Flexible Scheduling for Agile Earth Observing Satellites

225 Pages·2016·10.65 MB·English

by  Adrien Maillard

Flexible Scheduling for Agile Earth Observing Satellites
Adrien Maillard
To cite this version:
Adrien Maillard. Flexible Scheduling for Agile Earth Observing Satellites. Space Physics
[physics.space-ph]. Institut supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE), 2015. English. ￿NNT:
￿. ￿tel-01321211￿
HAL Id: tel-01321211
https://hal.science/tel-01321211
Submitted on 25 May 2016
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
TTHHÈÈSSEE
Envuedel’obtentiondu
DOCTORATDEL’UNIVERSITÉDETOULOUSE
Délivrépar:l’InstitutSupérieurdel’Aéronautiqueetdel’Espace(ISAE)
Présentéeetsoutenuele9Novembre2015 par:
Adrien Maillard
FlexibleSchedulingforAgileEarthObservingSatellites.
JURY
C(cid:340)(cid:350)(cid:341)(cid:351)(cid:352)(cid:341)(cid:346)(cid:337)S(cid:347)(cid:344)(cid:346)(cid:347)(cid:346) INSALyon,France Reviewer
R(cid:347)(cid:345)(cid:333)(cid:346)B(cid:333)(cid:350)(cid:352)(cid:333)(cid:343) CharlesUniversity,CzechRepublic Reviewer
G(cid:341)(cid:344)(cid:344)(cid:337)(cid:351)T(cid:350)(cid:347)(cid:345)(cid:334)(cid:337)(cid:352)(cid:352)(cid:347)(cid:346)(cid:341) UniversitédeMontpellier,France Member
D(cid:337)(cid:350)(cid:337)(cid:343)L(cid:347)(cid:346)(cid:339) King’sCollege,UnitedKingdom Member
G(cid:379)(cid:350)(cid:333)(cid:350)(cid:336)V(cid:337)(cid:350)(cid:338)(cid:333)(cid:341)(cid:344)(cid:344)(cid:341)(cid:337) ONERA,France Co-advisor
C(cid:379)(cid:336)(cid:350)(cid:341)(cid:335)P(cid:350)(cid:333)(cid:344)(cid:337)(cid:352) ONERA,France Co-advisor
J(cid:337)(cid:333)(cid:346)J(cid:333)(cid:353)(cid:334)(cid:337)(cid:350)(cid:352) CNES,France Industrialmentor
F(cid:350)(cid:379)(cid:336)(cid:379)(cid:350)(cid:341)(cid:335)F(cid:347)(cid:346)(cid:352)(cid:333)(cid:346)(cid:333)(cid:350)(cid:341) AirbusD&S,France Industrialmentor
Écoledoctoraleetspécialité:
EDSYS:Robotique4200046
Doublemention:
EDSYS:Systèmesembarqués4200046
UnitédeRecherche:
OfficeNationald’EtudesetdeRecherchesAérospatiales(ONERA)
Directeur(s)de(cid:315)èse:
GérardVerfaillie(ONERA)etCédricPralet(ONERA)

Remerciements
« On a à peine vu clair que c’est déjà la (cid:320)n. Batailler, s’imaginer
qu’on va bouleverser le monde pour avoir torché quelques milliers de
pagesetraconté,etdécantésapetitetranchedevieenlongetenlarge.
La belle affaire ! Contente-toi de manger ta soupe en regardant les
étoiles. Toujourssemblablesàelles-mêmesdanslesoirazuré. Depuis
levieilAdam. EtavantlevieilAdam. Etavantcequiétaitavantqu’il
n’yeûtrien. Splendidesetimmuables,nospetitesfrangineslesétoiles.
Ont présidé ta naissance. Présideront à ta mort. T’ont vu vagissant
dansleslanges, laidcommeunouistiti. Teverrontchenu, plantésur
deuxcannes,cadavérique,(cid:320)gé,couleurdesuif,empaquetédanstacaisse,
aspergéd’eaubénite. »
LouisCalaferte,Septentrion.
J’aimerais rendre hommage aux personnes que j’ai pu croiser pendant ces trois
années.D’abord,jeremerciechaleureusementGérardetCédricquionteuladifficile
tached’encadrercetravailàl’ONERAetdemegérerauquotidien.Vousavezétéde
vraismodèles,àlafoisdouésetmodestes,commeons’attendàavoirenthèse.
Mercià(cid:315)ierryDesmousceauxquiasupervisécetravailpourAirbuslorsdela
premièreannéeetdemi.FrédéricFontanariaprislarelèveetatoutdesuitecontribué
à notre travail. Merci à Jean Jaubert qui a suivi mon travail pour le CNES avec
bienveillanceetquim’abeaucoupaidé.
MerciàMarie-JoHuguetet(cid:315)ierryVidald’avoirsuivimestravauxautraversde
deuxfructueuxcomitésdethèse.
Merci à Christine Solnon et Roman Bartak d’avoir accepté de rapporter cette
thèseetd’avoircontribuéàlaré(cid:322)exionsurmontravail.
Jeremercietouslesingénieursdel’unitéConduiteetDécisiondem’avoiraccueilli
dansdebonnesconditions. MerciàFrançoise,Serge,etValéried’avoirétépatients
lorsqu’ils’agissaitdesmissionsetdel’organisationdelasoutenance.MerciàPascale
SninietJoelleGuinlepourcesaspect,auCNES.
Maisilabienfallusedétendreunpeuaprèsletravail.Jeremercietouslesmembres
delasectionthéâtredel’ONERA.J’aibeaucoupaiméjoueravecvousdansLesJustes
deCamusetdansL’équarrissagepourtousdeVian. ”Larévolution,biensûr! maisla
révolutionpourlavie,tucomprends?”,vouscomprenez?
Merciàtouslesdoctorantsdudépartementsansquilavieaulaboratoiren’aurait
pasétéaussianimée. MerciàSergio,jesouhaitevivementquenotreclubdecinéma
franco-italienperduredansletemps;PierreetSimon,combiend’heuresavons-nous
passéenpauseàdiscuterjoyeusement;Henri,nosdiscussionsetdébatspolitiquesres-
terontuntempsfortdemathèse,àbientôtenFrance,enHongrie,àCuba,oubien
enÉquateur;Jérémy,jegardeunexcellentsouvenirdenotredéprimerédactionnelle;
Nicolas,tesbarbecuesontcertainementcontribuéàlabonnehumeurgénéralequand
l’ONERAétaitvideenété,continueàêtreswagetàm’envoyerdurapàl’ancienne;
Jacques,jesaisquicontacterlorsqu’ilseral’Heure,faisattentionànepassauteren
attendant;Patrick,mercipourl’animation,lesjeux,lespointsdevuecontradictoires
danslesdébats;Francis,jenet’aipasbeaucoupvucesderniersmoismaisjetesouhaite
une bonne continuation; Emmanuel, hasta la victoria siempre, merci pour le cake
auxfruits,continuetesmarchesconstructivesçaal’airdefonctionner,àtrèsbientôt;
Alvaro,commentvais-jefairepourchoisirles(cid:320)lmsquejenevaispasvoir?Igor,tou-
joursfourrédansunlivredemathématiques;Mathieu,jesaisquicontactersijeveux
construireunavionundecesjours;Jorrit,abientôtpourunepauseetunepromenade
i
avectonpoteà4pattes;Hélène,passionnéeparlespatial,tum’asaussimontréque
lesportestpleindepolitique;
MerciàRémietMaxime,mesdeuxcolocatairesquimesupportentdepuispra-
tiquement4ans.Rémi,jemesouviensdenostrajetsquotidiensàvélo,àtouteallure,
lelongducanal,àenperdrelesouffle.Allez,remplissonslessacochesetpartonssur
leschemins. Maxime,quedebonssouvenirsdanslesdunesilluminéesducoucher
desoleilmarocain,j’espèrequ’onaural’occasionderepartir.Etqu’unjourj’entendrai
tonduoavecHélène.Souvenez-vous,touslesdeux,desrepasdudimanche,decette
horlogeatrocequevousavezlâchementachetédansmondos,desréveillonsfestifs
(etdelavoisine),desmornesdimanchesqu’ilfallaitoccuper,deslacsitaliensaupetit
matin... Sachezquegrâceàvous,jegardeunsouvenirtrèsagréabledecesannées.
Toutcelas’enirabientropvite.
Desremerciementsspéciauxvontàmafamillequim’atoujourssoutenumorale-
mentetencouragéàpoursuivremesétudes.
Undernierremerciement,particulièrementaffectueux,àtoi. Parchance,jet’ai
rencontréiciàl’ONERA,ilyaquelquesmois seulementetj’espèrecontinuerma
routeavectoiencorelongtemps.Nousétionsfaitspourêtrelibres\Nousétionsfaitspour
êtreheureux.
Pourterminercesremerciementsetcommejesaisquec’estsouventlaseulepartie
luedansunethèse,jeveuxmaintenantrappelerlesmotsd’unhommequiapenséle
systèmetechnicienetquiabeaucoupàapporterauxtechniciensquenoussommes.
«Deplusenplusdestechniciensprétendentformulerdesproblèmes
delasociétécommedesproblèmesexactsetendestermesquiperme-
ttentunesolution. Lemythecroissantdelasolution,évacueprogres-
sivementdenosconscienceslesensdurelatif,c’est-à-diredel’humilité
dupolitiquevrai.»
JacquesEllul,L’illusionpolitique.
Pour que nous n’oubliions jamais que derrière les modèles, les équations, et les
algorithmes,ilyasouventdeshommes.Danscettethèsenousmodélisonsunprob-
lèmed’optimisationsouscontraintes. J’encouragevivementmescontemporainsàne
pas considérer tous les aspects de la vie comme un tel problème, à la manière de
certainséconomistesetscienti(cid:320)ques, etàrejeterl’idéed’unesoi-disanteneutralité
axiologiquedelascience.
CommedisaitKessel,jevoulaistantdireetj’aiditsipeu,merciàtous.
A(cid:336)(cid:350)(cid:341)(cid:337)(cid:346)M(cid:333)(cid:341)(cid:344)(cid:344)(cid:333)(cid:350)(cid:336)
Novembre2015,Toulouse
ii

Contents
1 Introduction 1
I Contextandrelatedworks 5
2 AtypicalEarth-observationmission 7
2.1 Systemarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Missioncenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Groundcontrolstations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 Groundreceptionstations . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.4 Usersandobservationrequests . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.5 Geostationnarysatellite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 CharacteristicsofEarth-observationsatellites. . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Orbit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Platform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 Imageacquisitionchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Decision-makingprocessanduncertainties . . . . . . . . . . . . . 18
3 Combinatorialoptimizationunderuncertainty 21
3.1 Generalconsiderations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Planningunderuncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.1 Conformantplanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.2 Contingentplanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.3 MarkovDecisionProcesses . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.4 Hindsightoptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.5 MonteCarloTreeSearch . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Managingtimeandresourcesunderuncertainty . . . . . . . . . . 32
3.3.1 Job-Shopscheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.2 Resource-ConstrainedProjectSchedulingProblem . . . . 32
3.3.3 SimpleTemporalNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 Combinatorialoptimizationunderuncertainty . . . . . . . . . . . 36
3.4.1 Uncertaintyinconstraintprogramming . . . . . . . . . . 36
3.4.2 Onlinestochasticcombinatorialoptimization . . . . . . . 37
3.5 Planningandschedulinginthespacedomain . . . . . . . . . . . . 39
iv
II Buildingadaptabledatadownloadschedules 41
4 (cid:315)eDataDownloadProblem 45
4.1 Informaldescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 Formalmodelofthedatadownloadschedulingproblem . . . . . . 48
4.2.1 Problemdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.2 Decisionvariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.3 Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.4 Optimizationcriterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.5 Problemanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.6 Relatedworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5 AlgorithmsforthedeterministicDataDownloadPlanningProblem 61
5.1 Exactmethod: constraintprogramming. . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2 Greedyalgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.1 Scheduling(cid:320)ledownloadsontochannelsandmemorybanks 64
5.2.2 Achronologicalgreedyalgorithm. . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.3 Anon-chronologicalgreedyalgorithm . . . . . . . . . . . 68
5.3 Metaheuristic: SqueakyWheelOptimization . . . . . . . . . . . . 74
5.4 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6 FlexibleSchedulingfortheDataDownloadProblem 79
6.1 Overviewofthedecision-makingorganization . . . . . . . . . . . 79
6.1.1 Overviewofthepuregroundapproach . . . . . . . . . . . 79
6.1.2 Overviewofthepureonboardapproach . . . . . . . . . . 81
6.1.3 Overviewoftheground-onboardmixedapproach . . . . . 83
6.2 Schedulingontheground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3 Adaptingdatadownloadschedulesonboard . . . . . . . . . . . . 85
6.3.1 Preparingdownloadscheduleadaptationontheground . . 86
6.3.2 Performingdownloadscheduleadaptationonboard . . . . 88
6.4 Executingon-board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.4.1 Temporal(cid:322)exibilityatexecution . . . . . . . . . . . . . . 94
6.4.2 Buildinga(cid:322)exibleplanfromacompleteplan . . . . . . . . 94
6.4.3 Execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.5 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.5.1 Approachestobecompared. . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.5.2 Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.5.3 Evaluationcriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.5.4 Resultanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.6.1 Decisional(cid:322)exibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.6.2 Missingevaluationandfutureworks . . . . . . . . . . . . 104
III Buildingconditionalacquisitionschedules 107
7 Conditionalobservationscheduling 111
7.1 Informaldescriptionoftheobservationschedulingproblem . . . . 111
7.2 Currentapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.3 Somepreliminarydesignchoices . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4 Relatedworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
v
7.5 Buildingaconditionalobservationscheduleontheground . . . . . 115
7.6 Executingaconditionalobservationscheduleonboard . . . . . . . 120
7.7 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.7.1 Approachestobecompared. . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.7.2 Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.7.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.8 Futureworks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8 Conclusionandperspectives 125
A Anexperimentalenvironment 129
A.1 Simulatorarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
A.1.1 Inputdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
A.1.2 Interactionsbetweengroundandonboard . . . . . . . . . 130
A.1.3 Satelliteinternalarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . 133
A.2 Executionandoutputs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
B GuaranteesfortheR1insertionrule 139
B.1 ScheduleDensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
B.2 BatchInsertion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
C OPLmodelofthedatadownloadproblem 143
IV Résuméétendu 151
9 Introduction 153
10 Contexteapplicatif 155
10.1 Architecturedusystème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.1.1 Centredemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.1.2 Stationsdecontrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.1.3 Stationsderéception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
10.1.4 Utilisateurs,requêtesd’observationetcentresdeproduction 157
10.1.5 Satellitegéostationnaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
10.2 Caractéristiquesdessatellitesd’observationdelaTerre . . . . . . . 158
10.2.1 Orbite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
10.2.2 Plateforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
10.2.3 Chaîned’acquisitionimage . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
10.3 Processusdedécisionetincertitudes. . . . . . . . . . . . . . . . . 165
11 Ordonnancement(cid:322)exibledesvidages 167
11.1 Descriptionduproblèmedevidage . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
11.2 Plusieursprocessusdedécision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
11.2.1 Aperçudel’approchesol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
11.2.2 Aperçudel’approchebord . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
11.2.3 Aperçudel’approchemixtesol-bord . . . . . . . . . . . . 175
11.3 Expérimentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
11.3.1 Approchesàcomparer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
11.3.2 Scénarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
11.3.3 Critèresd’évaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
vi
11.3.4 Analysedesrésultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
12 Plani(cid:320)cation(cid:322)exibledesacquisitions 183
12.1 Quelqueschoixdeconception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
12.2 Productiond’unpland’observationconditionnelausol . . . . . . . 184
12.3 Exécutiond’unpland’observationconditionnelàbord . . . . . . . 187
12.4 Expérimentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
12.4.1 Approchesàcomparer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
12.4.2 Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
12.4.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
13 Perspectives 191
Bibliography 195
ListofFigures 204
ListofTables 208
vii