劉彬彬，李 暉，趙 曼，董理君，吳 杰

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢430074)

基于任務(wù)壓縮的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃

劉彬彬，李 暉，趙 曼，董理君，吳 杰

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢430074)

傳統(tǒng)成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃過(guò)程中任務(wù)在時(shí)間窗口確定后是不可變的，但受限于衛(wèi)星的各類(lèi)約束條件，有些任務(wù)無(wú)法執(zhí)行。針對(duì)該問(wèn)題，在任務(wù)可以壓縮的前提下，提出了采用多種任務(wù)壓縮的方法處理指令模板沖突和消解文件下傳約束，提高規(guī)劃結(jié)果質(zhì)量。對(duì)任務(wù)壓縮策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明，任務(wù)壓縮策略的使用能夠有效優(yōu)化規(guī)劃結(jié)果，提高衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)和完成任務(wù)數(shù)。

任務(wù)壓縮；衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃；指令模板沖突；文件下傳約束

AbstractIn the process of traditional imaging satellite mission planning,task is immutable after the confirmation of time window.Owing to the limitation of various satellite constraints,some tasks cannot be completed.To solve this problem,a variety of task compression strategies were proposed to deal with instruction template conflict and to resolve file downstream constraint under the premise that the task can be compressed,in order to improve the quality of planning results.Finally,the task compression strategies are tested.The results indicate that the use of task compression strategies can effectively optimize the planning results and increase satellite observation time and tasks completed.

Keywordstasks compression;satellite mission planning;instruction template conflict;file downstream constraint

0 引言

成像衛(wèi)星利用可見(jiàn)光、多光譜、高光譜、超光譜和合成孔經(jīng)雷達(dá) (Synthetic Aperture Radar，SAR) 等星載傳感器，獲取地面目標(biāo)的圖像信息[1]。成像衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)具有覆蓋范圍廣、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、不受?chē)?guó)界和空域限制、無(wú)需考慮人員安全等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)全球任何地區(qū)實(shí)施觀測(cè)[2]。衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃是衛(wèi)星系統(tǒng)核心模塊，其性能直接影響到衛(wèi)星系統(tǒng)的工作效益[3]。主要目標(biāo)是對(duì)衛(wèi)星資源進(jìn)行有效的分配和調(diào)度，制定衛(wèi)星的觀測(cè)計(jì)劃，最大限度地完成用戶提交的觀測(cè)任務(wù)需求。

衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃是指為處理大量的用戶任務(wù)，對(duì)組網(wǎng)衛(wèi)星制定拍攝計(jì)劃[4]。需要考慮固有的衛(wèi)星能力約束及任務(wù)需求約束，是一個(gè)多約束的復(fù)雜組合優(yōu)化問(wèn)題?，F(xiàn)有的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃模型可以歸納為3類(lèi)：數(shù)學(xué)規(guī)劃模型[5-6]、約束滿足模型[7-9]和其他模型[10-12]。李軍等[13]建立了針對(duì)重點(diǎn)保障任務(wù)和其他重要任務(wù)評(píng)價(jià)的約束滿足模型。Fabrizio[14]提出了一種緊時(shí)間序列模型，包括了大量復(fù)雜技術(shù)約束，用非標(biāo)準(zhǔn)的拉格朗日啟發(fā)式算法求解。李云峰[15]給出衛(wèi)星數(shù)傳調(diào)度模型，把約束置于每個(gè)任務(wù)中，降低了建模和求解的難度。Frank[16]采用了基于約束的間隔框架對(duì)衛(wèi)星星上資源建模，提出了基于資源滿足的啟發(fā)式搜索算法，但忽略了任務(wù)沖突的情況。

現(xiàn)有研究一般是在任務(wù)不可壓縮的前提下開(kāi)展的。但是由于衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星的數(shù)傳模式逐漸呈現(xiàn)多樣化和復(fù)雜化，規(guī)劃時(shí)往往有多種數(shù)傳模式可供選擇。為了選擇出滿足約束條件的最優(yōu)安排方式，實(shí)際工程中允許對(duì)任務(wù)進(jìn)行壓縮以提高衛(wèi)星的資源利用率。

本文基于任務(wù)可以壓縮的特點(diǎn)，提出了多種任務(wù)壓縮的方法優(yōu)化衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃結(jié)果。衛(wèi)星任務(wù)壓縮是指在原始的觀測(cè)任務(wù)和接收任務(wù)不滿足約束條件時(shí)不刪除整個(gè)任務(wù)，通過(guò)壓縮任務(wù)的持續(xù)時(shí)間來(lái)消解約束沖突。

1 任務(wù)壓縮

衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題需要考慮諸多的約束，有些任務(wù)往往無(wú)法滿足所有約束。雖然通過(guò)刪去觀測(cè)任務(wù)可以消解沖突，但是會(huì)導(dǎo)致規(guī)劃結(jié)果不理想。通過(guò)壓縮任務(wù)時(shí)間，可以使規(guī)劃結(jié)果滿足各類(lèi)約束的同時(shí)最大化觀測(cè)任務(wù)完成數(shù)和觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)。本文闡述了通過(guò)任務(wù)壓縮來(lái)處理指令模板沖突和消解文件下傳約束?；谌蝿?wù)壓縮的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃程序流程如圖1所示。

圖1 基于任務(wù)壓縮的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃程序流程

指令模板沖突和文件下傳約束的處理單元是組合元任務(wù)，一個(gè)組合元任務(wù)對(duì)應(yīng)一種數(shù)傳模式，至少包含一個(gè)觀測(cè)任務(wù)或一個(gè)接收任務(wù)。指令模板沖突是指任務(wù)之間的間隔時(shí)間不滿足最短間隔時(shí)間要求。采用任務(wù)壓縮，需要滿足2個(gè)必要條件：一是任務(wù)被壓縮后能夠滿足最小觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)約束；二是壓縮后任務(wù)必須滿足一種數(shù)傳模式的要求。文件下傳約束是指由于接收窗口時(shí)長(zhǎng)的限制而無(wú)法接收太大的成像文件，通過(guò)壓縮觀測(cè)使接收窗口能夠被最大化利用。

本文涉及5種數(shù)傳模式，一種數(shù)傳模式對(duì)應(yīng)一套指令模板，具體數(shù)傳模式指令模板如表1所示。表1中，ti(i=1,2,3,4,5,6,7)為指令模板時(shí)間，表示做相應(yīng)的數(shù)傳模式前后需要的指令控制時(shí)間；tmin為最小成像時(shí)間；Δt1、Δt2均為固定時(shí)長(zhǎng)；T代表成像；W代表回放；TW代表同時(shí)成像和回放。其中：Δt1>Δt2>Δtmin，t1>t2>t3>t4，t5>t6>t7。

表1 數(shù)傳模式指令模板匯總

序號(hào)模板名稱開(kāi)始時(shí)間結(jié)束時(shí)間備注1成像延時(shí)回放TW1-t1TW1+t5成像時(shí)間tmin成像+回放時(shí)間TW12回放W1-t2W1+t7回放時(shí)間W13成像T1-t3T1+t6成像時(shí)間T14回放轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放W1-t2TW1+t5回放時(shí)間W1W1需不小于Δt2成像+回放時(shí)間TW15成像轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放T1-t4TW1+t5成像時(shí)間T1T1需不小于Δt1成像+回放時(shí)間TW1

1.1 任務(wù)壓縮處理指令模板沖突

本文提出了2種壓縮策略來(lái)處理指令模板沖突：基于貪婪思想保留任務(wù)價(jià)值更高的任務(wù)(簡(jiǎn)稱策略1)、啟發(fā)式動(dòng)態(tài)調(diào)整指令模板(簡(jiǎn)稱策略2)。

1.1.1 基于貪婪思想保留任務(wù)價(jià)值更高的任務(wù)

指令模板沖突壓縮前(情形1)如圖2所示，任務(wù)1和任務(wù)2在添加指令模板后存在沖突，首先比較它們的價(jià)值，選擇價(jià)值較低的進(jìn)行壓縮。假設(shè)任務(wù)2價(jià)值低，壓縮情況如圖3所示，壓縮量根據(jù)沖突量計(jì)算得到，只要保證壓縮后剛好不存在模板沖突即可。

圖2 指令模板沖突壓縮前(情形1)

圖3 指令模板沖突壓縮后(情形1)

上述情況沒(méi)有壓縮觀測(cè)，僅壓縮了接收開(kāi)始時(shí)間，但是這種壓縮必須保證壓縮后的“剩余量”滿足當(dāng)前任務(wù)數(shù)傳模式(回放轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放)的要求，即“剩余量”不小于Δt2。

當(dāng)然，僅壓縮任務(wù)的接收開(kāi)始時(shí)間可能無(wú)法消解沖突。圖4中情形2對(duì)觀測(cè)也進(jìn)行了壓縮，以保證數(shù)傳模式不變的同時(shí)滿足其約束。其中，圖5中“剩余量1”必須不小于Δt2。此外，觀測(cè)壓縮后，“剩余量2”需滿足不小于tmin的要求。

圖5 指令模板沖突壓縮后(情形2)

假如，通過(guò)上面的策略仍然無(wú)法消解沖突，則按照貪婪準(zhǔn)則，直接刪去任務(wù)2來(lái)進(jìn)行消解沖突。

雖然示例中只介紹了數(shù)傳模式為“回放轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放”時(shí)的壓縮方法。但是，同樣的壓縮方法可以被類(lèi)比應(yīng)用于其他數(shù)傳模式，壓縮都遵循如下步驟：

① 嘗試壓縮接收時(shí)間消解沖突，無(wú)法消解時(shí)轉(zhuǎn)向步驟②；

② 嘗試同時(shí)壓縮接收和觀測(cè)來(lái)消解沖突，無(wú)法消解時(shí)轉(zhuǎn)向步驟③；

③ 刪除價(jià)值較低的任務(wù)。

1.1.2 啟發(fā)式動(dòng)態(tài)調(diào)整指令模板

采用策略1相同情景進(jìn)行分析。當(dāng)任務(wù)1和任務(wù)2之間的沖突量過(guò)大，貪婪思想消解沖突是在數(shù)傳方式不變的前提下進(jìn)行的。然而，策略2則根據(jù)發(fā)生沖突任務(wù)的數(shù)傳方式，分析不同數(shù)傳方式下指令模板的差異，通過(guò)啟發(fā)式動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)數(shù)傳模式的方式來(lái)消解沖突。

如圖6和圖7所示，將任務(wù)2的數(shù)傳模式從“回放轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放”調(diào)整為“成像延時(shí)回放”，從而消解沖突。這種壓縮雖然沒(méi)有壓縮任務(wù)的觀測(cè)，但是，由于數(shù)傳模式發(fā)生了變動(dòng)，相應(yīng)的指令模板也發(fā)生改變，所以，必須重新檢測(cè)是否滿足指令模板沖突。

圖6 指令模板沖突壓縮前(情形1)

圖7 指令模板沖突壓縮后(情形1)

假如上述處理仍然無(wú)法消解沖突，則可以將任務(wù)2的數(shù)傳模式從“回放轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放”調(diào)整為“成像轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放”。因?yàn)椋榭幢?可以發(fā)現(xiàn)“回放轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放”指令模板的前模板時(shí)間為t2，而“成像轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放”指令模板的前模板時(shí)間只需要t4，由于t4

圖8 指令模板沖突壓縮后(情形2)

當(dāng)沖突仍然無(wú)法消解時(shí)，需要在變動(dòng)數(shù)傳模式的基礎(chǔ)上，繼續(xù)壓縮相同量(由剩余沖突量決定)的觀測(cè)和接收。當(dāng)然，最極端的情況就是將任務(wù)2的數(shù)傳模式從“回放轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放”調(diào)整為“成像”，即刪去接收部分。然后，根據(jù)沖突量來(lái)壓縮觀測(cè)，如圖9所示。

圖9 指令模板沖突壓縮后(情形3)

倘若通過(guò)以上這些方式都無(wú)法消解沖突，可以嘗試對(duì)發(fā)生沖突的2個(gè)任務(wù)中的前一個(gè)任務(wù)進(jìn)行壓縮，壓縮方法以前一個(gè)任務(wù)是“回放轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放”模式為例進(jìn)行介紹。

通過(guò)查看表1，發(fā)現(xiàn)“回放轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放”模式的后模板時(shí)間為t5s，而“成像”模式的后模板時(shí)間為t6s(t6

圖10 前一個(gè)任務(wù)變換數(shù)傳模式

圖10中任務(wù)的結(jié)束時(shí)間沒(méi)有變，由于調(diào)整數(shù)傳模式后，后模板時(shí)間減小了，當(dāng)沖突量較小時(shí)可以消解沖突。當(dāng)然，也可以調(diào)整數(shù)傳模式的同時(shí)對(duì)觀測(cè)和接收進(jìn)行壓縮。

對(duì)于其他數(shù)傳模式，可以由此類(lèi)推，壓縮遵循如下步驟：

① 嘗試變動(dòng)數(shù)傳模式(其指令模板的后模板時(shí)間較當(dāng)前的更短)來(lái)消解沖突；如果無(wú)法消解轉(zhuǎn)向步驟②；

② 同時(shí)壓縮觀測(cè)與接收的結(jié)束時(shí)間、調(diào)整任務(wù)數(shù)傳模式來(lái)消解沖突。如果無(wú)法消解轉(zhuǎn)向步驟③；

③ 刪除2個(gè)沖突任務(wù)中優(yōu)先級(jí)較低的任務(wù)。

策略2總體處理步驟如下：

① 對(duì)每個(gè)任務(wù)添加指令模板時(shí)間，作為任務(wù)的指令起止時(shí)刻；

② 將任務(wù)兩兩進(jìn)行比較，前一個(gè)任務(wù)的指令結(jié)束時(shí)刻大于后一個(gè)任務(wù)的指令開(kāi)始時(shí)刻，則存在沖突，計(jì)算二者差值，記為沖突量；

③ 檢查后一個(gè)任務(wù)的數(shù)傳模式，通過(guò)變動(dòng)數(shù)傳模式及向后壓縮任務(wù)時(shí)間消解沖突。沖突無(wú)法消解則繼續(xù)執(zhí)行步驟④；

④ 檢查前一個(gè)任務(wù)的數(shù)傳模式，通過(guò)變動(dòng)數(shù)傳模式及向前壓縮任務(wù)時(shí)間消解沖突。如果沖突仍未消解則繼續(xù)執(zhí)行步驟⑤；

⑤ 刪去其中一個(gè)價(jià)值較低的任務(wù)。

1.2 任務(wù)壓縮消解文件下傳約束

文件下傳約束存在2種情況：① 受限于衛(wèi)星固存大小，按照原始任務(wù)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)產(chǎn)生的文件使固存超出，傳統(tǒng)的處理方式就是刪除任務(wù)，任務(wù)壓縮的方法則通過(guò)壓縮觀測(cè)使文件能夠放入固存；② 在給接收窗口安排回放文件時(shí)，當(dāng)固存中每個(gè)文件所需接收時(shí)長(zhǎng)均大于接收窗口時(shí)長(zhǎng)時(shí)，壓縮觀測(cè)使文件能夠放入接收窗口回放。固存超出時(shí)壓縮觀測(cè)的情況較為簡(jiǎn)單，本文主要介紹壓縮觀測(cè)來(lái)為接收窗口安排回放文件的處理方法。

1.2.1 不調(diào)整數(shù)傳模式

一般觀測(cè)和接收按照固定的比例匹配，假設(shè)1 min的成像需要1 min的接收窗口來(lái)回放。任務(wù)壓縮方式可以將任務(wù)的觀測(cè)開(kāi)始時(shí)間向后壓縮，也可以將任務(wù)的觀測(cè)結(jié)束時(shí)間向前壓縮，壓縮的前提是保證滿足數(shù)傳模式不變。

如圖11和圖12所示，任務(wù)1的成像文件被安排在任務(wù)2的接收窗口回放，任務(wù)2同時(shí)產(chǎn)生時(shí)長(zhǎng)220 s的成像文件。但是，后面在給任務(wù)3安排回放文件時(shí)，發(fā)現(xiàn)無(wú)法下傳任務(wù)2的文件，必須對(duì)任務(wù)2的觀測(cè)進(jìn)行壓縮。示例中任務(wù)2的數(shù)傳模式為“成像轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放”，要求觀測(cè)早于接收至少Δt1(Δt1<100 s)。通過(guò)將任務(wù)2的觀測(cè)開(kāi)始時(shí)間向后壓縮20 s從而使任務(wù)3可以接收。并且，壓縮后任務(wù)2的觀測(cè)早于回放100 s，滿足數(shù)傳模式要求。

圖11 消解文件下傳約束壓縮前

圖12 消解文件下傳約束壓縮后

1.2.2 調(diào)整數(shù)傳模式

如圖13和圖14所示，任務(wù)2產(chǎn)生時(shí)長(zhǎng)220 s的成像文件。但是，后面的接收窗口都無(wú)法下傳該文件，必須對(duì)任務(wù)2的觀測(cè)進(jìn)行壓縮。示例中任務(wù)2的數(shù)傳模式為“成像轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放”，要求觀測(cè)早于接收至少Δt1(Δt1>80 s)，任務(wù)3的接收窗口只能接收140 s的成像文件。理論上只要壓縮任務(wù)2觀測(cè)80 s就可以了，但是壓縮后不滿足“成像轉(zhuǎn)成像延時(shí)回放”Δt1的約束。所以調(diào)整數(shù)傳模式，將其調(diào)整為“成像延時(shí)回放”模式(要求成像早于回放tmin)壓縮了90 s的觀測(cè)，剩下130 s的觀測(cè)。任務(wù)3的接收窗口也對(duì)應(yīng)壓縮10 s。

圖13 消解文件下傳約束壓縮前

圖14 消解文件下傳約束壓縮后

2 任務(wù)壓縮實(shí)驗(yàn)與分析

任務(wù)壓縮實(shí)驗(yàn)是為了對(duì)比采用任務(wù)壓縮和不采用任務(wù)壓縮的效果。其中，任務(wù)壓縮在處理指令模板沖突時(shí)又有2種策略：基于貪婪思想保留任務(wù)價(jià)值更高的任務(wù)(策略1)和啟發(fā)式動(dòng)態(tài)調(diào)整指令模板(策略2)。

采用任務(wù)壓縮的優(yōu)化效果取決于元任務(wù)集時(shí)間窗口的分布情況。本文針對(duì)觀測(cè)元任務(wù)為10、100和200的量級(jí)，分別測(cè)試不采用任務(wù)壓縮、采用任務(wù)壓縮策略1和采用任務(wù)壓縮策略2，記錄衛(wèi)星完成任務(wù)數(shù)和完成觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)。

在完成任務(wù)數(shù)方面，規(guī)劃結(jié)果如圖15所示。

圖15 完成任務(wù)數(shù)對(duì)比

在完成觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)方面，規(guī)劃結(jié)果如圖16所示。

圖16 完成觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)對(duì)比

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，任務(wù)壓縮策略的使用能有效提高衛(wèi)星完成任務(wù)數(shù)和完成觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)元任務(wù)數(shù)量增多時(shí)，優(yōu)化效果更加明顯。并且，采用任務(wù)壓縮策略二比任務(wù)壓縮策略一效果更優(yōu)。在實(shí)際工程中，需要最大化利用衛(wèi)星觀測(cè)能力，想要在完成任務(wù)數(shù)和觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)上進(jìn)行少許提升都十分不易，實(shí)驗(yàn)表明任務(wù)壓縮的使用能夠進(jìn)一步提升觀測(cè)效益。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于任務(wù)壓縮的衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃，針對(duì)指令模版沖突和文件下傳約束分別給出了任務(wù)壓縮策略。在處理指令模版沖突時(shí)，設(shè)計(jì)了2種任務(wù)壓縮策略進(jìn)行優(yōu)化。在處理文件下傳時(shí)，分別給出了不調(diào)整數(shù)傳模式和調(diào)整數(shù)傳模式的處理方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，任務(wù)壓縮機(jī)制的引入有效地提高了衛(wèi)星完成任務(wù)數(shù)和完成觀測(cè)時(shí)長(zhǎng),并且在任務(wù)量大且沖突任務(wù)多時(shí)任務(wù)壓縮的效果更加明顯。

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ImagingSatelliteMissionPlanningBasedonTaskCompression

LIU Bin-bin，LI Hui，ZHAO Man，DONG Li-jun，WU Jie

(SchoolofComputerScience,ChinaUniversityofGeosciences,WuhanHubei430074,China)

TP302.1

A

1003-3106(2017)11-0073-06

劉彬彬男，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：智能計(jì)算與智能信息處理。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.11.16

劉彬彬,李暉,趙曼,等.基于任務(wù)壓縮的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃[J].無(wú)線電工程,2017,47(11):73-78.[LIU Binbin,LI Hui,ZHAO Man,et al.Imaging Satellite Mission Planning Based on Task Compression[J].Radio Engineering,2017,47(11):73-78.]

2017-01-18

湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016CFB278)。

李暉女，(1967—)，教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向：智能計(jì)算與智能信息處理。