CN112817734B - 一种卫星调度的优化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种卫星调度的优化系统及方法，优化系统至少包括调度优化模块，调度优化模块配置为：基于卫星的动作任务和/或地面站的动作任务生成第一控制命令集；在控制命令状态的改变而产生违背约束的情况下，计算与其对应的效用惩罚；根据效用惩罚对基于效用函数计算选取的控制命令的效用值进行修正，在第一控制命令的改变使其效用值增大的情况下，按照接受第一控制命令状态的修改以完成对计划表的优化调整。

Description

一种卫星调度的优化系统及方法

本发明是申请号为201811321908.7，申请日为2018年11月7日，申请类型为发明，申请名称为一种多层级卫星协同调度方法和系统的分案申请。

技术领域

本发明属于卫星控制技术领域，尤其涉及一种多层级卫星协同调度方法和系统。

背景技术

不同类型的卫星能够按照单独或协同的方式执行例如是通信或观测的任务。例如，对地观测卫星通过其携带的传感器能够在特定的时间内对地球的某些区域进行成像。采用单颗卫星独立工作的方式不能在短时间内有效地对整个地球进行成像。或者当需要执行某个区域的临时观测任务时，基于卫星的轨道、高度和视野，往往无法快速的响应观测任务的执行。为了减少对地球整体成像所需的时间或者能够快速响应临时观测任务的执行，可以将大量遥感卫星发射到太空中，每一个遥感卫星均成像地球的一部分，通过将每个遥感卫星的成像数据整合后便能得到整个地球的成像数据。大量遥感卫星需要通过在地球的不同位置设置的多个地面站以完成与其通信管辖范围内的遥感卫星的通信。当大量遥感卫星与多个地面站同时存在时，基于其彼此之间的多种冲突的存在，使得卫星和地面站的协同调度异常困难。现有的调度系统不能够快速地更新计划表，调度无法快速完成。

公开号为CN102354288A的专利文献公开了一种成像质量优先的任务调度方法，根据卫星轨道数据、姿态机动能力、地面目标位置信息及成像质量要求计算任务满足成像质量要求的可见时间窗口，并将所有任务按照可见时间窗口的开始时刻排序。然后计算任务的最佳观测时刻点，据此对任务进行调度。调度时首先判断当前任务与最后一个已安排任务是否冲突，如果冲突则当前任务不用前瞻且不能安排，如果不冲突则获取当前任务的前瞻任务组，判断当前任务与前瞻任务组中的任务是否存在冲突，如果存在冲突则根据规则取舍当前任务，如果不冲突则当前任务可以安排。对能够安排的当前任务，将卫星的姿态机动动作以及观测动作写入卫星动作序列。最后输出卫星动作序列作为任务调度结果。该调度方法中任务的冲突判断执行过程长，无法快速快速获得最优的调度表。

发明内容

如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。

针对现有技术之不足，本发明提供一种多层级卫星协同调度系统，至少包括用于对卫星和地面站彼此之间的计划表进行优化调整的调度优化模块。所述调度优化模块被配置为按照如下方式对所述计划表进行优化调整：基于卫星的动作任务和/或地面站的动作任务生成第一控制命令集，并至少基于第一控制命令的状态生成与其关联的冲突集。基于所述第一控制命令集选择需要改变状态的第一控制命令并在执行所述第一控制命令的状态改变的情况下，至少基于与所述第一控制命令相关联的冲突确定效用惩罚。分别计算所述第一控制命令的在状态改变之前与之后的第一效用值和第二效用值，并基于所述效用惩罚完成对所述第二效用值的校正以得到第三效用值，其中，在所述第三效用值大于所述第一效用值的情况下，按照接受所述第一控制命令的状态更改的方式对所述计划表进行优化调整。每当控制命令中的一个发生改变时，调度优化模块重新评估相关控制命令的效用值而使得问题仅限于受控制命令更改所影响的卫星、地面站和相关联的控制命令，可以在不考虑其余控制命令的情况下快速重新评估控制命令状态的改变所造成的影响。进而有效的利用各种控制命令、卫星和地面站彼此之间的稀疏关联。在进行优化调整时，无论卫星或地面站的数量如何变化，计划表均能保持相对恒定状态。即优化调整以得到最佳计划表时，其所需的时间不会与卫星或地面站的数量成比例地缩放。调度优化模块能够确保边际效用仍然是单值函数。控制命令的边际效用是当该控制命令的状态从0变为1时，只有效用函数的变化而所有其他控制命令保持不变。此外，使用效用惩罚可以使得调度优化模块不必重新计算整个调度以确定改变的影响。例如，如果一个卫星发生变化，则调度优化模块评估相对于该卫星的变化而不考虑任何其他卫星。这允许优化调整所需的时间相对于系统中的卫星数量是恒定的。也就是说为了对控制命令的状态变化进行评估，评估只需要固定的计算或时间，而不管优化部分第一控制命令后系统中的卫星数量是否发生变化。

根据一种优选的实施方式，所述第一控制命令的状态至少包括执行状态和略过状态，其中，所述计划表的优化调整还包括步骤：按照所述冲突集中的冲突数量呈递减的方式确定所述第一控制命令的选取顺序，并基于所述选取顺序依次选取所述第一控制命令集中的每一个第一控制命令并按照改变所述第一控制命令的状态以消除所述效用惩罚的方式对所述计划表进行优化调整。在所有第一控制命令的状态改变的情况下，基于处于略过状态的第一控制命令生成第二控制命令集，其中，在至少一个所述第一控制命令执行完成的情况下，基于与所述执行完成的第一控制命令相关联的冲突选取与该冲突关联的第二控制命令以完成对所述计划表的再次优化调整。

根据一种优选的实施方式，所述效用惩罚与所述第二效用值按照求差的方式进行校正，其中，在与指定的冲突相关联且处于执行状态的第一控制命令的数量为M的情况下，所述效用惩罚被定义为M-1，在所述效用惩罚小于等于1的情况下，所述效用惩罚处于消除状态。所述第一效用值和所述第二效用值能够基于效用函数W＝αA+βD+L+E获得。

根据一种优选的实施方式，所述计划表的再次优化调整至少包括如下步骤：基于与所述执行完成的第一控制命令相关联的至少一个冲突选取与该冲突关联的至少一个所述第二控制命令并切换其状态至执行状态。基于所述第二控制命令的状态改变计算与其对应的效用值及惩罚效用，在所述效用值的增大值大于所述惩罚效用的增大值，或者所述效用值的减小值小于所述惩罚效用的减小值的情况下，按照接受所述第二控制命令的状态改变的方式对所述计划表进行再次优化调整。

根据一种优选的实施方式，所述计划表的再次优化调整至少还包括如下步骤：基于卫星和地面站的反馈信息以确定卫星的轨道信息的方式获得卫星访问所述地面站的时间顺序，并基于所述时间顺序确定所述第一控制命令执行完成时所对应的地面站和卫星。选取与所述第一控制命令执行完成时所对应的地面站和卫星相关联的所述第二控制命令以改变其状态。

根据一种优选的实施方式，所述计划表能够经调度执行模块分配至地面站和卫星以完成所述第一控制命令和/或所述第二控制命令的执行，所述动作任务至少包括卫星对地球执行的成像任务以及地面站与卫星建立通信连接以接受卫星采集的成像数据的任务，其中，在所述成像数据传输至指定的地面站的情况下，所述第一控制命令的执行完成。

根据一种优选的实施方式，每一个第一控制命令或每一个第二控制命令能够与至少一个冲突相关联，每一个冲突能够与至少一个第一控制命令或至少一个第二控制命令相关联，第二控制命令的选取至少包括以下步骤：基于与所述执行完成的第一控制命令相关联的至少一个冲突筛选出与该冲突相关联的至少一个第二控制命令。基于与所述执行完成的第一控制命令相关联的卫星和地面站从所述筛选出的至少一个第二控制命令中再次筛选出与该卫星和该地面站相关联的单个第二控制命令。

根据一种优选的实施方式，所述第一控制命令的选取至少包括以下步骤：所述第一控制命令能够基于其动作任务所涉及的卫星和地面站的重复程度确定固有优先级。在所述第一控制命令所关联的冲突的数量相同的情况下，基于所述固有优先级确定所述第一控制命令的选取顺序。

本发明还提供一种多层级卫星协同调度方法，所述多层级卫星协同调度方法至少包括如下步骤：基于卫星的动作任务和/或地面站的动作任务生成第一控制命令集，并至少基于第一控制命令的状态生成与其关联的冲突集。基于所述第一控制命令集选择需要改变状态的第一控制命令并在执行所述第一控制命令的状态改变的情况下，至少基于与所述第一控制命令相关联的冲突确定效用惩罚。分别计算所述第一控制命令的在状态改变之前与之后的第一效用值和第二效用值，并基于所述效用惩罚完成对所述第二效用值的校正以得到第三效用值，其中，在所述第三效用值大于所述第一效用值的情况下，按照接受所述第一控制命令的状态更改的方式对所述计划表进行优化调整。

根据一种优选的实施方式，所述多层级卫星协同调度方法还包括如下步骤：按照所述冲突集中的冲突数量呈递减的方式确定所述第一控制命令的选取顺序，并基于所述选取顺序依次选取所述第一控制命令集中的每一个第一控制命令并按照改变所述第一控制命令的状态以消除所述效用惩罚的方式对所述计划表进行优化调整。在所有第一控制命令的状态改变的情况下，基于处于略过状态的第一控制命令生成第二控制命令集，其中，在至少一个所述第一控制命令执行完成的情况下，基于与所述执行完成的第一控制命令相关联的冲突选取与该冲突关联的第二控制命令以完成对所述计划表的再次优化调整。

本发明的有益技术效果：

(1)每当控制命令中的一个发生改变时，调度优化模块重新评估相关控制命令的效用值而使得问题仅限于受控制命令更改所影响的卫星、地面站和相关联的控制命令，可以在不考虑其余控制命令的情况下快速重新评估控制命令状态的改变所造成的影响。进而有效的利用各种控制命令、卫星和地面站彼此之间的稀疏关联。

(2)在进行优化调整时，无论卫星或地面站的数量如何变化，计划表均能保持相对恒定状态。即优化调整以得到最佳计划表时，其所需的时间不会与卫星或地面站的数量成比例地缩放。调度优化模块能够确保边际效用仍然是单值函数。控制命令的边际效用是当该控制命令的状态从0变为1时，只有效用函数的变化而所有其他控制命令保持不变。

(3)使用效用惩罚可以使得调度优化模块不必重新计算整个调度以确定改变的影响。例如，如果一个卫星发生变化，则调度优化模块评估相对于该卫星的变化而不考虑任何其他卫星。这允许优化调整所需的时间相对于系统中的卫星数量是恒定的。也就是说为了对控制命令的状态变化进行评估，评估只需要固定的计算或时间，而不管优化部分第一控制命令后系统中的卫星数量是否发生变化。

附图说明

图1是本发明优选的多层级卫星系统调度方法的流程示意图；和

图2是本发明优选的多层级卫星协同调度系统的模块化连接关系示意图。

附图标记列表

1：调度优化模块 2：调度执行模块 3：卫星状态监测模块

4：需求处理模块 5：卫星 6：地面站

7：控制命令生成模块 8：约束生成模块

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

实施例1

如图2所示，本发明提供一种多层级卫星协同调度系统，至少包括调度优化模块1、调度执行模块2、卫星状态监测模块3和需求处理模块4。调度优化模块1可以分析用于调度卫星的不同变量以对卫星的实际运行行为进行模拟并根据卫星的反馈数据来优化调整用于调度卫星5和地面站6的计划表。通过优化调整后的计划表对卫星5和地面站6进行调度可以获得更优的卫星资源利用效率。调度优化模块能够响应于新增任务、意外事件或卫星性能改变对计划表进行相应地动态修改，整个优化调整过程能够在没有人为干预的情况下进行，其能够在不考虑未受影响的卫星对应的计划表的基础上计算单个卫星的利用率变化情况。

优选的，调度执行模块能够通过计划表对地面站和卫星进行调度以控制卫星的位置，从而通过卫星对其成像范围内的区域进行成像。计划表包括整个卫星协调调度系统的状态的初始预估情况以及由系统的操作人员所定义的系统调度目标。例如，系统状态的初始预估情况可以包括卫星的数量、每个卫星的成像容量、每个卫星的下行链路容量以及地面站的可用性、规格和性能。系统调度目标可以包括对对象完整成像的时间要求、根据设定标准完成不同指定区域的优先级排序或将数据优化为下定链路等。来自于卫星和地面站的反馈信息能够实时传输至卫星协调调度系统中以便与其根据反馈信息对计划表进行优化和调整。反馈信息可以包括卫星的实际成像结果和地面站的通信拥堵情况。

优选的，地面站6能够与卫星状态监测模块3进行通信连接以接收地面站传输的卫星的运行状态数据。卫星的运行状态数据至少包括卫星与地面站之间的距离数据，进而卫星状态监测模块能够根据卫星的运行状态数据确定卫星的位置、卫星所处的轨道信息以及地面站与卫星建立通信所需的通信时间等。地面站6能够与卫星5进行通信以实现彼此数据的相互传输。例如，地面站能够将计划表传输至卫星以对卫星进行实时调度。卫星采集的图像数据能够反馈至地面站，在成像数据反馈至指定地面站的情况下，控制命令被判定为执行完成。

优选的，通过测距数据，卫星状态监测模块能够直观地建立卫星列表，卫星列表中可以包含卫星编号信息和卫星所处的轨道信息。卫星的运行轨迹往往固定使得通过卫星列表能够揭示卫星在某一历史时刻或未来的某一时刻所处的状态信息。该状态信息可以包括卫星的位置和速度信息。优选的，基于地面站通信范围的局限性，地面站可以分布于不同的区域，例如是不同的国家或不同的大陆上以保证与卫星进行通信的区域全覆盖。地面站从调度执行模块2接收以例如是计划表的形式表示的调度命令。地面站基于调度命令能够控制与其进行通信的卫星进行例如是改变方向、改变轨道、更改成像区域等操作。每一个地面站仅在卫星处于其通信范围内的情况下才与该卫星进行通信。卫星与地面站进行通信时，卫星可以将依据上一调度命令而执行的相应任务的结果反馈至地面站，同时，地面站将其实时更新的新的调度命令传输至卫星以更新其调度命令。例如，卫星的上一调度命令中仅包括在时刻A时完成对B区域的成像，地面站的调度命令中基于第三方的需求而新增出在时刻C时完成对D区域的成像，通过地面站与卫星之间的通信，卫星能够获得新增在时刻C时完成对D区域的成像的任务命令。

优选的，需求处理模块对其接收到的输入数据按照形成热图的方式进行处理以对处理结果进行直观显示。通过热图的方式显示能够直观地显示出客户需求的偏好程度、区域的关注度或任务需求程度。通过输入数据能够使得需求处理模块能够确定需要成像的对象的关键需求，输入数据可以是天气、阳光计算、现存的成像覆盖水平或者能够影响成像位置重要性或优先级的其他手动输入。调度优化模块能够基于需求处理模块处理得到的热图数据对其计划表中的任务的优先级进行排序。具体的，需求处理模块能够接收用于生成热图的数据信息，例如是成像区域所对应的大气透明度的天气数据，通过天气数据能够分析出成像区域的云覆盖状态，进而据此调整卫星能够成像的位置。需求处理模块还可以接收来自第三方的需求信息数据，例如是用户指定成像区域和成像时间，进而能够确定用户所希望的需要以更频繁的成像频率进行成像的重点关注区域。卫星状态监测模块3至少能够将其卫星列表分别传输至需求处理模块4。需求处理模块4能够将卫星列表中所包含的数据信息和其接收到的需求数据一并进行热图处理。需求处理模块能够依据卫星列表信息确定卫星的位置以及其能够成像的区域，进而能够基于卫星列表确定能够以更高的成像频率进行成像的区域或者具有更好的成像覆盖效果的卫星。通过热图能够示出成像对象中的重点成像区域以及应该将卫星资源调度至哪些区域以完成对重点成像区域的重点成像。

优选的，卫星5能够基于其接收到的计划表至少执行遥测任务或成像任务。例如，卫星可以采用不同型号的摄像机对地球进行成像。卫星具有有限的存储容量，使得其执行任务后获得的任务结果数据能够进行暂存。在达到卫星的存储容量之前通过与地面站的通信将任务结果数据传输至地面站。调度优化模块在对计划表进行更新或调整时也一并将卫星的存储容量的限制作为重要考虑因素之一。

优选的，卫星状态监测模块还能够将卫星列表中所包含的数据信息传输至调度执行模块。基于卫星列表中的卫星的位置、轨道以及速度信息，调度执行模块至少能够计算得到与地面站进行通信的访问时间，并将该访问时间反馈至调度优化模块以完成对计划表的更新。例如，在卫星沿其轨道绕地球运行的过程中，基于地面站的通信覆盖范围的局限性，卫星运行至地面站的通信覆盖时才与对应的地面站进行通信。在整个运行过程中，其始终保持与单个的地面站进行单独通信。卫星的运行轨道的确定使得卫星绕地球运行具有时间周期性，通过该时间周期性便能够确定卫星达到某个区域的确切时间，进而能够确定其与设定在该区域内的地面站进行通信的访问时间。

为了便于理解，将多层级卫星协同调度系统的数据交互过程进行详细论述。

以例如是计划表的形式存在的调度命令通过调度执行模块2下发至地面站6以首先完成对地面站的调度配置，地面站能够在与卫星进行通信的情况下将计划表传输至卫星以使得卫星能够立即响应于计划表而立即执行相关任务。例如是改变轨道或运行方向以完成对特定区域进行成像，或者是重新调整任务的优先级别以调整任务的执行顺序。地面站执行调度命令后的反馈信息能够直接传输至调度执行模块，卫星执行调度命令后的反馈信息通过地面站转发至调度执行模块。反馈信息用于判断调度命令的执行情况。

卫星响应于调度命令进行相应动作后可能会改变其轨道、方向或运行速度，将卫星的最新运行状态反馈至协调调度系统以使得管理人员明确卫星的具体使用状态是必要的。例如是卫星的测距数据能够通过地面站传输至卫星状态监测模块以处理得到卫星的实际运行状态。例如是卫星的轨道信息能够分别传输至调度执行模块和需求处理模块，其中，调度执行模块基于卫星的轨道信息确定卫星访问的地面站的访问时间，进而能够通过访问时间确定在未来时间段内地面站依次被访问的顺序表以及时间顺序，将若干个地面站的访问顺序表进行对比便能够明确地面站存在的使用干涉情况。在访问时间传输至调度优化模块的情况下，能够便于调度优化模块完成对地面站的调度控制的更新。例如，A卫星未来的24小时内将依次访问B地面站、C地面站和D地面站，F卫星在未来的24小时内将依次访问C地面站、B地面站和D地面站，则A卫星和F卫星将在相同的时间段同时访问D地面站，该访问是存在限制而不能执行的，因此需要对D地面站进行优化调度以避免该限制的产生。

需求处理模块能够同时接受若干个卫星的轨道信息，需求处理模块能够基于若干个卫星的运行轨道信息按照热图的方式直观地显示地球的不同区域的成像频率。每一个卫星的运行轨道均会在某个区域产生重合，对于轨道高度相同的两个或多个卫星，其会按照具有时间差的方式分别运行至其重合区域并按照具有时间差的方式对该区域进行连续成像。对于轨道高度不同的两个或多个卫星，其可以按照在同一时刻同时运行至其重合区域的方式对该区域进行成像。运行轨道在某个区域重合的卫星数量越多，表示该区域能够以更高的成像频率进行成像。运行轨道在某个区域重合的卫星数量越少，则表示该区域的成像频率较低。由需求处理模块对若干个卫星的轨道信息进行处理得到的热图数据能够传输至调度优化模块以实现对卫星的调度优化。例如，在某个区域的成像频率过高的情况下，可以通过调度优化模块调整卫星的运行方向或者改变其运行速度的方式降低该区域的成像频率以利用提高有限地卫星资源的利用率。

需求处理模块还能够接收来自于第三方的需求数据信息，例如，第三方需要在A时间段至B时间段之间对C区域进行成像的需求信息，当需求处理模块接收到若干个第三方的需求数据信息的情况下，通过热图处理，便能直观地显示出第三方的所希望成像的重点区域以及重点时间段。优化处理模块能够根据第三方的需求数据信息对当前的调度命令进行更新并及时通过调度执行模块反馈至地面站，进而完成地面站和卫星的调度命令的更新。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

优选的，卫星协同调度系统还包括控制命令生成模块7。控制命令生成模块被配置为能够根据卫星和/或地面站的动作任务生成第一控制命令集，第一控制命令集中包含有若干个卫星和/或地面站的动作任务列表。控制命令可以按照二进制的方式显示以表示其状态，例如当其值为“1”时表示“执行动作任务”，当其值为“0”时表示“略过动作任务”。控制命令可以用于描述需要解决的问题并且用户控制与动作任务关联的其他任务的执行与否。例如，在卫星进行成像任务时，控制命令能够指示卫星执行与地面站的特定通信任务，可以指示另一个卫星在某个预定的时间段内对指定区域进行成像。控制命令可以按照列表的方式进行存储或显示，并且调度优化模块能够基于卫星协同调度系统的变化生成新的控制命令。例如，在添加了新的地面站或新的卫星时，便允许执行新的成像任务和下行链路的通信。

优选的，第一控制命令能够包含卫星协同调度系统中所有组件需要采取的所有可能的动作任务。第一控制命令彼此之间通常是具有冲突而不能同时执行的。例如，卫星不能在下传任务数据的情况下执行成像任务，也不能一次与两个以上的地面站进行通信。还例如，在执行控制命令的两个动作任务时，可能没有足够的时间能够将卫星改变至所需的移动方向或者改变地面站的天线的方向。即使控制命令彼此之间不存在冲突，控制命令包含的动作任务也可能导致卫星出现例如是耗尽电池电量的非理想状态。执行控制命令的冲突可能存在于卫星与地面站之间，也可能存在于多个卫星之间。基于上述冲突能够生成与第一控制命令相关联的冲突集。

优选的，如图2所示，卫星协同调度系统还包括约束生成模块8。约束生成模块8能够基于控制命令存在的冲突生成约束以限制控制命令中冲突的动作任务的执行。基于控制命令生成器在一段时间周期内产生的若干个控制命令能够得到控制命令集，控制命令集揭示了在一段时间周期内卫星协同调度系统的所有组成元件的动作任务情况。控制命令和约束能够一同传输至调度优化模块以对计划表进行优化。具体的，初始状态的给定的计划表往往违反约束生成模块的约束而不能实现，调度优化模块能够基于输入的控制命令和约束进行处理以判断哪些控制命令能够执行，哪些控制命令不能够执行，进而实现对计划表的优化调整。

优选的，调度优化模块被配置为通过改变控制命令的状态的方式对计划表进行优化调整。例如，基于所述第一控制命令集选择需要改变状态的第一控制命令，将第一控制命令由“执行”切换为“略过”。调度优化模块为每一个控制命令配置一个效用值以作为控制命令状态发生改变时是否接受该改变的依据。例如，在将第一控制命令由“略过”切换为“执行”时，第一控制命令状态改变之后的第二效用值较其状态改变之前的第一效用值增加，便表明第一控制命令状态的改变达到了优化计划表的作用，该状态的改变能够被系统接受。效用值是任何给定的动作任务的例如是加权值的度量值。效用值能够基于例如是采集的成像数据、卫星所需的用于存储成像数据的存储控制以及成像数据下传过程进行计算。效用值用于评判控制命令状态的改变对计划表的优化调整的影响程度。当效用值基于控制命令状态的改变而增加时，表明控制命令的改变使得计划表能够更有效地执行并以更好的状态完成动作任务的执行。例如，在现有计划表的基础上，基于约束的存在，使得卫星无法在指定的时间段对指定区域进行整体成像。控制命令的状态改变使得其包含的动作任务的执行被调整，当控制命令状态的改变使得效用值增加则表明基于调整后的计划表，卫星能够在指定的时间段对指定区域进行整体成像。具体的，效用值能够通过如下函数进行计算：W＝αA+βD+L+E，其中，α和β满足函数关系|α+β|＝1。W表示效用值，α和β是常数。A是设定的需要卫星采集的成像数据的总量，单位可以是兆字节。D是设定的需要通过卫星传输至地面站的成像数据所需占用的存储容量，单位可以是兆字节。L是计划表和遥测数据进行交换的情况下的执行命令数量与受控的通信次数之和与常数之间的乘积，常数小于1。L也可以理解为遥测值。E是不考虑下载数据的通过次数的附加计数。

优选的，如图1所示，调度优化模块被配置为按照如下步骤对计划表进行优化调整：

S1：按照单次改变单个控制命令的状态的方式基于控制命令集选择需要改变状态的第一控制命令。

若干个针对例如是卫星和地面站的系统的不同组成部件的控制命令能够按照集成的方式形成控制命令集。调度优化器从控制命令集中选择要改变状态的控制命令。控制命令集可以是在一定时间段内的整个系统调度系统的调度建议计划表。

优选的，调度优化模块为每一个控制命令生成附加识别信息以在改变控制命令的状态的情况下，通过相应地调整附加识别信息以直观地反映控制命令的状态改变。调度优化模块会针对每一个控制命令的状态改变而生成预计结果以作为附加识别信息。例如，将“与地面站建立下行链路”的控制命令的由略过切换为执行的情况下，其可能导致卫星中的数据容量以及其电池充电状态降低，导致主要的下行链路操作违反已有的绑定状态，或者会干扰同一卫星或附近卫星的其他操作。

优选的，调度优化模块能够为不同控制命令按照生成附加标记的方式进行注释以实现对控制命令进行排序。例如，控制命令中可能涉及到具有不同的硬件配置或不同状态的卫星、处于调试状态的卫星或者需要优先访问的处于故障排除状态的卫星、必须优先的考虑的例如是第三方输入的实验或维护命令。当具有上述特殊需求的控制命令要求其状态的改变优先于找到全局最优时，则调度优化模块会将此控制命令按照反映优先级的方式进行处理。具体的，调度优化模块可以基于建立优先级的附加标记将对应的控制命令标记为已锁定和未锁定。调度优化模块选取未锁定的控制命令以改变其状态并完成其优化。优化完成后，未锁定的控制命令的附加标记切换为已锁定以使得调度优化模块能够根据例如是第三方定义的优先级选取另一个处于未锁定状态的控制命令。

S2：确定控制命令状态的改变是否产生违背约束，其中，在控制命令状态的改变而产生违背约束的情况下，计算与其对应的效用惩罚。

优选的，每一条控制命令状态的改变均可能与其它控制命令产生冲突，基于冲突的存在会形成相应的约束。例如，卫星不能在下传任务数据的情况下执行成像任务，也不能一次与两个以上的地面站进行通信。还例如，在执行控制命令的两个动作任务时，可能没有足够的时间能够将卫星改变至所需的移动方向或者改变地面站的天线的方向。即使控制命令彼此之间不存在冲突，控制命令包含的动作任务也可能导致卫星出现例如是耗尽电池电量的非理想状态。执行控制命令的冲突可能存在于卫星与地面站之间，也可能存在于多个卫星之间。约束的产生是由约束生成模块完成的。基于控制命令状态的改变能够新增约束或者消除现有约束。违背约束可以按照形成具有数据结构的列表的方式进行存储。违背约束可以包含关于冲突的信息。例如，受约束影响的控制命令或者不能同时执行的控制命令的列表。当只允许一个控制命令处于执行状态，但实际有两个或多个控制命令被第三方要求执行的情况下，便会产生冲突以生成违背约束。

优选的，效用惩罚是用于评判违背约束对效用值的影响程度。效用惩罚的计算过程中仅考虑受违背约束影响的控制命令以使得对控制命令状态变化的评估所需的时间更短。例如，每一个违背约束均可以包含由多个受其影响的控制命令形成的列表，在多于一个控制命令的状态同时改变为执行以要求其同时被执行的情况下，该操作所产生的效用值便会受到效用惩罚的削弱。效用惩罚的计算能够基于卫星协同调度系统的稀疏性以使得评估时间更短，计划表的优化过程更快达到收敛状态。具体的，例如是卫星的动作任务的执行与取消通常是不会影响大量其他卫星的。违背约束的产生是在例如是卫星被要求同时与地面站进行通信或卫星被要求同时对同一指定区域进行成像，该约束违背导致的冲突并不会影响到其他卫星而只会影响到与其关联的卫星。调度优化模块在对计划表按照改变控制命令的状态进行优化时，能够避免对所有控制命令进行优化。

S3：基于效用函数计算选取的控制命令的效用值并基于效用惩罚对效用值进行修正，在第一控制命令的改变使其效用值增大的情况下，按照接受第一控制命令状态的修改以完成对计划表的优化调整。在效用值减小的情况下，不接受当前控制命令的状态修改。例如，分别计算第一控制命令的在状态改变之前与之后的第一效用值和第二效用值，并基于效用惩罚完成对第二效用值的校正以得到第三效用值，其中，在第三效用值大于第一效用值的情况下，按照接受第一控制命令的状态更改的方式对计划表进行优化调整。

优选的，每一个控制命令可能与若干个其他控制命令产生若干个不同的冲突，使得每一个控制命令的执行会违背若干个不同的约束。例如，以卫星执行地球的成像任务并将其获得的成像数据传输至地面站的过程为例，每一个控制命令均可以至少包括对象、时间、地点和发生事件四个要素，对象是指卫星和地面站。控制命令可以是卫星在A时间段内对B区域执行成像任务，并在C时间将成像数据下传至D地面站。在控制命令同时执行的情况下便会不同类型的冲突。例如a卫星和b卫星的对同一区域的成像时间冲突，a卫星和b卫星分别与同一地面站的通信时间冲突或者同一地面站的存储容量不足导致的冲突。控制命令与其可能产生的冲突按照相互关联的方式进行存储。如表1所示，控制命令#1～#4与冲突#a关联，控制命令#5与冲突#a和冲突#b均关联，控制命令#6和控制命令#7与冲突#b关联。控制命令#8～#10与冲突#c关联。将与指定的冲突相关联的且状态为执行状态的控制命令数量由M表示，并定义M<2时关于该指定冲突的效用惩罚为零。在M≥2时将该指定冲突的效用惩罚定义为M-1。效用惩罚小于等于1则表明效用惩罚处于解除状态。效用惩罚的上述定义表明基于同一冲突最多只能有一个处于被执行状态的控制命令，在存在两个以上的控制命令处于被执行状态时，其会导致违背约束的产生以使得控制命令不能够被执行。例如，如表1所示，采用二进制的方式表示控制命令的状态，数字“1”表示控制命令被执行，数字“0”表示控制命令被略过。与冲突#a关联的控制命令中有四个处于被执行状态，数量大于2，从而冲突#a的效用惩罚为4-1＝3。控制命令#1、控制命令#3、控制命令#4和控制命令#5会基于冲突#a产生违背约束而不能够同时被执行。优选的，按照冲突集中的冲突数量呈递减的方式确定第一控制命令的选取顺序。例如，冲突集可以使由表1中冲突#a、冲突#b和冲突#c组成，其中，控制命令#5与冲突#a和冲突#b关联，其余的控制命令均与单个的冲突关联。因此，控制命令#5可以作为第一个被选取的控制命令。优选的，在所述第一控制命令所关联的冲突的数量相同的情况下，基于固有优先级确定第一控制命令的选取顺序。例如，第一控制命令的固有优先级可以基于其包括的需要执行的动作任务所涉及的卫星5和地面站6的重复程度进行确定。在控制命令#1包括a卫星和b地面站时，其他控制命令的执行有可能也需要a卫星和b地面站，当a卫星和b地面站所涉及的控制命令越多时，a卫星和b地面站重复程度便越高，表明卫星和地面站所涉及的任务关注点较高，其存在较高的固有优先级而应该被优先执行。

表1

	冲突#a	冲突#b	冲突#c
				控制命令#1	1
控制命令#2	0
				控制命令#3	1
控制命令#4	1
				控制命令#5	1	1
控制命令#6		0
				控制命令#7		1
控制命令#8			1
				控制命令#9			1
控制命令#10			1

优选的，在基于效用函数计算获得关于控制命令#5的效用值为M的情况下，将控制命令#5的状态由“1”切换为“0”而使得其效用值减小0.5，切换后关于冲突#a的惩罚效用由3减小为2，关于冲突#b的惩罚效用由1减小为0，关于冲突#c的惩罚效用保持不变。效用值的修正方式为从效用值中扣除惩罚效用。效用惩罚与效用值按照求差的方式进行校正。优选的，在效用值的增大值大于惩罚效用的增大值，或者效用值的减小值小于惩罚效用的减小值的情况下，按照接受第二控制命令的状态改变的方式对计划表进行再次优化调整。例如，总的惩罚效用减小值为2，即总的惩罚效用的值为-2，通过惩罚效用对效用值进行修正0.5-(-2)＝1.5，表明效用值经过修正后增加了1.5。进而系统接受控制命令#5的状态改变。在效用值减小的情况下，不接受当前控制命令的状态修改，并将其恢复至其初始状态。

优选的，在效用值增大且接受当前第一控制命令的状态修改的情况下，选择另外一个第一控制命令再一次进行优化，直至所有惩罚均消除的情况下，完成计划表的优化调整。优选的，在所有第一控制命令的状态改变的情况下，基于处于略过状态的第一控制命令生成第二控制命令集，其中，在至少一个第一控制命令执行完成的情况下，基于与执行完成的第一控制命令相关联的冲突选取与该冲突关联的第二控制命令以完成对计划表的再次优化调整。第二控制命令的状态改变是否被接受的判断标准与第一控制命令相同。

优选的，第二控制命令的选取可以基于与执行完成的第一控制命令相关联的至少一个冲突筛选出与该冲突相关联的至少一个第二控制命令。例如，如表1所述，控制命令#1执行完成时，与控制命令#1相关联的为冲突#a，与冲突#a相关联的处于略过状态的为控制命令#2，因此，可以选取控制命令#2作为第一个被选取的第二控制命令。在存在多个与冲突#a关联的处于略过状态的第二控制命令状态的情况下，基于与执行完成的第一控制命令相关联的卫星和地面站，从筛选出的至少一个第二控制命令中再次筛选出与该卫星和该地面站相关联的单个第二控制命令。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种卫星调度的优化系统，其特征在于，至少包括调度优化模块，调度优化模块配置为：

基于卫星的动作任务和/或地面站的动作任务生成第一控制命令集；

在控制命令状态的改变而产生违背约束的情况下，计算与其对应的效用惩罚；

根据效用惩罚对基于效用函数计算选取的控制命令的效用值进行修正，在第一控制命令的改变使其效用值增大的情况下，按照接受第一控制命令状态的修改以完成对计划表的优化调整；

基于第一控制命令集选择需要改变状态的第一控制命令并在执行所述第一控制命令的状态改变的情况下，至少基于与所述第一控制命令相关联的冲突确定效用惩罚；

分别计算所述第一控制命令的在其状态改变之前与之后的第一效用值和第二效用值，并基于所述效用惩罚完成对所述第二效用值的校正以得到第三效用值，其中，

在所述第三效用值大于所述第一效用值的情况下，按照接受所述第一控制命令的状态更改的方式对所述计划表进行优化调整。

2.根据权利要求1所述的优化系统，其特征在于，调度优化模块配置为：

至少基于第一控制命令的状态生成与其关联的冲突集；

按照所述冲突集中的冲突数量呈递减的方式确定所述第一控制命令的选取顺序，并基于所述选取顺序依次选取所述第一控制命令集中的每一个第一控制命令并按照改变所述第一控制命令的状态以消除所述效用惩罚的方式对计划表进行优化调整。

3.根据权利要求1所述的优化系统，其特征在于，第一控制命令的状态至少包括执行状态和略过状态，其中，

调度优化模块配置为：

在所有第一控制命令的状态改变的情况下，基于处于略过状态的第一控制命令生成第二控制命令集，其中，

在至少一个所述第一控制命令执行完成的情况下，基于与执行完成的第一控制命令相关联的冲突选取与该冲突关联的第二控制命令以完成对计划表的再次优化调整；

其中，第二控制命令的状态改变是否被接受的判断标准与第一控制命令相同，第二控制命令的选取基于与执行完成的第一控制命令相关联的至少一个冲突筛选出与该冲突相关联的至少一个第二控制命令。

4.根据权利要求3所述的优化系统，其特征在于，调度优化模块配置为：

基于与执行完成的第一控制命令相关联的至少一个冲突选取与该冲突关联的至少一个第二控制命令并切换其状态至执行状态；

基于所述第二控制命令的状态改变计算与其对应的效用值及惩罚效用，在所述效用值的增大值大于所述惩罚效用的增大值，或者所述效用值的减小值小于所述惩罚效用的减小值的情况下，按照接受所述第二控制命令的状态改变的方式对计划表进行再次优化调整。

5.根据权利要求3所述的优化系统，其特征在于，调度优化模块配置为：

基于卫星和地面站的反馈信息以确定卫星的轨道信息的方式获得卫星访问所述地面站的时间顺序，并基于所述时间顺序确定第一控制命令执行完成时所对应的地面站和卫星；

选取与所述第一控制命令执行完成时所对应的地面站和卫星相关联的第二控制命令以改变其状态。

6.根据权利要求3所述的优化系统，其特征在于，调度优化模块配置为：

至少将每一个第一控制命令或每一个第二控制命令与至少一个冲突相关联；

至少将每一个冲突与至少一个第一控制命令或至少一个第二控制命令相关联；

其中：

基于与所述执行完成的第一控制命令相关联的至少一个冲突筛选出与该冲突相关联的至少一个第二控制命令，

基于与所述执行完成的第一控制命令相关联的卫星和地面站从所述筛选出的至少一个第二控制命令中再次筛选出与该卫星和该地面站相关联的单个第二控制命令。

7.根据权利要求1所述的优化系统，其特征在于，调度优化模块配置为按照如下方式选取第一控制命令：

所述第一控制命令能够基于其动作任务所涉及的卫星和地面站的重复程度确定固有优先级；

在所述第一控制命令所关联的冲突的数量相同的情况下，基于所述固有优先级确定所述第一控制命令的选取顺序。

8.根据权利要求1所述的优化系统，其特征在于，调度优化模块配置为按照效用惩罚与第二效用值求差的方式进行校正，其中，

在与指定的冲突相关联且处于执行状态的第一控制命令的数量为M的情况下，所述效用惩罚被定义为M-1，在所述效用惩罚小于等于1的情况下，所述效用惩罚处于消除状态。

9.一种卫星调度的优化方法，其特征在于，所述优化方法包括：

基于卫星的动作任务和/或地面站的动作任务生成第一控制命令集；

在控制命令状态的改变而产生违背约束的情况下，计算与其对应的效用惩罚；

根据效用惩罚对基于效用函数计算选取的控制命令的效用值进行修正，在第一控制命令的改变使其效用值增大的情况下，按照接受第一控制命令状态的修改以完成对计划表的优化调整；

基于第一控制命令集选择需要改变状态的第一控制命令并在执行所述第一控制命令的状态改变的情况下，至少基于与所述第一控制命令相关联的冲突确定效用惩罚；

分别计算所述第一控制命令的在其状态改变之前与之后的第一效用值和第二效用值，并基于所述效用惩罚完成对所述第二效用值的校正以得到第三效用值，其中，

在所述第三效用值大于所述第一效用值的情况下，按照接受所述第一控制命令的状态更改的方式对所述计划表进行优化调整。