CN108846504B - 一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法及系统，本发明能够保证对目标点的快速高效筛选，形成优化的区域内多点目标任务集合。在确定的任务执行区间内，采用综合最佳分辨率、最大能源获取能力等因素的加权平均方法确定最佳成像时间点，保证成像任务的最佳质量。为了保证任务冲突问题的高效解决，引入性价比判断原则，进行优先级序，保证高优先级任务的有效执行。在区域内重叠任务的解决，采用了兼顾了两个目标点之间姿态机动角度最小和先可见的任务优先观测的迭代排序方法，有效地保证任务的高效执行。本发明特别适用于面向超敏捷卫星的区域内多点目标成像任务的星上规划，能有高效完成任务筛选，冲突解决等关键问题。

Description

一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法及系统

技术领域

本发明属于航天器自主任务规划领域，涉及一种针对区域内点目标成像任务的任务规划方法及系统。

背景技术

超敏捷卫星是一类具有超快速机动能力、超高精度指向性与超强到位稳定能力的卫星平台。由于超敏捷卫星具有超强的机动能力与超快速的到位稳定特性，极大的提升了卫星的成像能力，可完成区域内多个点目标的密集成像任务。由此产生了针对区域内多点目标成像任务的规划和冲突消解问题。现有的任务规划与冲突消解过程均在地面完成，由于算法的复杂度较高，受制于星上资源的有限性，无法实现星上应用。具体需求为：针对成像任务中的区域内点目标(半径小于10公里的圆形区域)呈现出局部区域内分布密集、随机特征，在满足星上使用约束和任务需求约束条件下最大化优先级之和、任务完成度、目标覆盖率,最小化单个卫星工作负荷、能量消耗约束，以最高的成像质量尽可能完成成像任务。

因此传统的针对区域内多点目标成像的方法已经不适用，需要针对寻找新的解决方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出了一种面向星上应用的区域多点目标任务优化方法及系统，根据卫星属性和任务需求，将有限的敏捷卫星资源分配给多个观测任务,并确定任务执行时间和动作序列,以最大限度满足用户需求，提供了一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法。

本发明的技术解决方案是：一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，步骤如下：

(1)卫星预先上注多点目标的成像任务，将卫星轨道周期作为规划周期，进行点目标成像任务的快速挑选，并生成点目标成像任务序列；

(2)计算步骤(1)生成的点目标成像任务执行的时间区间；

(3)在步骤(2)时间区间内，求取拍摄效果最优的最佳成像时刻；

(4)按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，生成点目标成像任务序列；

(5)判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突，若未发生冲突，则按照步骤(4)生成的点目标成像任务序列，依次执行成像任务；若发生冲突，进行步骤(6)；

(6)对于发生冲突的点目标的成像任务，按照任务执行的时间区间的执行时刻重新排序，将重新排序后仍发生冲突的点目标的成像任务剔除，生成优化的点目标成像任务序列，并依次执行成像任务。

步骤(1)卫星预先上注多点目标的成像任务，如下：

卫星周期性的接受上注任务，在星上形成任务集合，每个轨道周期即规划周期根据任务的可执行性对星上任务集合中的任务进行挑选、排序、优化并最终执行。

步骤(1)将卫星轨道周期作为规划周期，进行点目标成像任务的快速挑选，并生成点目标成像任务序列，具体如下：

将轨道周期作为规划周期，依据卫星成像视角范围，对点目标成像任务进行可成像性判断进而快速挑选并生成规划周期内计划执行的任务序列；其中成像视角从任务中获取，设为α_{ViewAng_max}，若无要求，α_{ViewAng_max}则默认为45°；再根据成像视角α_{ViewAng_max}计算对应的地心张角Φ_max，地心张角Φ_max表示目标可见时，地心至目标点矢量与地心至卫星的矢量的夹角所允许的最大值；具体计算方法如下：

按照正弦定理：

最后：

Φ_max＝β-α_{ViewAng_max}

式中，R_e为地球半径，H_Sat为卫星高度，Θ为卫星综合姿态角，Φ为对应的地心张角，β为成像视角α_{ViewAng_max}和地心张角Φ_max之和；

并记录cΦ_max＝cosΦ_max，其中c为余弦计算cos的简写，即卫星进入到以目标点为圆心的Φ_max度内时，卫星能够实现对目标的指向即完成了对点目标成像任务的快速挑选并生成由可完成的点目标成像任务组成的任务序列，即生成点目标成像任务序列。

步骤(2)计算步骤(1)生成的点目标成像任务执行的时间区间，具体如下：

确定每个点目标成像任务可执行的时间区间即分别确定任务可执行的起始时刻、中间时刻和结束时刻；具体计算方法如下：

依次计算给定目标的地固系矢量

与卫星单位矢量

序列的夹角的余弦值；

式中，θ_ss2sat表示地固系下目标矢量与卫星单位矢量的夹角c表示余弦计算cos的简写，dot表示矢量积运算；

当cosθ_ss2sat≥cΦ_max时，满足约束，目标可见；

起始时刻判断：当cosθ_ss2sat≥cΦ_max且cosθ_ss2sat,pst<cΦ_max，其中cosθ_ss2sat,pst为上一控制周期目标的地固系矢量与卫星单位矢量序列的夹角的余弦值，初始值设为1；

结束时刻判断：当cosθ_ss2sat<cΦ_max且cosθ_ss2sat,pst≥cΦ_max；

中间时刻判断：当cθ_ss2sat取得最大值时，对应卫星姿态机动角度最小，对应分辨率最高的成像时刻；一般分辨率最高时刻对应了可见时间区间的中间时刻；

由此确定了由起始时刻与结束时刻组成的点目标成像任务执行的时间区间和成像分辨率最高的中间时刻。

步骤(3)在步骤(2)时间区间内，求取拍摄效果最优的最佳成像时刻，具体如下：

在任务规划中，考虑成像效果，计算在可见时间区间内的综合最优成像的最佳成像时刻；综合考虑以下两个条件：

a.分辨率最佳，等价于在卫星本体系下卫星+Z轴(卫星本体坐标系下+Z轴由卫星质心指向地心，+X与Z轴垂直并指向卫星速度方向，Y轴与X、Z轴右手正交)与卫星至地球矢量的夹角最小；取角度范围：0～45°，取角度余弦进行分辨率评估；

b.能源获取能力最强，等价于卫星的-Z轴与太阳矢量的夹角α_-ZSun，夹角越小，能源获取能力越强；取夹角余弦进行能源获取能力评估；

计算方式，卫星指向目标点的矢量：

其中

表示地固系下卫星地心矢量，

表示地固系下卫星单位矢量；

再求：

其中

表示地固系下太阳单位矢量；

按照夹角的余弦对能源获取能力进行评估，余弦值越大，能源获取能力越好；当余弦值小于0时，将余弦值置为0作为保护；

按照以上2个条件的加权平均求得最大值，对应最佳成像时刻；在一般星上能源设计充足的前提下，确定权重值；求取在可见时间区间内取得最佳成像时刻。

步骤(4)按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，生成点目标成像任务序列，具体如下：

对点目标成像任务序列进行排序；将所有待观测的点目标任务序列，按照成像中间时刻的先后顺序进行排序，其中中间时刻一致的，开始时间在前的排在前；排序的具体方法如下：

a.将排在第一位的任务作为任务的起点，为当前处理的节点(设为i，i＝1，2，3……)；

b.逐个计算待排序的目标点(设为j，j＝1，2，3……)与当前处理节点相对于地心的夹角θ_ij和待排序的目标点与当前处理的节点的成像中间时刻的时间差：δt_ij＝tob_m_j-tob_m_i，其中，tob_m_j为待排序目标点成像中间时刻，tob_m_i为当前处理节点的成像中间时刻；

c.计算综合指标：θ_ij+δt_ij最小的目标点作为新的当前处理的节点；其中θ_ij为当前处理节点相对于地心的夹角；

重复步骤b、c直至子序列的最后一个任务；

由上述过程可得到具有成像中间时刻先后顺序的任务序列。

步骤(5)判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突，冲突是指：两个任务的中间时刻完全相同。

步骤(6)中任务可执行时间区间的执行时刻的确定方法，如下：

首先取排序第(1)个任务的起始时刻作为整个序列成像的起始时间，依此根据卫星轨道、地面目标点的位置、卫星的姿态机动能力等确定出规划序列中后续各个点目标成像任务的可执行起始时刻；

任务可执行时间区间由步骤(7)中确定的任务可执行起始时刻与步骤(4)中计算的结束时刻组成；在可执行区间内，根据成像分辨率最高或综合成像收益最大等具体任务需求确定相应的执行时刻；

对追求成像分辨率最高的一般成像任务来说，获取最优分辨率的图像是规划结果好坏的评价依据；最优分辨率对应最小成像视角，亦等同于最中的成像时间点即中间时刻；通过使得序列的平均成像时刻与最中成像时间点的平均值之差最小，实现序列的最优成像，并确定任务的具体执行时刻；

对综合成像分辨率最佳和能源获取能力等综合因素的成像任务即追求综合收益最大，可通过序列的平均成像时刻与最佳成像时刻的平均值之差最小，确定任务的具体执行时刻。

步骤(6)对于发生冲突的点目标的成像任务，进行冲突消解，按照任务执行的时间区间的执行时刻重新优化；如无冲突发生则根据规划的任务序列，按照确定的执行时刻先后顺序执行点目标成像任务，具体如下：

假设在优先级一致的情况下，无法在任务的可执行区间内规划出执行时刻，即任务的执行时刻已晚于任务的结束时刻，认为冲突发生；此时，对点目标成像任务进行取舍；具体的取舍方法如下：

首先考虑卫星的综合机动角度，对成像来说，如果前一目标点至当前目标点以及当前目标点机动至后一目标点的机动角度均较大时表明该点状态孤立，成像过程中的综合机动角度超过一定角度A(优选15度)，认为对该目标点进行成像付出的代价较大；当部分点目标位于星下点附近，成像时由于前后点的距离超过一定距离D(优选130公里)，也将导致综合姿态机动角度超过一定角度A(优选15度)；这种情况下，兼顾成像点本身偏离星下点的角度，优先淘汰远离星下点的点目标成像任务；

将经过冲突处理后的任务序列迭代回步骤(8)重新优化，重复上述过程，直至冲突完全消解；

如无冲突发生则根据规划的任务序列，按照确定的执行时刻先后顺序执行点目标成像任务。

一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化系统，包括：点目标成像任务序列生成模块、时间区间生成模块、求取模块、目标成像任务序列生成模块、判断模块、冲突解决模块；

点目标成像任务序列生成模块，给卫星预先上注多点目标的成像任务，将卫星轨道周期作为规划周期，进行点目标成像任务的快速挑选，并生成点目标成像任务序列；

时间区间生成模块，计算生成的点目标成像任务执行的时间区间；

求取模块，在时间区间内，求取拍摄效果最优的最佳成像时刻；

目标成像任务序列生成模块，按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，生成点目标成像任务序列；

判断模块，判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突，若未发生冲突，则按照生成的点目标成像任务序列，依次执行成像任务；若发生冲突，由冲突解决模块对于发生冲突的点目标的成像任务，按照任务执行的时间区间的执行时刻重新排序，将重新排序后仍发生冲突的点目标的成像任务剔除，生成优化的点目标成像任务序列，并依次执行成像任务。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明通过一种快速的成像点目标筛选方法方案，提供一种面向星上应用的简单快速高效的规划周期内可执行点目标成像任务的挑选和任务序列的生成。

(2)本发明通过一种基于加权平均方法的星上综合成像最优时刻确定方案，在任务规划过程中，综合考虑成像分辨率最优、能源获取能力最强等因素，保证规划的任务序列获得最佳的成像效果和充足的能源保障。

(3)本发明通过一种基于星上综合机动角度与目标星下点偏离度的冲突消解方案，结合卫星具体的成像应用需求，以卫星最大成像收益为目标，提出的效的冲突消解方法。

(4)本发明通过一种精细化迭代的任务序列优化方案，面向星上应用的快速迭代方法，以最小的计算资源代价，完成对任务序列的优化过程。

(5)本发明通过普适的区域多点目标任务优化方案，能够完成区域多点目标任务的优化并具有普适性，可扩展应用至其他卫星平台。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为观测几何三角形示意图；

图3按照最早时间进行的成像时间排序示意图；

图4优化后的最优成像时刻示意图；

图5规划的执行时刻与中间时刻差示意图；

图6有冲突的目标点示意图；

图7有冲突的目标点排序示意图；

图8有冲突的目标点排序一次优化示意图；

图9有冲突的目标点排序二次优化示意图；

图10为多点目标任务分布示意图；

图11为重叠任务排序示意图；

图12为成像时间重叠情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法及系统，本发明能够保证对目标点的快速高效筛选，形成优化的区域内多点目标任务集合。在确定的任务执行区间内，采用综合最佳分辨率、最大能源获取能力等因素的加权平均方法确定最佳成像时间点，保证成像任务的最佳质量。为了保证任务冲突问题的高效解决，引入性价比判断原则，进行优先级序，保证高优先级任务的有效执行。在区域内重叠任务的解决，采用了兼顾了两个目标点之间姿态机动角度最小和先可见的任务优先观测的迭代排序方法，有效地保证任务的高效执行。本发明特别适用于面向超敏捷卫星的区域内多点目标成像任务的星上规划，能有高效完成任务筛选，冲突解决等关键问题。

超敏捷卫星是一类具有超快速机动能力、超高精度指向性与超强到位稳定能力的卫星平台。由于超敏捷卫星的诸多优越特性，使其成像能力获得极大提升，为配合超敏捷卫星区域内多点目标成像任务规划与完成能力，促进其性能的发挥进而提高成像任务的执行效率与成像效果，提出一种面向星上应用的区域多点目标任务优化方法，解决点目标成像任务的规划与冲突消解优化问题。如图1所示，

一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，步骤如下：

(1)卫星预先上注多点目标的成像任务，将卫星轨道周期作为规划周期，进行点目标成像任务的快速挑选，并生成点目标成像任务序列；

(2)计算步骤(1)生成的点目标成像任务执行的时间区间；

(3)在步骤(2)时间区间内，求取拍摄效果最优的最佳成像时刻；

(4)按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，生成点目标成像任务序列；

(5)判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突，若未发生冲突，则按照步骤(4)生成的点目标成像任务序列，依次执行成像任务；若发生冲突，进行步骤(6)；

(6)对于发生冲突的点目标的成像任务，按照任务执行的时间区间的执行时刻重新排序，将重新排序后仍发生冲突的点目标的成像任务剔除，生成优化的点目标成像任务序列，并依次执行成像任务。

步骤(1)卫星预先上注多点目标的成像任务，如下：

卫星周期性的接受上注任务，在星上形成任务集合，每个轨道周期即规划周期根据任务的可执行性对星上任务集合中的任务进行挑选、排序、优化并最终执行。

步骤(1)将卫星轨道周期作为规划周期，进行点目标成像任务的快速挑选，并生成点目标成像任务序列，具体如下：

将轨道周期作为规划周期，依据卫星成像视角范围，对点目标成像任务进行可成像性判断进而快速挑选并生成规划周期内计划执行的任务序列；其中成像视角从任务中获取，设为α_{ViewAng_max}，若无要求，α_{ViewAng_max}则默认为45°；再根据成像视角α_{ViewAng_max}计算对应的地心张角Φ_max，地心张角Φ_max表示目标可见时，地心至目标点矢量与地心至卫星的矢量的夹角所允许的最大值；具体计算方法如下：

按照正弦定理：

最后：

Φ_max＝β-α_{ViewAng_max}

式中，R_e为地球半径，H_Sat为卫星高度，Θ为卫星综合姿态角，Φ为对应的地心张角，β为成像视角α_{ViewAng_max}和地心张角Φ_max之和。

并记录cΦ_max＝cosΦ_max，其中c为余弦计算cos的简写，即卫星进入到以目标点为圆心的Φ_max度内时，卫星能够实现对目标的指向即完成了对点目标成像任务的快速挑选并生成由可完成的点目标成像任务组成的任务序列，即生成点目标成像任务序列。

步骤(2)计算步骤(1)生成的点目标成像任务执行的时间区间，具体如下：

确定每个点目标成像任务可执行的时间区间即分别确定任务可执行的起始时刻、中间时刻和结束时刻。具体计算方法如下：

依次计算给定目标的地固系矢量

与卫星单位矢量

序列的夹角的余弦值。

式中，θ_ss2sat表示地固系下目标矢量与卫星单位矢量的夹角c表示余弦计算cos的简写，dot表示矢量积运算。

当cosθ_ss2sat≥cΦ_max时，满足约束，目标可见。

起始时刻判断：当cosθ_ss2sat≥cΦ_max且cosθ_ss2sat,pst<cΦ_max，其中cosθ_ss2sat,pst为上一控制周期目标的地固系矢量与卫星单位矢量序列的夹角的余弦值，初始值设为1。

结束时刻判断：当cosθ_ss2sat<cΦ_max且cosθ_ss2sat,pst≥cΦ_max。

中间时刻判断：当cθ_ss2sat取得最大值时，对应卫星姿态机动角度最小，对应分辨率最高的成像时刻。一般分辨率最高时刻对应了可见时间区间的中间时刻。

由此确定了由起始时刻与结束时刻组成的点目标成像任务执行的时间区间和成像分辨率最高的中间时刻。

步骤(3)在步骤(2)时间区间内，求取拍摄效果最优的最佳成像时刻，具体如下：

在任务规划中，考虑成像效果，计算在可见时间区间内的综合最优成像的最佳成像时刻。综合考虑以下两个条件：

a.分辨率最佳，等价于在卫星本体系下卫星+Z轴(卫星本体坐标系下+Z轴由卫星质心指向地心，+X与Z轴垂直并指向卫星速度方向，Y轴与X、Z轴右手正交)与卫星至地球矢量的夹角最小。取角度范围：0～45°，取角度余弦进行分辨率评估。

b.能源获取能力最强，等价于卫星的-Z轴与太阳矢量的夹角α_-ZSun，夹角越小，能源获取能力越强。取夹角余弦进行能源获取能力评估。

计算方式，卫星指向目标点的矢量：

其中

表示地固系下卫星地心矢量，

表示地固系下卫星单位矢量；

再求：

其中

表示地固系下太阳单位矢量。

按照夹角的余弦对能源获取能力进行评估，余弦值越大，能源获取能力越好。当余弦值小于0时，将余弦值置为0作为保护。

按照以上2个条件的加权平均求得最大值，对应最佳成像时刻。在一般星上能源设计充足的前提下，确定权重值。求取在可见时间区间内取得最佳成像时刻。

步骤(4)按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，生成点目标成像任务序列，具体如下：

对点目标成像任务序列进行排序。将所有待观测的点目标任务序列，按照成像中间时刻的先后顺序进行排序，其中中间时刻一致的，开始时间在前的排在前。排序的具体方法如下：

a.将排在第一位的任务作为任务的起点，为当前处理的节点(设为i，i＝1，2，3……)；

b.逐个计算待排序的目标点(设为j，j＝1，2，3……)与当前处理节点相对于地心的夹角θ_ij和待排序的目标点与当前处理的节点的成像中间时刻的时间差：δt_ij＝tob_m_j-tob_m_i，其中，tob_m_j为待排序目标点成像中间时刻，tob_m_i为当前处理节点的成像中间时刻。

c.计算综合指标：θ_ij+δt_ij最小的目标点作为新的当前处理的节点。其中θ_ij为当前处理节点相对于地心的夹角。

重复步骤b、c直至子序列的最后一个任务。

由上述过程可得到具有成像中间时刻先后顺序的任务序列。

步骤(5)判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突，冲突是指：两个任务的中间时刻完全相同。

步骤(6)中任务可执行时间区间的执行时刻的确定方法，如下：

首先取排序第(1)个任务的起始时刻作为整个序列成像的起始时间，依此根据卫星轨道、地面目标点的位置、卫星的姿态机动能力等确定出规划序列中后续各个点目标成像任务的可执行起始时刻。

任务可执行时间区间由步骤(7)中确定的任务可执行起始时刻与步骤(4)中计算的结束时刻组成。在可执行区间内，根据成像分辨率最高或综合成像收益最大等具体任务需求确定相应的执行时刻。

优选方案为：对追求成像分辨率最高的一般成像任务来说，获取最优分辨率的图像是规划结果好坏的评价依据。最优分辨率对应最小成像视角，亦等同于最中的成像时间点即中间时刻。通过使得序列的平均成像时刻与最中成像时间点的平均值之差最小，实现序列的最优成像，并确定任务的具体执行时刻。

对综合成像分辨率最佳和能源获取能力等综合因素的成像任务即追求综合收益最大，可通过序列的平均成像时刻与最佳成像时刻的平均值之差最小，确定任务的具体执行时刻。

步骤(6)对于发生冲突的点目标的成像任务，进行冲突消解，按照任务执行的时间区间的执行时刻重新优化；如无冲突发生则根据规划的任务序列，按照确定的执行时刻先后顺序执行点目标成像任务，具体如下：

假设在优先级一致的情况下，无法在任务的可执行区间内规划出执行时刻，即任务的执行时刻已晚于任务的结束时刻，认为冲突发生。此时，对点目标成像任务进行取舍。具体的取舍优选方案如下：

首先考虑卫星的综合机动角度，对成像来说，如果前一目标点至当前目标点以及当前目标点机动至后一目标点的机动角度均较大时表明该点状态孤立，成像过程中的综合机动角度超过15度，认为对该目标点进行成像付出的代价较大。当部分点目标位于星下点附近，成像时由于前后点的距离超过130公里，也将导致综合姿态机动角度超过15度。这种情况下，兼顾成像点本身偏离星下点的角度，优先淘汰远离星下点的点目标成像任务。

将经过冲突处理后的任务序列迭代回步骤(8)重新优化，重复上述过程，直至冲突完全消解。

如无冲突发生则根据规划的任务序列，按照确定的执行时刻先后顺序执行点目标成像任务。

本发明方法优选的方案包括以下步骤：：

(1)根据卫星预先上注多点目标成像任务，将卫星轨道周期作为规划周期，依据卫星成像视角范围，对点目标成像任务进行可成像性判断进而快速挑选并生成规划周期内计划执行的任务序列。

其中成像视角从任务中获取，设为α_{ViewAng_max}，若无要求，α_{ViewAng_max}则默认为45°。再根据成像视角α_{ViewAng_max}计算对应的地心张角Φ_max，地心张角Φ_max表示目标可见时，地心至目标点矢量与地心至卫星的矢量的夹角所允许的最大值。具体计算方法如下：

如图2所示，其中R_e表示地球半径，H_Sat表示卫星高度，Θ表示卫星综合姿态角，Φ表示对应的地心张角。

按照正弦定理：

最后：

Φ_max＝β-α_{ViewAng_max}

式中，R_e为地球半径，H_Sat为卫星高度，Θ为卫星综合姿态角，Φ为对应的地心张角，β为成像视角α_{ViewAng_max}和地心张角Φ_max之和。

并记录cΦ_max＝cosΦ_max，，其中c为余弦计算cos的简写，即卫星进入到以目标点为圆心的Φ_max度内时，卫星能够实现对目标的指向即完成了对点目标成像任务的快速挑选并生成由可完成的点目标成像任务组成的任务序列。

(2)通过目标地固系矢量与卫星单位矢量约束，计算步骤(1)生成的点目标成像任务执行的时间区间即分别确定任务可执行的起始时刻、中间时刻和结束时刻，作为任务排序的依据。

依次计算给定目标的地固系矢量

与卫星单位矢量

序列的夹角的余弦值。

式中，θ_ss2sat表示地固系下目标矢量与卫星单位矢量的夹角c表示余弦计算cos的简写，dot表示矢量积运算。

当cosθ_ss2sat≥cΦ_max时，满足约束，目标可见。

起始时刻判断：当cosθ_ss2sat≥cΦ_max且cosθ_ss2sat,pst<cΦ_max，其中cosθ_ss2sat,pst为上一控制周期目标的地固系矢量与卫星单位矢量序列的夹角的余弦值，初始值设为1。

结束时刻判断：当当cosθ_ss2sat<cΦ_max且cosθ_ss2sat,pst≥cΦ_max。

中间时刻判断：当cθ_ss2sat取得最大值时，对应卫星姿态机动角度最小，对应分辨率最高的成像时刻。一般分辨率最高时刻对应了可见时间区间的中间时刻。

由此确定了由起始时刻与结束时刻组成的点目标成像任务执行的时间区间和成像分辨率最高的中间时刻。

(3)在步骤(2)时间区间内，综合考虑成像分辨率最佳与能源获取能力最强因素，采用加权平均方法求取拍摄效果最优的最佳成像时刻，作为规划的重要参考。

在任务规划中，考率成像效果，计算在可见时间区间内的综合最优成像的最佳成像时刻。综合考虑以下两个条件：

a.分辨率最佳，等价于卫星本体系下卫星+Z轴(卫星本体坐标系下+Z轴由卫星质心指向地心，+X与Z轴垂直并指向卫星速度方向，Y轴与X、Z轴右手正交)与卫星至地球矢量的夹角最小。取角度范围：0～45°，取角度余弦进行评估。

b.能源获取能力最强，等价于卫星的-Z轴与太阳矢量的夹角α_-ZSun，夹角越小，能源获取能力越强。取夹角余弦进行评估。

计算方式，卫星指向目标点的矢量：

其中

表示地固系下卫星地心矢量，

表示地固系下卫星单位矢量；

再求：

其中

表示地固系下太阳单位矢量。

按照夹角的余弦对能源进行评估，余弦值越大，能源获取越好。当余弦值小于0时，将余弦值置为0作为保护。

按照以上2个条件的加权平均求得最大值，对应。在一般星上能源设计充足的前提下，确定权重值。求取在可见时间区间内取得最佳成像时刻t_b。

(4)按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，其中中间时刻一致的，开始时间在前的排在前，生成点目标成像任务序列。

对点目标成像任务序列进行排序。将所有待观测的点目标任务序列，按照成像中间时刻的先后顺序进行排序，其中中间时刻一致的，开始时间在前的排在前。排序的具体方法如下：

a.将排在第一位的任务作为任务的起点，为当前处理的节点(设为i，i＝1，2，3……)；

b.逐个计算待排序的目标点(设为j，j＝1，2，3……)与当前处理的节点的相对于地心的夹角θ_ij和待排序的目标点与当前处理的节点的成像中间时刻的时间差：δt_ij＝tob_m_j-tob_m_i，其中tob_m_j为待排序目标点成像中间时刻，tob_m_i为当前处理节点的成像中间时刻。

c.计算综合指标：θ_ij+δt_ij最小的目标点作为新的当前处理的节点。

重复步骤b、c直至子序列的最后一个任务。

由上述过程可得到具有成像中间时刻先后顺序的任务序列。

优选方案还包括(5)步骤(5)对生成的任务序列进行可执行性验证，判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突即任务的中间时刻完全相同，若未发生冲突，则按照步骤(6)生成的点目标成像任务序列，依次执行成像任务。

(6)对于发生冲突的点目标的成像任务，通过使得序列的平均成像时刻与中间时刻或最佳成像时刻的平均值差最小，确定任务的具体执行时刻并重新排序，将重新排序后仍发生冲突的点目标成像任务依据卫星综合机动角度与点目标偏离星下点角度进行优选淘汰，将生成优化的点目标成像任务序列优化迭代直至冲突完全消解，最终依次执行成像任务。

首先取排序第(1)个任务的起始时刻作为整个序列成像的起始时间，依此根据卫星轨道、地面目标点的位置、卫星的姿态机动能力等确定出规划序列中后续各个点目标成像任务的可执行起始时刻。如图3所示，横坐标为成像时间(s)，纵坐标表示任务数，每条线段表示任务可执行时间区间，线段的起止和中间分别表示成像任务的起始时刻、结束时刻和中间时刻，三角形标记为各个任务的可执行时刻。若需要进行最快时间成像，则至此已经完成了序列的最早成像时刻的确定。

对追求成像分辨率最高的一般成像任务来说，获取最优分辨率的图像是规划结果好坏的评价依据。最优分辨率对应最小成像视角，亦等同于中间时刻。通过使得序列的平均成像时刻与最中成像时间点的平均值之差最小，实现序列的最优成像，并确定任务的具体执行时刻。如图4所示，横坐标为成像时间(s)，纵坐标表示任务数，每条线段表示任务可执行时间区间，线段的起止和中间分别表示成像任务的起始时刻、结束时刻和中间时刻，三角形标记为采用上述方法规划后的各个任务的可执行时刻。可见，各个时间点均位于成像中间时刻的左右附近。如图5所示，横坐标为任务数n，纵坐标为可执行时刻与中间时刻之差。从图中曲线可知，经过优化后，总体来看可执行时刻与中间时刻之差的平均值接近为零。

对综合成像分辨率最佳和能源获取能力等综合因素的成像任务即追求综合收益最大，可通过序列的平均成像时刻与最佳成像时刻的平均值之差最小，确定任务的具体执行时刻。

假设在优先级一致的情况下，无法在任务的可执行区间内规划出执行时刻，即任务的执行时刻已晚于任务的结束时刻，认为冲突发生。此时，对点目标成像任务根据成像收益进行取舍。如图6所示，横坐标表示经度，纵坐标表示纬度，在规定的圆形区域内随机生成的16个任务点。如图7所示，横坐标表示经度，纵坐标表示纬度，在圆形区域内规划出成像任务序列。如按照图7的任务序列进行成像时间确定时，至第16个点时，确定出的成像时间已经大于了第16个点的最晚成像时间，表明该序列不能完全执行。具体的取舍方法如下：

首先考虑卫星的综合机动角度，对成像来说，如果前一目标点至当前目标点以及当前目标点机动至后一目标点的机动角度均较大时表明该点状态孤立，成像过程中的综合机动角度超过15度，为该目标点进行成像付出的代价较大。当部分点目标位于星下点附近，成像时由于前后点的距离超过130公里，也将导致综合姿态机动角度超过15度。这种情况下，兼顾成像点本身偏离星下点的角度，优先淘汰远离星下点的点目标成像任务。

根据这一分析，优化时，将图7中的第9个点首先淘汰，第9个点符合机动角度大，且离星下点远的特征。优化后前16个点剩下15个点，重新组成的序列如图8所示任务集合。但图8中序列仍不能完全执行，进一步分析出新的任务点15也符合机动前后角度大，离星下点远的特征，所以将该点也进行淘汰，最终得到一个可执行序列如图9所示。

比较图6和图7，被淘汰点的图6中的原始任务为点18和点13，符合预期的效果。经过对任务冲突的处理之后，新生成的序列为可执行序列，可进行进一步的成像序列优化。

将经过冲突处理后的任务序列迭代重新优化，重复上述步骤(4)至(6)，直至冲突完全消解。如无冲突发生则根据规划的任务序列，按照确定的执行时刻先后顺序执行点目标成像任务。

无冲突情况下仿真用例如下：

如图10所示，横坐标表示经度，纵坐标表示纬度，在半径为500km左右的圆形区域内随机生成的10个任务点作为仿真用例。。

针对10个重复序列进行排序。如图11所示为排序后的结果。如图12所示，排序后的各个任务之间的时间重叠关系。任务的序号为按照综合最优进行排列的任务的先后关系。排序方法兼顾了两个目标点之间姿态机动角度最小和先可见的任务优先观测的问题，避免了单一姿态机动角度小导致部分先可见的任务排在了后面。由以上仿真结果可以看出，通过简便的迭代计算方法，结合星上成像任务的具体约束，可以实现对区域内任务的快速规划。

一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化系统，包括：点目标成像任务序列生成模块、时间区间生成模块、求取模块、目标成像任务序列生成模块、判断模块、冲突解决模块；

点目标成像任务序列生成模块，给卫星预先上注多点目标的成像任务，将卫星轨道周期作为规划周期，进行点目标成像任务的快速挑选，并生成点目标成像任务序列；

时间区间生成模块，计算生成的点目标成像任务执行的时间区间；

求取模块，在时间区间内，求取拍摄效果最优的最佳成像时刻；

目标成像任务序列生成模块，按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，生成点目标成像任务序列；

判断模块，判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突，若未发生冲突，则按照生成的点目标成像任务序列，依次执行成像任务；若发生冲突，由冲突解决模块对于发生冲突的点目标的成像任务，按照任务执行的时间区间的执行时刻重新排序，将重新排序后仍发生冲突的点目标的成像任务剔除，生成优化的点目标成像任务序列，并依次执行成像任务。

点目标成像任务序列生成模块，根据卫星预先上注多点目标成像任务，将卫星轨道周期作为规划周期，依据卫星成像视角范围，对点目标成像任务进行可成像性判断进而快速挑选并生成规划周期内计划执行的任务序列。

其中成像视角从任务中获取，设为α_{ViewAng_max}，若无要求，α_{ViewAng_max}

则默认为45°。再根据成像视角α_{ViewAng_max}计算对应的地心张角Φ_max，地心张角Φ_max表示目标可见时，地心至目标点矢量与地心至卫星的矢量的夹角所允许的最大值。具体计算方法如下：

如图2所示，其中R_e表示地球半径，H_Sat表示卫星高度，Θ表示卫星综合姿态角，Φ表示对应的地心张角。

按照正弦定理：

最后：

Φ_max＝β-α_{ViewAng_max}

式中，R_e为地球半径，H_Sat为卫星高度，Θ为卫星综合姿态角，Φ为对应的地心张角，β为成像视角α_{ViewAng_max}和地心张角Φ_max之和。

并记录cΦ_max＝cosΦ_max，，其中c为余弦计算cos的简写，即卫星进入到以目标点为圆心的Φ_max度内时，卫星能够实现对目标的指向即完成了对点目标成像任务的快速挑选并生成由可完成的点目标成像任务组成的任务序列。

时间区间生成模块，通过目标地固系矢量与卫星单位矢量约束，计算步骤(1)生成的点目标成像任务执行的时间区间即分别确定任务可执行的起始时刻、中间时刻和结束时刻，作为任务排序的依据。

依次计算给定目标的地固系矢量

与卫星单位矢量

序列的夹角的余弦值。

式中，θ_ss2sat表示地固系下目标矢量与卫星单位矢量的夹角c表示余弦计算cos的简写，dot表示矢量积运算。

当cosθ_ss2sat≥cΦ_max时，满足约束，目标可见。

起始时刻判断：当cosθ_ss2sat≥cΦ_max且cosθ_ss2sat,pst<cΦ_max，其中cosθ_ss2sat,pst为上一控制周期目标的地固系矢量与卫星单位矢量序列的夹角的余弦值，初始值设为1。

结束时刻判断：当当cosθ_ss2sat<cΦ_max且cosθ_ss2sat,pst≥cΦ_max。

中间时刻判断：当cθ_ss2sat取得最大值时，对应卫星姿态机动角度最小，对应分辨率最高的成像时刻。一般分辨率最高时刻对应了可见时间区间的中间时刻。

由此确定了由起始时刻与结束时刻组成的点目标成像任务执行的时间区间和成像分辨率最高的中间时刻。

求取模块在步骤(2)时间区间内，综合考虑成像分辨率最佳与能源获取能力最强因素，采用加权平均方法求取拍摄效果最优的最佳成像时刻，作为规划的重要参考。

在任务规划中，考率成像效果，计算在可见时间区间内的综合最优成像的最佳成像时刻。综合考虑以下两个条件：

a.分辨率最佳，等价于卫星本体系下卫星+Z轴(卫星本体坐标系下+Z轴由卫星质心指向地心，+X与Z轴垂直并指向卫星速度方向，Y轴与X、Z轴右手正交)与卫星至地球矢量的夹角最小。取角度范围：0～45°，取角度余弦进行评估。

b.能源获取能力最强，等价于卫星的-Z轴与太阳矢量的夹角α_-ZSun，夹角越小，能源获取能力越强。取夹角余弦进行评估。

计算方式，卫星指向目标点的矢量：

其中

表示地固系下卫星地心矢量，

表示地固系下卫星单位矢量；

再求：

其中

表示地固系下太阳单位矢量。

按照夹角的余弦对能源进行评估，余弦值越大，能源获取越好。当余弦值小于0时，将余弦值置为0作为保护。

按照以上2个条件的加权平均求得最大值，对应。在一般星上能源设计充足的前提下，确定权重值。求取在可见时间区间内取得最佳成像时刻t_b。

目标成像任务序列生成模块按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，其中中间时刻一致的，开始时间在前的排在前，生成点目标成像任务序列。

对点目标成像任务序列进行排序。将所有待观测的点目标任务序列，按照成像中间时刻的先后顺序进行排序，其中中间时刻一致的，开始时间在前的排在前。排序的具体方法如下：

a.将排在第一位的任务作为任务的起点，为当前处理的节点(设为i，i＝1，2，3……)；

b.逐个计算待排序的目标点(设为j，j＝1，2，3……)与当前处理的节点的相对于地心的夹角θ_ij和待排序的目标点与当前处理的节点的成像中间时刻的时间差：δt_ij＝tob_m_j-tob_m_i，其中tob_m_j为待排序目标点成像中间时刻，tob_m_i为当前处理节点的成像中间时刻。

c.计算综合指标：θ_ij+δt_ij最小的目标点作为新的当前处理的节点。

重复步骤b、c直至子序列的最后一个任务。

由上述过程可得到具有成像中间时刻先后顺序的任务序列。

判断模块，对生成的任务序列进行可执行性验证，判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突即任务的中间时刻完全相同，若未发生冲突，则按照步骤(6)生成的点目标成像任务序列，依次执行成像任务。

冲突解决模块，对于发生冲突的点目标的成像任务，通过使得序列的平均成像时刻与中间时刻或最佳成像时刻的平均值差最小，确定任务的具体执行时刻并重新排序，将重新排序后仍发生冲突的点目标成像任务依据卫星综合机动角度与点目标偏离星下点角度进行优选淘汰，将生成优化的点目标成像任务序列优化迭代直至冲突完全消解，最终依次执行成像任务。

本发明通过一种快速的成像点目标筛选方法方案，提供一种面向星上应用的简单快速高效的规划周期内可执行点目标成像任务的挑选和任务序列的生成。通过一种基于加权平均方法的星上综合成像最优时刻确定方案，在任务规划过程中，综合考虑成像分辨率最优、能源获取能力最强等因素，保证规划的任务序列获得最佳的成像效果和充足的能源保障。

本发明通过一种基于星上综合机动角度与目标星下点偏离度的冲突消解方案，结合卫星具体的成像应用需求，以卫星最大成像收益为目标，提出的效的冲突消解方法。通过一种精细化迭代的任务序列优化方案，面向星上应用的快速迭代方法，以最小的计算资源代价，完成对任务序列的优化过程。通过普适的区域多点目标任务优化方案，能够完成区域多点目标任务的优化并具有普适性，可扩展应用至其他卫星平台。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，其特征在于步骤如下：

(1)卫星预先上注多点目标的成像任务，将卫星轨道周期作为规划周期，进行点目标成像任务的快速挑选，并生成点目标成像任务序列；

(2)计算步骤(1)生成的点目标成像任务执行的时间区间；

(3)在步骤(2)时间区间内，求取拍摄效果最优的最佳成像时刻；

(4)按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，生成点目标成像任务序列；

(5)判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突，若未发生冲突，则按照步骤(4)生成的点目标成像任务序列，依次执行成像任务；若发生冲突，进行步骤(6)；

(6)对于发生冲突的点目标的成像任务，按照任务执行的时间区间的执行时刻重新排序，将重新排序后仍发生冲突的点目标的成像任务剔除，生成优化的点目标成像任务序列，并依次执行成像任务。

2.根据权利要求1所述的一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，其特征在于：步骤(1)卫星预先上注多点目标的成像任务，具体如下：卫星周期性的接受上注任务，在星上形成任务集合，每个轨道周期即规划周期根据任务的可执行性对星上任务集合中的任务进行挑选、排序、优化并最终执行。

3.根据权利要求1所述的一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，其特征在于：步骤(1)将卫星轨道周期作为规划周期，进行点目标成像任务的快速挑选，并生成点目标成像任务序列，具体如下：将轨道周期作为规划周期，依据卫星成像视角范围，对点目标成像任务进行可成像性判断进而快速挑选并生成规划周期内计划执行的任务序列；其中成像视角从任务中获取，设为α_{ViewAng_max}，若无要求，α_{ViewAng_max}则默认为45°；再根据成像视角α_{ViewAng_max}计算对应的最大地心张角Φ_max，最大地心张角Φ_max表示目标可见时，地心至目标点矢量与地心至卫星的矢量的夹角所允许的最大值；具体计算方法如下：

按照正弦定理：

最后：

Φ_max＝β-α_{ViewAng_max}

式中，R_e为地球半径，H_Sat为卫星高度，Θ为卫星综合姿态角，β为成像视角α_{ViewAng_max}和最大地心张角Φ_max之和；

并记录cΦ_max＝cosΦ_max，其中c为余弦计算cos的简写，即卫星进入到以目标点为圆心的Φ_max度内时，卫星能够实现对目标的指向即完成了对点目标成像任务的快速挑选并生成由可完成的点目标成像任务组成的任务序列，即生成点目标成像任务序列。

4.根据权利要求1所述的一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，其特征在于：步骤(2)计算步骤(1)生成的点目标成像任务执行的时间区间，具体如下：

确定每个点目标成像任务可执行的时间区间即分别确定任务可执行的起始时刻、中间时刻和结束时刻；具体计算方法如下：

依次计算给定目标的地固系矢量

与卫星单位矢量

序列的夹角的余弦值；

式中，θ_ss2sat表示地固系下目标矢量与卫星单位矢量的夹角，c表示余弦计算cos的简写，dot表示矢量积运算；

当cosθ_ss2sat≥cΦ_max时，满足约束，目标可见；

起始时刻判断：当cosθ_ss2sat≥cΦ_max且cosθ_ss2sat,pst<cΦ_max，其中cosθ_ss2sat,pst为上一控制周期目标的地固系矢量与卫星单位矢量序列的夹角的余弦值，初始值设为1；其中，cΦ_max＝cosΦ_max，c为余弦计算cos的简写；

结束时刻判断：当cosθ_ss2sat<cΦ_max且cosθ_ss2sat,pst≥cΦ_max；

中间时刻判断：当cθ_ss2sat取得最大值时，对应卫星姿态机动角度最小，对应分辨率最高的成像时刻；一般分辨率最高时刻对应了可见时间区间的中间时刻；

由此确定了由起始时刻与结束时刻组成的点目标成像任务执行的时间区间和成像分辨率最高的中间时刻。

5.根据权利要求1所述的一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，其特征在于：步骤(3)在步骤(2)时间区间内，求取拍摄效果最优的最佳成像时刻，具体如下：

在任务规划中，计算在可见时间区间内的综合最优成像的最佳成像时刻；综合满足以下两个条件：

a.分辨率最佳，等价于在卫星本体系下卫星+Z轴与卫星至地球矢量的夹角最小；取角度范围：0～45°，取角度余弦进行分辨率评估；

b.能源获取能力最强，等价于卫星的-Z轴与太阳矢量的夹角α_-ZSun，夹角越小，能源获取能力越强；取夹角余弦进行能源获取能力评估；

由于卫星指向目标点的矢量为：

其中

表示地固系下卫星地心矢量，

表示地固系下卫星单位矢量；

为给定目标的地固系矢量；

再求：

其中

表示地固系下太阳单位矢量；dot表示矢量积运算；

按照夹角的余弦对能源获取能力进行评估；

按照以上2个条件的加权平均求得最大值，对应最佳成像时刻。

6.根据权利要求1所述的一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，其特征在于：步骤(4)按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，生成点目标成像任务序列，具体如下：

对点目标成像任务序列进行排序；将所有待观测的点目标任务序列，按照成像中间时刻的先后顺序进行排序，其中中间时刻一致的，开始时间在前的排在前；排序的具体方法如下：

a.将排在第一位的任务作为任务的起点，为当前处理的节点(设为i，i＝1，2，3……)；

b.逐个计算待排序的目标点(设为j，j＝1，2，3……)与当前处理节点相对于地心的夹角θ_ij和待排序的目标点与当前处理的节点的成像中间时刻的时间差：δt_ij＝tob_m_j-tob_m_i，其中，tob_m_j为待排序目标点成像中间时刻，tob_m_i为当前处理节点的成像中间时刻；

c.计算综合指标：θ_ij+δt_ij的数值最小的目标点作为新的当前处理的节点；其中θ_ij为当前处理节点相对于地心的夹角；

重复步骤b、c直至子序列的最后一个任务；

由上述过程可得到具有成像中间时刻先后顺序的任务序列。

7.根据权利要求1所述的一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，其特征在于：步骤(5)判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突，冲突是指：两个任务的中间时刻完全相同。

8.根据权利要求1所述的一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，其特征在于：步骤(6)中任务执行的时间区间的执行时刻的确定方法，如下：

首先取排序第(1)个任务的起始时刻作为整个序列成像的起始时间，依此根据卫星轨道、地面目标点的位置、卫星的姿态机动能力等确定出规划序列中后续各个点目标成像任务的可执行起始时刻；

任务执行的时间区间由任务执行起始时刻与结束时刻组成；在可执行区间内，根据成像分辨率最高或综合成像收益最大等具体任务需求确定相应的执行时刻。

9.一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化系统，其特征在于包括：点目标成像任务序列生成模块、时间区间生成模块、求取模块、目标成像任务序列生成模块、判断模块、冲突解决模块；

点目标成像任务序列生成模块，给卫星预先上注多点目标的成像任务，将卫星轨道周期作为规划周期，进行点目标成像任务的快速挑选，并生成点目标成像任务序列；

时间区间生成模块，计算生成的点目标成像任务执行的时间区间；

求取模块，在时间区间内，求取拍摄效果最优的最佳成像时刻；

目标成像任务序列生成模块，按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，生成点目标成像任务序列；

判断模块，判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突，若未发生冲突，则按照生成的点目标成像任务序列，依次执行成像任务；若发生冲突，由冲突解决模块对于发生冲突的点目标的成像任务，按照任务执行的时间区间的执行时刻重新排序，将重新排序后仍发生冲突的点目标的成像任务剔除，生成优化的点目标成像任务序列，并依次执行成像任务。

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