一种基于改进模拟退火算法的地面站资源调度方法和装置

本发明涉及多地面站资源调度，具体涉及一种基于改进模拟退火算法的地面站资源调度方法和装置。

背景技术：

1、随着航天发射日益频繁，可编目的空间目标数量呈现出“爆炸式”增长，目前的地基空间目标观测设备主要为光学和雷达地面站雷达，现有地面站资源调度方法（如传统的人工调度、遗传算法）在复杂约束下存在任务完成度低、计算效率不足等问题，尤其在同时满足雷达与光学地面站的性能约束（如最大探测距离、俯仰角、太阳高度角）和任务约束（如最小观测时间、同时跟踪数量限制）时，难以高效分配观测资源，因而往往只考虑单一种类地面站。地面站对空间目标观测主要面临三大困难：1）约束条件复杂，光学和雷达地面站观测原理不同，考虑的约束存在差异，建模以及求解过程困难；2）数据量庞大，地面站与空间目标之间并非简单的一对一关系，地面站和空间目标数量的增加都会导致产生的观测弧段数据量呈现指数级增长，导致求解运算效率低下；3）多目标优化问题复杂，当求解目标为单目标时会相对简单，但考虑多目标并在多重复杂约束下求解时往往容易陷入局部最优。因此研究空间目标观测地面站资源调度问题具有重要意义。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的第一个目的是提供一种基于改进模拟退火算法的地面站资源调度方法，旨在实现雷达与光学地面站资源的高效一体化调度，提升观测任务完成率并缩短计算时间。解决目前环境下卫星和空间碎片等可编目空间目标数量急剧增加导致传统人工资源调度方法远远无法满足日益庞大的编目需求，进而导致目标观测冲突加剧和设备负荷加重的问题。

2、本发明的第二个目的是提供一种基于改进模拟退火算法的地面站资源调度装置。

3、为实现第一个目的，本发明的第一个技术方案是：一种基于改进模拟退火算法的地面站资源调度方法，包括：

4、步骤s100：对雷达地面站和光学地面站进行统一建模，将观测弧段进行参数化描述，定义空间目标的状态向量，将所述雷达地面站和所述光学地面站的空间目标观测结果在统一语言体系下进行表达；

5、步骤s200：构建雷达与光学一体化资源调度模型，确定条件约束和任务执行约束，构建雷达与光学地面站资源调度目标函数；

6、步骤s300：基于改进模拟退火算法，获取雷达与光学地面站资源调度的初始分配方案并进行优化，获得仿真结果；

7、步骤s400：对所述仿真结果进行分析，绘制甘特图，输出地面站资源调度方案。

8、优选的，步骤s100中，所述参数化描述为：

9、

10、其中，表示方位角覆盖范围，表示俯仰角范围，表示观测弧段。

11、优选的，步骤s100中，通过如下方式将所述雷达地面站和所述光学地面站的空间目标观测结果在统一语言体系下进行表达：

12、；

13、其中，表示观测弧段，表示雷达地面站或光学地面站的传感器对空间目标观测，表示空间目标，表示观测开始时刻，表示观测结束时刻，表示弧段时长持续时间。

14、优选的，步骤s200中，所述条件约束包括：

15、

16、

17、

18、

19、

20、其中，表示对卫星的最小观测时间，τ表示对卫星的观测弧段；表示地面站观测时的俯仰角；表示地面站观测时的方位角，表示光学地面站观测时的太阳高度角；表示地面站对卫星探测时的探测距离。

21、优选的，步骤s200中，任务执行约束包括：

22、

23、；

24、其中，表示光学地面站的传感器跟踪目标数量；表示雷达地面站的传感器跟踪目标数量。

25、优选的，步骤s200中，构建雷达与光学地面站资源调度目标函数表达式为：

26、

27、其中，表示地面站执行的观测弧段长短；表示选择函数；τ为对卫星的观测弧段。

28、优选的，步骤s300中，步骤s300中，还包括建立基于惩罚函数的观测冲突消解方法，消减观测冗余。

29、优选的，步骤s400中，所述地面站资源调度方案包括：存在观测弧段的总目标数量、有效观测目标数量、未观测目标数量、观测完成率、调度方案生成时间和适应度值曲线图。

30、为实现第二个目的，本发明的第二个技术方案是：一种基于改进模拟退火算法的地面站资源调度装置，包括：

31、观测弧段获取模块：根据预定轨道动力学模型，基于地面站设备能力和空间目标位置速度，在满足约束条件情况下，获取观测弧段；

32、约束整合模块：在输入端将雷达地面站与光学地面站的约束条件进行整合，输出统一约束集；

33、地面站初始任务规划模块：读取所获取的观测弧段，基于改进模拟退火算法得到初始资源调度方案；

34、观测冲突消减模块：基于惩罚函数冲突消解法，避免多个地面站对某一目标的观测冗余，生成优化后的资源调度方案；

35、资源调度方案可视化模块：将冲突消减后的资源调度方案使用甘特图进行可视化表达。

36、优选的，所述观测冲突消减模块还用于将所述资源调度方案生成csv文件并储存。

37、上述技术方案的有益效果：

38、本发明提供的基于改进模拟退火算法的地面站资源调度方法和装置。通过地面站资源一体化模型，明确了雷达与光学地面站的观测表达方法，充分考虑了二者观测过程的异同，以及所考虑的约束条件的异同，实现雷达与光学地面站的协同调度，最大化观测资源利用率；本发明通过改进模拟退火算法获得雷达与光学地面站协同观测空间目标的资源调度方案，提高了调度系统的资源调度效率，并缩短了调度方案生成时间，有效节约人力资源；本发明建立了多地面站对空间目标观测冲突消减方法，避免了地面站之间的观测冲突。

1.一种基于改进模拟退火算法的地面站资源调度方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于改进模拟退火算法的地面站资源调度方法，其特征在于，步骤s100中，所述参数化描述为：

3.根据权利要求1所述的基于改进模拟退火算法的地面站资源调度方法，其特征在于，步骤s100中，通过如下方式将所述雷达地面站和所述光学地面站的空间目标观测结果在统一语言体系下进行表达：

4.根据权利要求1所述的基于改进模拟退火算法的地面站资源调度方法，其特征在于，步骤s200中，所述条件约束包括：

5.根据权利要求1所述的基于改进模拟退火算法的地面站资源调度方法，其特征在于，步骤s200中，任务执行约束包括：

6.根据权利要求1所述的基于改进模拟退火算法的地面站资源调度方法，其特征在于，步骤s200中，构建雷达与光学地面站资源调度目标函数表达式为：

7.根据权利要求1所述的基于改进模拟退火算法的地面站资源调度方法，其特征在于，步骤s300中，还包括建立基于惩罚函数的观测冲突消解方法，消减观测冗余。

8.根据权利要求1所述的基于改进模拟退火算法的地面站资源调度方法，其特征在于，步骤s400中，所述地面站资源调度方案包括：存在观测弧段的总目标数量、有效观测目标数量、未观测目标数量、观测完成率、调度方案生成时间和适应度值曲线图。

9.一种基于改进模拟退火算法的地面站资源调度装置，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的基于改进模拟退火算法的地面站资源调度装置，其特征在于，所述观测冲突消减模块还用于将所述资源调度方案生成csv文件并储存。