CN109284904B - 用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法 - Google Patents

Abstract

用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法，首先确定遥感卫星光学载荷对地面目标点所有成像路径所穿过的矩形云层区域，生成云判相机指向调节规划序列、多角度立体检测指向规划序列，然后分别计算云判相机在不同检测时刻点到矩形云层区域四顶点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数，计算矩形云层区域多幅云层检测数据中的云层覆盖范围、各像素点的云层厚度信息，最后得到矩形云层区域中各小矩形云层区域的云层评价信息、地面目标点的可观测时间窗口内各局部时间窗口的成像条件评价信息，筛选具备有效成像条件的局部时间窗口集合，进而得到地面目标点的最优成像方案。

Description

用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法

技术领域

本发明涉及用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法，适用于成像路径受云层遮挡后严重影响成像效果的光学载荷遥感卫星的自主任务规划系统，通过在星上安装云判相机及其配套的敏捷云台，在光学载荷成像前预先感知成像路径上云层覆盖信息并寻找云层缝隙，自主任务规划系统基于感知信息进行已规划方案的动态调整，并决策生成载荷相机穿过云层缝隙对地面目标成像的规划方案。

背景技术

云层窗口自主感知、决策技术服务于具有自主任务规划能力并且对于成像数据可用性有较高要求的光学载荷遥感卫星。云层窗口自主感知、决策技术通过其中的云判相机指向规划、敏捷云台指向调节、云层信息自主感知、成像路径自主决策评价、最优成像方案自主规划等环节，自主感知成像路径上云层覆盖范围与厚度信息并寻找云层缝隙，并进而生成载荷相机穿过云层缝隙的成像方案，从而有效降低光学载荷遥感卫星在轨工作期间受到云层遮挡的影响，提高成像数据的可用性，提升任务收益。

遥感卫星云层窗口自主感知、决策技术采用星载云判相机、滚动和俯仰方向两自由度的敏捷云台，与自主任务规划系统配合实现地面目标成像路径云层信息的感知，以及基于此的任务规划。遥感卫星自主任务规划技术通过其中的卫星成像辅助信息预报、任务预处理、任务规划等环节自主的生成成像任务、数传任务的可执行规划方案。遥感卫星自主任务规划系统预先于一天前或一个轨道周期前对多个地面目标的成像任务进行预先的统一规划，此时并未考虑地面目标成像路径云层信息的情况下。云判相机基于彩色光学探测器及相应的处理线路实现，用于检测、识别视场范围内的云层覆盖范围及云层厚度，并输出云判的量化评价结果，其视场、分辨率、信息处理时间等设计依据具体的任务要求确定。两自由度敏捷云台具有其滚动和俯仰方向的姿态调节能力。云判相机安装于敏捷云台上方，通过敏捷云台滚动和俯仰方向的姿态机动可实现云判相机指向指定云层区域。敏捷云台的指向精度、指向调节范围、指向调节角速度等设计依据具体的任务要求确定。敏捷云台安装于遥感卫星本体坐标系XOZ平面内，采用前视安装的方式与+Z轴之间的夹角在0～90度以内，以保证在光学载荷对地面目标成像前有足够时间实现云判相机对成像路径上的云层信息检测，自主任务规划系统根据云层信息进行规划方案调整，卫星控制系统根据规划方案进行载荷指向调节。

近年来公开发表的文献中对遥感图像云检测方法、基于环境信息的任务规划的研究比较多。但上述已有方法存在的缺点主要体现在：(1)现有遥感卫星云层检测方法一般在载荷相机成像后，通过在轨云检测方式删除无效数据以减小对卫星固存资源、数传通道的无效占用，或者通过地面云检测来剔除云层数据以恢复有效目标图像。这些云层检测方法虽然在一定程度上能够降低云层遮挡造成的损失，但是无法从根源上保证成像数据的可用性。(2)现有面向云层的遥感卫星决策和规划方法一般假设星上已知云层信息，例如来自地面的气象预报信息，并在此基础上裁减待观测目标的可见时间窗口并进行任务规划，但是采用这种方式的规划方案的优劣、成像效果的好坏严重依赖第三方提供的云层信息的时效性和准确性，并且虽然气象预报已能够覆盖全球各个地区，但是其实时性和准确性方面仍存在较大差距，所以仍然不能保证遥感卫星成像数据的可用性。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法，通过云层窗口的自主感知、决策，及基于此的任务规划，可应用于受云层遮挡影响严重的光学遥感卫星的有效成像路径自主规划问题。

本发明解决的技术方案为：用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法，步骤如下：

(1)根据遥感卫星的滚动俯仰机动能力、地面目标点与遥感卫星的相对位置关系，确定遥感卫星光学载荷对地面目标点所有成像路径所穿过的矩形云层区域，并计算出矩形云层区域的中心点与四顶点的经度、纬度、高程信息；其中，遥感卫星光学载荷穿过矩形云层区域在可成像时间窗口对地面目标点进行成像；

(2)以矩形云层区域中心点作为云判相机指向目标点，敏捷云台根据卫星平台姿态规划按照匀角速度的姿态机动方式进行云判相机指向调节过程和多角度立体检测过程的指向规划，生成云判相机指向调节规划序列、多角度立体检测指向规划序列；其中，云判相机根据已确定矩形云层区域内的满足任务条件的可成像时间窗口选择光学载荷在矩形云层区域内的成像路径；其中，敏捷云台控制云判相机指向；

(3)通过敏捷云台自带的测角装置测量敏捷云台在地心赤道惯性坐标系下的姿态，分别以云判相机指向调节规划序列、多角度立体检测指向规划序列作为参考输入信号，完成敏捷云台在匀角速度姿态机动方式下的闭环控制，在云判相机多角度立体检测过程中分别计算云判相机在不同检测时刻点到矩形云层区域四顶点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数；

(4)根据云判相机在不同检测时刻点到矩形云层区域四顶点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数、云判相机生成的多幅云层检测数据，裁剪得到矩形云层区域在不同检测时刻点对应的云层检测数据，计算矩形云层区域在多幅云层检测数据中的云层覆盖范围、各像素点的云层厚度信息；其中，云判相机在不同检测时刻点对矩形云层区域成像，生成多幅云层检测数据；

(5)根据矩形云层区域多幅云层检测数据中的云层覆盖范围、各像素点的云层厚度信息，得到矩形云层区域中各小矩形云层区域的云层评价信息，根据遥感卫星光学载荷的工作特性得到地面目标点的可观测时间窗口内各局部时间窗口的成像条件评价信息；其中，小矩形云层区域包含在矩形云层区域内，云层评价信息由云判相机生成的多幅云层检测数据确定，地面目标点的可观测时间窗口内各局部时间窗口由成像任务要求确定；

(6)根据遥感卫星光学载荷的工作特性得到地面目标点的可观测时间窗口内各局部时间窗口的成像条件评价信息，筛选具备有效成像条件的局部时间窗口集合，进而得到地面目标点的最优成像方案，完成成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策。

所述的计算出矩形云层区域的中心点与四顶点的经度、纬度、高程信息的方法为：

设遥感卫星俯仰方向的最大姿态机动范围为-φ°～φ°，地面目标点M的地理位置为经度long_M、纬度lat_M、高程信息，根据遥感卫星轨道计算得到遥感卫星对M成像需要在滚动方向预先偏置的角度

根据遥感卫星俯仰方向的最大姿态机动范围计算出M点首次进入载荷相机视场的时刻t_s、俯仰方向对M成像前视角φ°，以及M点从载荷相机视场消失的时刻t_e、俯仰方向对M成像的后视角-φ°，根据遥感卫星光学载荷在t_s、t_e两个时间点对地面目标点M成像确定得到地面目标点M的可观测时间窗口[t_s,t_e]范围内光学载荷成像路径可能穿过的矩形云层区域R的四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的经度、纬度、高程信息。

所述的光学载荷成像路径可能穿过的矩形云层区域的四个顶点的经度、纬度、高程信息的计算过程为：

设遥感卫星由r₁r₂飞向r₃r₄，地面目标点M上方的云层海拔高度为h_c，计算遥感卫星光学载荷在星时t_s或星时t_e指向M时光学载荷在海拔高度为h_c的视场半径为

其中，h_s为遥感卫星的轨道高度，θ为光学载荷的视场角，

为敏捷云台在轨道坐标系下的滚动角，φ为敏捷云台在轨道坐标系下的俯仰角；云层区域在r₁r₃至r₂r₄方向宽度为b＝2r，云层区域四个顶点的经度分别为：

long₁＝long₃＝long_M-Δlong

long₂＝long₄＝long_M+Δlong

其中long₁、long₂、long₃、long₄分别为四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的经度，

Δlong＝360°·b/[2πR_e·cos(lat_M)]

R_e为地球半径；

云层区域在r₁r₂至r₃r₄方向的长度为：

l＝2h_c·cotφ+2r，

四个顶点的纬度分别为

lat₁＝lat₂＝lat_M-Δlat

lat₃＝lat₄＝lat_M+Δlat

其中lat₁、lat₂、lat₃、lat₄分别为四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的纬度，

Δlat＝360°·l/2πR_e。

进而得到矩形云层区域R的四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的经度、纬度、高程信息分别为(long_i,lat_i,h_c)，i＝1,2,3,4。

所述的生成云判相机指向调节规划序列、多角度立体检测指向规划序列的方法为：

设待观测目标M成像任务预先规划方案中的光学载荷成像开始时刻为星时t_start，用于云层窗口感知决策的时间提前量为ΔT，ΔT＝Δt₁+Δt₂+Δt₃+Δt₄，Δt₁为敏捷云台姿态机动调整云判相机指向矩形云层区域中心的预留时间，Δt₂为云判相机检测处理预留时间，Δt₃为根据云层检测信息进行待观测目标M成像任务重规划的预留时间，Δt₄为根据新规划方案由卫星平台调整载荷相机指向的预留时间，计算t₁＝t-ΔT，

根据[t₁,t₂]时间范围内卫星平台的姿态规划序列计算得到云判相机从t₁时刻至t₂时刻的敏捷云台机动指向规划序列S₁，计算t₃＝t₂+t_last，其中，t_last为云判相机对矩形云层区域成像持续时间，控制云判相机从星时t₂至星时t₃＝t₂+t_last以时间间隔Δt＝t_last/n对目标点进行n角度立体检测，根据[t₂,t₃]时间范围内卫星平台的姿态规划序列计算得到云判相机从星时t₂至星时t₃的敏捷云台n角度立体检测指向规划序列S₂。

所述的计算云判相机在不同检测时刻点到矩形云层区域四顶点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数的方法为：

(1)将敏捷云台机动指向规划序列S₁作为星时t₁至星时t₂的敏捷云台闭环控制的参考输入信号，将敏捷云台n角度立体检测指向规划序列S₂作为星时t₂至星时t₃的敏捷云台闭环控制的参考输入信号，在星时t₁至星时t₃期间根据敏捷云台自带的测角装置实时测量敏捷云台相对于卫星平台在卫星本体系的姿态四元数，进而计算得到敏捷云台在地心赤道惯性坐标系下的姿态四元数以及敏捷云台惯性系下的三轴姿态角速度、姿态角加速度，在每个敏捷云台控制周期将地心赤道惯性坐标系下的敏捷云台姿态四元数、姿态角速度、姿态角加速度与指向规划序列中参考值的差值作为敏捷云台闭环控制的输入信号，控制敏捷云台以匀角速度姿态机动方式进行闭环控制；

(2)敏捷云台在星时t₂指向目标点后，在t_last时间范围内的n角度立体检测过程中，每Δt向云判相机发出曝光使能信号，使云判相机对目标云层区域连续成像n次，其中，n为正整数；

(3)计算t₂+i·Δt时刻，i＝0,…,n-1，云判相机在n个时刻点指向矩形云层区域中心点的方向矢量在地心赤道惯性坐标系下的姿态四元数，以及根据矩形云层区域R的四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的经度、纬度、高程信息，计算云判相机至r₁、r₂、r₃、r₄点的四个方向矢量在n个时刻点在地心赤道惯性坐标系下的姿态四元数，进而计算从云判相机至r₁、r₂、r₃、r₄点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数

j＝1,2,3,4，其中，

为t₂+i·Δt时刻云判相机至r_j点在云判相机坐标系下的姿态四元数。

所述的计算矩形云层区域多幅云层检测数据中的云层覆盖范围、各像素点的云层厚度信息的方法为：

(1)根据云判相机至r₁、r₂、r₃、r₄点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数

计算r₁、r₂、r₃、r₄点在t₂+i·Δt时刻对应的云判相机视场中的像素点的坐标集合

i＝0,…,n-1，从云判相机在星时[t₂,t₃]范围内获取的n幅图像中依次裁剪得到矩形云层区域R在t₂+i·Δt时刻的检测数据，根据云判相机指向在t₂+i·Δt时刻点在地心赤道惯性坐标系下的姿态四元数，计算得到云判相机指向在地固系下的姿态四元数，并对矩形云层区域R的n幅检测数据进行几何校正；

(2)对几何校正后的矩形云层区域R的n幅检测数据采用自适应阈值分割、彩色三通道比值阈值分割的方法进行云点粗检测、云区域粗检测，采用灰度纹理特征方法完成云和高亮近白地物准确区分，从而获得各幅检测数据中云层覆盖范围，基于t₂+i·Δt时刻矩形云层区域R的太阳高度角信息，计算各幅检测数据中检测出的云层区域的反射率，根据反射率得到每个像素点的云层厚度的评价，其中，0代表无云，1代表云层薄，2代表云层中等，3代表云层厚，完成矩形云层区域多幅云层检测数据中的云层覆盖范围、各像素点的云层厚度信息的计算。

所述的像素点的云层厚度的评价的计算方法为：

计算各幅检测数据中检测出的云层区域的反射率k，如果k在(0.70～0.75)外，则每个像素点的云层厚度的评价为0；如果k在(0.70～0.75)内且k<K₁，则每个像素点的云层厚度的评价为1；如果k在(0.70～0.75)内且K₁≤k≤K₂，则每个像素点的云层厚度的评价为2；如果k在(0.70～0.75)内且K₂<k，则每个像素点的云层厚度的评价为3，其中，K₁、K₂分别为定义云层薄厚的阈值，且K₁<K₂。

所述的矩形云层区域中各小矩形云层区域的云层评价信息、地面目标点的可观测时间窗口内各局部时间窗口的成像条件评价信息的计算方法为：

(1)将矩形云层区域R在r₁r₂至r₃r₄方向上等分为m个小矩形区域，其中m＝l/Δl，Δl＝t_min×v为对地面目标有效成像所需的最短时间t_min对应的r₁r₂至r₃r₄方向上的长度，其中，v为遥感卫星的轨道线速度；计算得到t₂+i·Δt时刻m个区域表征云像素点个数及厚度的云层信息评价

j＝0,…,m-1，i＝0,…,n-1，其中，c_x,y为小区域内每个像素点云层厚度的评价，x和y分别为云判相机图像的像素点横纵坐标，num为划分得到的当前小矩形区域内所有像素点的个数；分别将m个小区域在n幅检测数据中云层信息评价进行平均

j＝0,…,m-1；

(2)根据各个小区域的云层信息评价信息

遥感卫星光学载荷的工作特性，得到地面目标点的可观测时间窗口[t_s,t_e]内各个局部时间窗口[t_s+j·t_min,t_s+(j+1)·t_min]的成像条件的综合评价q_j，j＝0,…,m-1，其中，当且仅当

q_j＝0，局部时间窗口j具备成像条件，当且仅当

局部时间窗口j不具备成像条件，其中，λ为光学载荷工作特性确定的有云情况下的成像条件判断阈值。

所述的地面目标点的最优成像方案的计算方法为：

(1)建立集合Q₀为

Q₀＝{W_j＝[t_s+j·t_min,t_s+(j+1)·t_min],s.t.q_j＝0,j∈{0,…,m-1}}；

(2)如果

则地面目标点M的可观测时间窗口[t_s,t_e]窗口内不存在满足遥感卫星光学载荷云层要求、时间要求的成像机会，则放弃对于地面目标点的成像任务；

如果

校验地面目标点原规划成像方案是否受到云层遮挡影响而无法执行，若原规划成像方案的开始、结束时间至少包含集合Q₀中的一个时间窗口，则原成像方案中存在满足遥感卫星光学载荷成像的云层要求、最短时间长度要求的时间窗口，保持原规划成像方案，若原成像方案的开始、结束时间不包含集合Q₀中的任一时间窗口，则原规划成像方案受云层遮挡较为严重，不存在满足光学载荷有效成像的时间窗口，需要对地面目标点M的成像任务进行重新规划；

当需要对地面目标点M的成像任务进行重新规划时，则以集合Q₀作为未受云层遮挡影响而具备成像条件的观测时间窗口，根据卫星平台姿态机动调节载荷相机指向的能力模型、地面目标相邻任务间的约束进行成像方案规划。如果

按照成像分辨率由高到低的方式来依次检验集合Q₀中的子集是否满足遥感卫星姿态机动能力的约束，遥感卫星姿态机动能力的约束为：使得卫星平台的姿态机动能力能够保证在星时t_s+j·t_min之前，将载荷相机从指向地面目标点M的上一个目标调整为指向M，并且在完成对M的成像任务后，在M的下一个目标原规划方案中的成像开始时间前，将载荷相机从指向M调整为指向M的下一个目标，如果集合Q₀中存在满足以上条件的时间窗口，则将W_j作为地面目标点M的重规划方案；如果集合Q₀中不存在满足以上条件的时间窗口，则根据卫星平台姿态机动调节载荷相机指向的能力模型，对地面目标点M、M的上一个目标、M的下一个目标按照成像分辨率尽可能高的目标进行重新规划。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出了用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知、决策方法，通过多个算法的协同配合实现在遥感卫星载荷相机成像前，自主检测感知云层中存在的可用于成像的窗口，并综合规划最佳成像方案，起到了载荷相机成像过程有效避开云层遮挡的作用，带来显著提升成像数据的可用性与任务收益的效果；

(2)本发明融合了自主规划算法、云台指向调节算法、智能感知敏感器自主感知算法、自主决策算法，并进行了协同设计，起到了保证云层信息检测感知的时效性和准确性的作用，带来了遥感卫星智能自主运行能力提升的效果；

(3)本发明提出的方法可在光学载荷成像前获取成像路径穿过的云层信息并识别其中的云缝，通过规划方案动态调整从根本上解决云层遮挡对于光学成像的影响；能够自主的完成成像路径云层信息感知、成像窗口评价决策、最优成像方案规划的完整过程，适用于在轨自主实现，提高效率；

(4)本发明方法，与现有技术相比具有较强的通用性，可为基于云判相机、敏捷云台的空中动目标的跟踪、识别、确认问题提供参考借鉴。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为云判相机确定矩形云层区域说明图；

图3为云判相机划分小矩形区域说明图。

具体实施方式

本发明克服现有技术不足，提供用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法，通过云层窗口的自主感知、决策，及基于此的任务规划，可应用于受云层遮挡影响严重的光学遥感卫星的有效成像路径自主规划问题。首先根据遥感卫星的机动能力以及地面目标点与遥感卫星的相对位置信息，确定目标云层区域范围；再根据确定的云层区域信息和卫星平台的姿态规划预报信息，以匀角速度的姿态机动方式进行云判相机指向调节过程和多角度立体检测过程的指向规划；然后通过敏捷云台在惯性系下的姿态，再结合云判相机指向调节过程和多角度立体检测过程的指向规划，完成敏捷云台在匀角速度姿态机动方式下的指向闭环控制，并针对云判相机多角度立体检测过程的不同检测时刻点，计算云判相机到矩形云层区域四顶点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数；根据云判相机到矩形云层区域四顶点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数，以及从多幅云层检测数据中裁剪的矩形云层区域信息，计算矩形云层区域的云层覆盖范围及各像素点的云层厚度信息；最后根据矩形云层区域中各像素点的云层覆盖及厚度信息，结合遥感卫星光学载荷的工作特性，得到地面目标点的可观测时间窗口内各局部时间窗口的成像条件评价；根据地面目标点的可观测时间窗口内各局部时间窗口的成像条件评价，筛选时间窗口集合，完成成像任务的最优成像方案规划。

如图1所示为本发明方法流程图，具体包括如下步骤：

(1)根据遥感卫星的滚动俯仰机动能力、地面目标点与遥感卫星的相对位置关系，确定出遥感卫星光学载荷对地面目标点所有成像路径所穿过的矩形云层区域，并计算出矩形云层区域的中心点与四顶点的经度、纬度以及高程信息；其中，遥感卫星光学载荷在满足条件的可成像时间窗口内穿过矩形云层区域对地面目标点进行成像；

(2)以矩形云层区域中心点作为云判相机指向目标点，根据卫星平台的姿态规划预报信息，敏捷云台按照匀角速度的姿态机动方式进行云判相机指向调节过程和多角度立体检测过程的规划，并生成云判相机指向调节规划序列和多角度立体检测指向规划序列；其中，云判相机根据已确定的矩形云层区域内的满足任务条件的可成像时间窗口选择光学载荷在矩形云层区域内的成像路径；其中，敏捷云台控制云判相机；

(3)通过敏捷云台自带的测角装置测量敏捷云台在敏捷云台惯性系下的姿态，再分别以云判相机指向调节规划序列和多角度立体检测指向规划序列作为参考输入信号，完成敏捷云台在匀角速度姿态机动方式下的闭环控制。针对云判相机多角度立体检测过程中的不同检测时刻点，分别计算云判相机在不同检测时刻点到矩形云层区域四顶点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数；

(4)根据云判相机在不同检测时刻点到矩形云层区域四顶点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数，以及云判相机生成的多幅云层检测数据，裁剪出矩形云层区域在不同检测时刻点对应的云层检测数据。在此基础上计算矩形云层区域多幅云层检测数据中的云层覆盖范围及各像素点的云层厚度信息；其中，云判相机在不同检测时刻点对矩形云层区域成像，生成多幅云层检测数据；

(5)根据矩形云层区域多幅检测数据中各像素点的云层覆盖及厚度信息，统计矩形云层区域中各小矩形云层区域的云层评价信息，根据遥感卫星光学载荷的工作特性和云层信息评价方法，得到地面目标点的可观测时间窗口内各局部时间窗口的成像条件评价信息；其中，小矩形云层区域包含在矩形云层区域内，其云层评价信息由云判相机生成的多幅云层检测数据确定；其中，地面目标点的可观测时间窗口内各局部时间窗口由成像任务要求确定；

(6)根据地面目标点的可观测时间窗口内各局部时间窗口的成像条件评价，筛选具备有效成像条件的局部时间窗口集合。根据该有效成像条件集合与成像任务已规划方案间的关系确定地面目标点的成像方案；其中，成像任务已规划方案为遥感卫星自主任务规划系统生成的云判相机输入量。

本发明中根据预先偏置角度、时间窗口确定光学载荷经可成像时间窗口对地面目标点成像而穿过的矩形云层区域、矩形云层区域顶点的经度、纬度、高程信息的方法为：

设遥感卫星俯仰方向的最大姿态机动范围为-φ°～φ°，地面目标点M的地理位置为经度long_M、纬度lat_M、高程信息，结合遥感卫星轨道，计算出遥感卫星对M成像需要在滚动方向预先偏置的角度

根据遥感卫星俯仰方向的最大姿态机动范围可以计算出M点最早首次进入云判相机视场的时刻t_s、俯仰方向对M成像的前视角φ°，以及M点从云判相机视场消失的时刻t_e、俯仰方向对M成像的后视角-φ°。根据遥感卫星光学载荷在t_s、t_e两个时间点对地面目标点M成像，来确定地面目标点M的可观测时间窗口[t_s,t_e]范围内光学载荷成像路径可能穿过的矩形云层区域R的四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的经度、纬度、高程信息，其中，计算过程：

假设遥感卫星由r₁r₂飞向r₃r₄，地面目标点M上方的云层海拔高度为h_c，则遥感卫星光学载荷在星时t_s或星时t_e指向M时，光学载荷在海拔高度为h_c的视场半径可近似为

其中h_s为遥感卫星的轨道高度，θ为光学载荷的视场角，

为敏捷云台在轨道坐标系下的滚动角，φ为敏捷云台在轨道坐标系下的俯仰角。云层区域在r₁r₃至r₂r₄方向的宽度为b＝2r，云层区域四个顶点的经度分别为long₁＝long₃＝long_M-Δlong、long₂＝long₄＝long_M+Δlong，其中long₁、long₂、long₃、long₄分别为四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的经度，Δlong＝360°·b/[2πR_e·cos(lat_M)]，R_e为地球半径。

云层区域在r₁r₂至r₃r₄方向的长度为l＝2h_c·cotφ+2r，四个顶点的纬度分别为lat₁＝lat₂＝lat_M-Δlat、lat₃＝lat₄＝lat_M+Δlat，其中lat₁、lat₂、lat₃、lat₄分别为四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的纬度，Δlat＝360°·l/2πR_e。

则矩形云层区域R的四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的经度、纬度、高程信息分别为(long_i,lat_i,h_c)，i＝1,2,3,4。

本发明中云判相机指向规划为：

在星时t₁，其中t₁＝t-ΔT，根据步骤(1)中矩形云层区域R的中心点C的经度long_M、纬度lat_M、高程信息h_c，并以该点作为云判相机指向目标点，其中星时t为待观测目标M成像任务预先规划方案中的光学载荷成像时刻，用于云层窗口感知决策的时间提前量为ΔT，其中ΔT＝Δt₁+Δt₂+Δt₃+Δt₄、Δt₁为敏捷云台姿态机动调整云判相机指向矩形云层区域中心的预留时间、Δt₂为云判相机检测处理预留时间、Δt₃为根据云层检测信息进行待观测目标M成像任务重规划的预留时间、Δt₄为卫星控制系统根据新规划方案由卫星平台调整载荷相机指向预留时间。以云判相机在星时t₂指向目标点C在惯性空间的姿态四元数作为云判相机的指向规划目标，其中

根据[t₁,t₂]时间范围内卫星平台的姿态规划序列，按照匀角速度的姿态机动方式，计算得到云判相机从t₁时刻至t₂时刻的敏捷云台机动指向规划序列S₁，即在此时间范围内，每个敏捷云台控制周期所对应的云判相机指向在敏捷云台惯性空间的姿态四元数、三轴姿态角速度、三轴姿态角加速度。进一步，按照云判相机从星时t₂至星时“t₃＝t₂+t_last”对目标点C进行n角度立体检测，即云判相机从t₂开始，按照Δt＝t_last/n的时间间隔以指向目标点C的方式成像，其中t_last为云判相机对矩形云层区域成像持续时间。根据[t₂,t₃]时间范围内卫星平台的姿态规划序列，以匀角速度的姿态机动方式，计算得到云判相机从星时t₂至星时t₃的敏捷云台n角度立体检测指向规划序列S₂。

本发明中敏捷云台指向调节过程和多角度立体检测过程为：

在星时t₁至星时t₂期间敏捷云台按照匀角速度姿态机动方式进行闭环控制。将步骤(2)计算得到的敏捷云台机动指向规划序列S₁作为星时t₁至星时t₂的敏捷云台闭环控制的参考输入信号，将敏捷云台n角度立体检测指向规划序列S₂作为星时t₂至星时t₃的敏捷云台闭环控制的参考输入信号。在星时t₁至星时t₃期间，根据敏捷云台自带的测角装置实时测量敏捷云台相对于卫星平台在卫星本体系的姿态四元数，并根据卫星本体系相对于卫星惯性系的姿态四元数，计算得到敏捷云台在敏捷云台惯性系下的姿态四元数。根据敏捷云台相邻时刻的敏捷云台惯性系下的姿态四元数计算得到敏捷云台惯性系下的三轴姿态角速度，根据相邻时刻敏捷云台惯性系下的姿态角速度计算得到敏捷云台惯性系下的三轴姿态角加速度。在每个敏捷云台控制周期，将实测的敏捷云台惯性系下的敏捷云台姿态四元数、姿态角速度、姿态角加速度与指向规划序列中各参考值之间的差值作为敏捷云台闭环控制的输入信号，按照匀角速度姿态机动方式进行闭环控制。

敏捷云台在星时t₂指向目标点C后，在此后的t_last时间范围内的n角度立体检测过程中，每Δt向云判相机发出曝光使能信号，使云判相机对目标云层区域连续成像n次。

计算“t₂+i·Δt”时刻，i＝0,…,n-1：云判相机在n个时刻点指向C点的方向矢量在惯性系下的姿态四元数；根据步骤(1)矩形云层区域R的四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的经度、纬度、高程信息分别为(long_i,lat_i,h_c)，i＝1,2,3,4，分别计算从云判相机至r₁、r₂、r₃、r₄点的四个方向矢量在n个时刻点在云判相机惯性系下的姿态四元数；由以上两步，可以进一步计算出从云判相机至r₁、r₂、r₃、r₄点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数

j＝1,2,3,4，其中

为“t₂+i·Δt”时刻云判相机至r_j点在惯性系下的姿态四元数。

本发明中云层覆盖范围及厚度信息感知为：

依次根据步骤(3)得到的云判相机至r₁、r₂、r₃、r₄点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数

计算r₁、r₂、r₃、r₄点在“t₂+i·Δt”时刻对应的云判相机视场中的像素点的坐标集合

i＝0,…,n-1。根据以上像素点坐标集合，从云判相机在星时[t₂,t₃]范围内获取的共n幅图像中依次裁剪得到矩形云层区域R在“t₂+i·Δt”时刻，i＝0,…,n-1，的检测数据。根据云判相机指向在t₂+i·Δt，i＝0,…,n-1时刻点在惯性系下的姿态四元数，计算得到云判相机指向在地固系下的姿态四元数，并采用这n组姿态四元数对矩形云层区域R的n幅检测数据进行几何校正。

在此基础上，针对几何校正后的矩形云层区域R的n幅检测数据：采用自适应阈值分割、彩色三通道比值阈值分割相结合的方法完成云点、云区域粗检测，采用灰度纹理特征方法进一步完成云和高亮近白地物准确区分，从而获得各幅检测数据中云层覆盖范围；基于t₂+i·Δt，i＝0,…,n-1时刻矩形云层区域R的太阳高度角信息，计算各幅检测数据中检测出的云层区域的反射率、基于云层反射的辐射能量和太阳辐射能量计算得到的能量反射率，根据反射率和能量反射率得到每个像素点的云层厚度的评价：0代表无云、1代表云层薄、2代表云层中等、3代表云层厚。最终，得到矩形云层区域R的n幅检测数据中以像素点表征的云层覆盖范围及云层厚度信息。

本发明中成像窗口云层信息评价为：

根据步骤(4)得到的矩形云层区域R的n幅检测数据中各像素点云层覆盖及厚度信息，进一步针对每一幅图像：将矩形云层区域R在r₁r₂至r₃r₄方向上等分为m个小矩形区域，其中m＝l/Δl，Δl＝t_min×v为对地面目标M有效成像所需的最短时间t_min对应的r₁r₂至r₃r₄方向上的长度，其中v为遥感卫星的轨道线速度；依次统计m个区域表征有云像素点个数及其厚度的云层信息评价

j＝0,…,m-1，i＝0,…,n-1，其中c_x,y为小区域内每个像素点云层厚度的评价，x和y分别为云判相机图像的像素点横纵坐标，num为小区域内所有像素点的个数；将各小区域在n幅检测数据中云层信息评价进行平均

j＝0,…,m-1。

最终，根据各个小窗口的云层信息评价信息

以及遥感卫星光学载荷的工作特性，得到地面目标点M的可观测时间窗口[t_s,t_e]内各个局部时间窗口[t_s+j·t_min,t_s+(j+1)·t_min]成像条件的综合评价q_j，j＝0,…,m-1。其中，q_j＝0表示局部时间窗口j具备成像条件，当且仅当

即云层遮挡未超过λ％；q_j＝1表示局部时间窗口j不具备成像条件，当且仅当

即云层遮挡超过λ％。其中，λ光学载荷工作特性确定的有云情况下的成像条件判断阈值。

本发明中最优成像方案自主规划为：

根据步骤(5)计算得到的地面目标点M的可观测时间窗口[t_s,t_e]内各个局部时间窗口的成像条件的综合评价，建立集合Q₀＝{W_j＝[t_s+j·t_min,t_s+(j+1)·t_min],s.t.q_j＝0,j∈{0,…,m-1}}。

如果

即地面目标点M的可观测时间窗口[t_s,t_e]窗口内不存在满足遥感卫星光学载荷云层要求、时间要求的成像机会，则放弃对于地面目标点M的成像任务。

如果

首先根据步骤(5)获得的成像窗口云层信息，校验地面目标点M原成像方案是否受到云层遮挡影响而无法执行：如果原成像方案的开始、结束时间至少包含集合Q₀中的一个时间窗口，则原成像方案中存在满足遥感卫星光学载荷成像的云层要求、最短时间长度要求的时间窗口，此时保持原成像方案；如果原成像方案的开始、结束时间不包含集合Q₀中的任一时间窗口，则原成像方案受云层遮挡较为严重，不存在满足光学载荷有效成像的时间窗口，需要对地面目标点M的成像任务进行重新规划。

如果需要对地面目标点M的成像任务进行重新规划，则以集合Q₀作为未受云层遮挡影响而具备成像条件的观测时间窗口，根据卫星平台姿态机动调节载荷相机指向的能力模型，地面目标M相邻任务间的约束，进行成像方案规划。如果

按照成像分辨率由高到低的方式来依次检验集合Q₀中的子集是否满足遥感卫星姿态机动能力的约束，遥感卫星姿态机动能力的约束为：使得卫星平台的姿态机动能力可以在星时“t_s+j·t_min”之前，将载荷相机从指向M的上一个目标调整为指向M，并且在完成对M的成像任务后(即星时“t_s+(j+1)·t_min”之后)，可以在M的下一个目标原规划方案中的成像开始时间前，将载荷相机从指向M调整为指向M的下一个目标。如果集合Q₀中存在满足以上条件的时间窗口，则将Q₀作为地面目标点M的重规划方案，选择Q₀中的一个时间窗口来执行对M的成像任务。如果集合Q₀中不存在满足以上两个条件的时间窗口，则需要根据卫星平台姿态机动调节载荷相机指向的能力模型，对M及其上一个目标、下一个目标共三个任务按照成像分辨率尽可能高的目标进行重新规划。

下面结合实施例对本发明方法进行详细的解释和说明，本发明提出的用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法运行流程如下所述：

假设遥感卫星及其载荷具备以下能力：

表1

<1>假设地面目标点M的经纬度为long_M＝-74.8125，lat_M＝-61.6596，结合遥感卫星轨道，计算出遥感卫星对M成像需要在滚动方向预先偏置5°。设当前星时为489060100，原任务规划为成像开机时间为489063207，结束时间为489063212，成像时间为5s。根据遥感卫星俯仰方向的最大姿态机动范围，计算出M点最早首次进入载荷相机视场的时刻t_s＝489063122、俯仰方向对M成像的前视角φ＝26°，以及M点从载荷相机视场消失的时刻t_e＝489063255、俯仰方向对M成像的后视角-26°。设遥感卫星由r₁r₂飞向r₃r₄，地面目标点M上方的云层海拔高度为h_c＝3km，遥感卫星光学载荷在星时t_s或星时t_e指向M时，光学载荷在海拔高度为h_c的视场半径可近似为r＝6.451km。云层区域在r₁r₃至r₂r₄方向上的宽度为b＝12.902km，云层区域四个顶点的经度分别为long_1,3＝-75.0559、long_2,4＝-74.5691，相应的Δlong＝0.2434。云层区域在r₁r₂至r₃r₄方向的长度为l＝25.2038km，四个顶点的纬度分别为lat_1,2＝-61.8854、lat_3,4＝-61.4338，相应的Δlat＝0.2258。

故矩形云层区域R在云判相机视场中的区域范围可确定如图2中的虚线框所示，其四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的经度、纬度、高程信息分别为(long_i,lat_i,h_c)，i＝1,2,3,4。

<2>在星时489063082，根据步骤<1>中矩形云层区域R的中心点C的经度long_M、纬度lat_M、高程信息h_c，并以该点作为云判相机指向目标点进行敏捷云台的指向规划，用于云层窗口感知决策的时间提前量为40s，其中敏捷云台姿态机动调整云判相机指向矩形云层区域中心的预留时间为5s、云判相机检测处理预留时间为5s、根据云层检测信息进行待观测目标M成像任务重规划的预留时间为5s、卫星控制系统根据新规划方案由卫星平台调整载荷相机指向预留时间为25s。以云判相机在星时489063087指向目标点C在惯性空间的姿态四元数作为云判相机的指向规划目标，根据[489063082,489063087]时间范围内卫星平台的姿态规划序列，按照匀角速度的姿态机动方式，计算得到云判相机从489063082时刻至489063087时刻的敏捷云台机动指向规划序列S₁，即在此时间范围内，每个敏捷云台控制周期所对应的云判相机指向在敏捷云台惯性空间的姿态四元数、三轴姿态角速度、三轴姿态角加速度。假设按照云判相机从星时489063087至星时489063092对目标点C进行10角度立体检测，即云判相机从489063087开始，按照0.2s的时间间隔以指向目标点C的方式成像。根据[489063087,489063092]时间范围内卫星平台的姿态规划序列，以匀角速度的姿态机动方式，计算得到云判相机从星时489063087至星时489063092的敏捷云台10角度立体检测指向规划序列S₂。

<3>在星时489063082至星时489063087期间敏捷云台按照匀角速度姿态机动方式进行闭环控制。敏捷云台在星时489063087指向目标点C后，在此后的5s时间范围内的10角度立体检测过程中，每0.2s向云判相机发出曝光使能信号，使云判相机对目标云层区域连续成像10次。

计算出从云判相机至r₁、r₂、r₃、r₄点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数

j＝1,2,3,4。

<4>依次根据步骤<3>得到的姿态四元数

计算相应时刻云判相机视场中的像素点的坐标集合

i＝0,…,9。根据以上像素点坐标集合，从云判相机在星时[489063087,489063092]范围内获取的共10幅图像中依次裁剪得到矩形云层区域R在相应时刻的检测数据。

基于矩形云层区域R的太阳高度角信息，计算各幅检测数据中检测出的云层区域的反射率；基于云层反射的辐射能量和太阳辐射能量，计算云层区域的能量反射率。

<5>根据步骤<4>得到的矩形云层区域R的10幅检测数据中各像素点云层信息，进一步针对每一幅图像：将矩形云层区域R在r₁r₂至r₃r₄方向上等分为17个小矩形区域，其中载荷相机对地面目标M有效成像所需的最短时间对应的r₁r₂至r₃r₄方向上的长度约为1.484km；依次统计17个区域表征有云像素点个数及其厚度的云层信息评价

j＝0,…,16，i＝0,…,9。17个区域中的某一区域如图3阴影部分所示，其像素点为87×755个，取其中10×10个像素点反射率和能量反射率所表征的云层厚度信息为例，根据反射率和能量反射率得到每个像素点的云层厚度的评价：0代表无云、1代表云层薄、2代表云层中等、3代表云层厚，有：

0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
										0	1	1	1	1	1	1	1	1	0
0	1	1	2	2	2	2	2	1	0
										0	1	1	2	1	1	1	2	1	0
0	1	1	2	1	1	1	2	1	0
										0	1	1	1	1	1	1	2	1	0
0	1	1	1	1	1	1	2	1	0
										0	1	1	2	2	2	2	2	1	0
0	1	1	2	2	2	2	2	1	0
										0	1	1	1	1	1	1	1	1	0

表2

最终，得到该局部云层区域R的10幅检测数据中以像素点表征的云层厚度信息：

n	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
											云层厚度信息	0.93	0.92	0.94	0.93	0.95	0.95	0.93	0.91	0.91	0.91

表3

将该区域在10幅检测数据中云层信息评价进行平均

相应的统计17个区域内的云层评价信息为：

m	0	1	2	3	4	5	6
								云层评价信息	92.8％	91.6％	90.4％	45.3％	42.7％	30.9％	87.5％
m	7	8	9	10	11	12	13
								云层评价信息	87.9％	83.9％	75.3％	62.7％	62.1％	75.8％	25.3％
m	14	15	16
								云层评价信息	22.7％	32.1％	45.8％

表4

最终，根据各个小时间窗口的云层信息评价信息，以及遥感卫星光学载荷的工作特性，得到地面目标点M的可观测时间窗口[489063122,489063255]内各个局部时间窗口[t_s+j·t_min,t_s+(j+1)·t_min]成像条件的综合评价q_j，j＝0,…,16。其中，q_j＝0表示局部时间窗口j具备成像条件，当且仅当

即云层遮挡未超过46％；q_j＝1表示局部时间窗口j不具备成像条件，当且仅当

即云层遮挡超过46％。由上述计算结果可知，例举的图像数据显示，17个区域中，只有编号为3，4，5，14，15，16的区域具备成像条件。

<6>根据步骤<5>计算得到的地面目标点M的可观测时间窗口[489063122,489063255]内各个局部时间窗口的成像条件的综合评价，建立集合Q₀＝{W_j＝[t_s+j·t_min,t_s+(j+1)·t_min],s.t.q_j＝0,j∈{0,…,m-1}}。

由步骤(5)得出的云层信息可知，

这两个时间窗口对矩形云层区域中心点成像分辨率最高，其中第一个时间窗口包含区域3、4、5，第二个时间窗口包含区域14、15、16。原任务规划方案的时间窗口为[489063207,489063212],地面目标点M原成像方案是受到云层遮挡影响而无法执行，故而原成像方案需要重新规划。分析得知，Q₀中的两个时间窗口，第一个窗口与相邻任务间不满足姿态机动能力的约束条件，而第二个时间窗口满足该姿态机动能力约束条件，故而选择第二个时间窗口作为重规划方案。

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.用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据遥感卫星的滚动俯仰机动能力、地面目标点与遥感卫星的相对位置关系，确定遥感卫星光学载荷对地面目标点所有成像路径所穿过的矩形云层区域，并计算出矩形云层区域的中心点与四顶点的经度、纬度、高程信息；其中，遥感卫星光学载荷穿过矩形云层区域在可成像时间窗口对地面目标点进行成像；

(2)以矩形云层区域中心点作为云判相机指向目标点，敏捷云台根据卫星平台姿态规划按照匀角速度的姿态机动方式进行云判相机指向调节过程和多角度立体检测过程的指向规划，生成云判相机指向调节规划序列、多角度立体检测指向规划序列；其中，云判相机根据已确定矩形云层区域内的满足任务条件的可成像时间窗口选择光学载荷在矩形云层区域内的成像路径；其中，敏捷云台控制云判相机指向；

(3)通过敏捷云台自带的测角装置测量敏捷云台在地心赤道惯性坐标系下的姿态，分别以云判相机指向调节规划序列、多角度立体检测指向规划序列作为参考输入信号，完成敏捷云台在匀角速度姿态机动方式下的闭环控制，在云判相机多角度立体检测过程中分别计算云判相机在不同检测时刻点到矩形云层区域四顶点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数；

(4)根据云判相机在不同检测时刻点到矩形云层区域四顶点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数、云判相机生成的多幅云层检测数据，裁剪得到矩形云层区域在不同检测时刻点对应的云层检测数据，计算矩形云层区域在多幅云层检测数据中的云层覆盖范围、各像素点的云层厚度信息；其中，云判相机在不同检测时刻点对矩形云层区域成像，生成多幅云层检测数据；

(5)根据矩形云层区域多幅云层检测数据中的云层覆盖范围、各像素点的云层厚度信息，得到矩形云层区域中各小矩形云层区域的云层评价信息，根据遥感卫星光学载荷的工作特性得到地面目标点的可观测时间窗口内各局部时间窗口的成像条件评价信息；其中，小矩形云层区域包含在矩形云层区域内，云层评价信息由云判相机生成的多幅云层检测数据确定，地面目标点的可观测时间窗口内各局部时间窗口由成像任务要求确定；

(6)根据遥感卫星光学载荷的工作特性得到地面目标点的可观测时间窗口内各局部时间窗口的成像条件评价信息，筛选具备有效成像条件的局部时间窗口集合，进而得到地面目标点的最优成像方案，完成成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策。

2.根据权利要求1所述的用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法，其特征在于：所述的计算出矩形云层区域的中心点与四顶点的经度、纬度、高程信息的方法为：

设遥感卫星俯仰方向的最大姿态机动范围为-φ°～φ°，地面目标点M的地理位置为经度long_M、纬度lat_M、高程信息，根据遥感卫星轨道计算得到遥感卫星对M成像需要在滚动方向预先偏置的角度

根据遥感卫星俯仰方向的最大姿态机动范围计算出M点首次进入载荷相机视场的时刻t_s、俯仰方向对M成像前视角φ°，以及M点从载荷相机视场消失的时刻t_e、俯仰方向对M成像的后视角-φ°，根据遥感卫星光学载荷在t_s、t_e两个时间点对地面目标点M成像确定得到地面目标点M的可观测时间窗口[t_s,t_e]范围内光学载荷成像路径可能穿过的矩形云层区域R的四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的经度、纬度、高程信息。

3.根据权利要求2所述的用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法，其特征在于：所述的光学载荷成像路径可能穿过的矩形云层区域的四个顶点的经度、纬度、高程信息的计算过程为：

设遥感卫星由r₁r₂飞向r₃r₄，地面目标点M上方的云层海拔高度为h_c，计算遥感卫星光学载荷在星时t_s或星时t_e指向M时光学载荷在海拔高度为h_c的视场半径为

其中，h_s为遥感卫星的轨道高度，θ为光学载荷的视场角，

为敏捷云台在轨道坐标系下的滚动角，φ为敏捷云台在轨道坐标系下的俯仰角；云层区域在r₁r₃至r₂r₄方向宽度为b＝2r，云层区域四个顶点的经度分别为：

long₁＝long₃＝long_M-Δlong

long₂＝long₄＝long_M+Δlong

其中long₁、long₂、long₃、long₄分别为四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的经度，

Δlong＝360°·b/[2πR_e·cos(lat_M)]

R_e为地球半径；

云层区域在r₁r₂至r₃r₄方向的长度为：

l＝2h_c·cotφ+2r，

四个顶点的纬度分别为

lat₁＝lat₂＝lat_M-Δlat

lat₃＝lat₄＝lat_M+Δlat

其中lat₁、lat₂、lat₃、lat₄分别为四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的纬度，

Δlat＝360°·l/2πR_e，

进而得到矩形云层区域R的四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的经度、纬度、高程信息分别为(long_i,lat_i,h_c)，i＝1,2,3,4。

4.根据权利要求3所述的用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法，其特征在于所述的生成云判相机指向调节规划序列、多角度立体检测指向规划序列的方法为：

设待观测目标M成像任务预先规划方案中的光学载荷成像开始时刻为星时t_start，用于云层窗口感知决策的时间提前量为ΔT，ΔT＝Δt₁+Δt₂+Δt₃+Δt₄，Δt₁为敏捷云台姿态机动调整云判相机指向矩形云层区域中心的预留时间，Δt₂为云判相机检测处理预留时间，Δt₃为根据云层检测信息进行待观测目标M成像任务重规划的预留时间，Δt₄为根据新规划方案由卫星平台调整载荷相机指向的预留时间，计算t₁＝t_s-ΔT，

根据[t₁,t₂]时间范围内卫星平台的姿态规划序列计算得到云判相机从t₁时刻至t₂时刻的敏捷云台机动指向规划序列S₁，计算t₃＝t₂+t_last，其中，t_last为云判相机对矩形云层区域成像持续时间，控制云判相机从星时t₂至星时t₃＝t₂+t_last以时间间隔Δt＝t_last/n对目标点进行n角度立体检测，根据[t₂,t₃]时间范围内卫星平台的姿态规划序列计算得到云判相机从星时t₂至星时t₃的敏捷云台n角度立体检测指向规划序列S₂。

5.根据权利要求4所述的用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法，其特征在于：所述的计算云判相机在不同检测时刻点到矩形云层区域四顶点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数的方法为：

(1)将敏捷云台机动指向规划序列S₁作为星时t₁至星时t₂的敏捷云台闭环控制的参考输入信号，将敏捷云台n角度立体检测指向规划序列S₂作为星时t₂至星时t₃的敏捷云台闭环控制的参考输入信号，在星时t₁至星时t₃期间根据敏捷云台自带的测角装置实时测量敏捷云台相对于卫星平台在卫星本体系的姿态四元数，进而计算得到敏捷云台在地心赤道惯性坐标系下的姿态四元数以及敏捷云台惯性系下的三轴姿态角速度、姿态角加速度，在每个敏捷云台控制周期将地心赤道惯性坐标系下的敏捷云台姿态四元数、姿态角速度、姿态角加速度与指向规划序列中参考值的差值作为敏捷云台闭环控制的输入信号，控制敏捷云台以匀角速度姿态机动方式进行闭环控制；

(2)敏捷云台在星时t₂指向目标点后，在t_last时间范围内的n角度立体检测过程中，每Δt向云判相机发出曝光使能信号，使云判相机对目标云层区域连续成像n次，其中，n为正整数；

(3)计算t₂+i·Δt时刻，i＝0,…,n-1，云判相机在n个时刻点指向矩形云层区域中心点的方向矢量在地心赤道惯性坐标系下的姿态四元数，以及根据矩形云层区域R的四个顶点r₁、r₂、r₃、r₄的经度、纬度、高程信息，计算云判相机至r₁、r₂、r₃、r₄点的四个方向矢量在n个时刻点在地心赤道惯性坐标系下的姿态四元数，进而计算从云判相机至r₁、r₂、r₃、r₄点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数

其中，

为t₂+i·Δt时刻云判相机至r_j点在云判相机坐标系下的姿态四元数。

6.根据权利要求5所述的用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法，其特征在于：所述的计算矩形云层区域多幅云层检测数据中的云层覆盖范围、各像素点的云层厚度信息的方法为：

(1)根据云判相机至r₁、r₂、r₃、r₄点的方向矢量在云判相机坐标系下的姿态四元数

计算r₁、r₂、r₃、r₄点在t₂+i·Δt时刻对应的云判相机视场中的像素点的坐标集合

i＝0,…,n-1，从云判相机在星时[t₂,t₃]范围内获取的n幅图像中依次裁剪得到矩形云层区域R在t₂+i·Δt时刻的检测数据，根据云判相机指向在t₂+i·Δt时刻点在地心赤道惯性坐标系下的姿态四元数，计算得到云判相机指向在地固系下的姿态四元数，并对矩形云层区域R的n幅检测数据进行几何校正；

(2)对几何校正后的矩形云层区域R的n幅检测数据采用自适应阈值分割、彩色三通道比值阈值分割的方法进行云点粗检测、云区域粗检测，采用灰度纹理特征方法完成云和高亮近白地物准确区分，从而获得各幅检测数据中云层覆盖范围，基于t₂+i·Δt时刻矩形云层区域R的太阳高度角信息，计算各幅检测数据中检测出的云层区域的反射率，根据反射率得到每个像素点的云层厚度的评价，其中，0代表无云，1代表云层薄，2代表云层中等，3代表云层厚，完成矩形云层区域多幅云层检测数据中的云层覆盖范围、各像素点的云层厚度信息的计算。

7.根据权利要求6所述的用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法，其特征在于：所述的像素点的云层厚度的评价的计算方法为：

计算各幅检测数据中检测出的云层区域的反射率k，如果k在(0.70～0.75)外，则每个像素点的云层厚度的评价为0；如果k在(0.70～0.75)内且k<K₁，则每个像素点的云层厚度的评价为1；如果k在(0.70～0.75)内且K₁≤k≤K₂，则每个像素点的云层厚度的评价为2；如果k在(0.70～0.75)内且K₂<k，则每个像素点的云层厚度的评价为3，其中，K₁、K₂分别为定义云层薄厚的阈值，且K₁<K₂。

8.根据权利要求7所述的用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法，其特征在于：所述的矩形云层区域中各小矩形云层区域的云层评价信息、地面目标点的可观测时间窗口内各局部时间窗口的成像条件评价信息的计算方法为：

(1)将矩形云层区域R在r₁r₂至r₃r₄方向上等分为m个小矩形区域，其中m＝l/Δl，Δl＝t_min×v为对地面目标有效成像所需的最短时间t_min对应的r₁r₂至r₃r₄方向上的长度，其中，v为遥感卫星的轨道线速度；计算得到t₂+i·Δt时刻m个区域表征云像素点个数及厚度的云层信息评价

其中，c_x,y为小区域内每个像素点云层厚度的评价，x和y分别为云判相机图像的像素点横纵坐标，num为划分得到的当前小矩形区域内所有像素点的个数；分别将m个小区域在n幅检测数据中云层信息评价进行平均

(2)根据各个小区域的云层信息评价信息

遥感卫星光学载荷的工作特性，得到地面目标点的可观测时间窗口[t_s,t_e]内各个局部时间窗口[t_s+j·t_min,t_s+(j+1)·t_min]的成像条件的综合评价q_j，j＝0,…,m-1，其中，当且仅当

q_j＝0，局部时间窗口j具备成像条件，当且仅当

局部时间窗口j不具备成像条件，其中，λ为光学载荷工作特性确定的有云情况下的成像条件判断阈值。

9.根据权利要求8所述的用于成像任务有效规划的云层窗口自主感知决策方法，其特征在于：所述的地面目标点的最优成像方案的计算方法为：

(1)建立集合Q₀为

Q₀＝{W_j＝[t_s+j·t_min,t_s+(j+1)·t_min],s.t.q_j＝0,j∈{0,…,m-1}}；

(2)如果

则地面目标点M的可观测时间窗口[t_s,t_e]窗口内不存在满足遥感卫星光学载荷云层要求、时间要求的成像机会，则放弃对于地面目标点的成像任务；

如果

校验地面目标点原规划成像方案是否受到云层遮挡影响而无法执行，若原规划成像方案的开始、结束时间至少包含集合Q₀中的一个时间窗口，则原成像方案中存在满足遥感卫星光学载荷成像的云层要求、最短时间长度要求的时间窗口，保持原规划成像方案，若原成像方案的开始、结束时间不包含集合Q₀中的任一时间窗口，则原规划成像方案受云层遮挡较为严重，不存在满足光学载荷有效成像的时间窗口，需要对地面目标点M的成像任务进行重新规划；

当需要对地面目标点M的成像任务进行重新规划时，则以集合Q₀作为未受云层遮挡影响而具备成像条件的观测时间窗口，根据卫星平台姿态机动调节载荷相机指向的能力模型、地面目标相邻任务间的约束进行成像方案规划，如果

按照成像分辨率由高到低的方式来依次检验集合Q₀中的子集是否满足遥感卫星姿态机动能力的约束，遥感卫星姿态机动能力的约束为：使得卫星平台的姿态机动能力能够保证在星时t_s+j·t_min之前，将载荷相机从指向地面目标点M的上一个目标调整为指向M，并且在完成对M的成像任务后，在M的下一个目标原规划方案中的成像开始时间前，将载荷相机从指向M调整为指向M的下一个目标，如果集合Q₀中存在满足以上条件的时间窗口，则将W_j作为地面目标点M的重规划方案；如果集合Q₀中不存在满足以上条件的时间窗口，则根据卫星平台姿态机动调节载荷相机指向的能力模型，对地面目标点M、M的上一个目标、M的下一个目标按照成像分辨率尽可能高的目标进行重新规划。

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