CN106353771A - 一种敏捷卫星成像任务全局优化分配方法 - Google Patents

Abstract

一种敏捷卫星成像任务全局优化分配方法，属于敏捷卫星成像任务规划领域。该方法分析卫星对所有成像目标的可见性，选择处于降轨段，且中间时刻卫星指向各个目标起始点的侧摆角不超过一定范围的可见时段，按可见时段的先后顺序在对应的轨道圈内，对可见目标依次成像。本发明从卫星应用的角度兼顾考虑卫星能源、成像效率、成像质量等多方面因素，提出了目标成像时段在降轨段且可见时段中间时刻侧摆角小于一定范围的优化原则，将多个成像任务分配到合适的轨道圈次，使成像任务规划更加合理，符合卫星应用需求，从而优化观测结果，保证成像质量，降低能源消耗。

Description

一种敏捷卫星成像任务全局优化分配方法

技术领域

本发明涉及敏捷卫星成像任务全局优化分配方法，属于敏捷卫星成像任务规划领域。

背景技术

目前，在轨卫星机动能力有限，成像模式只有传统的侧摆成像和对地成像两种，对于一个目标的观测时段相对简单，所以不涉及多个目标按照轨道圈次进行全局分配问题。

随着航天技术发展，卫星的机动能力大幅增强，可以沿三轴进行机动，能够在能力允许的范围内对任意走向的地面目标进行观测。由于可以在俯仰方向进行转动，当卫星位于目标前方、上方、后方时，均可对目标进行观测，可用观测时间较长，可以在较长的时间窗口内自由地选取其中任一时段对目标进行观测。使得同一目标存在很多观测时段，需要根据一定的原则进行优化求解进行成像任务全局优化，以达到好的观测效果和应用效果。

目前比较多的任务规划研究集中在单星或多星综合成像任务的调度问题上，优化指标多是单个目标的优化，不能实现对多个任务的轨道观测圈次分配问题，只能随机或人工通过多次试验选取某个目标的轨道圈次及观测时段，从而使得不能合理规划成像任务，导致观测结果不是最优的，成像质量没有保证，能源消耗大，且人工通过多次试验选取还直接导致耗费的时间多。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种敏捷卫星成像任务全局优化分配方法。

本发明的技术解决方案是：一种敏捷卫星成像任务全局优化分配方法，步骤如下：

(1)分析卫星对所有成像目标的可见性，得到每个目标的可见时段；

(2)判断每个可见时段是否处于降轨段，对处于降轨段的可见时段，计算其中间时刻卫星指向各个目标起始点的侧摆角；

(3)判断是否有侧摆角不超过α的可见时段，如果没有满足条件的可见时段，则无法对成像任务进行全局优化，否则进入步骤(4)；α为满足机动能力、卫星能源以及图像分辨率要求的侧摆角阈值；

(4)如果仅存在一个满足条件的可见时段，则在该可见时段对应的轨道圈对可见目标进行成像；如果满足条件的可见时段大于等于两个，则按照可见时段开始时刻的先后顺序对满足条件的可见时段进行排序，并统计这些可见时段所在的轨道圈，按可见时段的先后顺序在对应的轨道圈内，对可见目标依次成像，从而实现卫星成像任务全局优化分配。

所述步骤(2)中判断每个可见时段是否处于降轨段的方法为：

(2.1)根据轨道半长轴a与地心引力常数μ计算卫星轨道周期T：

$T=\frac{2\mathrm{\π}}{\sqrt{\mathrm{\μ}}}{a}^{\frac{3}{2}}$

(2.2)根据STK二维图或卫星位置在J2000惯性坐标系下的投影z分量来计算卫星第一圈的降轨时段；

(2.3)计算某个可见时段开始时刻t_s/T的余数，并判断余数是否位于卫星第一圈的降轨时段，如果位于，则该可见时段处于降轨段，否则，该可见时段未处于降轨段；

(2.4)重复步骤(2.3)，直到完成所有可见时段的判断。

所述步骤(2.2)中，根据卫星位置在J2000惯性坐标系下的投影z分量来计算卫星第一圈的降轨时段的方法为：

计算投影z分量由1变为-1的时间段，该时间段即为卫星第一圈的降轨时段。

所述步骤(2)中计算可见时段中间时刻卫星指向各个目标起始点或结束点侧摆角的方法为：

(4.1)假设某个可见时段中间时刻t_mid时，卫星在J2000惯性系中的位置坐标为r_sat,ECI，卫星指向地面成像点为其中，λ表示大地经度，表示大地纬度，h表示大地坐标下的海拔，根据大地坐标系与地固坐标系之间的转换关系，获得成像点在地固坐标系中的位置r_P,ECF；

(4.2)根据地固坐标系到J2000惯性坐标系的转换矩阵L_ECI,ECF，利用公式r_P,ECI＝L_ECI,ECF·r_P,ECF计算成像点在J2000惯性系中的位置坐标r_P,ECI；

(4.3)根据卫星在J2000惯性系中的位置坐标为r_sat,ECI和地面成像点在J2000惯性系中的位置坐标r_P,ECI，利用公式Δr_ECI＝r_P,ECI-r_sat,ECI得到在J2000惯性系中卫星与地面成像点的矢量差Δr_ECI；

(4.4)根据J2000惯性系中卫星与地面成像点的矢量差Δr_ECI以及J2000惯性系到卫星轨道坐标系的转换矩阵L_oi，利用公式Δr_orbit＝L_oi·Δr_ECI在卫星轨道坐标系中卫星与地面成像点的矢量差Δr_orbit；

(4.5)令Δr_orbit＝[r_x,orbit,r_y,orbit,r_z,orbit]^T，则滚动角和俯仰角θ的计算公式分别为：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{r_{x,orbit}}{r_{orbit}}$

其中

(4.6)本体系z轴单位矢量为z_b＝[0,0,1]^T，经过卫星滚动、俯仰转动后，该矢量在轨道系下的投影

其中

(4.7)利用如下公式计算侧摆角β：

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\left(\frac{z_{orbit,after}\·z_{orbit,before}}{\left|\right|z_{orbit,after}|{|}_2\·|\left|z_{orbit,before}\right|{|}_2}\right)$

其中z_orbit,before为矢量z_b在轨道系下的投影，且z_orbit,before＝z_b。

所述步骤(4.1)中获得成像点在地固坐标系中位置r_P,ECF的方法为：

r_P,ECF＝(x,y,z)

其中a为轨道半长轴。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明从卫星应用的角度兼顾考虑卫星能源、成像效率、成像质量等多方面因素，提出了目标成像时段在降轨段且可见时段中间时刻侧摆角小于一定范围的优化原则，将多个成像任务分配到合适的轨道圈次，得到兼顾卫星能源、成像质量和观测效能等因素的成像任务全局优化结果，使成像任务规划更加合理，符合卫星应用需求，从而优化观测结果，保证成像质量，降低能源消耗。

(2)对于太阳同步卫星来说，降轨段处于阳照区且太阳观测角比较适合观测，可以保证良好的成像质量。本发明将目标的观测时段限制在降轨段，是从成像辐射质量的角度对观测时段进行选择和优化的第一步，是后续进行成像任务全局优化、保证成像质量的关键环节。

(3)卫星的侧摆角度影响到卫星机动耗费的能源、成像时的定位精度、太阳光照角度、观测效能等，是成像应用中的具有综合意义的指标，对于整星应用来说具有一定代表性。在成像过程中侧摆角是连续变化的，中间时刻的侧摆角可以作为一个特征量来表征整个过程的机动情况。因此，本发明利用目标可见时段的中间时刻的侧摆角作为优化变量，能够有效保证卫星能源、成像质量和观测效能等多种因素满足卫星应用需求，实现成像任务的全局优化。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为卫星对目标可见性分析报告；

图3为卫星与地面站之间的相对几何关系；

图4为实施例中成像目标位置与范围示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述。

当前，卫星的机动能力大幅提升，姿态可以沿三轴进行快速的任意大角度机动，使得对目标的观测更加灵活，同一个观测目标可以存在多个可观测时段，给应用带来的问题是需要从多个观测时段中筛选出合适的观测时段。

本发明提出了卫星成像任务全局优化分配方法，针对敏捷卫星一定时间跨度内大量的点目标、条带和区域等综合成像任务需求，进行任务规划将各个成像任务分配到合理的轨道圈上，使任务分配均匀、合理，且符合成像任务的观测要求和时效性要求。

如图1所示，本发明的敏捷卫星成像任务全局优化分配方法，步骤如下：

(1)利用STK中的Access Tool生成对所有成像目标的可见性报告，得到每个目标的可见时段报告格式如图2所示。报告包含目标的可见起始时刻、可见结束时刻、可见时段长度。

(2)判断每个可见时段是否处于降轨段，对处于降轨段的可见时段，计算该可见时段的中间时刻，卫星指向各个目标起始点或结束点的侧摆角。

判断每个可见时段是否处于降轨段的方法为：

(2.1)根据轨道半长轴a与地心引力常数μ计算卫星轨道周期T：

$T=\frac{2\mathrm{\π}}{\sqrt{\mathrm{\μ}}}{a}^{\frac{3}{2}}$

(2.2)根据STK二维图或卫星位置在J2000惯性坐标系下的投影z分量来计算卫星第一圈的降轨时段；

卫星位置在J2000惯性系下的投影z分量由1变为-1的时间段，判断为降轨段。

(2.3)计算某个可见时段开始时刻t_s/T的余数，并判断余数是否位于卫星第一圈的降轨时段，如果位于，则该可见时段处于降轨段，否则，该可见时段未处于降轨段；

(2.4)重复步骤(2.3)，直到完成所有可见时段的判断。

计算可见时段中间时刻卫星指向各个目标起始点或结束点侧摆角的方法为：

(3.1)假设某个可见时段中间时刻t_mid时，卫星在J2000惯性系中的位置坐标为r_sat,ECI，卫星指向地面成像点为其中，λ表示大地经度，表示大地纬度，h表示大地坐标下的海拔，根据大地坐标系与地固坐标系之间的转换关系，获得成像点在地固坐标系中的位置r_P,ECF；

r_P,ECF＝(x,y,z)

其中

(3.2)根据地固坐标系到J2000惯性坐标系的转换矩阵L_ECI,ECF，利用公式r_P,ECI＝L_ECI,ECF·r_P,ECF计算成像点在J2000惯性系中的位置坐标r_P,ECI；

(3.3)如图3所示，根据卫星在J2000惯性系中的位置坐标为r_sat,ECI和地面成像点在J2000惯性系中的位置坐标r_P,ECI，利用公式Δr_ECI＝r_P,ECI-r_sat,ECI得到在J2000惯性系中卫星与地面成像点的矢量差Δr_ECI；

(3.4)根据J2000惯性系中卫星与地面成像点的矢量差Δr_ECI以及J2000惯性系到卫星轨道坐标系的转换矩阵L_oi，利用公式Δr_orbit＝L_oi·Δr_ECI在卫星轨道坐标系中卫星与地面成像点的矢量差Δr_orbit；

(3.5)令Δr_orbit＝[r_x,orbit,r_y,orbit,r_z,orbit]^T，则滚动角和俯仰角θ的计算公式分别为：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{r_{x,orbit}}{r_{orbit}}$

其中atan2考虑了四个可能象限，返回以弧度表示并介于-π到π之间的反正切值，

(3.6)本体系z轴单位矢量为z_b＝[0,0,1]^T，经过卫星滚动、俯仰转动后，该矢量在轨道系下的投影

(3.7)利用如下公式计算侧摆角β：

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\left(\frac{z_{orbit,after}\·z_{orbit,before}}{\left|\right|z_{orbit,after}|{|}_2.|\left|z_{orbit,before}\right|{|}_2}\right)$

其中z_orbit,before为矢量z_b在轨道系下的投影，且z_orbit,before＝z_b。

(3)判断是否有侧摆角不超过α的可见时段，如果没有满足条件的可见时段，则无法对成像任务进行全局优化；否则进入步骤(4)；α的选择，是综合考虑机动能力、卫星能源、图像分辨率等图像质量指标限定的。例如，某卫星典型机动能力25°/20s，考虑分辨率要小于0.8m，短期机动到大角度保证能源当圈平衡，最终选取侧摆角阈值为60°。

(4)如果仅存在一个满足条件的可见时段，确定该可见时段所在的轨道圈和对应的可见目标(卫星指向该可见目标起始点的侧摆角)，在该轨道圈内对可见目标进行成像；如果满足条件的可见时段大于等于两个，则按照可见时段开始时刻的先后顺序对满足条件的可见时段进行排序，并统计这些可见时段所在的轨道圈，按可见时段的先后顺序在对应的轨道圈里，对可见目标依次进行成像，从而实现卫星成像任务全局优化分配。

实施例：

某敏捷卫星的轨道仿真参数如表1所示：

表1轨道仿真参数

成像目标位置与范围如图4所示，其中T表示点目标，LA表示非沿迹目标，LP表示沿迹目标，A表示区域目标，LS表示不规则长条带目标。

利用本发明的方法进行卫星成像任务全局优化分配，根据卫星能源、成像效率和成像质量等约束条件，选择侧摆角不超过60度的可见时段，共21个，按照可见时段开始时刻的先后顺序对满足条件的可见时段进行排序，并统计这些可见时段所在的轨道圈，得到的全局分配结果如表2所示。

表2某敏捷卫星成像任务全局优化分配结果

按顺序在对应的轨道圈内，对按照可见时段开始时刻排列的可见目标序列依次成像，实现该敏捷卫星成像任务的全局优化分配。经仿真测试，该方法在成像任务的全局分配上是可行的、有效的。

相对于现有方法中，同一目标存在很多观测时段，只能随机或人工通过多次试验选取某个目标的轨道圈次及观测时段而言，本发明从卫星应用角度兼顾考虑卫星能源、成像效率、成像质量等多方面因素，提出了目标成像时段在降轨段且可见时段中间时刻侧摆角小于一定范围的优化原则，将多个成像任务分配到合适的轨道圈次，得到兼顾卫星能源、成像质量和观测效能等因素的成像任务全局优化结果，使成像任务规划更加合理，符合卫星应用需求，从而优化观测结果，有效保证成像质量，降低能源消耗。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种敏捷卫星成像任务全局优化分配方法，其特征在于步骤如下：

(1)分析卫星对所有成像目标的可见性，得到每个目标的可见时段；

(2)判断每个可见时段是否处于降轨段，对处于降轨段的可见时段，计算其中间时刻卫星指向各个目标起始点的侧摆角；

(3)判断是否有侧摆角不超过α的可见时段，如果没有满足条件的可见时段，则无法对成像任务进行全局优化，否则进入步骤(4)；α为满足机动能力、卫星能源以及图像分辨率要求的侧摆角阈值；

(4)如果仅存在一个满足条件的可见时段，则在该可见时段对应的轨道圈对可见目标进行成像；如果满足条件的可见时段大于等于两个，则按照可见时段开始时刻的先后顺序对满足条件的可见时段进行排序，并统计这些可见时段所在的轨道圈，按可见时段的先后顺序在对应的轨道圈内，对可见目标依次成像，从而实现卫星成像任务全局优化分配。

2.根据权利要求1所述的一种敏捷卫星成像任务全局优化分配方法，其特征在于：所述步骤(2)中判断每个可见时段是否处于降轨段的方法为：

(2.1)根据轨道半长轴a与地心引力常数μ计算卫星轨道周期T：

$T=\frac{2\mathrm{\π}}{\sqrt{\mathrm{\μ}}}{a}^{\frac{3}{2}}$

(2.2)根据STK二维图或卫星位置在J2000惯性坐标系下的投影z分量来计算卫星第一圈的降轨时段；

(2.3)计算某个可见时段开始时刻t_s/T的余数，并判断余数是否位于卫星第一圈的降轨时段，如果位于，则该可见时段处于降轨段，否则，该可见时段未处于降轨段；

(2.4)重复步骤(2.3)，直到完成所有可见时段的判断。

3.根据权利要求2所述的一种敏捷卫星成像任务全局优化分配方法，其特征在于：所述步骤(2.2)中，根据卫星位置在J2000惯性坐标系下的投影z分量来计算卫星第一圈的降轨时段的方法为：

计算投影z分量由1变为-1的时间段，该时间段即为卫星第一圈的降轨时段。

4.根据权利要求1所述的一种敏捷卫星成像任务全局优化分配方法，其特征在于：所述步骤(2)中计算可见时段中间时刻卫星指向各个目标起始点或结束点侧摆角的方法为：

(4.1)假设某个可见时段中间时刻t_mid时，卫星在J2000惯性系中的位置坐标为r_sat,ECI，卫星指向地面成像点为其中，λ表示大地经度，表示大地纬度，h表示大地坐标下的海拔，根据大地坐标系与地固坐标系之间的转换关系，获得成像点在地固坐标系中的位置r_P,ECF；

(4.2)根据地固坐标系到J2000惯性坐标系的转换矩阵L_ECI,ECF，利用公式r_P,ECI＝L_ECI,ECF·r_P,ECF计算成像点在J2000惯性系中的位置坐标r_P,ECI；

(4.3)根据卫星在J2000惯性系中的位置坐标为r_sat,ECI和地面成像点在J2000惯性系中的位置坐标r_P,ECI，利用公式Δr_ECI＝r_P,ECI-r_sat,ECI得到在J2000惯性系中卫星与地面成像点的矢量差Δr_ECI；

(4.4)根据J2000惯性系中卫星与地面成像点的矢量差Δr_ECI以及J2000惯性系到卫星轨道坐标系的转换矩阵L_oi，利用公式Δr_orbit＝L_oi·Δr_ECI在卫星轨道坐标系中卫星与地面成像点的矢量差Δr_orbit；

(4.5)令Δr_orbit＝[r_x,orbit,r_y,orbit,r_z,orbit]^T，则滚动角和俯仰角θ的计算公式分别为：

$\mathrm{\θ}=arcsin\frac{r_{x,orbit}}{r_{orbit}}$

其中

(4.6)本体系z轴单位矢量为z_b＝[0,0,1]^T，经过卫星滚动、俯仰转动后，该矢量在轨道系下的投影

其中

(4.7)利用如下公式计算侧摆角β：

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\left(\frac{z_{orbit,after}\·z_{orbit,before}}{\left|\right|z_{orbit,after}|{|}_2\·|\left|z_{orbit,before}\right|{|}_2}\right)$

其中z_orbit,before为矢量z_b在轨道系下的投影，且z_orbit,before＝z_b。

5.根据权利要求4所述的一种敏捷卫星成像任务全局优化分配方法，其特征在于：所述步骤(4.1)中获得成像点在地固坐标系中位置r_P,ECF的方法为：

r_P,ECF＝(x,y,z)

其中B＝h+(A-h)(1-e²)，a为轨道半长轴。