CN107608793B - 快速搜索的敏捷卫星任务规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速搜索的敏捷卫星任务规划方法，其包括：首先根据不同排序规则建立目标观测队列，然后按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，当所有任务都插入后，根据目标成像时长和滑动成像窗口确定实际成像窗口，保证成像质量最优，最后比较不同任务排序规则得到的规划方案，选取成像质量最优的规划方案。本方法具有成像质量高、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

快速搜索的敏捷卫星任务规划方法

技术领域

本发明涉及敏捷成像卫星任务规划领域，尤其涉及一种快速搜索的敏捷卫星任务规划方法。

背景技术

随着人类对成像卫星依赖程度的日益增加，用户对高质量卫星图像的需求变得越来越强烈，因此成像卫星的分辨率正在不断提升。但是对于敏捷卫星来说，高分辨率并不代表一定可以拍出高质量的照片。敏捷成像卫星虽然与传统卫星相比灵活性和自由度大大提升，但是成像质量却具有明显的时间依赖性。成像时刻离观测时间窗口的中心时刻点越近，获得的成像质量越高，离中心时刻点越远，获得的成像质量越差。

国内对敏捷卫星观测时间窗口的优选研究相对较少，大部分只是简单的根据任务优先级排序对时间窗口进行调整，保证最基本的任务编排，虽然提升了敏捷卫星的机动能力，但是忽略了卫星成像质量和优化滑动时间窗口计算时间等用户关心问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种快速搜索的敏捷卫星任务规划方法，本发明根据成像质量随成像时间动态变化的特点，设计了随时间动态变化的收益函数，在调度层面上让更多的任务能够在最佳成像时刻点附近成像来提高成像质量，同时优化了任务规划的搜索算法，提高了规划效率，具有很强的实用性，提高卫星整体效能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种快速搜索的敏捷卫星任务规划方法，具体包括以下步骤：

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；

步骤2，将观测目标根据不同规则进行排序；

步骤3，将待观测目标插入步骤2排序后的观测目标队列中；

步骤4，根据相邻观测目标原始可成像窗口的任务规划约束条件，判断当前插入的待观测目标与其相邻的观测队列中的观测目标是否冲突：

若不冲突，则将此待观测目标插入观测队列中；

若冲突，则滑动其相邻的观测目标至最大窗口长度，判断插入的待观测目标是否满足约束：若满足约束，则将待观测目标插入观测目标队列，反之，则舍弃该插入的待观测目标；

步骤5，循环依次进行步骤3和步骤4，直至待观测目标集中所有待观测目标遍历完毕；

步骤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，根据成像质量最高原则，调整确定所有观测目标的实际成像窗口；

步骤7，统计根据不同规则进行排序形成观测目标队列的收益，进而选择收益最高的规划方案，完成敏捷卫星任务规划。

作为本发明一种快速搜索的敏捷卫星任务规划方法的进一步优选方案，在步骤2中，不同规则包含优先级排序规则、观测时间窗口先后顺序、随机排序规则、短观测时间任务优先规则、长观测时间任务优先规则、优先级与总时间比值小比值优先规则、优先级与总时间比值大比值优先规则。

作为本发明一种快速搜索的敏捷卫星任务规划方法的进一步优选方案，在步骤4中，约束条件具体如下：

(a)，每个观测目标只能被观测一次：即

其中，x_m,c为模型决策变量，且，x_m,c≤1，C_m为能够对任务m进行观测的卫星圈次集合，c为轨道圈次；

(b)，每个观测任务必须在其观测时间窗口内被观测，即ts_m,c≤ts'_m,c<te'_m,c≤te_m,c，其中，ts_m,c和te_m,c每个圈次c所对应的观测时间窗口的开始时间和结束时间，ts′_m,c和te′_m,c为每个观测任务的开始时间和结束时间；

(c)，任意时刻t的卫星固存都不能超过卫星最大固存限制：0≤S_t≤S_max，其中，S_t表示任意时刻卫星固存大小，S_max为卫星最大固存限制；

(d)，当任务m和任务m′在第c个轨道圈次上先后连续执行，则两个任务之间必须有足够的时间间隔，以保证星载遥感器有充足的时间完成姿态转换：即E_m+T_m,m'≤S_m'，其中，S_m′为任务m′的开始时间，E_m为任务m的结束时间，T_m，m′表示任务m和任务m′之间的姿态转换时间。

(e)，任意两个任务不能同时执行：即

其中，S_m为任务m的开始时间，E_m′为任务m′的结束时间。

作为本发明一种快速搜索的敏捷卫星任务规划方法的进一步优选方案，在步骤7中，根据不同规则进行排序形成观测目标队列的收益具体计算方法如下:

其中，f_m(α)为观测目标队列的收益，α为观测时间的中心时刻的观测角度，ω_m为每个任务m所对应的优先级。

作为本发明一种快速搜索的敏捷卫星任务规划方法的进一步优选方案，在步骤7中，收益最高的规划方案的表达式如下：

其中，M为带观测目标集。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明根据成像质量随成像时间动态变化的特点，设计了随时间动态变化的收益函数，在调度层面上让更多的任务能够在最佳成像时刻点附近成像来提高成像质量，同时优化了任务规划的搜索算法，提高了规划效率，具有很强的实用性，提高卫星整体效能；

2、本发明首先通过减少滑动目标窗口次数，达到待观测目标快速搜索插入的特点；

3、本发明通过调整确定所有观测目标的实际成像窗口，保证了成像质量最高；

4、本发明通过计算不同排序规则形成的目标观测队列的收益，可得到收益最高的规划方案；

5、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；

6、本发明还具有逻辑清晰易懂，灵活度高等优点。

附图说明

图1是本发明观测角度与观测时刻示意图；

图2是本发明任务规划方法流程示意图；

图3是本发明不滑动相邻任务成像窗口可满足任务插入示意图；

图4是本发明滑动相邻任务成像窗口可满足任务插入示意图；

图5是本发明滑动相邻任务成像窗口不满足任务插入示意图；

图6是本发明根据质量最高原则调整所有成像窗口示意图；

图7是本发明观测目标收益示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种快速搜索的敏捷卫星任务规划方法，如图2所示，本发明主要包括以下步骤：

步骤1)获取待观测目标集M,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；

步骤2)将观测目标m根据不同规则进行排序；

步骤3)根据排序后的顺序向观测队列中插入待观测目标；

步骤4)考虑相邻目标原始可成像窗口和姿态转换等约束，其中每个任务m所对应的优先级

即任务的最大收益值，卫星固存大小S_m,能够对任务m进行观测的卫星圈次集合C_m，以及每个圈次c所对应的观测时间窗口的开始时间ts_m,c和结束时间te_m,c。

模型决策变量x_m,c，m∈M,c∈C_m。如果卫星可在圈次c对任务m进行观测，则x_m,c＝1，否则x_m,c＝0。每个观测任务的开始时间ts′_m,c和结束时间te′_m,c。

列举了一些基本的约束条件：

(a)，每个观测目标只能被观测一次：即

其中，x_m,c为模型决策变量，且，x_m,c≤1，C_m为能够对任务m进行观测的卫星圈次集合，c为轨道圈次；

(b)，每个观测任务必须在其观测时间窗口内被观测，即ts_m,c≤ts'_m,c<e'_m,c≤e_m,c，其中，ts_m,c每个圈次c所对应的观测时间窗口的开始时间，ts′_m,c为每个观测任务的开始时间，e′_m,c，e_m,c；

(c)，任意时刻t的卫星固存都不能超过卫星最大固存限制：0≤S_t≤S_max，其中，S_t表示任意时刻卫星固存大小，S_max为卫星最大固存限制；

(d)，当任务m和任务m′在第c个轨道圈次上先后连续执行，则两个任务之间必须有足够的时间间隔，以保证星载遥感器有充足的时间完成姿态转换：即E_m+T_m,m'≤S_m'，其中，S_m′为任务m′的开始时间，E_m为任务m的结束时间，T_m，m′表示任务m和任务m′之间的姿态转换时间。

(e)，任意两个任务不能同时执行：即

其中，S_m为任务m的开始时间，E_m′为任务m′的结束时间。

步骤5)根据约束条件计算当前插入的待观测目标与其相邻的观测队列中的目标是否冲突，不冲突则将此待观测目标插入队列，如图3所示，冲突则滑动其相邻的观测目标至最大窗口长度，判断插入观测目标是否满足约束，满足则插入队列，如图4所示，否则舍弃该插入的待观测目标，如图5所示；

步骤6)循环步骤3)至步骤5)直至待观测目标集中所有目标遍历完毕；

步骤7)获取观测目标队列中所有观测目标的可变滑动成像窗口，根据成像质量最高原则，如图1所示，观测目标处于星下点位置时成像质量最高，调整确定所有观测目标的最终成像窗口，如图6所示；

步骤8)计算不同排序规则形成的目标观测队列的收益，使得观测任务累计收益最大，选择收益最高的规划方案。用函数f_m(α)表示任务m在观测角度α的成像收益值，通过分析可知，星下点是最佳的成像位置，即每个观测时间窗口的中部是最佳成像时间，成像质量最高，而最佳成像位置两侧的成像时间随观测角度α变大，成像质量变差。设计收益函数f_m(α)为函数形式：

其中，f_m(α)为观测目标队列的收益，α为观测时间的中心时刻的观测角度，见图7，ω_m为每个任务m所对应的优先级。

收益最高的目标函数为：

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。本领域拥有良好专业背景知识的工程技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。工程技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种快速搜索的敏捷卫星任务规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

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；

步骤2，将观测目标根据不同规则进行排序；

步骤3，将待观测目标插入步骤2排序后的观测目标队列中；

步骤4，根据相邻观测目标原始可成像窗口的任务规划约束条件，判断当前插入的待观测目标与其相邻的观测队列中的观测目标是否冲突：

若不冲突，则将此待观测目标插入观测队列中；

若冲突，则滑动其相邻的观测目标至最大窗口长度，判断插入的待观测目标是否满足约束：若满足约束，则将待观测目标插入观测目标队列，反之，则舍弃该插入的待观测目标；

步骤5，循环依次进行步骤3和步骤4，直至待观测目标集中所有待观测目标遍历完毕；

步骤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，其中，观测目标处于星下点位置时成像质量最高，根据成像质量最高原则，调整确定所有观测目标的实际成像窗口；

步骤7，统计根据不同规则进行排序形成观测目标队列的收益，进而选择收益最高的规划方案，完成敏捷卫星任务规划；

在步骤7中，根据不同规则进行排序形成观测目标队列的收益具体计算方法如下:

其中，f_m(α)为观测目标队列的收益，α为观测时间的中心时刻的观测角度，ω_m为每个任务m所对应的优先级。

2.根据权利要求1所述的快速搜索的敏捷卫星任务规划方法，其特征在于，

在步骤2中，不同规则包含优先级排序规则、观测时间窗口先后顺序、随机排序规则、短观测时间任务优先规则、长观测时间任务优先规则、优先级与总时间比值小比值优先规则、优先级与总时间比值大比值优先规则。

3.根据权利要求1所述的快速搜索的敏捷卫星任务规划方法，其特征在于，在步骤4中，约束条件具体如下：

(a)，每个观测目标只能被观测一次：即

其中，x_m,c为模型决策变量，且，x_m,c≤1，C_m为能够对任务m进行观测的卫星圈次集合，c为轨道圈次；

(b)，每个观测任务必须在其观测时间窗口内被观测，即ts_m,c≤ts'_m,c<te'_m,c≤te_m,c，其中，ts_m,c和te_m,c为每个圈次c所对应的观测时间窗口的开始时间和结束时间，ts′_m,c和te′_m,c为每个观测任务的开始时间和结束时间；

(c)，任意时刻t的卫星固存都不能超过卫星最大固存限制：0≤S_t≤S_max，其中，S_t表示任意时刻卫星固存大小，S_max为卫星最大固存限制；

(d)，当任务m和任务m′在第c个轨道圈次上先后连续执行，则两个任务之间必须有足够的时间间隔，以保证星载遥感器有充足的时间完成姿态转换：即E_m+T_m,m'≤S_m'，其中，S_m′为任务m′的开始时间，E_m为任务m的结束时间，T_m，m′表示任务m和任务m′之间的姿态转换时间；

(e)，任意两个任务不能同时执行：即

其中，S_m为任务m的开始时间，E_m′为任务m′的结束时间。

4.根据权利要求1所述的快速搜索的敏捷卫星任务规划方法，其特征在于，在步骤7中，收益最高的规划方案的表达式如下：

其中，M为带观测目标集。

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