一种基于对偶分解的空间网络观测任务分布式规划方法

1.本发明属于空间信息技术领域，涉及一种基于对偶分解的空间网络观测任务分布式规划方法。


背景技术：

2.对地观测卫星是空间网络的重要组成部分。由于其观测范围广、不受复杂地理环境限制等优点，对地观测卫星在气象、水文以及环境监测、国家安全等方面发挥的作用日益明显，受到各个国家越来越多的关注和重视。随着观测卫星载荷幅宽与分辨率的增长，其获取地面信息的能力不断增强。然而，对地观测卫星大多为低轨卫星，其与地面站的可见窗口十分有限，从而为海量观测数据的及时回传带来了极大的挑战。面对这一问题，由位于地球同卫星轨道的数据中继卫星协助观测数据中继回传成为了空间网络完成对地观测任务的重要方式之一。因此，空间网络中中继卫星系统与对地观测卫星系统资源协同调度问题受到了越来越多的关注。
3.尽管对地观测卫星系统与中继卫星系统中的资源调度问题目前已经得到充分的研究，但是关于二者资源协同调度的工作十分有限。例如，zhu等人在文献a two-phase genetic annealing method for integrated earth observation satellite scheduling problems中通过两阶段遗传退火算法求解由观测和传输组成的协同对地观测卫星调度问题。wang等人在文献multi-resource coordinate scheduling for earth observation in space information networks中提出了一种由多对地观测卫星和中继卫星组成的多维异构网络资源协同调度方法，通过事件驱动的时间扩展图对空间信息网络上的多资源演化建模，并将问题分解为单独的观测调度和传输调度分别采用扩展传输分时图和有向无环图方法进行求解。然而，集中式任务规划具有复杂度高和计算量大的缺点。
4.虽然现有方法实现了由对地观测卫星、中继卫星系统构成的异构空间网络的集中式的资源系统调度，但是在我国实际场景应用中仍然存在一定的问题：首先，现阶段我国存在较多不同的对地观测卫星系统，例如海洋系列、资源系列、高分系列等，这些系统各自具有独立用户、任务与资源，而现有集中式协同调度方法仅考虑了网络存在一个对地观测卫星系统的情况；其次，现阶段我国不同的对地观测与中继卫星系统隶属于不同的政府单位，分别由独立的运控中心管理自身资源，无法支持由统一的控制中心发起的集中式资源管理机制。因此，针对我国现有空间网络构成与运营管理现状，亟需设计一种分布式的资源调度方法，实现多个对地观测卫星系统与中继卫星系统间资源的协同调度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于对偶分解的空间网络观测任务分布式规划方法，该方法能够实现多个对地观测卫星系统与中继卫星系统之间资源的协同调度。
6.为达到上述目的，本发明所述的基于对偶分解的空间网络观测任务分布式规划方
法包括以下步骤：
7.1)初始化空间信息网络的基本参数；
8.2)建立空间信息网络的时间扩展图；
9.3)各对地观测卫星系统建立待优化本地变量，将0-1变量松弛为连续变量，并以此建立任务规划问题优化模型p；
10.4)各卫星系统初始化迭代参量，令迭代次数t＝0，对偶变量λ
t
＝0；
11.5)各对地观测卫星系统求解所述任务规划问题优化模型p，得最优解并将协作松弛变量本地副本yc发送给中继卫星系统；
12.6)中继卫星系统更新对偶变量λ
t 1
；
13.7)令t 1作为新的迭代次数t；
14.8)当||λ
t 1-λ
t
||2》ε，则跳转至步骤5)，否则，则转至步骤9)，其中，ε为正常数；
15.9)中继卫星系统还原协作松弛变量yc，得到(yc)
*
，并向各对地观测卫星系统发送与(yc)
*
相关的数据；
16.10)各对地观测卫星系统n还原本地松弛变量及(zn)
*
，得松弛变量的最优解；
17.11)各对地观测卫星系统根据松弛变量的最优解完成最优任务规划与资源调度。
18.步骤1)中的空间信息网络包括一个中继卫星系统及多个对地观测卫星系统，所述空间信息网络的基本参数包括空间信息网络中的中继卫星集合r、对地观测卫星系统集合对地观测卫星集合s＝u
1≤n≤n
sn、地面站集合g＝u
1≤n≤ngn
及任务集合om＝u
1≤n≤n
omn，其中，第n个对地观测卫星系统中对地观测卫星集合sn＝{s
n,1
,s
n,2
,
…
,s
n,i
,
…
}，第n个对地观测卫星系统中地面站集合gn＝{g
n,1
,g
n,2
,
…
,g
n,i
,
…
}，规划周期内第n个观测卫星系统任务需求集合omn＝{om
n,1
,om
n,2
,
…
,om
n,i
,
…
}。
19.步骤2)中的空间信息网络的时间扩展图表示为gk(v,a)，其中，v＝vo∪vv为时间扩展图中顶点集合，vo及vv分别为普通顶点集合及虚拟顶点集合，普通顶点表示空间信息网络中观测卫星、地面站和中继卫星在各时隙的副本，虚拟顶点表示中继卫星、地面站接受任务的虚拟汇；普通顶点集合vo＝v
ob
∪vs∪vr∪vg，其中，v
ob
、vs、vr及vg分别代表所有观测目标、观测卫星、中继卫星及地面站在每个时间间隔中副本的顶点集合，时间扩展图中的弧集合a＝a
l
∪as∪ao∪av，a
l
、as、ao及av分别表示链路弧、存储弧、观测弧及虚拟弧集合，a
l
表示各个时隙存在的链路，a
l
＝a
rl
∪a
gl
，其中，a
rl
表示观测卫星与中继卫星之间的链路弧集合，a
gl
表示观测卫星与地面站之间的链路弧集合，as表示顶点通过自身存储空间携带数据能力，ao表示待观测目标与观测卫星之间的观测机会，av表示中继卫星、地面站到虚拟顶点的虚拟链路。
20.步骤3)的具体操作过程为：
21.3a)各对地观测卫星系统建立待优化变量：
[0022][0023]
其中，zn为任务执行变量，0-1变量z
n,i
表示任务om
n,i
是否被成功执行，xn为流变量，f表示任务om
n,i
在时间扩展图上对应的流，x(f)表示时间扩展图上流f的流量，表示弧上流f的流量，表示弧流f的流量，表示弧上流f的流量，表示弧流f的流量，表示弧上流f的流量，为本地变量，变量表示第k个时隙内观测资源(ob
n,i
,s
n,j
)是否被调度，变量表示第k个时隙内通信资源(s
n,i
,g
n,j
)是否被调度，为协作变量，变量表示第k个时隙内通信资源(s
n,i
,rj)是否被调度；
[0024]
3b)各对地观测卫星系统将离散的0-1变量松弛为连续变量，即令
[0025][0026][0027][0028][0029]
3c)建立任务规划问题优化模型p，对于第n个对地观测卫星系统，建立的任务规划问题优化模型p为：
[0030][0031]
s.t
[0032][0033]
[0034][0035][0036][0037][0038][0039][0040][0041][0042][0043][0044][0045][0046][0047][0048][0049][0050][0051]
其中，b
n,i
表示调度周期内观测卫星获取及传输的数据量，为对偶变量，sk(f)和dk(f)分别表示流f在时间扩展图中源顶点的时隙和目的顶点的时隙，n(f)表示流f在时间
扩展图中所在的对地观测卫星系统，fn表示第n个系统在时间扩展图中所对应的流集合，表示观测卫星存储空间的大小，表示一个时隙内对地观测卫星中成像仪能够从观测目标获得的最大数据量，及分别表示所对应链路在一个时隙内能传输数据的最大数据量。
[0052]
步骤6)中继卫星系统通过下式更新对偶变量λ
t 1
；
[0053][0054]
其中，是第t次迭代时的步长，[]

表示在非负实数集上的投影。
[0055]
步骤9)的具体操作为：
[0056]
9a)初始化中继卫星系统未还原协作松弛变量所对应的链路弧集合a
x
＝a
rl
；
[0057]
9b)当则中继卫星系统输出还原后的协作变量，并向各对地观测卫星系统发送与其相关的部分(yc)
*
，否则执行9c)；
[0058]
9c)在集合a
x
中寻找链路弧使其满足
[0059]
9d)令
[0060]
9e)令
[0061]
9f)对于任一链路弧令令并转至步骤9b)，其中，表示与链路弧冲突的弧集合。
[0062]
步骤10)的具体操作为：
[0063]
10a)初始化对地观测卫星系统待还原本地松弛变量对应的弧集合及任务需求集合，令合，令
[0064]
10b)当则转至步骤10g)，否则，则转至步骤10c)；
[0065]
10c)寻找链路弧使其满足
[0066]
10d)令
[0067]
10e)令
[0068]
10f)对任一链路弧令
然后转至步骤10b)；
[0069]
10g)固定本地任务规划问题优化模型p中的变量重新求解本地任务规划问题优化模型p；
[0070]
10h)当存在任务使得z
n,i
《1，则转至步骤10i)，否则，则输出对地观测系统还原后的本地松弛变量
[0071]
10i)寻找任务需求om
n,i
，使其满足
[0072]
10j)寻找观测弧使其满足
[0073]
10k)令
[0074]
10l)令
[0075]
10m)对任一观测弧令
[0076]
10n)将已经固定的变量代入本地任务规划问题优化模型p中，再求解本地任务规划问题优化模型，然后转至步骤10h)。
[0077]
本发明具有以下有益效果：
[0078]
本发明所述的基于对偶分解的空间网络观测任务分布式规划方法在具体操作时，基于时间扩展图建立任务规划问题优化模型，在此基础上，利用对偶因子将该优化问题分解为各对地观测卫星系统基于协作信息以及数据中继卫星的协作信息进行规划子问题的求解，对地观测卫星系统通过与数据中继卫星的交互协同求解规划子问题，从而完成空间网络观测任务分布式协同规划，与现有技术相比，本发明能够很好地适应资源或任务的变化，多个对地观测卫星系统联合中继卫星系统采用分布式的方法实现任务协同规划，且不会导致高度复杂的计算，因此能够适应大规模任务分配需求。
附图说明
[0079]
图1为本发明的空间信息网络场景图；
[0080]
图2为本发明的时间扩展图；
[0081]
图3为本发明的流程图；
[0082]
图4为本发明的中继卫星系统松弛变量还原算法的流程图；
[0083]
图5为本发明的对地观测卫星系统n松弛变量还原算法的流程图。
具体实施方式
[0084]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0085]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0086]
参考图1、图2及图3，本发明所述的基于对偶分解的空间网络观测任务分布式规划方法包括以下步骤：
[0087]
1)初始化空间信息网络的基本参数；
[0088]
参考图1，步骤1)中的空间信息网络包括一个中继卫星系统及多个对地观测卫星系统构成，所述空间信息网络的基本参数包括空间信息网络中的中继卫星系统集合r、对地观测卫星系统集合对地观测卫星集合s＝u
1≤n≤n
sn、地面站集合g＝u
1≤n≤ngn
及任务集合om＝u
1≤n≤n
omn，其中，r＝{r1,r2,
…
,ri,
…
}表示空间信息网络中中继卫星集合，ri表示第i颗中继卫星，符号n表示第n个对地观测卫星系统，对地观测卫星系统n内包含一个运控中心、若干对地观测卫星和地面站。sn＝{s
n,1
,s
n,2
,
…
,s
n,i
,
…
}表示第n个对地观测卫星系统中对地观测卫星集合，s
n,i
表示第n个卫星系统中第i颗对地观测卫星，每颗对地观测卫星的有效载荷包括一台成像仪及一个固态存储器，其存储大小用b表示，两套收发器分别负责与地面站和中继卫星通信，gn＝{g
n,1
,g
n,2
,
…
,g
n,i
,
…
}表示第n个对地观测卫星系统中地面站集合，g
n,i
表示第n个对地观测卫星中第i个地面站。omn＝{om
n,1
,om
n,2
,
…
,om
n,i
,
…
}表示规划周期内第n个观测卫星系统任务需求集合，om
n,i
表示第n个观测卫星系统的第i个任务。
[0089]
2)建立空间信息网络的时间扩展图；
[0090]
参考图2，步骤2)中的空间信息网络的时间扩展图表示为gk(v,a)，该时间扩展图为一个k层有向图，时间扩展图中每一层表示网络中一个时隙，v＝vo∪vv为时间扩展图中顶点集合，vo及vv分别为普通顶点及虚拟顶点集合，普通顶点表示空间信息网络中观测卫星、地面站和中继卫星在各时隙副本，虚拟顶点表示中继卫星、地面站接受任务的虚拟汇。普通顶点集合vo＝v
ob
∪vs∪vr∪vg，其中，v
ob
、vs、vr及vg分别代表所有观测目标、观测卫星、中继卫星和地面站在每个时间间隔中的副本的顶点集合。其中，为所有观测目标在每个时隙内副本的集合，表示观测目标ob
n,i
在第k个时隙的副本，类似的，似的，表示对地观测系统中观测卫星s
n,i
在第k个时隙的副本，在第k个时隙的副本，表示中继卫星ri在第k个时隙的副本，本，表示对地观测卫星系统中地面站g
n,i
第k个时隙的副本，vv＝{vk1≤k≤k}，vk表示第k个时隙的虚拟顶点，a＝a
l
∪as∪ao∪av为时间扩展图中弧集合，a
l
、as、ao及av分别表示链路弧、存储弧、观测弧及虚拟弧集合，a
l
＝a
rl
∪a
gl
为各个
时隙存在的链路，表示观测卫星与中继卫星之间的链路弧集合，其中，表示时间扩展图上从顶点指向的弧，表示观测卫星s
n,i
在第k个时隙内的地理位置，表示在第k个时隙内中继卫星rj的通信范围，表示观测卫星与地面站之间的链路弧集合，表示顶点通过自身存储空间携带数据能力，其中，表示时间扩展图上从顶点指向的弧，表示待观测目标与观测卫星之间的观测机会，其中，表示时间扩展图上从顶点指向的弧，lck(ob
n,i
)表示观测点ob
n,i
的地理位置，表示在第k个时隙内观测卫星s
n,j
的可视范围，表示中继卫星、地面站到虚拟顶点的虚拟链路，其中，表示时间扩展图上从顶点指向vk的弧。
[0091]
3)各对地观测卫星系统建立待优化本地变量，将0-1变量松弛为连续变量，并以此建立任务规划问题优化模型p；
[0092]
步骤3)的具体操作过程为：
[0093]
3a)各对地观测卫星系统建立待优化变量：
[0094][0095]
其中，zn为任务执行变量，0-1变量z
n,i
表示任务om
n,i
是否被成功执行，xn为流变量，
f表示任务om
n,i
在时间扩展图上对应的流，x(f)表示时间扩展图上流f的流量，表示弧上流f的流量，表示弧流f的流量，表示弧上流f的流量，表示弧流f的流量，表示弧上流f的流量，为本地变量，变量表示第k个时隙内观测资源(ob
n,i
,s
n,j
)是否被调度，变量表示第k个时隙内通信资源(s
n,i
,g
n,j
)是否被调度，为协作变量，协作变量表示第k个时隙内通信资源(s
n,i
,rj)是否被调度；
[0096]
3b)各对地观测卫星系统将离散的0-1变量松弛为连续变量，即令
[0097][0098][0099][0100][0101]
3c)建立任务规划问题优化模型p，对于第n个对地观测卫星系统，所述任务规划问题优化模型p为：
[0102][0103]
s.t
[0104][0105][0106][0107][0108][0109]
[0110][0111][0112][0113][0114][0115][0116][0117][0118][0119][0120][0121][0122][0123]
其中，b
n,i
表示调度周期内观测卫星获取及传输的数据量，为对偶变量，sk(f)和dk(f)分别表示流f在时间扩展图中源顶点的时隙和目的顶点的时隙，n(f)表示流f在时间扩展图中所在的对地观测卫星系统，fn表示第n个系统在时间扩展图中所对应的流集合，表示观测卫星存储空间的大小，表示一个时隙内对地观测卫星中成像仪可以从观测目标获得的最大数据量，表示所对应链路在一个时隙内能传输数据的最大数据量。
[0124]
4)各卫星系统初始化迭代参量，即令迭代次数t＝0，布尔变量y
t
＝0，对偶变量
[0125]
5)各对地观测卫星系统求解所述任务规划问题优化模型p，得最优解并将协作松弛变量本地副本yc发送给中继卫星系统；
[0126]
6)中继卫星系统更新对偶变量λ
t 1
，其中，其中表示对应的对偶变量；
[0127]
中继卫星系统通过下式更新对偶变量λ
t 1
；
[0128][0129]
7)令t 1作为新的迭代次数t；
[0130]
8)当||λ
t 1-λ
t
||2》ε，则跳转至步骤5)，否则，则转至步骤9)，其中，ε为一个满足ε≤1的正常数；
[0131]
9)中继卫星系统还原协作松弛变量yc得到(yc)
*
，并向各对地观测卫星系统发送与(yc)
*
相关的数据，其中，
[0132]
参考图4，步骤9)的具体操作为：
[0133]
9a)初始化中继卫星系统未还原松弛变量所对应的链路弧集合，令a
x
＝a
rl
；
[0134]
9b)当则中继卫星系统输出还原后的协作变量，并向各对地观测卫星系统发送与其相关的部分否则，则执行9c)；
[0135]
9c)在集合a
x
中寻找链路弧使其满足
[0136]
9d)令
[0137]
9e)令
[0138]
9f)对于任一链路弧令令并转至步骤9b)。
[0139]
10)各对地观测卫星系统n还原松弛变量及(zn)
*
，得松弛变量的最优解；
[0140]
参考图5，步骤10)的具体操作为：
[0141]
10a)初始化对地观测卫星系统待还原松弛变量对应的弧集合和任务需求集合，令omr＝{om
n,i
|om
n,i
∈omn}，
[0142]
10b)当则转至步骤10g)，否则，则转至步骤10c)；
[0143]
10c)寻找链路弧使其满足
[0144]
10d)令
[0145]
10e)令
[0146]
10f)对任一链路弧令令然后转至步骤10b)；
[0147]
10g)固定本地任务规划问题优化模型p中的变量重新求解本地任务规划问题优化模型p；
[0148]
10h)当存在任务使得z
n,i
《1，则转至步骤10i)，否则，则输出对地观测系统还原后的本地松弛变量
[0149]
10i)寻找任务需求om
n,i
，其满足
[0150]
10j)寻找观测弧满足
[0151]
10k)令
[0152]
10l)令
[0153]
10m)对任一观测弧令
[0154]
10n)将已经固定的变量代入本地任务规划问题优化模型p中，再求解本地任务规划问题优化模型，然后转至步骤10h)。
[0155]
11)各对地观测卫星系统根据松弛变量的最优解完成最优任务规划与资源调度。