CN105096012A - 一种基于可变滑动窗口的敏捷卫星时序规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可变滑动窗口的敏捷卫星时序规划方法，针对敏捷卫星在翻滚、俯仰、偏航三个自由度上自由转动的观测特点，基于相邻观测任务姿态转换时间约束和待观测目标优先级，提出了可变滑动窗口的任务规划方法。该方法首先根据优先级建立目标观测队列；然后按优先级顺序依次插入待观测目标，并根据目标插入位置动态更新观测队列中每个目标的滑动成像窗口；最后根据目标成像时长和滑动成像窗口确定实际成像窗口。本方法具有时序控制逻辑简单、时间复杂度低、任务安排效率高等特点，特别适用于敏捷成像卫星任务规划领域。

Description

一种基于可变滑动窗口的敏捷卫星时序规划方法

技术领域

本发明涉及一种基于可变滑动窗口的敏捷卫星时序规划方法，特别适用于敏捷成像卫星任务规划领域。

背景技术

随着世界航天技术的不断发展，航天强国都相继开展了敏捷成像卫星研制项目，我国在未来的若干年内也将重点发展高分辨率敏捷对地观测卫星。敏捷卫星最大的特点是对目标的可成像窗口变长，也即对目标的成像时机的选择增多，同时较之传统卫星的成像特点，敏捷卫星相邻的成像任务之间因为姿态转换的要求产生了更加紧密的相互影响，这些都对敏捷卫星的任务规划带来了很大的挑战。

非敏捷卫星任务规划经典算法有遗传算法，模拟退火算法和贪婪算法等。随着敏捷卫星成像时机的增多和相邻任务姿态转换之间的紧密影响，这些算法在敏捷卫星任务规划应用中会出现时间复杂度增大、指定和高优先级目标安排率无法保证甚至由组合爆炸而产生NP-hard问题等，从而限制了其在实际工程中的应用。

发明内容

本发明所需解决的技术问题在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种基于可变滑动窗口的敏捷卫星时序规划方法。本发明具有算法简单易懂、可理解性强、易于工程实施、实际复杂度低等特点。

本发明所要解决的技术问题是由以下技术方案实现的：

一种基于可变滑动窗口的敏捷卫星时序规划方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)获取待观测目标集，确定所有待观测目标的原始可成像窗口，并建立空的观测目标队列；

(2)根据优先级，对待观测目标进行排序，得到最高优先级待观测目标并将该最高优先级待观测目标设定为当前最高优先级待观测目标；

(3)以原始可成像窗口的起始时间先后为依据，向观测目标队列中插入当前最高优先级待观测目标；

(4)根据相邻目标原始可成像窗口和姿态转换约束，分别计算观测目标队列中所有目标的可变滑动成像窗口，分别判断观测目标队列中的所有目标的可变滑动窗口长度是否小于其实际成像窗口长度，是则舍弃该插入的待观测目标，否则插入成功，更新观测目标队列和待观测目标集，得到新的最高优先级待观测目标并将该新的最高优先级待观测目标设定为当前最高优先级待观测目标；

(5)循环步骤(3)至(4)直至待观测目标集中所有目标遍历完毕；

(6)获取观测目标队列中所有观测目标的可变滑动成像窗口；

(7)确定所有观测目标的实际成像窗口；

其中，步骤(4)中根据相邻目标原始可成像窗口和姿态转换约束，分别计算观测目标队列中所有目标的可变滑动成像窗口，具体为：

按优先级降低的顺序，以原始可成像窗口的起始时间先后为依据，向观测目标队列中插入目标，假定待观测目标2的原始可成像起始时间不小于待观测目标1的原始可成像起始时间，即此时优先级次高目标2在优先级最高目标1之后插入，最早观测目标1的窗口为那么目标1的最早观测结束时间决定了目标2的最早观测开始时间根据约束公式可数值计算获得目标2的最早观测开始时间这里ω为已知的姿态转换角速度，和分别为与时间和对应的姿态合成角，f(·)为已知的函数关系；最迟观测目标2的窗口为那么目标2的最迟观测开始时间决定了目标1的最迟观测结束时间同样根据姿态转换约束公式可计算获得目标1的最迟观测结束时间至此，可求得目标1的滑动成像窗口和目标2的滑动成像窗口

其中，步骤(3)中向观测目标队列中插入当前最高优先级待观测目标的插入方式，具体包括：

a)如果待观测目标在队列头部插入，则将影响其后所有目标成像滑动窗口的头部；插入目标自身成像滑动窗口的头部不受影响，尾部受其后面相邻观测目标的尾部影响；

b)如果待观测目标在队列中间插入，则插入目标自身头部受其前面相邻任务的头部影响，并将影响其后所有目标成像滑动窗口的头部；插入目标自身尾部受其后面相邻任务的尾部影响，并将影响其前所有目标成像滑动窗口的尾部；

c)如果待插入目标在队列尾部插入，则将影响其前所有目标成像滑动窗口的尾部；插入目标自身成像滑动窗口的尾部不受影响，头部受其前面相邻任务的头部影响；

d)针对重新生成的观测目标队列，根据每个目标对应的滑动成像窗口长度和该目标成像窗口长度相比较，判定新目标的插入可行性。

完成基于可变滑动窗口的敏捷卫星时序规划。

本发明与背景技术中非敏捷卫星任务规划算法相比具有如下优点：

1、本发明首先考虑了目标优先级，在实际工程应用中能够确保高优先级目标和卫星用户指定目标能够被安排；

2、本发明具有较低的时间复杂度，避免出现组合爆炸和NP-hard问题；

3、本发明还具有逻辑清晰易懂，灵活度高、鲁棒性强等优点。

附图说明

图1为三个目标滑动成像窗口示意；

图2为单目标滑动滑动成像窗口示意；

图3为两个目标滑动成像窗口示意；

图4为三个目标滑动成像窗口示意；

图5观测目标队列头部插入待观测目标对滑动成像窗口的影响示意；

图6观测目标队列中间插入待观测目标对滑动成像窗口的影响示意；

图7观测目标队列尾部插入待观测目标对滑动成像窗口的影响示意；

图8为依据卫星未俯仰情况下的成像窗口和滑动成像窗口判定目标实际成像窗口示意。

具体实施方式

下面，结合图1至图8对本发明作进一步说明。

一种基于可变滑动窗口的敏捷卫星时序规划方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)假定所有待观测目标的原始可成像窗口如图2所示，同时假定目标的成像窗口长度为ΔT_i,i＝1,2,…,n，卫星未俯仰情况下的成像窗口为其中n为待观测目标数，这里原始可成像窗口的长度均相等，并建立空的观测目标队列；

(2)根据目标优先级PRI_i,i＝1,2,…,n，由高到低对待观测目标进行排序，得到最高优先级待观测目标并将该最高优先级待观测目标设定为当前最高优先级待观测目标，向观测目标队列中插入最高优先级待观测目标，更新待观测目标集；

(3)以原始可成像窗口的起始时间先后为依据，向观测目标队列中插入当前最高优先级待观测目标，如图3所示，这里假定此时目标2(优先级次高)在目标1(优先级最高)之后插入，根据图3，最早观测目标1的窗口为那么目标1的最早观测结束时间决定了目标2的最早观测开始时间根据约束公式可数值计算获得目标2的最早观测开始时间这里ω为已知的姿态转换角速度，和分别为与时间和对应的姿态合成角，f(·)为已知的函数关系；最迟观测目标2的窗口为那么目标2的最迟观测开始时间决定了目标1的最迟观测结束时间同样根据姿态转换约束公式可计算获得目标1的最迟观测结束时间至此，可求得目标1的滑动成像窗口和目标2的滑动成像窗口当时，目标2在目标1之前插入，处理过程与前者相同，不再赘述。根据滑动成像窗口长度判定目标2的插入可行性，若或那么舍弃目标2，否则插入目标2成功。上述过程详细描述了相邻两个目标之间的姿态转换关系影响，当插入的目标在两个目标之间时处理过程相同，最后生成的目标滑动成像窗口如图4所示；

对已存在的观测目标队列中插入待观测目标时，可分如下三种情况：a)如果待观测目标在队列头部插入，则将影响其后所有目标成像滑动窗口的头部；插入目标自身成像滑动窗口的头部不受影响，尾部受其后面相邻观测目标的尾部影响，如图5所示，其中虚线箭头标识的姿态切换过程需要重新计算，实线箭头标识的姿态切换过程无需重新计算。b)如果待观测目标在队列中间插入，则插入目标自身头部受其前面相邻任务的头部影响，并将影响其后所有目标成像滑动窗口的头部；插入目标自身尾部受其后面相邻任务的尾部影响，并将影响其前所有目标成像滑动窗口的尾部，如图6所示，其中虚线箭头标识的姿态切换过程需要重新计算，实线箭头标识的姿态切换过程无需重新计算。c)如果待插入目标在队列尾部插入，则将影响其前所有目标成像滑动窗口的尾部；插入目标自身成像滑动窗口的尾部不受影响，头部受其前面相邻任务的头部影响，如图7所示，其中虚线箭头标识的姿态切换过程需要重新计算，实线箭头标识的姿态切换过程无需重新计算。针对重新生成的观测目标队列，根据每个目标对应的滑动成像窗口长度和该目标成像窗口长度相比较，判定新目标的插入可行性；

(4)根据相邻目标原始可成像窗口和姿态转换约束，分别计算观测目标队列中所有目标的可变滑动成像窗口，分别判断观测目标队列中的所有目标的可变滑动窗口长度是否小于其实际成像窗口长度，是则舍弃该插入的待观测目标，否则插入成功，更新观测目标队列和待观测目标集，得到新的最高优先级待观测目标并将该新的最高优先级待观测目标设定为当前最高优先级待观测目标；

(5)循环步骤(3)至(4)直至待观测目标集中所有目标遍历完毕；

(6)获取观测目标队列中所有观测目标的可变滑动成像窗口，假定为这里k为观测目标队列中的目标数，1≤k≤n；

(7)假定观测目标的实际成像窗口为那么从成像质量最优原则确定实际成像窗口：a)当时， $t_i^b={\mathrm{\τ}}_i^b,t_i^e={\mathrm{\τ}}_i^b+{\mathrm{\ΔT}}_i;b)$ 当 ${\mathrm{\τ}}_i^b\≤T_i^{\′b}$ 且 $T_i^{\′e}\≤{\mathrm{\τ}}_i^e$ 时， $t_i^b=T_i^{\′b},t_i^e={T_i^{\′e}}_i;$ c)当 $T_i^{\′e}\≥{\mathrm{\τ}}_i^e$ 时， $t_i^b={\mathrm{\τ}}_i^e-{\mathrm{\ΔT}}_i,t_i^e={\mathrm{\τ}}_i^e,$ 如图8所示；

完成基于可变滑动窗口的敏捷卫星时序规划。

Claims (3)

1.一种基于可变滑动窗口的敏捷卫星时序规划方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)获取待观测目标集，确定所有待观测目标的原始可成像窗口，并建立空的观测目标队列；

(2)根据优先级，对待观测目标进行排序，得到最高优先级待观测目标并将该最高优先级待观测目标设定为当前最高优先级待观测目标；

(3)以原始可成像窗口的起始时间先后为依据，向观测目标队列中插入当前最高优先级待观测目标；

(4)根据相邻目标原始可成像窗口和姿态转换约束，分别计算观测目标队列中所有目标的可变滑动成像窗口，分别判断观测目标队列中的所有目标的可变滑动窗口长度是否小于其实际成像窗口长度，是则舍弃该插入的待观测目标，否则插入成功，更新观测目标队列和待观测目标集，得到新的最高优先级待观测目标并将该新的最高优先级待观测目标设定为当前最高优先级待观测目标；

(5)循环步骤(3)至(4)直至待观测目标集中所有目标遍历完毕；

(6)获取观测目标队列中所有观测目标的可变滑动成像窗口；

(7)确定所有观测目标的实际成像窗口；

完成基于可变滑动窗口的敏捷卫星时序规划。

2.根据权利要求一所述的一种基于可变滑动窗口的敏捷卫星时序规划方法，其特征在于：步骤(4)中根据相邻目标原始可成像窗口和姿态转换约束，分别计算观测目标队列中所有目标的可变滑动成像窗口，具体为：

按优先级降低的顺序，以原始可成像窗口的起始时间先后为依据，向观测目标队列中插入目标，假定待观测目标2的原始可成像起始时间不小于待观测目标1的原始可成像起始时间，即此时优先级次高目标2在优先级最高目标1之后插入，最早观测目标1的窗口为那么目标1的最早观测结束时间决定了目标2的最早观测开始时间根据约束公式可数值计算获得目标2的最早观测开始时间这里ω为已知的姿态转换角速度，和分别为与时间和对应的姿态合成角，f(·)为已知的函数关系；最迟观测目标2的窗口为那么目标2的最迟观测开始时间决定了目标1的最迟观测结束时间同样根据姿态转换约束公式可计算获得目标1的最迟观测结束时间至此，可求得目标1的滑动成像窗口和目标2的滑动成像窗口

3.根据权利要求一所述的一种基于可变滑动窗口的敏捷卫星时序规划方法，其特征在于：步骤(3)中向观测目标队列中插入当前最高优先级待观测目标的插入方式，具体包括：

a)如果待观测目标在队列头部插入，则将影响其后所有目标成像滑动窗口的头部；插入目标自身成像滑动窗口的头部不受影响，尾部受其后面相邻观测目标的尾部影响；

b)如果待观测目标在队列中间插入，则插入目标自身头部受其前面相邻任务的头部影响，并将影响其后所有目标成像滑动窗口的头部；插入目标自身尾部受其后面相邻任务的尾部影响，并将影响其前所有目标成像滑动窗口的尾部；

c)如果待插入目标在队列尾部插入，则将影响其前所有目标成像滑动窗口的尾部；插入目标自身成像滑动窗口的尾部不受影响，头部受其前面相邻任务的头部影响；

d)针对重新生成的观测目标队列，根据每个目标对应的滑动成像窗口长度和该目标成像窗口长度相比较，判定新目标的插入可行性。