一種深空探測器自主任務規(guī)劃時間約束幾何處理方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種深空探測器自主任務規(guī)劃時間約束幾何處理方法，屬于深空探測
技術領域。
【背景技術】
[0002] 在深空環(huán)境下，深空探測器與目標距離遠、飛行時間長、所處環(huán)境動態(tài)多變，傳統(tǒng) 地面站-航天器這樣的控制方法已經無法滿足操作費用、實時性、通訊網絡等各項要求。為 達到較高的實時性要求，在探測器中應用自主技術成為重要途徑。而自主任務規(guī)劃技術是 自主技術的關鍵技術之一。
[0003] 在深空探測領域中，采用自主任務規(guī)劃，需要對時間進行表示、并對時間約束進行 處理。目前，時間約束網方法是探測器自主任務規(guī)劃中采用的時間表示和處理方法，并已經 應用到了探索太空的項目中，如深空一號中自治遠程代理系統(tǒng)、美國規(guī)劃、調度和約束推理 平臺EUR0PA等。時間約束網方法的一個缺點是如果改變其中一個點的約束或者新加入變量 點，就要對所有點的值進行計算，若在規(guī)劃過程中引入一個活動，就會引入2個變量點，2*(n +1)個約束弧(η為原來的變量點），導致計算量急劇增加，不適合快速處理時間約束。
[0004] 由于時間在二維情況下能夠明確表示出時間的開始點、結束點和持續(xù)時間，因此 提出利用二維坐標系對時間進行表示并用幾何方法處理時間約束。該方法首先由Rit提出， 后來Pu jari、Kumari和Sattar進一步討論了一下，其他只是簡單進行了介紹，而最近 Ullberg使用了該方法表示少量的定量約束解決環(huán)境識別問題中的區(qū)間推理問題。上述研 究中雖然做了一定研究，但是沒有詳細給出利用二維坐標系表示時間和處理時間約束的方 法。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對目前深空探測器自主任務規(guī)劃中時間約束處理問題，為了克 服時間約束網計算量大且計算時間長的缺點，提出一種深空探測器自主任務規(guī)劃時間約束 幾何處理方法，是一種驗證時間約束一致性(活動變量值域能夠滿足所有約束)和約束幾何 處理方法，在任務規(guī)劃活動變量眾多的情況下，快速實現(xiàn)時間約束處理，從而滿足探測器實 時性要求。
[0006] 本發(fā)明通過設計時間約束幾何處理方法實現(xiàn)，具體實現(xiàn)步驟如下：
[0007] 步驟1，建立深空探測器時間規(guī)劃問題模型。
[0008] 深空探測器時間規(guī)劃問題由探測器系統(tǒng)狀態(tài)集合、探測器可執(zhí)行活動變量集合、 活動間的約束集合、探測器初始狀態(tài)以及目標狀態(tài)組成，即V= {V1，v2，. . .，vm}。
[0009] 其中，V={V1，V2, . . .，vm}為狀態(tài)變量集合，且VeDv，Dv為探測器能達到的狀態(tài)值 域，m為狀態(tài)變量的數(shù)量;0= {〇1，〇2,...，on}為探測器可執(zhí)行的活動變量集合，η為活動變量 的數(shù)量，任意一個探測器活動〇χ具有開始點s x、結束點ex、持續(xù)時間dx，即ox = {sx，ex，dx}; C為 探測器活動間的約束集合，此處約束為兩個活動間的時間約束，即C(〇x，〇y) = "〇x Cons 〇y"，〇x與〇y為活動間約束對，Cons為活動間約束關系；s。為探測器初始狀態(tài)，即當時間為Ο (相對零點）時，探測器狀態(tài)變量都對應相應的值;g為目標狀態(tài)，即探測器各個變量需要達 到的值。
[0010] 步驟2，對步驟1中探測器活動變量及活動間的時間約束進行表示。
[0011] 在處理時間約束之前，需要對探測器活動變量及時間約束進行表示。
[0012] 1.對探測器活動變量及活動自身約束進行表示。
[0013] 設探測器活動變量集合0= {〇1，02, . . .，Οη}中任意一個探測器活動Ox，且Ox= {sx, ex,dx}。將活動變量ox在二維坐標系下進行表示:橫坐標x為開始點，縱坐標y為結束點，y = x +dx與縱坐標交點的值為持續(xù)時間。
[0014] 對于探測器活動變量ox= {sx，ex，dx}，自身約束為sxe [slx，s2x]、exE [elx，e2x]和 dxe [dlx，d2x]。其中，slx，s2x為活動o x開始點值域的下界和上界;elx，e2x為活動ox結束點值 域的下界和上界;dl x，d2x為活動ox持續(xù)時間值域的下界和上界。如果有相對零點，則slx 2 s2x2 0;slx = s2x時，表示開始點的值域只有一個時刻；同理eld e2x 2 0，dlx2 d2x2 0。
[0015] 2.對深空探測器活動間約束進行表示。
[0016] 設探測器兩個活動變量ox= {sx，ex，dx}和oy= {sy，ey，dy}?；顒娱g約束包括ox開始 點對〇y開始點的約束[ss 1，ss2 ]，ss 1，ss2為約束值域的下界和上界;ox開始點對Oy結束點的 約束[sel，se2]，sel，se2為約束值域的下界和上界;o x結束點對oy開始點的約束[esl，es2]， esl，es2為約束值域的下界和上界;ox結束點點對oy結束點的約束[eel，ee2]，eel，ee2為約 束值域的下界和上界。（ssl，ss2，sel，se2，esl，es2，eel，ee2為任意實數(shù)）。
[0017] 步驟3，根據(jù)探測器活動變量自身約束，對所有探測器活動變量值域進行自我削 減。
[0018] 自我削減方法為：活動變量~={&，&，心}初始值域為^已[81^82」、^已[ 61^ e2x]和dxe [dlx，d2x]。利用幾何表示方法，二維坐標系下開始點值域范圍界限為x = slx與X =82。結束點值域范圍界限為7 = 6]^與7 = 62\，持續(xù)時間值域范圍界限為7 = 1+(1]^與7 =叉+ d2x。六條直線相交于12個交點。從12個交點中挑選滿足條件的交點：Xe[elx，e2 x]，ye [elx，e2x]，y￡ [x+dlx，x+d2x]。剩余η個點(η < 12)，其中任意一點表示為(xn，yn)。
[0019] 經自我削減后，探測器活動變量0x值域為Sxe[ srx，s2'x]、exe[ el'x，e2'xWPdxe ,sl ,x = min(xn),s2 ,x = max(xn) ,el ,x = min(yn),e2 ,x=max(yn) ,(11^ = min(yn_xn)，d2 'X=max(yn-xn)。其中min表示最小值，max表示最大值。
[0020] 步驟4，從深空探測器活動間約束對中任意選擇一對以〇\，<^) = 〃<^〇118(^〃根據(jù)(^ 值域和約束關系Cons推導〇y的值域。分別推導〇y的開始點值域、結束點值域和持續(xù)時間值 域。
[0021 ]步驟4.1，對于Oy的開始點值域[sly，s2y]，ox和約束[ssl，ss2]、[esl，es2]對[sly, s2y]有影響。在坐標系中，為了兩個約束同時滿足，〇y的開始點可行區(qū)域
[0022] Availablex= [slx+ssl，s2x+ss2] Π [elx+esl，e2x+es2] (1)
[0023] 如果交集為空，則表示沒有值同時滿足兩個約束，整個時間約束處理過程結束，結 論為時間約束不一致，即無法得到滿足所有時間約束的活動值域。如果交集不為空，則進行 步驟4.2。
[0024] 步驟4.2,對于oy的結束點值域[ely，e2 y]，ox和約束[sel，se2]和[eel，ee2]對其有 影響。在坐標系中，為了兩個約束同時滿足，0y的結束點可行區(qū)域為
[0025] Availabley= [slx+sel，s2x+se2] Π [elx+eel，e2x+ee2] (2)
[0026] 如果交集為空，則表示沒有值同時滿足兩個約束，整個時間約束處理過程結束，結 論為時間約束不一致，即無法得到滿足所有時間約束的活動值域。如果交集不為空，則進行 步驟4.3。
[0027]步驟4.3，對〇y的持續(xù)時間值域，由式(3)獲得。
[0028] Availabled = dl Π d2 Π d3 Π d4 (3)
[0029] 其中，dl = [sel_ss2, se2_ssl ]，d2=[eel_es2, ee2_esl ]，d3 = [d31，d32]，d4 = [d41，d42];且
[0030] d31=min(dlx-ssl+eel，dlx-ssl+ee2，dlx-ss2+eel，dl x-ss2+ee2)，
[0031 ] d32=max(d2x-ssl+eel，d2x-ssl+ee2，d2x-ss2+eel，d2 x-ss2+ee2)，
[0032] d41=min(-dlx-esl+sel，-dlx-esl+se2，-dlx-es2+sel，-dl x-es2+se2)，
[0033] d42=max(-d2x-esl+sel，-d2x-esl+se2，-d2x-es2+sel，-d2 x-es2+se2) 〇
[0034] min表示幾個值中的最小值，max表示幾個值中的最大值。
[0035]根據(jù)式（1)_(3)，得〇y最后可行值域
[0036] Avai lable= Avai lab lex Π Availabley Π Availablea (4)
[0037] 如果交集為空，則表示沒有值同時滿足兩個約束，整個時間約束處理過程結束，結 論為時間約束不一致，即無法得到滿足所有時間約束的活動值域。如果交集不為空，則進行 步驟5。
[0038] 步驟5,步驟4中求出的oy可行值域Available與oy原值域s ye [sly，s2y]，eye [ely, e2y]和dye [dly, d2y]進行幾何相交。探測器活動oy開始點新值域為Intersect ionx = Availablex Π [sly，s2y]，探測器活動oy結束點新值域為Intersectiony = Availabley Π [ely，e2y]，探測器活動oy持續(xù)時間新值域為Intersectiond = Availabled Π [dly，d2y]。最終 求得〇y新值域Intersection:IntersectionxΠ Intersectiony Π Intersectiond。如果交集 為空，整個時間約束處理過程結束，結論為時間約束不一致，即無法得到滿足所有時間約束 的活動值域。如果交集不為空，則進行步驟6。
[0039]步驟6,比較Oy新值域Intersection與原值域是否相同，若不同，則將與Oy相關的約 束對再次加入到約束對集合C中。同時，將約束