CN102479085B - 敏捷卫星任务规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种敏捷卫星任务规划方法。所述方法包括下述步骤：步骤1：获取本规划周期的元任务列表，所述元任务列表中的元任务按照开始时间早的顺序排列，设定前瞻步长；步骤2：依次选取所述元任务列表中的一个元任务为当前元任务；步骤3：以所述前瞻步长对所述当前元任务执行前瞻判断，如果当前元任务与前瞻步长内的后续元任务相互冲突，当当前元任务的优先顺序不低于后续元任务时，删除后续元任务，否则删除当前元任务，其中，元任务列表是经过预先优化的元任务列表，且所述方法在卫星上执行。通过所述方法，能够快速地发现冲突，并消除冲突。由此对卫星任务列表进行优化，从而确保卫星的正常运行，提高卫星平台的可靠性和寿命。

Description

敏捷卫星任务规划方法

技术领域

本发明涉及卫星观测控制领域，尤其涉及一种敏捷卫星任务规划方法。

背景技术

对地观测卫星(Earth Observing Satellite，简称EOS)的任务通常是根据用户的观测需求，获取地球表面指定目标的图像信息。EOS通常是按照预定的观测计划(元任务列表)来实施观测的，观测计划中规定卫星将在什么时间、以何种观测方式、完成哪些观测任务。观测计划的制订则直接源于卫星观测调度的结果。传统的对地观测卫星推扫成像过程完全依赖于卫星沿轨道向前的运动，因此成像条带的走向只可能平行于星下线，条带的宽度取决于星载遥感器的视场角的大小，条带的具体位置则取决于成像时采用的侧摆角的大小，其观测能力是非常呆板的。

随着航天技术的不断发展，开发了敏捷卫星(agile satellite)。敏捷卫星是能够灵活调整星载遥感器指向的成像卫星，敏捷卫星的视角(星载遥感器的视场角)通常可以绕翻滚(roll)、俯仰(pitch)、偏航(yaw)三个轴变化，从而使卫星有可能在能力允许的范围内沿任意角度进行观测。

对于这类能够灵活调整星载遥感器指向的成像卫星，星载遥感器在轨飞行时的观测范围是一个以星下点轨迹为中心线的带状区域，处于这个带状区域内的地面目标都有可能被卫星观测。而由于星载遥感器的视场角有限，同一时刻星载遥感器只能观测条带状观测范围内有限的地面场景。何时采用何种角度进行对地观测是敏捷卫星完成各项任务，生成敏捷卫星动作指令的基础。

为了充分利用敏捷卫星的星上资源，发挥高敏捷的优势，最大限度满足用户日益多样化的图像需求，需要发展星地一体的任务调度方法。通常是通过地面规划对用户多种任务需求进行统一分析与优化安排制定元任务列表。但是，在实际任务执行过程中，可能由于突发事件等发生元任务冲突或星上实际资源与规划不一致。此时将使得卫星不能正常工作。因此，希望能够对任务冲突进行预先排查并消除任务冲突。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速有效的方法解决敏捷卫星的任务冲突问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种敏捷卫星任务规划方法，所述敏捷卫星任务规划方法包括下述步骤：步骤1：获取本规划周期的元任务列表，所述元任务列表中的元任务按照开始时间早的顺序排列，设定前瞻步长；步骤2：依次选取所述元任务列表中的一个元任务为当前元任务；步骤3：以所述前瞻步长对所述当前元任务执行前瞻判断，如果所述当前元任务与前瞻步长内的后续元任务相互冲突，当所述当前元任务的优先顺序不低于所述后续元任务时，删除所述后续元任务，否则删除所述当前元任务，其中，所述元任务列表是经过预先优化的元任务列表，且所述敏捷卫星任务规划方法在卫星上执行。

通过所述方法，能够快速地提前发现任务冲突，并消除冲突。从而确保卫星的正常运行，提高卫星平台的可靠性和寿命。而且，所述敏捷卫星任务规划方法在卫星上执行。从而可以快速、直接地消除潜在的冲突。进一步提高卫星的工作可靠性。

优选地，如果在设定的前瞻步长内没有后续元任务与所述当前元任务冲突；或者在存在冲突但当前元任务的优先顺序不低于前瞻步长内的后续元任务时，在当前元任务不满足电量、存储约束及姿态转换时间条件的情况下，删除所述当前元任务。从而进一步确保元任务列表内的元任务能够正常地执行。

优选地，所述优先顺序以下述方式判定：首先比较元任务优先级的高低，优先级高的优先顺序较高；优先级相同时，比较剩余观测机会，剩余观测机会少的优先顺序较高；剩余观测机会相同时，比较元任务时间窗口的长短，时间窗口短的优先顺序较高；当任务时间窗口相同时，比较元任务侧摆角的大小，侧摆角较小的优先顺序较高；当侧摆角相同时，比较任务俯仰角的大小，且俯仰角较小的优先顺序较高。从而使得一方面可以对具体的元任务设置优先级，而具有灵活的任务选择能力。另一方面，确保了可以执行较多的任务，并获得较高的观测质量。

优选地，在回传时间窗口，设置如下的优先顺序：实传任务＞近实传任务＞回传任务＞一般观测任务。通过此种优先顺序设置，使得能够很好地利用回传窗口回传观测数据，减少存储区域的占用。

优选地，所述方法进一步包括下述步骤：检查当前元任务与其前一元任务之间能否安排对日定向和/或对地定向活动，如满足时间要求则安排对日定向和/或对地定向。从而以较小的开销实现对日或对地定向。

优选地，所述前瞻步长为2-10，更优选地，所述前瞻步长为5。从而实现效率和可靠性的良好平衡。

优选地，本规划周期的元任务列表中删除的元任务放置到下一规划周期中再次进行规划。从而可以尽可能地完成设置的元任务。

具体实施方式

根据本发明一实施例的敏捷卫星任务规划方法包括下述步骤：

步骤1：获取本规划周期的元任务列表，所述元任务列表中的元任务按照开始时间早的顺序排列，设定前瞻步长；步骤2：依次选取所述元任务列表中的一个元任务为当前元任务；步骤3：以所述前瞻步长对所述当前元任务执行前瞻判断，如果所述当前元任务与前瞻步长内的后续元任务相互冲突，当所述当前元任务的优先顺序不低于所述后续元任务时，删除所述后续元任务，否则删除所述当前元任务。

通过所述方法，能够快速地发现冲突，并消除冲突。从而确保卫星的正常运行，提高卫星平台的可靠性和寿命。

其中，所述元任务可以是一般观测任务(观测一个条带或区域)、实传任务、近实传任务、回传任务等。规划周期可以根据实际情况设置。例如，可以将卫星绕地球一周的时间设置为一个规划周期；还可以将一个或数个小时设置为规划周期。在另一实施例中，规划周期根据地面站的情况设置，从一个地面站的开始或结束控制时间至另一个地面站的开始或结束控制时间为一个规划周期，在此情况下，各规划周期不一定具有相同的时间长度。

元任务的开始时间可以是指元任务的最早开始时间(最大俯仰角时)，或者是最佳开始时间(在最佳观测质量时)。并且元任务的时间窗口安排以最佳观测质量为原则，但是也可以在可能时间窗口内滑动。

还需要指出的是，所述元任务列表通常是经过预先优化(例如经过地面站优化后发给卫星)的元任务列表。所述元任务列表中的元任务存在较少的冲突。这在所述敏捷卫星任务规划方法在卫星上执行的情况下是非常有利的。从而可以快速、直接地消除潜在的冲突。进一步提高卫星的工作可靠性。否则，在最差情况下，例如，在每个元任务都和后面的一个元任务冲突的情况下，有可能导致很大一部分的元任务被删除，而使得卫星的任务饱和度较低。

在一个优选实施例中，如果在设定的前瞻步长内，没有后续元任务与所述当前元任务冲突，那么在满足电量、存储约束及姿态转换时间条件的情况下，安排执行所述当前元任务。从而进一步确保安排执行的任务能够正确地执行。

在另一个一些实施例中，所述优先顺序以下述方式判定：首先比较任务优先级的高低，优先级高的优先顺序较高；优先级相同时，比较剩余观测机会，剩余观测机会少的优先顺序较高；剩余观测机会相同时，比较任务时间窗口的长短，时间窗口短的优先顺序较高；当任务时间窗口相同时，比较任务侧摆角的大小，侧摆角较小的优先顺序较高；当侧摆角相同时，比较任务俯仰角的大小，且俯仰角较小的优先顺序较高。从而使得一方面可以对具体的元任务设置优先级，而具有灵活的任务选择能力。另一方面，确保了可以执行较多的任务，并获得较高的观测质量。需要指出的是，当冲突任务的观测时间窗口的长短、侧摆角的大小、俯仰角的大小差别在10％以内时，认为其差别在可以接受的范围内(也就是说，认为两者是相同的)，然后进行下一个判断标准的比较。

而且，在回传时间窗口，可以设置如下的优先顺序：实传任务＞近实传任务＞回传任务＞一般观测任务。实传任务是指当卫星对目标和地面站目标同时可见时，拍摄与图像回放同时进行，拍摄图像的采集码速率小于回放的速率，不经过卫星的存储器。近实传任务拍摄图像的采集码速率大于回放的速率，所以拍摄的图像必须先存储在卫星的存储器上，然后从存储器上读取并回放。通过此种优先顺序设置，使得能够很好地利用回传窗口回传观测数据。

所述方法可以进一步包括下述步骤：检查当前元任务与其前一任务之间能否安排对日定向和/或对地定向活动，如满足时间要求则安排对日定向和/或对地定向。从而以较小的开销实现

优选地，所述前瞻步长为2-10，更优选地，所述前瞻步长为5。从而实现效率和可靠性的良好平衡。

优选地，本规划周期的元任务列表中删除的元任务放置到下一规划周期中再次进行规划。从而可以尽可能地完成设置的元任务。

下面对本发明的相关方面做进一步的详细说明。

由于敏捷卫星有不固定的时间窗口，受到能量约束与存储约束等使用约束的影响，前面任务的安排对后续任务能否安排影响很大，特别是由于卫星本身的能量是一个连续的不断变化的量，时间不同做出动作所消耗的存储和能量都不同，每个动作所消耗的能量难以量化，所以基于循环迭代的寻优方法很难应用于敏捷卫星的调度。本发明的方法采用了基于规则的前瞻启发式算法，采用时序的方式，在考虑安排当前任务时，每次前瞻若干步长的任务，在前瞻步长之内检测任务与前瞻的任务是否冲突，决定当前任务是否安排，确定当前任务安排之后再安排卫星定向的动作(对日定向、对地定向)。

下面对本发明的相关问题做进一步的说明。

1)任务冲突检测的方法与取舍规则

任务冲突对于非敏捷卫星来说是由于其观测目标的时间窗口冲突从而导致目标的观测无法兼顾。对于敏捷卫星而言，由于其具有俯仰能力，观测目标具有一个大的时间窗口，其观测开始时间可以在这个大的时间窗口内任意选择。在通常的以最佳观测质量为原则设置开始和结束时间时，情况与非敏捷卫星相同。在允许在大的时间窗口内任意选择时，导致元任务可以在时间窗口之内滑动，冲突检测的规则是在前瞻步长之内，由于当前任务的安排从而导致无法规划的其他后续任务。

前瞻任务与当前任务存在冲突时选择任务的规则：优先级＞剩余观测机会＞窗口的长短＞侧摆角的大小＞俯仰角的大小。下面对各个规则进行简要描述：

●高优先级：预先给定(例如由地面管控中心给出)的任务重要程度的度量，数值在1-10之间，值越大重要程度越高，需要优先完成；

●剩余观测机会：在当前时间窗口之后任务还有存在的可观测时间窗口数量称为该任务的剩余观测机会。如果两个任务在执行时间上冲突或严格冲突，一般而言，有剩余观测机会的任务可以考虑延后安排观测。

●观测时间窗口的长短：在优先级相同的情况下，观测时间短的任务优先安排，这是因为时间窗口越短可能引起冲突的概率就越小，能够安排更多的任务。

●侧摆角的大小：侧摆角越大则拍摄图像的质量越差，因此当任务冲突时，尽量选择侧摆角较小的任务安排观测。

●俯仰角的大小：俯仰角越大则拍摄图像的质量越差，因此当任务冲突时，尽量选择俯仰角较小的任务安排观测。

另外，当冲突任务的观测时间窗口的长短、侧摆角的大小、俯仰角的大小等三种情况下差别在10％以内时，认为其差别在可以接受的范围内，然后进行下一个判断标准的比较。当两个任务五个判断标准都通过时，则安排观测时间点靠前的任务，舍弃另一个任务。

2)任务前瞻步长的设置规则

任务前瞻是说安排当前任务时根据前瞻步长向前看几个任务，检测当前任务与前瞻步长之内的任务是否冲突以决定当前任务是否安排。

前瞻步长的设置规则：前瞻到最大前瞻步长时停止。前瞻步长可以任意设置，比如前瞻步长设置为1时，前瞻一个任务；前瞻步长设置为10时，前瞻10个任务。前瞻步长设置过大(比如20以上)，会严重影响算法效率。经过研究发现，在前瞻步长为5时，能够获得最佳的算法效率，适于利用星上资源进行前瞻处理，实现潜在冲突发现和算法效率(资源占用)之间的良好平衡。

3)最佳成像时间点的计算

任务最佳成像时间点的计算是为了保证多条带任务能够均匀分布在最大成像时间窗口之中，保证完成该多条带任务的平均成像质量最高。在算法中采用采用递归的方法逐步寻找最佳成像时间点，当后两次计算最佳成像时间点的差值小于0.1秒或者迭代次数超过10则终止。最佳成像时间点的计算过程如下：

步骤s1：把任务最大时间窗口的起点作为初始最佳成像时刻点Ti，i＝0；

步骤s2：根据Ti计算任务之间的机动时间；

步骤s3：计算任务观测时间与机动时间之和，作为任务的总时间；

步骤s4：使任务总时间的中点与最大时间窗口的中点重合，找到第i+1次迭代的

最佳成像时间点Ti+1；

步骤s5：如果Ti+1-Ti＜0.1或者i＞＝10，转步骤s6；否则转步骤s2；

步骤s6：终止算法，输出最佳成像时间点Ti+1。

4)任务之间整星机动时间设定规则

任务之间的整星机动时间预设为30秒。如果在安排当前任务时，生成卫星动作序列的时候卫星机动时间超出了30秒，那么按照实际的整星机动时间加5秒重新计算卫星的姿态角，然后重新计算卫星的整星机动时间安排该任务。

5)回传窗口的安排

记录存储器中的任务队列，并按照优先级和最晚回传时间排序，当遇到回传窗口时，依次回传任务并计算每个任务的回传时间，直到该回传时间窗口时间被用尽或没有任务需要回传。当存储器容量达到80％的时候，安排一次擦除动作，将存储器中所有已回传的任务擦除。在所有任务及回传窗口处理完成之后，安排一次擦除动作，将存储器中所有已回传的任务擦除。

6)存储的处理规则

每安排观测一个任务时，记录该任务所需占用的存储容量及此时固存已经使用的存储容量，并把此任务放在已观测未回传任务列表。由于实传任务不占用存储，实传任务不用记录任务范围之内。每回传一个任务，则把该任务放在已回传未擦除任务列表，并从已观测未回传任务列表中删除该任务。每擦除一个任务，则从固存中减去该任务的存储容量。

7)擦除固存的规则

当存储器容量达到80％的时候，安排一次擦除动作，将存储器中所有已回传的任务擦除，因此需要在每安排一个任务后就判断一次存储容量是否达到了80％。在所有任务及回传窗口处理完成之后，安排一次擦除动作，将存储器中所有已回传的任务擦除。

8)观测优先规则与回传窗口的裁剪

观测优先规则是说当观测任务与回传窗口冲突时，优先安排观测任务。回传窗口的最小可用时间为60秒，小于60秒认为该回传窗口不可用。当观测与回传冲突时，完全舍弃回传窗口可能会导致部分成像任务无法回传，因此需要对回传窗口进行裁剪。

9)实传、近实传任务的处理

实传任务是说当卫星对目标和地面站目标同时可见时，拍摄与图像回放同时进行，拍摄图像的采集码速率小于回放的速率，不经过卫星的存储器。近实传任务拍摄图像的采集码速率大于回放的速率，所以拍摄的图像必须先存储在卫星的存储器上，然后从存储器上读取并回放。由此带来的问题就是近实传任务的数据在其实时回放阶段并不能完全回放下来，剩余部分的数据需要在一般回传窗口进行回放。近实传任务如果有数据没有回传下来，那么提高此任务的优先级到特殊优先级11，如果本次回传窗口还有回传时间则优先回传该近实传任务。

10)条带拼接任务的观测顺序

条带拼接任务的观测顺序通常为自西向东依次观测。

11)对日定向的安排规则

对日定向的时间阈值为10分钟，在卫星进地影区之前如果有10分钟空闲时间(不包含整星机动时间)，则安排对日定向；在卫星出地影之后如果有10分钟空闲时间，则安排对日定向；同轨任务(包括观测任务和回传任务)之间即使时间超过10分钟也不安排对日定向。对日定向的10分钟时间阈值可修改。

12)对地定向的安排规则

卫星处在地影区，安排对地定向动作，整星机动动作在地影区完成。对地定向没有时间阈值限制，根据地影预报数据进行添加。

13)条带划分的规则

按照视场角的90％进行条带划分，条带之间会有重叠，最后一个条带向里挪动。

14)条带扩充的规则

条带扩充是为了解决相机的偏流角问题，对任务条带前后进行长度扩充。条带扩充的长度可以由用户设置，比如设置扩充长度参数为2000米，那么条带在拍摄时就会提前2000米进行观测，并且推后2000米观测结束。

最后，需要指出的是，尽管前述的内容是针对绕地卫星进行描述的。但是，所述本发明不限于此。本发明同样可以适用于其它卫星，例如，对月进行观测的卫星、对火星进行观测的卫星等等。

Claims (8)

1.一种敏捷卫星任务规划方法，包括下述步骤：

步骤1：获取本规划周期的元任务列表，所述元任务列表中的元任务按照开始时间早的顺序排列，设定前瞻步长；

步骤2：依次选取所述元任务列表中的一个元任务为当前元任务；

步骤3：以所述前瞻步长对所述当前元任务执行前瞻判断，如果所述当前元任务与前瞻步长内的后续元任务相互冲突，当所述当前元任务的优先顺序不低于所述后续元任务时，删除所述后续元任务，否则删除所述当前元任务，

其中，所述元任务列表是经过预先优化的元任务列表，且所述敏捷卫星任务规划方法在卫星上执行。

2.如权利要求1所述的敏捷卫星任务规划方法，其特征在于，如果在设定的前瞻步长内没有后续元任务与所述当前元任务冲突；或者在存在冲突但当前元任务的优先顺序不低于前瞻步长内的后续元任务时，在当前元任务不满足电量、存储约束及姿态转换时间条件的情况下，删除所述当前元任务。

3.如权利要求1所述的敏捷卫星任务规划方法，其特征在于，所述优先顺序以下述方式判定：首先比较元任务优先级的高低，优先级高的优先顺序较高；优先级相同时，比较剩余观测机会，剩余观测机会少的优先顺序较高；剩余观测机会相同时，比较元任务时间窗口的长短，时间窗口短的优先顺序较高；当元任务时间窗口相同时，比较元任务侧摆角的大小，侧摆角较小的优先顺序较高；当侧摆角相同时，比较元任务俯仰角的大小，且俯仰角较小的优先顺序较高。

4.如权利要求1-3中任一项所述的敏捷卫星任务规划方法，其特征在于，在回传时间窗口内，设置如下的优先顺序：实传任务＞近实传任务＞回传任务＞一般观测任务。

5.如权利要求1-3中任一项所述的敏捷卫星任务规划方法，其特征在于，所述方法进一步包括下述步骤：检查当前元任务与其前一元任务之间能否安排对日定向和/或对地定向活动，如满足时间要求则安排对日定向和/或对地定向。

6.如权利要求1-3中任一项所述的敏捷卫星任务规划方法，其特征在于，所述前瞻步长为2-10中的一个。

7.如权利要求5所述的敏捷卫星任务规划方法，其特征在于，前瞻步长为5。

8.如权利要求1-3中任一项所述的敏捷卫星任务规划方法，其特征在于，将从本规划周期的元任务列表中删除的元任务放置到下一规划周期中再次进行规划。