一种星地一体化开放性协同调度系统及方法与流程

一种星地一体化开放性协同调度系统及方法
【技术领域】
1.本发明涉及航天卫星通信网络技术领域，具体涉及一种星地一体化开放性协同调度系统及方法。


背景技术：

2.随着巨型星座的兴起，任务规划由单星任务往多星自主协同任务规划发展。目前，在轨自主协同任务规划尚处于初步探索阶段，面向网络化协同的星上任务规划研究可以分为集中式和分布式两类。
3.目前大部分星座都采用地面集中式架构，从地面统一分发任务给各类卫星，完成任务。
4.2014年，美国佛罗里达大学的qin采用星上完全集中式架构，提出了基于截止日期的资源平衡式任务分配算法(deadline based resource balancing，dbrb)。dbrb算法配置在ss集群的主星上，需要主星维护每个成员星的最新状态，利用每个成员星的剩余电源电量和搭载的载荷类型选取侯选星，进行任务执行。
5.2017年，法国航空航天研究院的bonnet采用面向方案优化的自适应多agent系统来解决多目标的星座调度问题，系统采用去中心化的分布式调度方法来解决星座的动态调度问题，各个卫星通过本地调度和多次协同沟通来与其他卫星获得一致性意见。
6.上述研究都是采用单独的星上任务规划架构，有一定的局限性，不能对多类任务采用效率最高的任务规划架构。
7.本发明针对当前面向网络化协同的星上任务规划一般采用单独架构的局限性，对多星任务规划协同调度方法及其系统作了技术改进。


技术实现要素：

8.本发明的目的是，提供一种多模态、具有一定自主性、灵活稳定的多星任务规划协同调度系统。
9.为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种星地一体化开放性协同调度系统，用于以卫星覆盖区域目标为任务的多星任务规划协同调度，所述任务包括固定目标点名和重点区域搜索跟踪，所述目标包括军舰、导弹、导弹发射车和军用移动通信车；包括地面中心和若干卫星，所述地面中心和若干卫星通过无线电通讯方式通信；所述系统还包括存储卫星状态信息的卫星状态信息模块、存储目标信息的目标信息模块；所述系统根据任务周期、任务类型决定任务规划决策机制，决定执行任务的卫星，决定卫星状态信息模块、目标信息模块存储位置，划分为完全地面中心控制决策的集中式协同调度架构、任务覆盖区域卫星自主决策的局部分布式协同调度架构和完全由卫星自主决策的完全分布式协同调度架构。
10.优选地，上述的一种星地一体化开放性协同调度系统，当处理常规时效性要求不高任务时，采用集中式协同调度架构，所述卫星上采集数据下传到地面中心做决策；当处理
突发时效性要求高任务时，采用局部分布式协同调度架构或者完全分布式协同调度架构，所述卫星上自主进行任务规划，产生决策。
11.优选地，上述的一种星地一体化开放性协同调度系统，工作于所述集中式协同调度架构时，所述地面中心维护更新卫星状态信息模块、目标信息模块，所述地面中心上包括给卫星分配任务的任务分配决策模块，所述卫星上包括根据分配的任务生成卫星动作序列的动作序列生成模块，所述地面中心和所述若干卫星以主从方式通信进行任务规划决策。
12.优选地，上述的一种星地一体化开放性协同调度系统，工作于所述局部分布式协同调度架构时，所述若干卫星根据一定任务周期内参与任务的卫星动态划分为多个星簇，所述星簇卫星选举出最优的卫星作为虚拟中心，所述虚拟中心维护更新卫星状态信息模块和目标信息模块，所述虚拟中心上包括给星簇卫星分配任务的任务分配决策模块，所述卫星上包括根据分配的任务生成卫星动作序列的动作序列生成模块，所述虚拟中心和所述星簇卫星以主从方式通信进行所述星簇卫星任务规划决策。
13.优选地，上述的一种星地一体化开放性协同调度系统，工作于所述完全分布式协同调度架构时，所述若干卫星本地维护更新卫星状态信息模块、目标信息模块，所述若干卫星本地上包括卫星自主决定任务的任务策略库模块，所述若干卫星本地上包括根据自主决定的任务生成卫星动作序列的动作序列生成模块，所述若干卫星自主进行任务规划决策，所述若干卫星以分布式节点方式通信。
14.优选地，上述的一种星地一体化开放性协同调度系统，工作于所述局部分布式协同调度架构或者所述完全分布式协同调度架构时，所述地面中心包括一个地面干预接口模块，用于地面中心对卫星上自主决策的任务不满意时强行干预、地面中心直接发送任务决策指令给卫星。
15.本发明的再一目的是，提供一种多模态、具有一定自主性、灵活稳定的多星任务规划协同调度方法。
16.为实现上述再一目的，本发明采取的技术方案是一种星地一体化开放性协同调度方法，运行在上述的一种星地一体化开放性协同调度系统上，包括以下步骤：
17.s1、生成任务；
18.s2、如果任务不是预设任务，进入集中式协同调度工作模式；
19.s3、如果任务场景和预设任务场景不是基本相似，进入局部分布式协同调度工作模式；
20.s4、如果任务场景和预设任务场景基本相似，进入完全分布式协同调度工作模式；
21.s5、运行中的局部分布式协同调度工作模式或者完全分布式协同调度工作模式出现异常情况，模式切换进入集中式协同调度工作模式。
22.优选地，上述的一种星地一体化开放性协同调度方法，所述集中式协同调度工作模式运行上述的一种星地一体化开放性协同调度系统集中式协同调度架构上，包括以下步骤：
23.j1、地面中心融合信息，将卫星上传下的所有信息进行融合处理，包括卫星状态、位置和任务完成情况信息和目标的位置、状态信息，存储到目标信息模块和卫星状态信息模块中；
24.j2、地面中心生成决策，地面中心产生一定时间段的全局决策，上传到卫星上去完
成任务，再根据卫星下传的数据判断是否进行重新规划决策；
25.j3、成员卫星生成动作，各成员卫星对于地面中心指派的任务序列产生各自的机动动作，生成动作序列。
26.优选地，上述的一种星地一体化开放性协同调度方法，所述局部分布式协同调度工作模式运行上述的一种星地一体化开放性协同调度系统局部分布式协同调度架构上，包括以下步骤：
27.k1、地面中心进行虚拟中心选择与接力；地面中心指定一个临时虚拟中心进行开放选举广播，根据虚拟中心与任务目标区域相对距离、虚拟中心与所有感知任务目标区域的卫星相对距离、虚拟中心对任务目标区域覆盖时长因素，选举出对任务目标区域最优的卫星作为虚拟中心；当虚拟中心即将离开任务目标区域时，虚拟中心进行开放选举广播，选举出下一个虚拟中心，并进行信息的交接；
28.k2、虚拟中心维护更新目标信息模块、划分星簇并自组网、维护星簇稳定；虚拟中心根据若干卫星返回的观测与跟踪信息，更新全局目标信息，并划分下一任务周期的目标信息模块；虚拟中心根据一定任务周期内会参与任务的卫星，划分动态星簇；虚拟中心根据所有感知任务目标区域的卫星的相对位置，动态的决定卫星接入或离开动态星簇；
29.k3、地面中心对虚拟中心规划决策的任务不满意时强行干预，给星簇卫星分配不同的自身任务目标信息模块；地面中心对经过雷达、电侦扫描筛选后的动态星簇内的卫星分配不同的自身任务目标信息模块；
30.k4、星簇成员卫星对自身任务目标信息模块进行任务链的计算，生成一条有顺序的目标观测链路，产生各自的机动动作，生成动作序列。
31.优选地，上述的一种星地一体化开放性协同调度方法，所述完全分布式协同调度工作模式运行上述的一种星地一体化开放性协同调度系统完全分布式协同调度架构上，包括以下步骤：
32.w1、采用混合滚动双重驱动管理生成任务，包括事件驱动和任务驱动；所述基于事件驱动的任务是对于突发事件卫星上自主进行规划的，根据不同事件动态调整任务协同策略；所述基于任务驱动的任务是任务上注，即对预设好的任务进行规划，有周期性；
33.w2、全局目标信息模块更新维护；全部网内卫星共同维护目标信息模块，更新目标信息模块的最新状态，不同目标状态代表具体任务状态；
34.w3、卫星自主规划；每颗卫星根据全局目标信息模块、目标威胁等级以及附近卫星的位置，自主生成自身对未来一段时间的任务链，产生各自的机动动作，生成动作序列。
35.本发明一种星地一体化开放性协同调度系统及方法有如下有益效果：1、在一个系统中结合了集中式、局部分布式和完全分布式三种任务规划模式，并给出了模式切换的依据；2、与其他传统的完全地面集中式任务规划相比，给系统增加了自主性，在提前训练好的模型上，允许系统自行对某些特定任务场景进行任务规划，缩短任务响应和分配回路，提高系统完成任务的效率；3、同时为了保持系统的稳定性，在局部分布式和完全分布式的模式中，预留了一个地面干预的接口，如果地面对星上自行产生的规划不满意，可以强行干预，直接从地面发送任务指令，比单一的分布式系统稳定性高。
【附图说明】
36.图1是一种星地一体化开放性协同调度系统示意图。
37.图2是一种星地一体化开放性协同调度系统集中式协同调度任务规划决策示意图。
38.图3是一种星地一体化开放性协同调度系统局部分布式协同调度任务规划决策示意图。
39.图4是一种星地一体化开放性协同调度系统完全分布式协同调度任务规划决策示意图。
40.图5是一种星地一体化开放性协同调度方法流程图。
41.图6是一种星地一体化开放性协同调度方法集中式协同调度工作模式示意图。
42.图7是一种星地一体化开放性协同调度方法局部分布式协同调度工作模式示意图。
43.图8是一种星地一体化开放性协同调度方法完全分布式协同调度工作模式示意图。
44.图9是一种星地一体化开放性协同调度方法集中式协同调度工作模式星地间固定目标点名和重点区域搜索跟踪滚动规划调度信息传输流程图。
【具体实施方式】
45.下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。
46.实施例1
47.本实施例实现一种星地一体化开放性协同调度系统。
48.图1是一种星地一体化开放性协同调度系统及方法示意图。如附图1所示，本实施例一种星地一体化开放性协同调度系统，用于以卫星覆盖区域目标为任务的多星任务规划协同调度，所述任务包括固定目标点名和重点区域搜索跟踪，所述目标包括军舰、导弹、导弹发射车和军用移动通信车；所述系统包括地面中心和若干卫星，所述地面中心和若干卫星通过无线电通讯方式通信。本实施例一种星地一体化开放性协同调度系统，包括存储卫星状态信息的卫星状态信息模块、存储目标信息的目标信息模块，根据卫星上任务类型，决定卫星状态信息模块、目标信息模块存储位置以及任务规划决策机制，划分为集中式协同调度架构、局部分布式协同调度架构和完全分布式协同调度架构。当处理常规时效性要求不高任务时，可以采用完全地面中心集中式协同调度架构，星上采集数据下传到地面做决策；当出现突发事件时，可采用局部分布式协同调度架构或者完全分布式协同调度架构，卫星上可以自主进行任务规划，产生决策。
49.图2是一种星地一体化开放性协同调度系统集中式协同调度任务规划决策示意图。如附图2所示，本实施例一种星地一体化开放性协同调度系统，工作于所述集中式协同调度架构时，所述地面中心维护更新卫星状态信息模块、目标信息模块，所述地面中心上包括给卫星分配任务的任务分配决策模块，所述卫星上包括根据分配的任务生成卫星动作序列的动作序列生成模块，所述地面中心和所述若干卫星以主从方式通信进行任务规划决策。
50.图3是一种星地一体化开放性协同调度系统局部分布式协同调度任务规划决策示
意图。如附图3所示，本实施例一种星地一体化开放性协同调度系统，工作于所述局部分布式协同调度架构时，所述若干卫星根据一定任务周期内参与任务的卫星动态划分为多个星簇，所述星簇卫星选举出最优的卫星作为虚拟中心，所述虚拟中心维护更新卫星状态信息模块和目标信息模块，所述虚拟中心上包括给星簇卫星分配任务的任务分配决策模块，所述卫星上包括根据分配的任务生成卫星动作序列的动作序列生成模块，所述虚拟中心和所述星簇卫星以主从方式通信进行所述星簇卫星任务规划决策。
51.图4是一种星地一体化开放性协同调度系统完全分布式协同调度任务规划决策示意图。如附图4所示，本实施例一种星地一体化开放性协同调度系统，工作于所述完全分布式协同调度架构时，所述若干卫星本地维护更新卫星状态信息模块、目标信息模块，所述若干卫星本地上包括卫星自主决定任务的任务策略库模块，所述若干卫星本地上包括根据自主决定的任务生成卫星动作序列的动作序列生成模块，所述若干卫星自主进行任务规划决策，所述若干卫星以分布式节点方式通信。
52.本实施例一种星地一体化开放性协同调度系统，这种开放性协同性架构具有多模态、卫星具有一定自主性、灵活稳定的技术特点。当卫星工作于局部分布式协同调度架构或者完全分布式协同调度架构时，要求卫星上有能进行决策的卫星大脑，能短时间内对任务区域内的卫星及目标信息进行分析处理，产生决策。随着芯片技术和任务规划算法的发展，卫星上能力更高，使局部分布式协同调度架构和完全分布式协同调度架构稳定性更高。
53.综上，本实施例一种星地一体化开放性协同调度系统，所述系统特点：多模态、具备一定自主性、灵活稳定；其创新点在于：1、在一个系统中结合了集中式、局部分布式和完全分布式三种任务规划模式，并给出了模式切换的依据；2、与其他传统的完全地面集中式任务规划相比，给系统增加了自主性，在提前训练好的模型上，允许系统自行对某些特定任务场景进行任务规划，缩短任务响应和分配回路，提高系统完成任务的效率；3、同时为了保持系统的稳定性，在局部分布式和完全分布式的模式中，预留了一个地面干预的接口，如果地面对星上自行产生的规划不满意，可以强行干预，直接从地面发送任务指令，比单一的分布式系统稳定性高。
54.实施例2
55.本实施例实现一种星地一体化开放性协同调度方法。本实施例方法运行在实施例1系统上。
56.图5是一种星地一体化开放性协同调度方法流程图。如附图5所示，本实施例一种星地一体化开放性协同调度方法，运行在上述一种星地一体化开放性协同调度系统上，包括以下步骤：
57.s1、生成任务；
58.s2、如果任务不是预设任务，进入集中式协同调度工作模式；
59.s3、如果任务场景和预设任务场景不是基本相似，进入局部分布式协同调度工作模式；
60.s4、如果任务场景和预设任务场景基本相似，进入完全分布式协同调度工作模式；
61.s5、运行中的局部分布式协同调度工作模式或者完全分布式协同调度工作模式出现异常情况，模式切换进入集中式协同调度工作模式。
62.图6是一种星地一体化开放性协同调度方法集中式协同调度工作模式示意图。如
附图6所示，本实施例一种星地一体化开放性协同调度方法，集中式协同调度工作模式运行在所述集中式协同调度架构上，包括以下步骤：
63.j1、地面中心融合信息，将卫星上传下的所有信息进行融合处理，包括卫星状态、位置和任务完成情况等信息和目标的位置、状态等信息，存到目标信息模块和卫星状态信息模块中；
64.j2、地面中心生成决策，地面中心产生一定时间段的全局决策，根据一定时间间隔上传到卫星上去完成任务，再根据下传的数据判断是否进行重新规划决策；
65.j3、成员卫星生成动作，各成员卫星对于地面中心指派的任务序列产生各自的机动动作，生成动作序列。
66.图7是一种星地一体化开放性协同调度方法局部分布式协同调度工作模式示意图。如附图7所示，本实施例一种星地一体化开放性协同调度方法，局部分布式协同调度工作模式运行在所述局部分布式协同调度架构上，包括以下步骤：
67.k1、地面中心进行虚拟中心选择与接力；通过一个临时虚拟中心进行开放选举广播，根据虚拟中心与任务目标区域相对距离、虚拟中心与所有感知任务目标区域的卫星相对距离、虚拟中心对任务目标区域覆盖时长因素，选举出对任务目标区域最优的卫星作为虚拟中心；当虚拟中心即将离开任务目标区域时，虚拟中心进行开放选举广播，选举出下一个虚拟中心，并进行信息的交接；
68.k2、虚拟中心维护更新目标信息模块、划分星簇并自组网、维护星簇稳定；虚拟中心根据若干卫星返回的观测与跟踪信息，更新全局目标信息，并划分下一任务周期的目标信息模块；虚拟中心根据一定任务周期内会参与任务的卫星，划分动态星簇；虚拟中心根据所有感知任务目标区域的卫星的相对位置，动态的决定卫星接入或离开动态星簇；
69.k3、地面中心给星簇卫星分配不同的自身任务目标信息模块；地面中心对经过雷达、电侦扫描筛选后的动态星簇内的卫星分配不同的自身任务目标信息模块；因为动态星簇内的卫星视场会出现大面积的重叠，所以对动态星簇内的卫星分配不同的自身任务目标信息模块可以提高任务效率，缩短完成任务的时间；
70.k4、星簇成员卫星生成任务链；各星簇成员卫星对于分配的自身任务目标信息模块进行任务链的计算，目的是在自身任务目标信息模块中生成一条有顺序的目标观测链路，保证卫星能观测到的目标最多。
71.本实施例一种星地一体化开放性协同调度方法，局部分布式协同调度工作模式的创新点在于：1、虚拟中心，用虚拟中心代替地面指挥中心的角色；以任务区的方式进行动态星簇的划分，虚拟中心只需要对该区域内的卫星和目标进行初步任务决策，以跟踪任务为例，虚拟中心负责维护目标信息模块的信息，并对动态星簇内的卫星划分各自的任务池，避免任务冲突，提高效率；2、局部分布式，动态星簇中非中心星从虚拟中心收到各自的目标信息模块信息后，进行后续的任务规划，将该目标信息模块规划成带有时间序列的任务链，并进行机动跟踪。
72.图8是一种星地一体化开放性协同调度方法完全分布式协同调度工作模式示意图。如附图8所示，本实施例一种星地一体化开放性协同调度方法，完全分布式协同调度工作模式运行在所述完全分布式协同调度架构上，包括以下步骤：
73.w1、任务生成；
memory，ram)等。
89.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。