[發明專利]一種基于遺傳算法的低軌衛星時間窗規劃方法及系統

有效

• 申請號: 202110602810.4
• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號: CN113269324B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 范欽豪;李黎;李志真;張祥;陳少鵬;廖浩偉;程啟明;左軒塵;張琴;林曉;杜松;段紅林
• 申請（專利權）人: 重慶兩江衛星移動通信有限公司
• 主分類號: G06N3/12
• 分類號: G06N3/12;G06F8/52
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 林菲菲

本發明公開了一種基于遺傳算法的低軌衛星通訊時間窗規劃方法及系統，包括創建初始種群、對種群進行編碼、根據個體的適應度值對種群個體進行篩選、進行遺傳操作、產生新一代種群；循環執行種群個體進行篩選、進行遺傳操作、產生新一代種群，直到子代種群中的所有時間窗口子序列的適應度值小于閾值或循環次數達到預設上限，得到最佳適應度時間窗口序列。其中，遺傳操作包括選擇操作、交叉操作和變異操作。本發明在遺傳算法的基礎上，對時間窗口序列進行了二進制編碼，將時間窗選擇問題進行了簡化，加入了自適應的迭代終止條件，避免了時間的浪費，以及通過調節約束條件的權重，來平衡時間覆蓋率、時間總長度、去沖突度之間的效果。

技術領域

本發明涉及時間窗規劃技術領域，具體涉及一種基于遺傳算法的低軌衛星時間窗規劃方法及系統。

背景技術

在衛星數量日益增多、用戶需求日益復雜的情況下，由于軌道及衛星處理任務的能力限制，一些衛星無法完成用戶提交的復雜任務。但是，由于衛星之間是聯合通信的，當單個衛星無法完成接收到的復雜任務時，該衛星可以先將接收到的復雜任務進行拆分，然后將拆分后的簡單子任務分配給其他不同類型的衛星和地面站進行分別處理，如此提高衛星的利用率。因此，考慮多顆衛星的聯合調度問題，即將可用的多顆不同類型的衛星作為一個整體，從系統的角度對其進行優化分配和利用。然而，考慮多顆衛星聯合調度也會帶來一系列新的問題，例如，如何保證多星多站之間高效有序地運作，如何充分有效地利用星地通訊的時間窗等。

星地通訊時間窗規劃問題存在衛星和地面站數量不固定，以及時間窗數量和長度不固定的難點。多星多站任務調度具有組合優化難度大的特征，當任務數量以及衛星與地面站數量增多時，通過星地通訊時間窗規劃得到的可能解的數量會呈指數倍增長，針對此類問題，通常只能得到近似解，無法得到精確解。并且，如何選擇時間窗是一個NP-Hard問題。

現有的時間窗規劃技術主要是針對遙感衛星的圖像數據傳輸任務進行，該技術的核心點是在時間窗去掉沖突的前提下對高優先級數據傳輸任務進行執行，在這樣的策略下會造成衛星與地面站的通訊時間窗的大量浪費，具有如下兩個明顯缺陷：一是無法保證星地間的通訊狀態覆蓋足夠廣的時間段范圍，二是無法保證星地間足夠長的通訊總時長。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：現有的時間窗規劃無法保證星地間的通訊狀態覆蓋足夠廣的時間段范圍，以及無法保證星地間足夠長的通訊總時長。目的在于，提供一種基于遺傳算法的低軌衛星時間窗規劃方法及系統，解決現有的時間窗規劃方法的缺陷。

本發明通過下述技術方案實現：

一種基于遺傳算法的低軌衛星通訊時間窗規劃方法，包括以下步驟：

步驟1：選擇多個時間窗口序列，每一個時間窗口序列包括多個時間窗口；

步驟2：對所述多個時間窗口序列進行編碼，得到初始種群；

步驟3：構造時間窗口序列的適應度函數模型；

步驟4：利用所述適應度函數模型獲取所述初始種群中所有時間窗口序列的適應度值，得到初始種群的適應度值集合；

步驟5：根據所述適應度值集合對所述初始種群進行隨機篩選，將篩選出的多個時間窗口序列組合成為父代種群，所述父代種群中包括n個時間窗口序列，n小于等于所述初始種群中的時間窗口序列總數；

步驟6：對所述父代種群中的n個時間窗口序列進行遺傳操作，得到新一代種群，所述新一代種群中包括m個時間窗口遺傳序列，m小于n，m為正整數；

步驟7：對所述新一代種群中的m個時間窗口遺傳序列采用部分替換策略，得到子代種群，所述子代種群包括m個時間窗口子序列；

步驟8：利用所述適應度函數模型獲取所述m個時間窗口子序列的適應度值，得到子代種群的適應度值集合；