本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信的技術領域，尤其是涉及一種空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃方法和裝置。

背景技術：

對地觀測是空間信息網(wǎng)絡的最重要應用場景之一。對地探測衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)性，導致只有的衛(wèi)星與探測目標之間的可見情況下才能進行探測，并且對探測目標進行觀測的衛(wèi)星不能直接與地面站建立連接，當該衛(wèi)星進入地面站的通信范圍內(nèi)才能夠進行數(shù)據(jù)下傳。因此，對地觀測衛(wèi)星對目標的觀測是一個基于時間和空間約束的資源映射問題，即需要將有限的衛(wèi)星或星上傳感器資源分配到不同的任務時間段上，所以需要高效的衛(wèi)星任務規(guī)劃技術對衛(wèi)星資源進行分配調(diào)度。根據(jù)不同的需求，任務規(guī)劃的目標也不同，比如，最小化傳輸延遲，最大化探測成功率，最大化探測收益，調(diào)用衛(wèi)星資源最少等。由于空間網(wǎng)絡固有的開放空間環(huán)境，使得網(wǎng)絡節(jié)點可能面臨諸多安全威脅。在入侵攻擊場景下，為了應對空間信息網(wǎng)絡面臨的各種安全威脅，保障對地探測任務順利完成，有必要研究針對入侵攻擊的空間信息網(wǎng)絡任務規(guī)劃方法。

空間信息網(wǎng)絡任務規(guī)劃涉及對地觀測、數(shù)據(jù)傳輸和資源分配等諸多過程，影響因素和約束條件眾多?，F(xiàn)有的研究主要利用混合整數(shù)規(guī)劃模型對多星多任務規(guī)劃進行建模，明確任務規(guī)劃過程中關于時間、空間和資源等方面的約束，并基于約束滿足優(yōu)化規(guī)劃的方法進行優(yōu)化模型的建立。由于此模型的求解是一個NP難問題，所以很多完全搜索算法或啟發(fā)式算法被提出，例如，深度優(yōu)先搜索、動態(tài)規(guī)劃、貪婪搜索、禁忌搜索、遺傳算法、模擬退火和蟻群算法等。但這些任務規(guī)劃方法沒有考慮入侵攻擊的影響。在存在入侵攻擊的情況下，衛(wèi)星節(jié)點會被干擾或失效，從而導致分配給該衛(wèi)星的任務無法完成。因此在進行任務規(guī)劃時，需要盡可能降低任務未完成的風險，最大化期望探測收益。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃方法和裝置，以緩解現(xiàn)有技術中在任務分配過程中由于分配不合理導致探測收益較差的技術問題。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一個方面，提供了一種空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃方法，包括：獲取探測衛(wèi)星的集合和所述探測衛(wèi)星的探測任務集合，其中，所述探測衛(wèi)星的集合中包括至少一個探測衛(wèi)星的信息，所述探測任務集合中包括至少一個探測目標的信息；獲取多個變量，其中，所述多個變量用于確定所述探測衛(wèi)星的資源分配方式，其中，所述資源分配方式包括探測資源的分配方式和/或防御資源的分配方式；基于所述探測衛(wèi)星的集合，所述探測任務集合和所述多個變量，構建目標函數(shù)，以及構建所述目標函數(shù)的約束條件；基于所述約束條件對所述目標函數(shù)進行最優(yōu)求解，以根據(jù)最優(yōu)求解結果確定所述探測衛(wèi)星的最優(yōu)資源分配方式。

進一步地，獲取多個變量包括：獲取第一變量x_i,k,t，其中，x_i,k,t用于確定是否在探測衛(wèi)星k的第t個時間窗口執(zhí)行對探測目標i的探測任務；獲取第二變量y_i,j，其中，y_i,j用于確定對所述探測目標i和探測目標j的探測任務是否均由所述探測衛(wèi)星k執(zhí)行，并且所述探測目標i在所述探測目標j之前執(zhí)行；獲取第三變量t_i，其中，t_i表示對所述探測目標i開始執(zhí)行探測任務的時刻；獲取第四變量DA_k，其中，DA_k表示預先為所述探測衛(wèi)星k分配的防護資源DA_k。

進一步地，基于所述探測衛(wèi)星的集合，所述探測任務集合和所述多個變量構建目標函數(shù)的約束條件包括：基于所述第四變量DA_k構建第一組約束條件；基于所述第一變量，所述第二變量，所述第三變量，所述探測衛(wèi)星的集合和所述探測任務集合，構建第二組約束條件；基于所述探測衛(wèi)星的集合，所述探測任務集合和所述多個變量構建目標函數(shù)包括：基于所述探測衛(wèi)星的集合，所述探測任務集合和所述多個變量，分別構建第一目標函數(shù)和第二目標函數(shù)，其中，所述第一目標函數(shù)用于確定所述防御資源的最優(yōu)分配方式，所述第二目標函數(shù)用于確定所述探測資源的最優(yōu)分配方式。

進一步地，基于所述約束條件對所述目標函數(shù)進行最優(yōu)求解，以根據(jù)最優(yōu)求解結果確定所述探測衛(wèi)星的最優(yōu)資源分配方式包括：以所述探測資源的初始分配方式作為所述探測資源當前時刻的分配方式，反復執(zhí)行下述步驟，直至滿足迭代停止條件，基于所述探測資源當前時刻的分配方式，使用所述第一組約束條件和所述第一目標函數(shù)計算所述防御資源當前時刻的分配方式；基于所述防御資源當前時刻的分配方式，使用所述第二組約束條件和所述第二目標函數(shù)計算所述探測資源下一時刻的分配方式，并將所述探測資源下一時刻的分配方式作為所述探測資源當前時刻的分配方式，返回執(zhí)行使用所述第一組約束條件和所述第一目標函數(shù)計算所述防御資源當前時刻的分配方式的步驟，所述下一時刻為所述當前時刻的下一時刻，其中，所述迭代停止條件為所述防御資源下一時刻的分配方式與所述防御資源當前時刻的分配方式的誤差，以及所述探測資源下一時刻的分配方式與所述探測資源當前時刻的分配方式的誤差均小于或者等于預設誤差。

進一步地，基于所述第四變量DA_k構建第一組約束條件包括：通過第一公式計算所述探測衛(wèi)星k的脆弱性，其中，r為預先配置的冪指數(shù)，并且r>1，v_k表示所述脆弱性；根據(jù)第二公式計算所述探測衛(wèi)星k的可用性值，a_k表示所述可用性值；將所述第二公式第一不等式以及第一不等式DA_k≥0作為所述第一組約束條件，其中，

進一步地，基于所述探測衛(wèi)星的集合，所述探測任務集合和所述多個變量，構建第一目標函數(shù)包括：通過公式構建所述第一目標函數(shù)，其中，所述第一目標函數(shù)用于確定所述探測衛(wèi)星的防御資源分配方式，R表示所述探測衛(wèi)星集合，M表示所述探測任務集合，N_i,k表示所述探測目標i占用所述探測衛(wèi)星k時所允許的時間窗口數(shù)目，所述第t個時間窗口為所述所允許的時間窗口中的第t個窗口，a_k表示所述探測衛(wèi)星k的可用性值，w_i表示所述探測目標i所能獲得的收益。

進一步地，基于所述第一變量，所述第二變量，所述第三變量，所述探測衛(wèi)星的集合和所述探測任務集合，構建第二組約束條件包括：根據(jù)第三公式構建所述第二組約束條件中的第一個約束條件，其中，R表示所述探測衛(wèi)星集合，M表示所述探測任務集合，N_i,k表示所述探測目標i占用所述探測衛(wèi)星k時所允許的時間窗口數(shù)目，所述第t個時間窗口為所述所允許的時間窗口中的第t個窗口；根據(jù)第四公式構建所述第二組約束條件中的第二個約束條件，其中，j∈M,i≠j,根據(jù)第五公式構建所述第二組約束條件中的第三個約束條件，其中，t_j表示所述探測目標j開始執(zhí)行的時間，和分別表示所述探測目標i占用所述探測衛(wèi)星k時所允許的第t個時間窗口的開始時間和結束時間，p_i,k為所述探測目標i的執(zhí)行時間，s_i,j,k為當所述探測目標i和所述探測目標j均在所述探測衛(wèi)星k上執(zhí)行時，所述探測目標i完成后繼續(xù)完成所述探測目標j所需要的轉換時間。

進一步地，基于所述探測衛(wèi)星的集合，所述探測任務集合和所述多個變量，構建第二目標函數(shù)包括：通過公式構建所述第二目標函數(shù)，其中，所述第二目標函數(shù)用于確定所述探測衛(wèi)星的探測資源分配方式，a_k表示所述探測衛(wèi)星k的可用性值，w_i表示所述探測目標i所能獲得的收益。

根據(jù)本發(fā)明實施例的另一個方面，還提供了一種空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃裝置，包括：第一獲取單元，用于獲取探測衛(wèi)星的集合和所述探測衛(wèi)星的探測任務集合，其中，所述探測衛(wèi)星的集合中包括至少一個探測衛(wèi)星的信息，所述探測任務集合中包括至少一個探測目標的信息；第二獲取單元，用于獲取多個變量，其中，所述多個變量用于確定所述探測衛(wèi)星的資源分配方式，其中，所述資源分配方式包括探測資源的分配方式和/或防御資源的分配方式；構建單元，用于基于所述探測衛(wèi)星的集合，所述探測任務集合和所述多個變量，構建目標函數(shù)，以及構建所述目標函數(shù)的約束條件；求解單元，用于基于所述約束條件對所述目標函數(shù)進行最優(yōu)求解，以根據(jù)最優(yōu)求解結果確定所述探測衛(wèi)星的最優(yōu)資源分配方式。

進一步地，所述第一獲取單元用于：獲取第一變量x_i,k,t，其中，x_i,k,t用于確定是否在探測衛(wèi)星k的第t個時間窗口執(zhí)行對探測目標i的探測任務；獲取第二變量y_i,j，其中，y_i,j用于確定對所述探測目標i和探測目標j的探測任務是否均由所述探測衛(wèi)星k執(zhí)行，并且所述探測目標i在所述探測目標j之前執(zhí)行；獲取第三變量t_i，其中，t_i表示對所述探測目標i開始執(zhí)行探測任務的時刻；獲取第四變量DA_k，其中，DA_k表示預先為所述探測衛(wèi)星k分配的防護資源DA_k。

在本發(fā)明實施例中，首先獲取探測衛(wèi)星的集合和探測衛(wèi)星的探測任務集合，以及獲取多個變量，然后，根據(jù)獲取到的上述集合和多個變量構建目標函數(shù)和目標函數(shù)的約束條件，最后，基于約束條件對目標函數(shù)進行求解。在本發(fā)明實施例中，通過建立目標函數(shù)的數(shù)據(jù)模型，進而，通過該數(shù)據(jù)模型對探測衛(wèi)星的探測資源的分配方式和/或防御資源的分配方式進行分配的方式，達到了降低了任務未完成風險的目的，進而緩解了現(xiàn)有技術中在任務分配過程中由于分配不合理導致探測收益較差的技術問題，從而實現(xiàn)了最大化期望探測收益的技術效果。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的一種空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃方法的流程圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的一種空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃裝置的示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的一種可選地空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃裝置的示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的一種可選地空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃裝置的示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

根據(jù)本發(fā)明實施例，提供了一種空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃方法的實施例，需要說明的是，在附圖的流程圖示出的步驟可以在諸如一組計算機可執(zhí)行指令的計算機系統(tǒng)中執(zhí)行，并且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同于此處的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟。

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的一種空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃方法的流程圖，如圖1所示，該方法包括如下步驟：

步驟S102，獲取探測衛(wèi)星的集合和探測衛(wèi)星的探測任務集合，其中，探測衛(wèi)星的集合中包括至少一個探測衛(wèi)星的信息，探測任務集合中包括至少一個探測目標的信息。

在本發(fā)明實施例中，首先建立可用探測資源集合，即探測衛(wèi)星的集合，在該探測衛(wèi)星的集合中需要包含各個探測衛(wèi)星的軌道參數(shù)、運行周期等信息；然后，建立探測任務集合，即，地面探測目標的集合，其中，探測目標包含區(qū)域目標和點目標。對于區(qū)域目標，探測任務集合中包含區(qū)域目標的范圍信息；對于點目標，探測任務集合中包含點目標的經(jīng)度緯度和高度等信息，此外，在探測任務集合中還包含完成每個區(qū)域目標或點目標所能獲得的收益。

步驟S104，獲取多個變量，其中，多個變量用于確定探測衛(wèi)星的資源分配方式，其中，資源分配方式包括探測資源的分配方式和/或防御資源的分配方式。

在本發(fā)明實施例中，可以預先設置多個變量，其中，該多個變量用于構建目標函數(shù)的數(shù)學模型和目標函數(shù)的約束條件。

具體地，多個變量的類型將在下述實施方式中進行具體介紹。

步驟S106，基于探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量，構建目標函數(shù)，以及構建目標函數(shù)的約束條件。

在本發(fā)明實施例中，在獲取到的探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量之后，就可以根據(jù)探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量構建目標函數(shù)的數(shù)據(jù)模型，以及構建目標函數(shù)的約束條件。

具體地，構建目標函數(shù)的數(shù)據(jù)模型，以及構建目標函數(shù)的約束條件的過程將在下述實施方式中進行具體介紹。

步驟S108，基于約束條件對目標函數(shù)進行最優(yōu)求解，以根據(jù)最優(yōu)求解結果確定探測衛(wèi)星的最優(yōu)資源分配方式。

在本發(fā)明實施例中，在構建約束條件和目標函數(shù)之后，就可以根據(jù)約束條件對目標函數(shù)進行求解，得到資源分配方式。

需要說明的是，本發(fā)明實施例提供的空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃方法是在入侵攻擊的場景下，空間信息網(wǎng)絡的任務規(guī)劃方法。通過該方法，能夠通過降低任務未完成的風險，有效提升空間信息網(wǎng)絡在攻擊環(huán)境下期望探測收益。

需要說明的是，上述步驟S102至步驟S108的執(zhí)行主體可以為地面站服務器，但不限于此。

在本發(fā)明實施例中，首先獲取探測衛(wèi)星的集合和探測衛(wèi)星的探測任務集合，以及獲取多個變量，然后，根據(jù)獲取到的上述集合和多個變量構建目標函數(shù)和目標函數(shù)的約束條件，最后，基于約束條件對目標函數(shù)進行求解。在本發(fā)明實施例中，通過建立目標函數(shù)的數(shù)據(jù)模型，進而，通過該數(shù)據(jù)模型對探測衛(wèi)星的探測資源的分配方式和/或防御資源的分配方式進行分配的方式，達到了降低了任務未完成風險的目的，進而緩解了現(xiàn)有技術中在任務分配過程中由于分配不合理導致探測收益較差的技術問題，從而實現(xiàn)了最大化期望探測收益的技術效果。

在本發(fā)明實施例中，在構建并獲取探測衛(wèi)星的集合和探測任務集合之后，還可以求解探測衛(wèi)星對探測目標的可見時間窗口。具體地，在一定的規(guī)劃時間內(nèi)，可以通過探測衛(wèi)星運動的軌跡，計算各個探測衛(wèi)星對各個地面探測目標的可見時間窗口的數(shù)量，以及各個可見時間窗口的開始時間、結束時間和持續(xù)時長。

構建用于確定探測衛(wèi)星的資源分配方式的變量有多種，在本發(fā)明實施例中，上述多個變量包括第一變量，第二變量，第三變量和第四變量，其中，

第一變量x_i,k,t用于確定是否在探測衛(wèi)星k的第t個時間窗口執(zhí)行對探測目標i的探測任務；

具體地，第一變量表示探測衛(wèi)星與探測目標的分配變量，其中，當x_i,k,t＝1時，表示對探測目標i的探測任務，是在探測衛(wèi)星k的第t個時間窗口內(nèi)執(zhí)行，第t個時間窗口為探測衛(wèi)星k對探測目標i的可見時間窗口中的第t個時間窗口。當x_i,k,t＝0時，表明對探測目標i的探測任務，未在探測衛(wèi)星k的第t個時間窗口內(nèi)執(zhí)行。

第二變量y_i,j用于確定對探測目標i和探測目標j的探測任務是否均由探測衛(wèi)星k執(zhí)行，并且探測目標i在探測目標j之前執(zhí)行；

具體地，第二變量為任務分配邏輯變量，其中，y_i,j＝1表示對于探測目標i和探測目標j的探測任務，均由探測衛(wèi)星k來執(zhí)行，并且探測目標i在探測目標j之前，執(zhí)行探測任務。

第三變量t_i表示對探測目標i開始執(zhí)行探測任務的時刻；具體地，第三變量表示對探測目標i的探測任務的開始執(zhí)行的時間變量。

第四變量DA_k表示預先為探測衛(wèi)星k分配的防護資源DA_k。

具體地，第四變量表示分配給探測衛(wèi)星k的防護資源的變量。假設，探測衛(wèi)星以一定的概率受到攻擊威脅，為了降低探測衛(wèi)星的脆弱性，可以為探測衛(wèi)星分配一定的防御資源，被分配的防御資源越多，探測衛(wèi)星承受攻擊的魯棒性越強，分配給這顆探測衛(wèi)星的任務完成的概率越高。但一般情況下防御資源有限，即需要根據(jù)第四變量增加約束條件，以保證為全部探測衛(wèi)星分配防御資源總和是一個定值。

在構建多個變量之后，就能夠基于探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量構建目標函數(shù)的約束條件和目標函數(shù)。

在本發(fā)明實施例的一個可選實施方式中，基于探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量構建目標函數(shù)的約束條件包括：

基于第四變量DA_k構建第一組約束條件；以及

基于第一變量，第二變量，第三變量，探測衛(wèi)星的集合和探測任務集合，構建第二組約束條件。

在本發(fā)明實施例的一個可選實施方式中，基于探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量構建目標函數(shù)包括：

基于探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量，構建第一目標函數(shù)和第二目標函數(shù)，其中，第一目標函數(shù)用于確定防御資源的分配方式，第二目標函數(shù)用于確定探測資源的分配方式。

在本發(fā)明實施例的一個可選實施方式中，基于第四變量DA_k構建第一組約束條件包括如下步驟：

步驟S11，通過第一公式計算探測衛(wèi)星k的脆弱性，其中，r為預先配置的冪指數(shù)，并且r>1，v_k表示脆弱性；

在本發(fā)明實施例中，首先可以根據(jù)第一公式建立防護資源DA_k和探測衛(wèi)星k的脆弱性之間的關系。其中，maxDA_k表示完全刪除探測衛(wèi)星k的脆弱性所需要的資源；r為冪指數(shù)，一般情況下r取2或3即可。

步驟S12，根據(jù)第二公式計算探測衛(wèi)星k的可用性值，a_k表示可用性值；

在計算得到探測衛(wèi)星k的脆弱性之后，就可以根據(jù)第二公式計算探測衛(wèi)星k的可用性值a_k。

步驟S13，將第二公式第一不等式以及第二不等式DA_k≥0作為第一組約束條件，其中，

在得到第二公式之后，就能夠將第二公式作為第一組約束條件中的部分約束條件；進一步地，由于探測衛(wèi)星優(yōu)先，因此，需要增加約束條件為(即，上述第一不等式)，其中，防護資源DA_k和第二不等式DA_k≥0作為第一組約束條件。其中，探測衛(wèi)星或其攜帶的傳感器的集合為R，即上述探測衛(wèi)星的集合為R。

在本發(fā)明實施例的另一個可選實施方式中，基于第一變量，第二變量，第三變量，探測衛(wèi)星的集合和探測任務集合，構建第二組約束條件包括如下步驟：

步驟S21，根據(jù)第三公式構建第二組約束條件中的第一個約束條件，其中，R表示探測衛(wèi)星的集合，M表示探測任務集合，N_i,k表示探測目標i占用探測衛(wèi)星k時所允許的時間窗口數(shù)目，第t個時間窗口為所允許的時間窗口中的第t個窗口；

在本發(fā)明實施例中，可以根據(jù)公式構建第一個約束條件，該條件表示一個任務只能被執(zhí)行一次。

步驟S22，根據(jù)第四公式構建第二組約束條件中的第二個約束條件，其中，j∈M,i≠j,

在本發(fā)明實施例中，可以根據(jù)第四公式構建第二個約束條件，該約束條件用于約束從邏輯上規(guī)定了在同一探測衛(wèi)星上執(zhí)行的任務的先后次序。

步驟S23，根據(jù)第五公式構建第二組約束條件中的第三個約束條件，第五公式為：其中，t_j表示探測目標j開始執(zhí)行的時間，和分別表示探測目標i占用探測衛(wèi)星k時所允許的第t個時間窗口的開始時間和結束時間，p_i,k為探測目標i的執(zhí)行時間，s_i,j,k為當探測目標i和探測目標j均在探測衛(wèi)星k上執(zhí)行時，探測目標i完成后繼續(xù)完成探測目標j所需要的轉換時間；

在本發(fā)明實施例中，為了規(guī)定了每個任務的執(zhí)行時間范圍，同時保證任務執(zhí)行時不能出現(xiàn)交叉，即，不能在同一資源上同時執(zhí)行兩個任務，則構建上述第三個約束條件。其中，L是很大的整數(shù)，一般可以取規(guī)劃周期內(nèi)的時間長度來決定。

探測衛(wèi)星k對探測目標i的可見時間窗口序列可以描述為下述公式：其中，分別表示探測目標i占用探測衛(wèi)星k時所允許的第n個時間窗口的開始時間和結束時間；N_i,k表示探測目標i占用探測衛(wèi)星k時所允許的時間窗口的數(shù)目。

除了上述第一組約束條件之外，第一變量還需滿足以下條件：x_i,k,t∈{0,1},k∈R,t∈{1,...,N_i,k}，第二變量還需滿足以下條件：y_i,j∈{0,1},第三變量還需滿足以下條件：t_i≥0,

至此，構建的第一組約束條件可以組合為：r>1,DA_k≥0,

構建的第二組約束條件可以組合為：其中，其中，j∈M,i≠j,其中，其中，j∈M,i≠j；x_i,k,t∈{0,1}，其中，k∈R,t∈{1,...,N_i,k}；y_i,j∈{0,1}，其中，t_i≥0，其中，

需要說明的是，在本發(fā)明實施例中，為了確定防御資源的分配方式，以及確定探測資源的分配方式，分別構建了第一目標函數(shù)和第二目標函數(shù)。

需要說明的是，在構建第一組約束條件和第二組約束條件之后，可以根據(jù)探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量，構建目標函數(shù)，其中，目標函數(shù)的表達式為：其中，w_i表示探測目標i所能獲得的收益。進而，根據(jù)第一組約束條件和第二組約束條件對該目標函數(shù)進行聯(lián)合求解，以最大化總的期望探測收益為目標，得到最優(yōu)的探測任務分配方案和防御資源分配方案。

因此，上述優(yōu)化問題涉及三元變量x_i,k,t，二元變量y_i,j，一元變量t_i和DA_k，屬于混合整數(shù)規(guī)劃問題，這種問題的求解被證明是NP難問題。為了能降低計算復雜度，并能最大程度地保證算法性能接近全局最優(yōu)解，將此優(yōu)化問題分解為兩個子問題：第一個子問題是，給定探測資源的配置方案的安全防護資源分配問題(防御資源的分配方式)，第二個子問題是，給定安全防護資源配置方案的探測資源的分配問題(探測資源的分配方式)。

為了解決上述兩個子問題，分別根據(jù)探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量，構建第一目標函數(shù)和第二目標函數(shù)，其中，第一目標函數(shù)用于解決給定任務規(guī)劃方案的安全防護資源分配問題，第二目標函數(shù)用于解決給定安全防護資源配置方案的任務規(guī)劃問題。

可選地，基于約束條件對目標函數(shù)進行最優(yōu)求解，以根據(jù)最優(yōu)求解結果確定探測衛(wèi)星的最優(yōu)資源分配方式包括：

以探測資源的初始分配方式作為探測資源當前時刻的分配方式，反復執(zhí)行下述步驟，直至滿足迭代停止條件，

第一計算步驟，基于探測資源當前時刻的分配方式，使用第一組約束條件和第一目標函數(shù)計算防御資源當前時刻的分配方式；

第二計算步驟，基于防御資源當前時刻的分配方式，使用第二組約束條件和第二目標函數(shù)計算探測資源下一時刻的分配方式，并將探測資源下一時刻的分配方式作為探測資源當前時刻的分配方式，返回執(zhí)行第二步驟，下一時刻為當前時刻的下一時刻，

其中，迭代停止條件為防御資源下一時刻的分配方式與防御資源當前時刻的分配方式的誤差，以及探測資源下一時刻的分配方式與探測資源當前時刻的分配方式的誤差均小于或者等于預設誤差。

例如，首先可以預先設置一個探測資源的初始分配方式，然后，將探測資源的初始分配方式作為探測資源當前時刻的最優(yōu)分配方式，來計算防御資源當前時刻的分配方式，其中，此時計算出的防御資源當前時刻的分配方式為防御資源在當前時刻的最優(yōu)分配方式。

接下來，根據(jù)防御資源當前時刻的分配方式計算探測資源下一時刻的分配方式，其中，此時計算出的分配方式為探測資源在下一時刻的最優(yōu)分配方式。并根據(jù)探測資源在下一時刻的最優(yōu)分配方式計算防御資源在下一時刻的最優(yōu)分配方式。

在本發(fā)明實施例中，通過反復執(zhí)行上述第一計算步驟和第二計算步驟，對探測資源的分配方式和防御資源的分配方式進行迭代求解，進而，確定當滿足迭代停止條件時的探測資源的分配方式確定為探測資源的最優(yōu)分配方式，并確定滿足迭代停止條件時的防御資源的分配方式確定為防御資源的最優(yōu)分配方式。

也就是說，在本發(fā)明實施例中，通過第一目標函數(shù)和第二目標函數(shù)對探測資源的最優(yōu)分配方式和防御資源的最優(yōu)分配方式進行聯(lián)合求解，進而，確定出的探測資源的最優(yōu)分配方式。

需要說明的是，通過聯(lián)合計算能夠保證防御資源的分配方式和探測資源的分配方式同時為最優(yōu)分配方式；如果單獨分開計算，那么不能保證防御資源的分配方式和探測資源的分配方式同時為最優(yōu)分配方式，其中，單獨分開計算是指僅通過第一目標函數(shù)計算防御資源的最優(yōu)分配方式，或者僅通過第二目標函數(shù)計算探測資源的最優(yōu)分配方式。

在本發(fā)明實施例的一個可選實施方式中，基于探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量，構建第一目標函數(shù)包括如下步驟：

步驟S31，通過公式構建第一目標函數(shù)，其中，第一目標函數(shù)用于確定探測衛(wèi)星的防御資源分配方式，R表示探測衛(wèi)星集合，M表示探測任務集合，N_i,k表示探測目標i占用探測衛(wèi)星k時所允許的時間窗口數(shù)目，第t個時間窗口為所允許的時間窗口中的第t個窗口，a_k表示探測衛(wèi)星k的可用性值，w_i表示探測目標i所能獲得的收益。

基于探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量，構建第二目標函數(shù)包括如下步驟：

步驟S32，通過公式構建第二目標函數(shù)，其中，第二目標函數(shù)用于確定探測衛(wèi)星的探測資源分配方式，a_k表示探測衛(wèi)星k的可用性值，w_i表示探測目標i所能獲得的收益。

基于探測資源當前時刻的分配方式，在使用第一組約束條件和第一目標函數(shù)計算防御資源當前時刻的分配方式時，求解過程如下：

對于第一個子問題進行求解，可以證明是凸優(yōu)化問題，它的最優(yōu)解DA^*可以直接根據(jù)其KKT優(yōu)化條件得到：

其中k∈R。

通過可以看出，在對防御資源當前時刻的分配方式進行求解時，包含上述第一變量，此時，第一變量為根據(jù)探測資源當前時刻的最優(yōu)分配方式確定出的。也就是說，在本發(fā)明實施例中，假設當前時刻探測資源的分配方式為最優(yōu)分配方式，計算當前時刻防御資源的分配方式。

基于防御資源當前時刻的分配方式，在使用第二組約束條件和第二目標函數(shù)計算探測資源下一時刻的分配方式時，求解過程如下：

需要說明是的，在使用第二組約束條件和第二目標函數(shù)計算探測資源下一時刻的分配方式時，是以防御資源當前時刻的分配方式為最優(yōu)分配方式的情況下，計算探測資源下一時刻的分配方式，其中，計算出的下一時刻的分配方式為下一時刻的最優(yōu)分配方式。

拉格朗日松弛算法基本原理是將優(yōu)化問題中的較難處理的強約束吸收到目標函數(shù)中，進而將原問題變?yōu)檩^容易求解的拉格朗日問題，并通過對拉格朗日對偶問題的求解逐步逼近原問題的最優(yōu)解，或者進一步利用拉格朗日松弛的基本原理構造基于拉格朗日松弛的啟發(fā)式算法進行求解。

第一個子問題的求解可以分為兩部分：為任務分配探測衛(wèi)星和為任務分配執(zhí)行時間窗口。實際上如果確定了為任務分配的探測衛(wèi)星，接下來為任務分配執(zhí)行時間窗口較為簡單，所以為任務分配探測衛(wèi)星的第一組約束條件中的第一個約束條件是強約束，此時對第一個約束條件進行松弛處理，得到拉格朗日松弛問題，得到如下公式：

拉格朗日松弛算法可以得到原優(yōu)化問題的一個上界，我們希望能得到與原問題最優(yōu)解Z_MIP最接近的上界，于是需要求解如下問題：此問題稱為原問題的拉格朗日對偶問題。

從而我們可以得到解決第一個子問題的拉格朗日松弛啟發(fā)式算法求解過程：先利用次梯度算法求解拉格朗日問題LR，得到的解不一定為原問題的可行解，當LR的解不可行時需要對其可行化。

次梯度法求解方法如下：

第一步：設置初始條件，其中，初始條件為：j＝0，初始上界L＝L^*，λ⁰≥0，θ₀＝2，0<ε<<1；

第二步：第j次迭代，選取次梯度迭代步長t_j＝θ_j(L(λ^j)-L^*)/||γ^j||²，乘子更新λ^j+1:＝max{0,λ^j+t_jγ^j}；

其中，如果|λ^j+1-λ^j||<ε，停止；如果L(λ)的值在K(可取K＝5)步內(nèi)沒有上升，則θ_j+1:＝θ_j/2，否則θ_j+1:＝θ_j

然后，令j:＝j+1，重復執(zhí)行第二步。

顯然，全局最優(yōu)解一定同時滿足優(yōu)化第一子問題和第二子問題，但反過來卻不一定。為了能夠得到盡可能接近全局最優(yōu)的最優(yōu)解，我們需要同時考慮第一子問題和第二子問題，使用第一計算步驟和第二計算步驟中描述的迭代方法(如Frank-Wolfe算法)進行計算，保證防御資源的分配方式和探測資源的分配方式同時為最優(yōu)分配方式。

綜上，本發(fā)明實施例提供的空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃方法，相比于傳統(tǒng)的空間信息網(wǎng)絡任務規(guī)劃方法，具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明實施例提供的方法，對入侵攻擊場景下空間信息網(wǎng)絡任務規(guī)劃問題進行了建模，利用防御資源和衛(wèi)星節(jié)點脆弱性的關系，對攻擊行為和防御行為進行了合理的量化；

本發(fā)明實施例提供的方法，針對入侵攻擊場景下的任務規(guī)劃提供了獲得最優(yōu)分配方案的求解方法，可以盡可能降低任務未完成的風險，最大化期望探測收益；

本發(fā)明利實施例提供的方法，利用概率風險分析和資源配置策略對攻防行為進行建模，可以具體化為任何實際的攻擊類型或防護方法，具有良好的通用性。

實施例2

本發(fā)明實施例還提供了一種空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃裝置，該空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃裝置主要用于執(zhí)行本發(fā)明實施例上述內(nèi)容所提供的空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃方法，以下對本發(fā)明實施例提供的空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃裝置做具體介紹。

圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的一種空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃裝置的示意圖，如圖2所示，該空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃裝置主要包括：第一獲取單元21，第二獲取單元22，構建單元23和求解單元24，其中：

第一獲取單元，用于獲取探測衛(wèi)星的集合和探測衛(wèi)星的探測任務集合，其中，探測衛(wèi)星的集合中包括至少一個探測衛(wèi)星的信息，探測任務集合中包括至少一個探測目標的信息；

在本發(fā)明實施例中，首先建立可用探測資源集合，即探測衛(wèi)星的集合，在該探測衛(wèi)星的集合中需要包含各個探測衛(wèi)星的軌道參數(shù)、運行周期等信息；然后，建立探測任務集合，即，地面探測目標的集合，其中，探測目標包含區(qū)域目標和點目標。對于區(qū)域目標，探測任務集合中包含區(qū)域目標的范圍信息；對于點目標，探測任務集合中包含點目標的經(jīng)度緯度和高度等信息，此外，在探測任務集合中還包含完成每個區(qū)域目標或點目標所能獲得的收益。

第二獲取單元，用于獲取多個變量，其中，多個變量用于確定探測衛(wèi)星的資源分配方式，其中，資源分配方式包括探測資源的分配方式和/或防御資源的分配方式；

在本發(fā)明實施例中，可以預先設置多個變量，其中，該多個變量用于構建目標函數(shù)的數(shù)學模型和目標函數(shù)的約束條件。

具體地，多個變量的類型將在下述實施方式中進行具體介紹。

構建單元，用于基于探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量，構建目標函數(shù)，以及構建目標函數(shù)的約束條件；

在本發(fā)明實施例中，在獲取到的探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量之后，就可以根據(jù)探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量構建目標函數(shù)的數(shù)據(jù)模型，以及構建目標函數(shù)的約束條件。

具體地，構建目標函數(shù)的數(shù)據(jù)模型，以及構建目標函數(shù)的約束條件的過程將在下述實施方式中進行具體介紹。

求解單元，用于基于約束條件對目標函數(shù)進行求解，得到多個變量的變量值，以根據(jù)變量值確定探測衛(wèi)星的資源分配方式。

在本發(fā)明實施例中，在構建約束條件和目標函數(shù)之后，就可以根據(jù)約束條件對目標函數(shù)進行求解，得到資源分配方式。

需要說明的是，本發(fā)明實施例提供的空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃方法是在入侵攻擊的場景下，空間信息網(wǎng)絡的任務規(guī)劃方法。通過該方法，能夠通過降低任務未完成的風險，有效提升空間信息網(wǎng)絡在攻擊環(huán)境下期望探測收益。

需要說明的是，上述步驟第一獲取單元21，第二獲取單元22，構建單元23和求解單元24的執(zhí)行主體可以為地面站服務器，但不限于此。

在本發(fā)明實施例中，首先獲取探測衛(wèi)星的集合和探測衛(wèi)星的探測任務集合，以及獲取多個變量，然后，根據(jù)獲取到的上述集合和多個變量構建目標函數(shù)和目標函數(shù)的約束條件，最后，基于約束條件對目標函數(shù)進行求解。在本發(fā)明實施例中，通過建立目標函數(shù)的數(shù)據(jù)模型，進而，通過該數(shù)據(jù)模型對探測衛(wèi)星的探測資源的分配方式和/或防御資源的分配方式進行分配的方式，達到了降低了任務未完成風險的目的，進而緩解了現(xiàn)有技術中在任務分配過程中由于分配不合理導致探測收益較差的技術問題，從而實現(xiàn)了最大化期望探測收益的技術效果。

可選地，第一獲取單元用于：獲取第一變量x_i,k,t，其中，x_i,k,t用于確定是否在探測衛(wèi)星k的第t個時間窗口執(zhí)行對探測目標i的探測任務；獲取第二變量y_i,j，其中，y_i,j用于確定對探測目標i和探測目標j的探測任務是否均由探測衛(wèi)星k執(zhí)行，并且探測目標i在探測目標j之前執(zhí)行；獲取第三變量t_i，其中，t_i表示對探測目標i開始執(zhí)行探測任務的時刻；獲取第四變量DA_k，其中，DA_k表示預先為探測衛(wèi)星k分配的防護資源DA_k。

圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的一種可選地空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃裝置的示意圖，如圖3所示，構建單元包括：第一構建模塊31和第二構建模塊32，其中，

第一構建模塊31，用于基于第四變量DA_k構建第一組約束條件；以及基于第一變量，第二變量，第三變量，探測衛(wèi)星的集合和探測任務集合，構建第二組約束條件；第二構建模塊32，用于基于探測衛(wèi)星的集合，探測任務集合和多個變量，分別構建第一目標函數(shù)和第二目標函數(shù)，其中，第一目標函數(shù)用于確定防御資源的分配方式，第二目標函數(shù)用于確定探測資源的分配方式。

可選地，第一構建模塊31還用于：通過第一公式計算探測衛(wèi)星k的脆弱性，其中，r為預先配置的冪指數(shù)，并且r>1，v_k表示脆弱性；根據(jù)第二公式計算探測衛(wèi)星k的可用性值，a_k表示可用性值；將第二公式第一不等式以及第一不等式DA_k≥0作為第一組約束條件，其中，

可選地，第二構建模塊32，還用于通過公式構建第一目標函數(shù)，其中，第一目標函數(shù)用于確定探測衛(wèi)星的防御資源分配方式，R表示探測衛(wèi)星集合，M表示探測任務集合，N_i,k表示探測目標i占用探測衛(wèi)星k時所允許的時間窗口數(shù)目，第t個時間窗口為所允許的時間窗口中的第t個窗口，a_k表示探測衛(wèi)星k的可用性值，w_i表示探測目標i所能獲得的收益。

可選地，第一構建模塊31還用于：根據(jù)第三公式構建第二組約束條件中的第一個約束條件，其中，R表示探測衛(wèi)星集合，M表示探測任務集合，N_i,k表示探測目標i占用探測衛(wèi)星k時所允許的時間窗口數(shù)目，第t個時間窗口為所允許的時間窗口中的第t個窗口；根據(jù)第四公式構建第二組約束條件中的第二個約束條件，其中，j∈M,i≠j,根據(jù)第五公式構建第二組約束條件中的第三個約束條件，其中，t_j表示探測目標j開始執(zhí)行的時間，和分別表示探測目標i占用探測衛(wèi)星k時所允許的第t個時間窗口的開始時間和結束時間，p_i,k為探測目標i的執(zhí)行時間，s_i,j,k為當探測目標i和探測目標j均在探測衛(wèi)星k上執(zhí)行時，探測目標i完成后繼續(xù)完成探測目標j所需要的轉換時間。

可選地，第二構建模塊32，還用于通過公式構建第二目標函數(shù)，其中，第二目標函數(shù)用于確定探測衛(wèi)星的探測資源分配方式，a_k表示探測衛(wèi)星k的可用性值，w_i表示探測目標i所能獲得的收益。

圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的一種可選地空間信息網(wǎng)絡中任務的規(guī)劃裝置的示意圖，如圖4所示，求解單元包括：第一計算模塊41和第二計算模塊42，其中，

以所述探測資源的初始分配方式作為所述探測資源當前時刻的分配方式，反復通過第一計算模塊41和第二計算模塊42進行迭代計算，直至滿足迭代停止條件，

第一計算模塊，用于基于所述探測資源當前時刻的分配方式，使用所述第一組約束條件和所述第一目標函數(shù)計算所述防御資源當前時刻的分配方式；

第二計算模塊，用于基于所述防御資源當前時刻的分配方式，使用所述第二組約束條件和所述第二目標函數(shù)計算所述探測資源下一時刻的分配方式，并將所述探測資源下一時刻的分配方式作為所述探測資源當前時刻的分配方式，返回第一計算模塊，并通過第一計算步驟繼續(xù)計算所述防御資源當前時刻的分配方式，所述下一時刻為所述當前時刻的下一時刻，

其中，所述迭代停止條件為所述防御資源下一時刻的分配方式與所述防御資源當前時刻的分配方式的誤差，以及所述探測資源下一時刻的分配方式與所述探測資源當前時刻的分配方式的誤差均小于或者等于預設誤差。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范圍。