占用上的沖突，導致任務(wù)可能因兩種原因而失?。阂皇且虻却捎糜^測資源而令觀測不能及時完成；二是因等待可用通信資源而令觀測數(shù)據(jù)不能及時下傳，現(xiàn)有研究中對數(shù)傳過程的簡化假設(shè)將不再適用，故應(yīng)急觀測任務(wù)規(guī)劃不能像常規(guī)觀測任務(wù)規(guī)劃一樣開展。

3 應(yīng)急觀測任務(wù)規(guī)劃建模

假設(shè)SAT={sat1,sat2,…,satm}為對地觀測衛(wèi)星集合，m為衛(wèi)星總數(shù)量，TASK={task1,task2,…,taskn}為應(yīng)急觀測任務(wù)集合，n為任務(wù)總數(shù)量，T為所有任務(wù)執(zhí)行的總時段。實際的對地觀測任務(wù)需要考慮的因素很多，為降低建模難度，在此做如下假設(shè)：

(1)任意對地觀測衛(wèi)星只擁有一個有效的觀測載荷，且任意時刻最多只能服務(wù)于一項應(yīng)急觀測任務(wù)；

(2)一旦一顆衛(wèi)星開始執(zhí)行某一項任務(wù)后必須待此任務(wù)執(zhí)行完畢方可執(zhí)行其他任務(wù)，期間不允許資源搶占；

(3)一顆衛(wèi)星先后執(zhí)行兩個任務(wù)需要的時間間隔忽略不計。

3.1 衛(wèi)星應(yīng)急觀測中的資源和任務(wù)

(1)資源描述

任意衛(wèi)星資源sati∈SAT可以用五元組描述：

(2)任務(wù)描述

任意任務(wù)taskj∈TASK可以用七元組描述：

3.2 任務(wù)優(yōu)先級與時間裕度

圖1 任務(wù)執(zhí)行時間

在常規(guī)觀測任務(wù)規(guī)劃中，重要性更大的任務(wù)應(yīng)當優(yōu)先執(zhí)行，以獲得更高的收益。而在應(yīng)急觀測任務(wù)規(guī)劃中，還要考慮到任務(wù)越緊迫越容易失敗，應(yīng)該優(yōu)先執(zhí)行，而最大允許等待時間的長短反映了任務(wù)觀測和數(shù)傳的緊迫性，故定義任務(wù)taskj優(yōu)先級為

其含義為在執(zhí)行taskj過程中，實際用于等待可用資源的時間在最大允許等待時間中的比重，反映了任務(wù)執(zhí)行方案滿足特定緊迫性要求的程度。Rj越大說明taskj實際觀測和數(shù)傳開始時刻相對于對應(yīng)截止時刻的提前程度越大，taskj能夠盡早完成，騰出可用資源執(zhí)行其他任務(wù)。

3.3 基于優(yōu)先級與時間裕度的規(guī)劃模型

定義反映任務(wù)taskj規(guī)劃結(jié)果的變量xij，若任務(wù)taskj由sati執(zhí)行成功，則xij=1；否則，xij=0。根據(jù)前文的描述，規(guī)劃應(yīng)考慮兩類約束：任務(wù)假設(shè)約束和任務(wù)執(zhí)行條件約束，各約束組含義如表1所示。

表1 應(yīng)急觀測任務(wù)規(guī)劃約束

Tab.1 Constraints of emergency mission planning

類型約束組約束條件約束含義問題假設(shè)約束C1?t∈T,∑nj=1xij≤1任意時刻每個衛(wèi)星只能服務(wù)于一個任務(wù)∑mi=1xij≤1每個目標只被觀測一次xij(tjse-tjsb)·xij'(t'jse-t'jsb)≤0任務(wù)之間不存在資源搶占任務(wù)執(zhí)行條件約束C2C3C4∑mi=1Si≥1;?sati∈SAT,Ci>djSAT中能夠找到可用資源sati,sati滿足當前星載存儲空間大于taskj任務(wù)數(shù)據(jù)量[tjsb,tjse]?WTi,j衛(wèi)星sati對taskj的目標有觀測時間窗口tjse-tjsb≥ljstaskj的觀測執(zhí)行時間[tjsb,tjse]大于最短觀測時間ljmtjse≤tjsd在觀測截止時刻tjsd前完成目標觀測[tjtb,tjte]?WGisati對地面站有數(shù)傳時間窗口tjte-tjtb≥ljttaskj數(shù)傳時間執(zhí)行時間[tjtb,tjte]能夠支持任務(wù)數(shù)據(jù)下傳完畢tjte≤tjtd在數(shù)傳截至時刻tjtd前完成目標數(shù)據(jù)下傳

約束組C1～C4限定了任務(wù)執(zhí)行成功的條件，不滿足約束的執(zhí)行方案將被過濾。在此基礎(chǔ)上，可以建立規(guī)劃目標：

maxf=(f1)λ1(f2)λ2,

(1)

(2)

(3)

式(1)為規(guī)劃目標，含義為令函數(shù)f的取值最大，包含子目標f1、f2。其中f1的含義為令可執(zhí)行任務(wù)具有更高的優(yōu)先級，使重要、更緊迫的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行；f2的含義為令可執(zhí)行任務(wù)的時間裕度最大，使任務(wù)在特定的緊迫性要求下，等待可用資源的時間最短，執(zhí)行更為及時，從整體上提高任務(wù)執(zhí)行成功率。此外，式(1)中λ1、λ2(滿足λ1+λ2=1)分別為f1、f2在最終規(guī)劃目標中的作用權(quán)值，取值應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用中對兩個子目標的偏好，通過專家打分的方式?jīng)Q定。

4 模型求解

應(yīng)急觀測任務(wù)規(guī)劃的目的是確定任務(wù)的執(zhí)行順序，并為每個任務(wù)分配衛(wèi)星資源和執(zhí)行時間。針對前文建立的模型，采用遺傳算法求解任務(wù)規(guī)劃問題。本文以任務(wù)分配序列作為染色體，編碼方式見文獻[3]，以任務(wù)規(guī)劃目標函數(shù)的倒數(shù)作為適應(yīng)度計算函數(shù)，即ffitness=f-1。

本文染色體的適應(yīng)度的計算方法為：遍歷種群中的每個染色體，由每個染色體確定一個任務(wù)分配序列，按照該任務(wù)執(zhí)行序列依次判斷每一個任務(wù)是否能夠執(zhí)行成功，并確定相應(yīng)的衛(wèi)星資源和執(zhí)行時間，而后按照式(1)計算每個染色體的適應(yīng)度。對于序列中的任一任務(wù)taskj，執(zhí)行結(jié)果的判斷過程如圖2所示。

圖2 任務(wù)taskj執(zhí)行結(jié)果判斷

5 計算實例

5.1 算例參數(shù)設(shè)置

為檢驗任務(wù)規(guī)劃模型和求解算法的有效性，構(gòu)造一個應(yīng)急觀測任務(wù)規(guī)劃問題計算實例，其參數(shù)設(shè)置如下：

(1)全局參數(shù)設(shè)置

所有的應(yīng)急觀測任務(wù)執(zhí)行時段為

2015/11/01 04:00:00.00～2015/11/01 14:00:00.00，下行鏈路傳輸速率假設(shè)為0.5 GB/s。

(2)資源參數(shù)設(shè)置

算例最多設(shè)置6顆對地觀測衛(wèi)星Sat-1～Sat-6，軌道參數(shù)如表2所示。所有衛(wèi)星的初始狀態(tài)都為空閑，初始星載存儲都為150 GB；設(shè)置用于接收觀測數(shù)據(jù)的地面站20個，位置數(shù)據(jù)從STK數(shù)據(jù)庫導入。

表2 衛(wèi)星參數(shù)設(shè)置

Tab.2 Configuration of parameters of satellites

序號a/mei/(°)Ω/(°)ω/(°)M/(°)Sat-169931830.00067697.763243.448258.859185.695Sat-270221810.00082297.9020.096175.699323.968Sat-370105060.00081797.727241.623101.85389.460Sat-470267030.00138997.861332.333134.543235.987Sat-568516470.00157097.366348.493193.878233.067Sat-668636780.00096997.69748.440107.11173.223

(3)任務(wù)參數(shù)設(shè)置

選定目標區(qū)域范圍：110°E～120°E，20°N～30°N，隨機產(chǎn)生應(yīng)急觀測任務(wù)集合，各任務(wù)重要度：0～1，到達時刻為2015/11/01 04:00:00.00～2015/11/01 14:00:00.00間的隨機時間點，最短觀測時間10～1 000 s，數(shù)據(jù)量1～10 GB，觀測截止時刻為任務(wù)到達時刻至全部任務(wù)執(zhí)行完畢時刻間的隨機時間點，數(shù)傳截止時刻為觀測截止時刻至全部任務(wù)執(zhí)行完畢時刻間的隨機時間點。

(4)求解算法設(shè)置

遺傳算法種群數(shù)量為50，交叉概率0.6，變異概率0.05，目標函數(shù)中權(quán)值參數(shù)取λ1=0.6，λ2=0.4。

5.2 算例結(jié)果及分析

將使用本文規(guī)劃模型的算例組記為F，為了驗證規(guī)劃模型的有效性，將常規(guī)觀測中常見的、只考慮最大化任務(wù)重要度(或收益)的規(guī)劃模型[3]作為計算對照組，記為F′。

(1)全部衛(wèi)星可用，觀測任務(wù)集規(guī)模分別為20、50、80、110,計算結(jié)果如表3和圖3所示?？梢娫谫Y源一定的情況下，相比單純考慮提高任務(wù)收益的最大化重要度(或收益)的規(guī)劃模型，本文提出的應(yīng)急觀測任務(wù)規(guī)劃模型兼顧任務(wù)重要性、緊迫性，同時考慮時間裕度的影響，能夠提高整體任務(wù)執(zhí)行成功率。這是因為應(yīng)急觀測能否執(zhí)行成功很大程度上取決于其能否在截止時間內(nèi)完成，將時間裕度加入規(guī)劃目標可以有效地縮短任務(wù)執(zhí)行中的各段空閑等待時間，提高資源利用率，從而使更多的任務(wù)及時執(zhí)行。

表3 資源固定時不同規(guī)模任務(wù)集規(guī)劃結(jié)果

Tab.3 Planning results under the condition of certain resources and various task numbers

任務(wù)集規(guī)模F規(guī)劃成功率/%F'規(guī)劃成功率/%效果提升/%2080.075.05.05076.070.06.08080.075.05.011081.876.45.4

圖3 資源固定時不同規(guī)模任務(wù)集規(guī)劃結(jié)果對照

Fig.3 Comparison of planning results under the condition of certain resources and various task numbers

(2)任務(wù)集規(guī)模取定為80，可用衛(wèi)星分別為2顆、4顆、6顆,規(guī)劃結(jié)果如表4和圖4所示?？捎眯l(wèi)星數(shù)較少時(2顆)相比可用衛(wèi)星數(shù)較多時(6顆)，F(xiàn)較F′在任務(wù)成功率上的增幅更大，可見任務(wù)數(shù)量一定時，本文建立的應(yīng)急觀測任務(wù)規(guī)劃模型在可用資源短缺時具有更好的效果。這是因為在資源緊缺時，任務(wù)之間的沖突嚴重，將有更多的任務(wù)需要等待可用資源，通過提高任務(wù)時間裕度，可以使有條件的任務(wù)盡早執(zhí)行，為其他任務(wù)騰出資源，從而使更多的任務(wù)執(zhí)行成功。

表4 不同資源數(shù)目時固定規(guī)模任務(wù)集規(guī)劃結(jié)果

Tab.4 Planning results under the condition of a certain task number and various resources

可用衛(wèi)星數(shù)F規(guī)劃成功率/%F'規(guī)劃成功率/%效果提升/%233.7526.257.50451.2545.006.25680.0075.005.00

圖4 不同資源數(shù)目時固定規(guī)模任務(wù)集規(guī)劃結(jié)果對照

Fig.4 Comparison of planning results under the condition of a certain task number and various resources

6 結(jié)束語

本文根據(jù)衛(wèi)星應(yīng)急觀測的特點，建立了考慮目標觀測和數(shù)據(jù)下傳的應(yīng)急觀測任務(wù)規(guī)劃模型，定義了兼顧重要性與緊迫性的任務(wù)優(yōu)先級和時間裕度。通過計算實例可見，本文所提出的模型是合理有效的。相比典型研究[8-9]，本文建立的對地觀測規(guī)劃模型更具針對性：對目標觀測與數(shù)據(jù)下傳兩個過程進行一體化規(guī)劃計算，并考慮了雙重截止時間約束，模型中的優(yōu)先級反映了緊迫性特征對觀測任務(wù)執(zhí)行順序的要求，而時間裕度反映了對任務(wù)緊迫性要求的滿足程度，兩者結(jié)合能夠更全面地刻畫應(yīng)急觀測任務(wù)規(guī)劃目標。

相比常規(guī)觀測，應(yīng)急觀測的需求更為多樣化、條件更為苛刻，其規(guī)劃問題具有較大難度。為降低困難性，本文將對地觀測衛(wèi)星限定在較為簡單的工作模式，并對對地觀測任務(wù)做了一定的簡化假設(shè)，下一步將在此基礎(chǔ)上，分析復雜的應(yīng)急觀測任務(wù)，并對其規(guī)劃問題進行更為深入和全面的探討。

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郭 超(1987—)，男，山東濟南人，博士研究生，主要研究方向為天基信息系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃與資源調(diào)度;

GUO Chao was born in Jinan,Shandong Province,in 1987.He is currently working toward the Ph.D. degree.His research concerns mission planning and resource scheduling of space-based information system.

Email：gch_87_10_26@126.com

熊 偉(1971—)，男，山東臨邑人，研究員、博士生導師，主要研究方向為天基信息系統(tǒng)綜合集成;

XIONG Wei was born in Linyi,Shandong Province,in 1971.He is now a senior engineer of professor and also the Ph.D. supervisor.His research concerns comprehensive integration of space-based information system.

劉呈祥(1990—)，男，黑龍江佳木斯人，博士研究生，主要研究方向為信息系統(tǒng)效能評估。

LIU Chengxiang was born in Jiamusi,Heilongjiang Province,in 1990.He is currently working toward the Ph.D. degree.His research concerns information system effectiveness evaluation.

Mission Planning of Satellite Emergency Observations Based on Priority and Time Margin Degree

GUO Chaoa,XIONG Weib,LIU Chengxianga

(a. Department of Graduate Management；b. Science and Technology on Complex Electronic System Simulation Laboratory,The Academy of Equipment,Beijing 101416,China)

Emergency observations are tasks executed by earth observation satellites to support some urgent ground operations.They are usually pressing and concentrative so as to increase the difficulty of mission planning.According to the characteristics of emergency observations,main attributes of satellites and tasks influencing mission planning are described.In consideration of both importance and emergency,task priority is defined,and time margin degree,an attribute about the extent of task emergency demand satisfaction,is put forward.A planning model is constructed,including an objective based on task priority and time margin degree,and constraints to satisfy.Then genetic algorithm is used to solve the model.Comparison with conventional mission planning with the objective to maximize task importance shows the proposed model is effective on promoting success rates of tasks.

earth observation satellites;emergency observation;mission planning;time margin degree

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.07.005

郭超，熊偉，劉呈祥.基于優(yōu)先級與時間裕度的衛(wèi)星應(yīng)急觀測任務(wù)規(guī)劃[J].電訊技術(shù)，2016,56(7):744-749.[GUO Chao,XIONG Wei,LIU Chengxiang.Mission planning of satellite emergency observations based on priority and time margin degree[J].Telecommunication Engineering,2016,56(7):744-749.]

2015-12-22；

2016-04-05 Received date:2015-12-22；Revised date：2016-04-05

TN927

A

1001-893X(2016)07-0744-06

**通信作者：gch_87_10_26@126.com Corresponding author：gch_87_10_26@126.com