一种高效的卫星自主任务规划任务池设计方法及系统

技术领域

本发明涉及一种高效的卫星自主任务规划任务池设计方法及系统，属于卫星姿态轨道控制技术领域。

背景技术

某卫星为我国首次在星上执行自主任务规划算法，任务规划算法复杂、任务信息量大，星载计算机处理器和内存资源受限，如何在现有硬件资源的情况下高效执行任务规划软件对任务的软件设计提出挑战。卫星上注任务量大，卫星需要具备常规上注24小时规划窗口内观测和数传任务数量不小于420个任务数量的能力，同时星上规划算法对同一个上注任务还会动态生成一定数量的任务副本,卫星同时还要具备任务应急(应急上注不小10个观测任务)或动态、滚动插入任务能力；任务规划涉及的任务类型多、数量大，任务信息繁多，单个任务信息数据量最多高达10K bytes以上，以任务数据顺序存储的方式给卫星紧张的内存空间(可用内存区小于4M)和内存空间的动态管理带来较大压力。同时任务信息的大数据量也为任务信息的快速检索和高效访问提出了一定的挑战。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种高效的卫星自主任务规划任务池设计方法及系统，对卫星星上任务信息进行高效管理，能够在星上建立高效的卫星任务信息池，充分利用受限的星载计算机处理器和内存资源，主要在使用自主任务规划技术的遥感类卫星平台上使用。

本发明的技术解决方案是：

一种高效的卫星自主任务规划任务池设计方法，步骤如下：

(1)卫星在轨运行时，实时判断是否执行任务池的动态插入，即判断是否有新任务注入或有新的任务副本产生；若没有新任务注入或没有新的任务副本产生，跳转到步骤(7)，如果有新任务注入或者有新的任务副本产生，则跳转到步骤(2)；

(2)建立或维护卫星一级任务池；

(3)建立或维护卫星一级任务池间的信息关联；

(4)建立或维护卫星成像任务二级任务池；

(5)建立或维护成像任务一级任务池和二级任务池间的信息关联；

(6)建立或维护任务池的多维度索引表，包括：一级任务池全序索引表、卫星轨道当圈任务索引表以及空任务索引表；

(7)对任务池进行访问；

(8)每个卫星轨道圈结束后，对任务池进行动态维护。

进一步的，新任务注入是指地面对卫星上注的新任务，新的任务副本产生是指星载软件由于任务执行方式不同而产生的新的任务。

进一步的，所述步骤(2)建立或维护卫星一级任务池，具体为：

根据遥感卫星任务特点，将任务信息按成像任务和数传任务分为两类，使用结构体数组分别建立一级成像任务池和一级数传任务池，分别可容纳X个成像任务和Y个数传任务；其中，成像任务的信息包括任务状态、任务序号、优先级、子任务索引、子任务数量以及成像数据量；数传任务的信息包括任务时间以及地面站；

一级任务池采用动态插入方式，新的任务动态插入到任务池空白位置，所述新的任务包括新注入的任务或新产生的任务副本。

进一步的，所述步骤(3)建立或维护卫星一级任务池间的信息关联，具体为：

数传任务包括时传任务和非时传任务，均需要成像任务的支持，数传任务和成像任务之间具有对应关系：一个数传任务对应一个成像任务，对应关系为一对一关系，即Y(l)对应X(i)，通过任务序号进行绑定。

进一步的，所述步骤(4)建立或维护卫星成像任务二级任务池，具体为：

根据成像任务单点目标或区域目标的特点，其子任务数量可变，对成像的子任务信息建立二级任务池，二级任务池信息为具体任务特征信息，包括子任务序号、推扫方式、地理坐标、成像的各类时间、姿态机动以及相机状态，二级任务池容纳Z个子任务信息；

二级任务池采用循环覆盖方式，建立二级任务池池位信号，新的子任务信息顺序插入到二级任务池，二级任务池满后采用循环从头覆盖方式；所述二级任务池池位信号是指：指示二级任务池有效子任务信息在池中的占位信息，也即新的任务可插入位置。

进一步的，所述步骤(5)建立或维护成像任务一级任务池和二级任务池间的信息关联，具体为：

在步骤(2)建立的成像一级任务池存放成像任务信息，步骤(4)建立的成像二级任务池存放成像子任务信息，二级子任务信息从属于一级任务池成像任务信息，一级任务池成像任务信息与二级任务池成像子任务信息进行信息关联，对应关系为一对多关系，即：X(i)对应Z(j…k)，在一级任务池成像任务信息增加对二级任务池成像子任务信息的索引信息。

进一步的，一级任务池全序索引表是指：每次新注入任务或新产生任务副本时，根据成像纬度和时间信息，对成像一级任务池进行排序，建立或维护纬度降序、时间升序索引表，为成像和数传任务提供快速访问支持；

卫星轨道当圈任务索引表是指：每个卫星轨道圈开始，根据卫星任务当圈是否可见，在一级任务池挑选当圈可成像或数传任务，按照最优成像、数传时间排序，建立和维护卫星当圈任务索引；

空任务索引表是指：建立一级成像和数传任务池空余空间索引，并在每个卫星轨道圈结束后整理空任务索引表，为新注入任务或新产生任务副本的插入提供索引支持。

进一步的，对任务池进行访问，具体为：

对卫星任务进行24小时任务快速整体规划时，根据一级任务池全序任务索引表，遍历一级任务池，并根据相应的子任务任务索引访问二级任务池；

每个卫星轨道圈进行任务规划与任务执行时，建立卫星轨道当圈任务索引表，根据卫星轨道当圈任务索引表访问两级任务池。

进一步的，每个卫星轨道圈结束后，对任务池进行动态维护，具体为：

每个卫星轨道圈结束后，对本圈执行完成的任务置为失效，并对一级任务池实施碎片整理，维护一级任务池全序索引表和空任务索引表，为新的任务插入提供支持；二级任务池的存储方式为循环覆盖；所述碎片整理是指：将全序索引表中未执行完的任务索引顺序前移，将执行完的任务按顺序放入空任务索引表。

进一步的，每次新任务注入或每次任务规划若产生新的任务副本后后，按照空任务索引表指示，根据任务类型将新任务插入到一级任务池中，针对成像任务，按照成像二级任务池池位信号，将成像子任务信息插入成像二级任务池，维护一级任务池全序索引表，更新空任务索引表。

进一步的，本发明还提出一种卫星自主任务规划任务池系统，包括：

动态插入判断模块：卫星在轨运行时，实时判断是否执行任务池的动态插入，即判断是否有新任务注入或有新的任务副本产生；若没有新任务注入或没有新的任务副本产生，则直接执行任务池访问模块；如果有新任务注入或者有新的任务副本产生，则执行一级任务池建立模块；

一级任务池建立模块：建立或维护卫星一级任务池；

一级任务池关联模块：建立或维护卫星一级任务池间的信息关联；

二级任务池建立模块：建立或维护卫星成像任务二级任务池；

一二级任务池关联模块：建立或维护成像任务一级任务池和二级任务池间的信息关联；

索引表建立模块：建立或维护任务池的多维度索引表，包括：一级任务池全序索引表、卫星轨道当圈任务索引表以及空任务索引表；

任务池访问模块：对任务池进行访问；

动态维护模块：每个卫星轨道圈结束后，对任务池进行动态维护。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明中克服受限的卫星空间和时间，针对卫星任务规划算法涉及的任务信息量大、快速检索以及动态任务插入的问题，提出一种集分类、分级的任务池任务存储和管理方法。一级任务池的动态碎片式整理和二级任务池的循环存储设计策略使原本需要4Mbytes以上的任务数据内存空间压缩为1.5Mbytes左右，有效压缩了卫星自主规划任务数据空间；多维度索引表的建立和统一维护为任务的动态灵活插入和访问任务池提供了高效而可靠的手段。

(2)本发明方法具有普适性，随着卫星智能化的提高，未来很多卫星需要实现在轨自主任务规划，针对任务信息数据管理，本方法提出了一种高效的卫星自主任务规划任务池设计策略。该方法可推广应用于所有带有智能自主任务规划的卫星系统设计中，尤其是在星载计算机资源受限的情况下，该方法效果凸显。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明中两级任务池功能示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明方法克服受限的卫星空间和时间，针对卫星任务规划算法涉及的任务信息量大、快速检索以及动态任务插入的问题，提出一种集分类、分级的任务池任务存储和管理方法，为任务信息数据的高效访问和管理提供一种高效的解决方法。一级任务池的动态碎片式整理和二级任务池的循环存储设计策略使原本需要4Mbytes以上的任务数据内存空间压缩为1.5Mbytes左右，有效压缩了卫星自主规划任务数据空间；多维度索引表的建立和统一维护为任务的动态灵活插入和访问任务池提供了高效而可靠的手段。

如图1所示为本发明方法的流程图，从图1可知，本发明提出的一种高效的卫星自主任务规划任务池设计方法，具体步骤如下：

(1)卫星在轨运行时，实时判断是否执行任务池的动态插入，即判断是否有新任务注入或有新的任务副本产生；若没有新任务注入或没有新的任务副本产生，跳转到步骤(7)，如果有新任务注入或者有新的任务副本产生，则跳转到步骤(2)。

新任务注入是指地面对卫星上注的新任务，新的任务副本产生是指星载软件由于任务执行方式不同而产生的新的任务。

(2)建立或维护卫星一级任务池。根据遥感卫星任务特点，将任务信息按成像任务和数传任务分为两大类，使用结构体数组(数据结构)分别建立一级成像任务池和一级数传任务池，分别可容纳X个成像任务和Y个数传任务。其中，一级成像任务信息包括任务级信息主要包括任务状态、任务序号、优先级、子任务索引、子任务数量、成像数据量等信息。一级数传任务信息包括任务时间、地面站等信息。一级任务池采用动态插入方式，新的任务动态插入到任务池空白位置，跳转到步骤(3)。所述新的任务包括新注入的任务或新产生的任务副本。

(3)建立或维护一级任务池间的信息关联。

数传任务包括时传任务和非时传任务，它们均需要成像任务的支持(卫星姿态机动)，因此数传任务和成像任务之间具有对应关系，一个数传任务需要对应一个成像任务，对应关系为一对一关系Y(l)->X(i)，具体实现时可通过任务序号进行绑定，跳转到步骤(4)。

(4)建立或维护卫星成像任务二级任务池。

根据成像任务单点目标或区域目标的特点，其子任务数量具有可变的特征，为节省卫星内存空间，对成像的子任务信息建立二级任务池，二级任务池信息主要包括子任务序号、推扫方式、地理坐标、成像的各类时间、姿态机动、相机状态等几十类具体任务特征信息，任务池可容纳Z个子任务信息。二级任务池采用循环覆盖方式，建立二级任务池池位信号(指示二级任务池有效子任务信息在池中的占位信息，也即新的任务可插入位置)新的子任务信息顺序插入到任务池，任务池满后采用循环从头覆盖方式，跳转到步骤(5)。

(5)建立或维护成像任务一级任务池和二级任务池间的信息关联。

在步骤(2)建立的成像一级任务池存放成像任务级信息，步骤(4)建立的成像二级任务池存放成像子任务级信息，二级子任务信息从属与一级任务池任务，因此一级任务池任务需要与二级任务池子任务信息进行信息关联，对应关系为一对多关系X(i)->Z(j…k)，只要在一级任务信息增加对二级任务池信息的索引信息(子任务索引)即可，具体实现时可通过指针等数据结构实现，跳转到步骤(6)。

(6)建立或维护各类索引表。

为了实现任务池的高效访问，建立任务池的多维度索引表，具体包括以下几种索引表：

A.建立或维护所有24小时(大于15个卫星轨道圈)一级任务池全序索引表，每次新任务注入后，根据成像纬度和时间信息，对成像一级任务池进行排序，建立或维护纬度降序、时间升序索引表，为成像和数传任务提供快速访问支持；

B.建立或维护卫星轨道当圈任务索引表，每个卫星轨道圈开始，根据卫星任务当圈是否可见，在任务池挑选当圈可成像或数传任务，按照最优成像、数传时间排序，建立和维护卫星当圈任务索引，加快成像和数传任务高效访问支持；

C.建立或维护空任务索引表，建立一级成像和数传任务池空余空间索引，并在每个卫星轨道圈结束后整理空任务索引表，为新任务的插入提供高效的索引支持。

跳转到步骤(7)。

(7)任务池的访问。

A.如图2所示，每次新任务注入或每次任务规划若产生新的任务副本后后，按照空任务索引表指示，根据任务类型将新任务插入到一级任务池中，针对成像任务，按照成像二级任务池池位信号，将成像子任务信息插入成像二级任务池，维护一级任务池全序索引表，更新空任务索引表。跳转到步骤(2)，否则跳转到步骤(7)B.

B.对卫星任务进行24小时任务快速整体规划时

根据一级任务池全序任务索引表，遍历一级任务池，并根据相应的子任务任务索引访问二级任务池。

C.每个卫星轨道圈进行任务规划与任务执行时，根据A整体规划结果，建立卫星轨道当圈任务索引表，根据卫星轨道当圈任务索引表访问两级任务池。

跳转到步骤(8)。

(8)每个卫星轨道圈结束后，任务池的动态维护。

每个卫星轨道圈结束后，对本圈执行完成的任务置为失效，并对一级任务池实施碎片整理，维护一级任务池全序索引表和空任务索引表，为新的任务插入提供高效支持。

所述碎片整理是指：将全序索引表中未执行完的任务索引顺序前移，将执行完的任务按顺序放入空任务索引表

传统遥感类卫星，任务是在卫星轨道圈内由地面逐条发送，卫星执行完再接收下一条任务信息，某卫星为我国首次在星上执行自主任务规划算法，任务规划算法复杂、任务信息量大，卫星上注任务量大，卫星需要具备常规上注24小时成像和数传任务数量不小于420个任务数量的能力。本发明中克服受限的卫星空间和时间，进行集分类、分级的任务池任务存储和管理。一级任务池的动态碎片式整理和二级任务池的循环存储设计策略使原本需要4Mbytes以上的任务数据内存空间压缩为1.5Mbytes左右，有效压缩了卫星自主规划任务数据空间，多维度索引表的建立和统一维护为任务的动态灵活插入和访问任务池提供了高效而可靠的手段。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。