CN109728845B - 一种卫星高效调度星座及调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星高效调度星座，主星将成像任务的成像时间划分为主子成像时间和次子成像时间；在次子成像时间是执行卫星彼此之间重叠的成像时间窗口的情况下，执行卫星基于约束限制确定其能够执行成像任务的时间窗口以将主子成像时间划分为第一子成像时间和第二子成像时间，在执行卫星基于约束限制不能在第二子成像时间内执行成像任务的情况下，主星按照将第二子成像时间进行划分直至执行卫星在主子成像时间内不存在约束限制的方式得到成像时间范围更小的子成像时间，其中：执行卫星被配置为在所述第一子成像时间内执行成像任务，且在第二子成像时间内执行解除约束任务的工作模式。

Description

一种卫星高效调度星座及调度方法

技术领域

本发明涉及调度控制技术领域，尤其涉及一种卫星高效调度星座及调度方法。

背景技术

对地观测卫星在轨道上运行时，可以根据需求对不同的地面目标实施成像。所获得的地面影像数据通过数传通道传输至地面接收站或是记录在胶片、存储器等存储设备上，通过回收或以无线电数据传输的方式发送回地面，然后由地面数据处理中心对这些影像数据进行加工处理和判读识别，从中获取各种有价值的信息。成像卫星地面指挥控制系统根据成像任务属性信息、卫星属性信息和确定的约束条件进行成像卫星任务调度；然后依据任务调度的结果生成载荷控制指令，在确认无误后，经由地面测控设备将载荷指令发送至成像卫星，由成像卫星执行指令；然后将获得的影像数据发送给地面接收设备，再由其他地面应用系统进行处理，最后将处理后的数据发送给用户。上述过程中，任务调度直接影响到对地观测卫星系统的成像任务执行效果。地面站与卫星交互频繁的方式要求有足够的星地通信时间以及相对稳定的运行环境，使得运行成本较高。

随着对地观测卫星技术的发展和地面影像数据需求的增加，卫星开始需要调整成像设备的侧视角度选择成像任务进行成像；同时，随着卫星成像灵活性的不断增强，在安排成像过程中必须考虑多种成像约束以保证卫星安全可靠的运行和成像计划的顺利实施；需要进行成像任务调度，确定成像任务计划。由于对地观测卫星高速运行于近地轨道，所以每个成像任务都有成像时间窗口的限制；又由于卫星成像设备在一定时间内姿态调整的能力有限，在成像任务间进行成像动作的转换需要满足多种成像约束条件。因此，一般而言，不能对一次任务调度时间范围内所有的成像任务请求进行成像；卫星每次执行的成像任务是成像任务数据集合的一个子集，不能满足用户提出的所有成像任务请求，成像效率较低。

公开号为CN108055067A的专利文献公开了一种多星在线协同调度方法，该方法包括：各个卫星对常规目标生成预规划观测方案，并执行当前观测方案；当有新应急目标到达时，主星筛选可执行该任务的载荷信息，再发送给执行卫星；各卫星接收到信息后本地计算与目标的可见性关系，生成和发送观测报告给主星；主星根据各观测报告，并确定所要执行该观测任务的卫星，并将任务分配结果给各个确定执行新应急目标的各卫星；观测任务执行卫星将新的协同任务加入到以后的待规划任务中，并更新自己的观测方案，并执行新的观测规划方案。该发明通过星上自主任务调度的方式降低了地面站与卫星之间的频繁通信成本。但是该发明在执行卫星反馈观测报告至主星后，需要主星完成确定最终的调度决策，整个过程需要指定的执行卫星与主星之间进行多次通信迭代方可得到最优解，进而无法有效的提高针对新增任务的响应速度。

发明内容

如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。

针对现有技术之不足，本发明提供一种卫星高效调度星座，至少包括能够彼此建立通信连接的主星、执行卫星和地面站。所述主星按照如下步骤调度所述执行卫星：主星按照执行卫星的成像时间窗口之和完全覆盖成像任务的成像时间的方式筛选出至少两个执行卫星，并将成像任务的成像时间划分为主子成像时间和次子成像时间。在所述次子成像时间是执行卫星彼此之间重叠的成像时间窗口的情况下，所述执行卫星基于约束限制确定其能够执行成像任务的时间窗口以将所述主子成像时间划分为第一子成像时间和第二子成像时间，在所述执行卫星基于所述约束限制不能在所述第二子成像时间内执行成像任务的情况下，所述主星按照将所述第二子成像时间进行划分直至所述执行卫星在所述主子成像时间内不存在所述约束限制的方式得到成像时间范围更小的子成像时间，其中：所述执行卫星被配置为在所述第一子成像时间内执行成像任务，且在所述第二子成像时间内执行解除约束任务的工作模式。

根据一种优选实施方式，所述主星按照如下方式筛选出至少两个执行卫星：基于成像任务的成像区域落入执行卫星的条带覆盖范围的方式建立第一执行卫星列表，按照执行卫星的成像时间窗口分别与所述成像时间的执行开始时刻和执行结束时刻重叠范围最大的方式分别筛选出第一执行卫星和第二执行卫星，其中：在所述第一执行卫星与所述第二执行卫星彼此的成像时间窗口无法完全覆盖所述成像时间的情况下，按照成像时间窗口与所述成像时间的重叠范围最大的方式筛选出至少一个第三执行卫星，所述第三执行卫星的成像时间窗口不包括所述执行开始时刻和所述执行结束时刻。

根据一种优选实施方式，在所述次子成像时间是执行卫星彼此之间重叠的成像时间窗口的情况下，所述主星按照如下步骤调度所述执行卫星：将所述次子成像时间划分为若干个子成像时间窗口，所述执行卫星基于所述子成像时间窗口交替执行成像任务和所述解除约束任务；在所述执行卫星基于其存储容量不足产生所述约束限制的情况下，所述解除约束任务能够是执行卫星将其采集的成像数据传输至所述地面站的成像数据下传任务。

根据一种优选实施方式，所述第一执行卫星、所述第二执行卫星和所述第三执行卫星按照以下步骤交替执行所述成像任务和所述解除约束任务：基于成像数据的下传时间将所述第一执行卫星和所述第三执行卫星彼此之间重叠的成像时间窗口划分为若干个在时间轴上交替排布的第一子成像时间窗口和第二子成像时间窗口，所述第一执行卫星按照在第一子成像时间窗口执行所述成像任务并且在第二子成像时间窗口执行所述解除约束任务，所述第三执行卫星按照在第一子成像时间窗口执行所述约束下传任务并且在所述第二子成像时间窗口执行所述成像任务；或者基于成像数据的下传时间将所述第二执行卫星和所述第三执行卫星彼此之间重叠的成像时间窗口划分为若干个在时间轴上交替排布的第三子成像时间窗口和第四子成像时间窗口，所述第二执行卫星按照在第三子成像时间窗口执行所述成像任务并且在第四子成像时间窗口执行所述解除约束任务，所述第三执行卫星按照在第三子成像时间窗口执行所述解除约束任务并且在所述第四子成像时间窗口执行所述成像任务。

根据一种优选实施方式，所述约束限制至少能够根据执行卫星的自身参数进行确定，所述自身参数至少包括执行卫星的电池状态信息和存储器容量状态信息，其中：在执行卫星的存储器剩余容量小于执行所述成像任务所需的存储容量的情况下生成所述约束限制；或者，在所述执行卫星的剩余电量小于执行所述成像任务所需的电量要求的情况下生成所述约束限制。

根据一种优选实施方式，在所述地面站接收到第三方的新增成像任务需求数据的情况下，所述地面站至少能够按照如下方式对所述新增成像任务需求数据进行处理：基于所述新增成像任务需求数据至少获取成像任务的成像区域和成像时间；基于执行卫星的自身参数、所述成像区域和所述成像时间对所述成像任务进行分类以建立需要至少两个执行卫星协同完成的成像任务集；在所述重叠任务集中的重叠任务能够被两个执行卫星中的任意一个单独完成的情况下，基于遥感卫星的自身参数获取所述重叠任务的执行效用，并将所述成像任务分配至执行效用最优的遥感卫星。

根据一种优选实施方式，所述自身参数还包括指定成像区域的成像时间窗口，所述重叠任务的执行效用至少能够基于成像时间窗口与所述成像时间的比值进行衡量，其中：所述执行效用按照所述比值增大的方式达到最优状态。根据一种优选实施方式，所述主星按照如下步骤将所述次子成像时间划分为若干个子成像时间窗口：基于所述存储器容量状态信息确定执行卫星的剩余存储容量；按照执行卫星在所述成像时间内所采集的且未下传至所述地面站的成像数据不超过所述剩余存储容量的方式划分所述次子成成像时间。

本发明还提供一种卫星高效调度方法，所述卫星高效调度方法至少按照如下步骤进行调度：主星按照执行卫星的成像时间窗口之和完全覆盖成像任务的成像时间的方式筛选出至少两个执行卫星，并将成像任务的成像时间划分为主子成像时间和次子成像时间。在所述次子成像时间是执行卫星彼此之间重叠的成像时间窗口的情况下，所述执行卫星基于约束限制确定其能够执行成像任务的时间窗口以将所述主子成像时间划分为第一子成像时间和第二子成像时间。在所述执行卫星基于所述约束限制不能在所述第二子成像时间内执行成像任务的情况下，所述主星按照将所述第二子成像时间进行划分直至所述执行卫星在所述主子成像时间内不存在所述约束限制的方式得到成像时间范围更小的子成像时间，其中：所述执行卫星被配置为在所述第一子成像时间内执行成像任务，且在所述第二子成像时间内执行解除约束任务的工作模式。

根据一种优选实施方式，在将所述次子成像时间划分为若干个子成像时间窗口，所述执行卫星基于所述子成像时间窗口交替执行成像任务和所述解除约束任务，其中，在所述执行卫星基于其存储容量不足产生所述约束限制的情况下，所述解除约束任务能够是执行卫星将其采集的成像数据传输至所述地面站的成像数据下传任务。

本发明的有益技术效果：

(1)本发明的卫星高效调度方法通过对多个卫星能够共同执行的重叠成像任务进行筛选，统一将其分配给单个的执行卫星进行执行，避免了多个执行卫星对同一区域的重复成像，能够有效地提高执行卫星的利用率。

(2)本发明的卫星高效调度方法针对需要多个卫星协同完成的成像任务，通过成像时间窗口重叠范围最大的方式筛选成像任务所涉及的执行卫星，能够将执行卫星的数量降至最低。同时，对各个执行卫星的成像时间窗口的重叠部分进行划分，并将各执行卫星设置为按照交替的方式执行成像任务和数据下传任务，通过提高数据周转的速度的方式能够有效地降低执行卫星的存储容量的剧增。

(3)本发明的卫星高效调度星座中主星和执行卫星的计算量小。并且新增成像任务按照逐级划分的方式能够得到成像时间范围逐渐减小的若干个子成像任务，成像时间范围较小的成像任务的再次分配不需要考虑已经分配了成像时间范围较大的成像任务的执行卫星，避免了根据所有执行卫星的执行效用进行反复迭代计算获得最优解所造成的计算负载的增加。同时，成像时间范围较大子成像任务早于成像时间范围较小的成像任务进行分配，进而即使子成像任务不执行，也能够最大程度地覆盖成像时间，或者需要通过删除其他成像任务对子成像任务进行执行时，其他任务的删除量也较小，从而可以降低对其他任务的影响。

附图说明

图1是本发明优选的卫星高效调度方法的流程示意图；和

图2是本发明优选的卫星高效调度系统的模块化连接关系示意图。

附图标记列表

1：执行卫星 2：地面站 3：数据库

4：任务规划模块 5：卫星定位模块 6：中央处理模块

1a：主星

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明公开了一种卫星调度系统，至少包括彼此通信的执行卫星1和地面站2。执行卫星可以是分布在不同轨道上的若干个用于执行图像采集任务的卫星。地面站用于与执行卫星建立数据通信，从而地面站的控制命令能够在执行卫星进入地面站的通信覆盖区域的时刻传输至该执行卫星，同时，执行卫星采集的图像数据也能够在此时下传至地面站。地面站的数量可以根据实际使用需求进行灵活设定。例如，在对地观测任务中为了获取更为全面的地球图像信息或者减小特定成像区域不受卫星监控的时长而将执行卫星的数量增加的情况下，地面站的数量也需要相应地增加以缓解通信压力。地面站可以设置在地球的不同位置处以提高与执行卫星建立通信连接的覆盖范围。优选的，卫星调度系统还可以包括用于存储数据的数据库3。数据库3可以与地面站配套设置，也可以与执行卫星配套设置。优选的，任务规划模块、卫星定位模块、中央处理模块和数据库可以作为附属设备的方式与设置在地面站中。

优选的，卫星调度系统还包括用于跟踪卫星以确定其轨道信息的卫星定位模块5。例如，卫星定位模块5确定的轨道信息可以包括卫星当前位置所对应的纬度和经度。执行卫星1能够根据其接收到的包含有调度命令的计划表执行相应的计划任务，进而根据计划表中的指定任务便能够确定其初始的运行轨迹路线。例如，计划表中可以包含执行卫星需要执行的一个或多个任务的例如是需要采集的数据、需要接收或发送的信息、对指定区域进行连续成像的持续时间、对指定区域进行成像的开始时间或结束时间等具体细节信息。优选的，执行卫星被配置为对计划表中的计划任务进行排序后依次执行的工作模式。例如执行卫星当前位置为A位置，计划表中需要其分别前往B位置和C位置以执行成像任务，执行卫星能够基于其自身所受的约束情况采用例如是贪婪算法进行计算后以对成像任务进行排序。执行卫星受到的约束可以包括例如是电池容量约束、时间冲突约束或存储容量约束。具体的，当卫星当前的存储容量不足以满足前往B位置进行成像任务的容量所需，则执行卫星选择首先前往C位置执行成像任务，从而根据执行卫星的目的地便能确定在一定时间周期内执行卫星的运行轨迹路线。

优选的，若干个不同的用于执行对地观测任务的执行卫星1可以被配置在不同的运行轨道上以保证成像范围。基于执行卫星的运行轨道及地球的自转，每一个执行卫星在其特定的时间窗口内均有不同的成像覆盖区域。同时，不同卫星彼此间轨道的交错使得卫星之间会出现成像区域的彼此重叠覆盖。处于重叠覆盖状态的成像区域会被不同的卫星在相同的时间窗口或不同的时间窗口内进行重复成像。例如，位于不同轨道上的两颗执行卫星，其能够在相同的时刻通过相同的区域上空，从而能够在相同的时刻同时对该区域进行重复成像。或者，位于相同运行高度但运行方向不同的两颗执行卫星，其能够在不同的时刻通过相同的区域上空，进而能够在不同的时刻对该区域进行重复成像。

优选的，卫星调度系统还包括与地面站配套设置的中央处理模块6，各个执行卫星1的运行轨迹能够基于卫星定位模块5进行预测，从而能够获取执行卫星1在一定时间周期内的成像覆盖范围数据。中央处理模块6通过对每个执行卫星的成像覆盖范围数据进行整合处理便能够得到执行卫星的重叠区域信息。重叠区域信息至少能够包括重叠区域的地理位置信息以及各个卫星之间的重叠时间信息。例如，A卫星、B卫星和C卫星按照环绕地球的方式设置在太空中以对地球进行成像任务。A卫星、B卫星和C卫星彼此之间能够形成相同或不同的重叠区域。例如，A卫星与B卫星能够在a位置重叠，A卫星与C卫星能够在b位置重叠，B卫星和C卫星能够在c位置重叠，或者A卫星、B卫星和C卫星能够同时在d位置重叠。重叠区域对应的能够将其从地球上识别出来的经度或维度等坐标数据便可以是重叠区域的地理位置信息。

优选的，执行卫星的成像范围呈圆形而使得其能够在设定的时间周期内持续对某区域进行成像。例如，位于地球同步轨道上的执行卫星的运行速度与地球的自转速度相同，使得其能够持续对指定的区域进行任意时长的连续成像。例如是近地卫星，由于其运行速度与地球自转速度不同，其只能在对指定区域进行设定时长的连续成像。因此，执行卫星在重叠区域内进行成像时往往还具有时间重叠。例如，A卫星能够在8点至12点对a位置进行连续成像，B卫星能够在6点到10点对a位置进行连续成像，则A卫星与B卫星之间的时间重叠信息为8点至10点。即，时间重叠信息表征的是不同的执行卫星能够对同一成像区域进行同时成像的相同时间段。

优选的，地面站2能够获取来自于第三方的新增成像任务需求数据，中央处理模块6能够基于新增成像任务需求数据至少获取成像任务的成像时间和成像区域。任务规划模块能够基于成像任务的成像时间和成像区域以形成每一颗执行卫星的初始待观测任务列表。任务规划模块至少按照以下步骤以建立初始待观测任务列表的方式完成执行卫星的调度：

S1：基于成像任务的成像区域建立与其关联的执行卫星第一列表。

优选的，在一定的时间周期内或在某一时刻会有来自于若干个第三方的新增成像任务需求数据，每一个第三方所需求的成像任务彼此之间可能出现以下几种情况：每一个第三方所需求的成像任务中，成像区域相同，成像时间完全不同；或者成像区域相同，成像时间存在局部重叠；或者成像区域具有重叠，成像时间存在局部重叠。通过对成像时间和/或成像区域的重复程度进行判断可以确定成像区域的关注度，关注度高表示该成像区域更受第三方的重视，需要优先执行。例如，针对一个国家的首都及该国家的其他普通城市，首都受第三方的关注程度明显会高于其他城市，关注度高往往体现在第三方的任务需求数据中该城市出现的频率高，或者该城市所需的成像时间长以长时间对该城市进行连续成像。

优选的，基于若干个第三方的任务需求信息能够对成像区域的关注度进行排序。例如，关注度的影响因素可以包括关注该成像区域的第三方的数量以及该区域的总成像时间。总成像时间是指若干个任务需求信息中需要对该区域进行连续成像的时间总和，例如，A公司需要对a区域进行连续成像的时间为T₁，B公司需要对a区域进行连续成像的时间为T₂，则总成像时间为T₁与T₂之和。关注该成像区域的第三方的数量以及该区域的总成像时间可以按照设置不同的权重比例的方式建立关注度的计算模型。例如，第三方的数量的权重比例高于总成像时间的权重比例。两者可以按照占比为三比二的方式建立关注度的计算模型。通过关注度的计算模型能够对成像区域的关注度进行具体的量化，并据此量化结果对其进行排序。

优选的，基于执行卫星的运行轨道能够获取其条带覆盖范围，将成像区域的地理位置坐标与条带覆盖范围的位置坐标进行对比便能够确定成像区域是否落入执行卫星的条带覆盖范围内。在成像区域落入执行卫星的条带覆盖范围内的情况下，将该执行卫星定义为与该成像区域相关的执行卫星。通过将所有执行卫星的成像区域与成像区域进行对比，便能建立与该成像区域相关的执行卫星第一列表。优选的，若干个不同的成像区域便会形成若干个不同的执行卫星第一列表，将不同成像区域对应的若干个执行卫星第一列表进行整合便能够形成执行卫星第一列表集。

S2：基于执行卫星的自身参数及成像时间确定能够执行相应成像任务的执行卫星第二列表，并基于执行卫星第二列表确定重叠任务集。

优选的，执行卫星的自身参数可以包括例如是成像时间窗口、运行轨道、电池状态、存储器容量状态、能量消耗、基于运行轨道确定的条带覆盖范围中的一种或多种。通过执行卫星的自身参数能够确定若干个关于相应成像任务的约束限制。例如，在执行相应成像任务时，基于成像任务的持续时间的不同，对执行卫星的存储容量要求也不同。当执行卫星当前的剩余容量低于成像任务所需时，便会产生约束限制以表明该执行卫星无法基于当前状态完成该成像任务。或者，基于执行卫星的运行轨道能够确定其通过指定区域的时间点以及其能够对该指定区域进行连续成像的持续时间。当该时间点或持续时间均与成像任务的成像时间没有交集的情况下，生成约束限制以表明该执行卫星无法执行该成像任务。

优选的，执行卫星第二列表是对执行卫星第一列表中的不能执行指定成像任务的执行卫星进行筛选删除后形成的能够执行该指定成像任务的执行卫星，其中，被筛选删除的执行卫星组成执行卫星第三列表。在成像任务所对应的执行卫星第二列表中的执行卫星数量大于等于二的情况下将该成像任务定义为重叠任务。重叠任务是指能够被两个以上的执行卫星同时进行执行的成像任务。优选的，将执行卫星第二列表和执行卫星第三列表进行整合后便能够形成执行卫星第二列表集以及执行卫星第三列表集。

S3：基于执行卫星的自身参数获取重叠任务的执行效用以确定执行卫星的初始待观测任务列表。

优选的，执行卫星的自身参数通常包括多个，在根据执行卫星的自身参数确定重叠任务的执行效用时，可以将不同的自身参数赋予不同的权重值以使得第三方能够根据实际需要计算重叠任务的执行效用。具体的，执行卫星自身参数可以包括例如是成像时间窗口、运行轨道、电池状态、存储器容量状态、能量消耗中的一种或多种。针对处于地球同步轨道之外的执行卫星，其只能够在一定的时间周期内对指定区域进行连续成像，即其时间窗口是有时长限制的。例如，a执行卫星能够在两小时内持续对指定区域进行成像，第三方要求的成像任务所需的成像时间为五小时，则该执行卫星只能完成该成像任务的一部分。执行效用可以通过例如是能够完成任务的百分比进行具体量化，例如，执行效用可以用成像时间窗口与成像时间的比值进行衡量。若b执行卫星能够持续在四小时内对指定区域进行成像，则其能够完成该成像任务的80％，在相同的情况下，b执行卫星的执行效用高于a执行卫星。重叠任务可以划分给执行效用高的卫星进行执行。依据执行效用将重叠任务进行单独划分，保证重叠任务执行效果的同时也能够避免不同卫星对重叠任务的重叠执行，能够有效的利用有限的卫星资源。通过对所有重叠任务进行再次分配能够形成每颗执行卫星的初始待观测任务列表。

优选的，执行卫星的初始待观测任务列表还包括处于多个卫星重叠区域之外的成像区域所对应的成像任务。若干个不同的执行卫星基于其各自运行轨迹的不同，会产生均能够被成像的重叠区域。即重叠区域能够被两个以上的执行卫星进行拍摄。在第三方的任务需求数据中所涉及的成像区域未落入重叠区域的情况下，表明该任务只能由特定的与该成像区域直接关联的执行卫星执行，该任务不属于重叠任务，其直接被分配给相应的执行卫星进行执行。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

优选的，任务规划模块至少还按照以下步骤以建立初始待观测任务列表的方式完成执行卫星的调度：

S1：基于彼此关联的成像区域信息、执行卫星以及成像窗口时间对成像任务进行初步分类以建立需要至少两个执行卫星1协同完成的成像任务集。

优选的，中央处理模块6还被配置为基于第三方的新增成像任务需求数据将所对应的成像任务进行初步分类。成像任务能够被分类为第一类型、第二类型和第三类型，其中，属于第一类型的成像任务是没有合适的卫星资源或者基于其他约束而无法完成的成像任务，属于第二类型的成像任务是能够被两个以上的执行卫星中的任意一个单独执行的成像任务，属于第三类型的成像任务是需要通过两个以上的执行卫星共同协作才能完全完成的成像任务。通过将所有第三类型的成像任务按照汇总的方式便能建立成像任务集。属于第一类型的成像任务被卫星调度系统拒绝执行。优选的，属于第二类型的成像任务本质为重叠任务，其按照计算执行效用的方式单独分配给相应的执行卫星。例如，属于第二类型的成像任务能够同时被a卫星和b卫星单独完成，a卫星的执行效用高于b卫星，则将该成像任务分配给a卫星执行。

优选的，中央处理模块可以通过确定获取的第三方的任务需求数据与数据库中存储的历史任务数据的关联性的方式对成像任务进行初步分类。例如，在获取的第三方的任务需求数据中成像区域与数据库中存储的历史任务数据相匹配的情况下，中央处理模块筛选出能够执行第三方的成像任务的所有执行卫星，并且判断成像任务的成像时间与各个执行卫星的重叠情况以实现对成像任务的分类。在成像任务的成像时间与任何一个执行卫星的成像时间窗口均无重叠时，将该成像任务划分为第一类。在成像任务的成像时间被至少一个执行卫星的成像时间窗口完全覆盖时，将成像任务划分为第二类型。在成像任务的成像时间被至少一个执行卫星的成像时间窗口部分覆盖时，将成像任务划分为第三类型。例如，针对成像时间从早8点至晚8点的成像任务，其能够被a卫星、b卫星和c卫星部分地执行，a卫星能够从早8点至12点执行该成像任务，b卫星能够从早10点至下午5点执行该成像任务，c卫星能够从下午3点至晚8点执行该成像任务，则该成像任务被划分为第三类型。

S3：基于属于第三类型的成像任务所对应的成像时间筛选出至少两个执行卫星，其中，至少两个执行卫星彼此组成的成像时间窗口能够完全覆盖成像任务所对应的成像时间。

优选的，属于第三类型的成像任务所涉及的执行卫星的数量可能大于两个。不同的执行卫星彼此之间的成像时间窗口具有不同的重叠范围。根据成像任务的成像时间筛选执行卫星至少满足两条原则：筛选出的执行卫星数量最少并且执行卫星彼此之间的成像时间窗口重叠区域最大。例如，基于成像任务的开始执行时刻和结束执行时刻，分别筛选出包含开始执行时刻的多个第一执行卫星以及包含结束执行时刻的多个第二执行卫星。在第一执行卫星与第二执行卫星彼此的成像时间窗口无法完全覆盖成像时间的情况下，再次从与成像任务所涉及的执行卫星中筛选至少一个第三执行卫星，其中，第三执行卫星的成像时间窗口与第一执行卫星的成像时间窗口和/或第二执行卫星的成像时间窗口具有重叠区域。第三执行卫星的成像时间窗口不包括执行开始时刻和执行结束时刻。进而在第一执行卫星、第二执行卫星和第三执行卫星的协同作用下便能够将成像任务完全完成。

优选的，对筛选出的第一执行卫星和第二执行卫星再次筛选以选出唯一的一个第一执行卫星和唯一的一个第二执行卫星，其中，最终筛选出的第一执行卫星和第二执行卫星至少满足以下筛选原则：筛选出的第一执行卫星和第二执行卫星与成像任务的成像时间的覆盖范围最大，并且第一执行卫星与第三执行卫星彼此之间的成像时间窗口保持最大，和/或第二执行卫星与第三执行卫星彼此之间的成像时间窗口保持最大。将第一执行卫星、第二执行卫星和第三执行卫星彼此之间的成像时间窗口的重叠范围设置为最大能够在最大程度上保证按照协同作用方式完成成像任务的执行卫星的数量最少，从而能够有效利用有限的卫星资源。

S4：基于筛选出的第一执行卫星、第二执行卫星和第三执行卫星，确定彼此重叠的成像时间窗口，在将彼此重叠的成像时间窗口划分为若干个子成像时间窗口的情况下，将第一执行卫星、第二执行卫星和/或第三执行卫星设置为按照交替的方式执行成像任务以及成像数据下传任务。

优选的，基于成像数据的下传时间将第一执行卫星、第二执行卫星和第三执行卫星各自的成像时间窗口彼此之间的重叠区域划分为若干个子成像时间窗口。例如，在30分钟内执行卫星能够采集a兆字节的成像数据，当执行卫星与地面站建立通信连接的情况下，执行卫星也需要30分钟才能将成像数据完全传输至地面站。成像时间窗口的重叠区域便按照每个子成像时间窗口为30分钟的方式划分。或者，每个子成像时间窗口的大小也可以根据实际需求进行灵活设定。例如，在对地震灾区进行成像监测时，可以将子成像时间窗口设置较小，从而能够以更频繁更实时地获取灾区的成像图像。

优选的，在执行卫星1在单位内采集的成像数据多于执行卫星1在单位时间内传输至地面站2的成像数据的情况下，按照执行卫星1在成像时间内所采集的且未下传至地面站2的成像数据不超过剩余存储容量的方式划分重叠的成像时间窗口。例如，执行卫星的剩余存储容量为500兆，执行卫星在1min内能够采集100兆的成像数据，执行卫星在1min中能够将50兆的成像数据下传至地面站，执行卫星彼此重叠的成像时间窗口的长度为20min，在子成像时间窗口的长度为1min时，执行卫星一共能够采集1000兆的成像数据，并且能够下传500兆的成像数据至地面站，其并未超过执行卫星的剩余存储容量，因此可以将子成像时间窗口的长度设置为1min。

优选的，第一执行卫星和第三执行卫星彼此之间重叠的成像时间窗口划分为若干个在时间轴上交替排布的第一子成像时间窗口和第二子成像时间窗口，第一执行卫星按照在第一子成像时间窗口执行成像任务并且在第二子成像时间窗口执行成像数据下传任务的方式建立初始待观测任务列表，第三执行卫星按照在第一子成像时间窗口执行成像数据下传任务并且在第二子成像时间窗口执行成像任务的方式建立初始待观测任务列表；基于成像数据的下传时间将第二执行卫星和第三执行卫星彼此之间重叠的成像时间窗口划分为若干个在时间轴上交替排布的第三子成像时间窗口和第四子成像时间窗口，第二执行卫星按照在第三子成像时间窗口执行成像任务并且在第四子成像时间窗口执行成像数据下传任务的方式建立初始待观测任务列表，第三执行卫星按照在第三子成像时间窗口执行成像数据下传任务并且在第四子成像时间窗口执行成像任务的方式建立初始待观测任务列表。例如，第一执行卫星和第二执行卫星彼此的重叠的成像时间窗口为早8点至早10点，通过划分将其划分为早8点至早8点半、早8点半至早9点、早9点至早9点半以及在9点半至早10点四个子成像时间窗口。则第一执行卫星和第二执行卫星在早8点至早10点内的任务列表如表1所示。针对例如是持续观测地震灾区的成像任务，当需要多个执行卫星共同完成该成像任务时，执行卫星所采集的成像数据需要及时反馈至地面站，同时，成像数据及时传输至地面站也能够有效地降低由于执行卫星的自身参数中的存储容量导致的约束限制。优选的，在产生约束限制的情况下，将分配至该执行卫星1的成像任务进行重新分配的方式更新其初始待观测任务列表以避免成像任务无法实现。

表1

实施例3

本实施例是对前述实施例的进一步改进，重复的内容不再赘述。

优选的，本发明还提供一种卫星高效调度星座，至少包括若干个执行卫星1、地面站2和主星1a。主星1a用于对新增的成像任务进行星上自主调度，并将生成的调度命令传输至执行卫星进行执行。优选的，主星配置有数据库、任务规划模块、卫星定位模块和中央处理模块以分别完成相应的任务。

优选的，在地面站2接收到第三方的新增成像任务需求数据的情况下，地面站2至少能够按照如下方式对新增成像任务需求数据进行处理：基于实时任务需求数据至少获取成像任务的成像区域和成像时间；基于执行卫星1的自身参数、成像区域和成像时间对所述成像任务进行分类以建立需要至少两个执行卫星1协同完成的成像任务集；在所述重叠任务集中的重叠任务能够被两个执行卫星1中的任意一个单独完成的情况下，基于遥感卫星的自身参数获取所述重叠任务的执行效用，并将所述成像任务分配至执行效用最优的遥感卫星。通过地面站提前对需求数据进行处理，能够进一步降低主星的计算负载。

优选的，主星和执行卫星被配置为按照如下的步骤进行数据交互以完成新增成像任务的调度分配：

S1：主星1a至少确定新增成像任务的成像时间信息及成像区域信息，其中，基于成像时间信息按照涉及执行卫星数量最少的方式筛选出至少一个能够完全或部分覆盖新增成像任务的成像时间的执行卫星。

优选的，主星1a可以配置数据库3，其中，数据库3中存储有星座中所有执行卫星的例如是运行轨道、条带覆盖范围、对特定区域的成像时间窗口等相关数据信息。主星可以将新增成像任务的成像区域信息与数据库中存储的各卫星的条带覆盖范围进行对比，在成像区域落入执行卫星的条带覆盖范围中时，则初步判断该执行卫星能够执行该新增成像任务。优选的，将所有条带覆盖范围包括成像区域的若干个执行卫星建立第一执行卫星列表。

优选的，基于新增成像任务的开始执行时刻和结束执行时刻，按照覆盖范围最大的方式从第一执行卫星列表中分别筛选出包含开始执行时刻的第一执行卫星以及包含结束执行时刻的第二执行卫星。例如，新增成像任务所需的成像时间范围为早8点至早11点，A执行卫星的成像时间窗口为早7点至早9点，B执行卫星的成像时间窗口为早7点至早10点。B执行卫星的成像时间窗口所需的成像时间覆盖范围较大，优先筛选出B执行卫星。

优选的，在第一执行卫星与第二执行卫星彼此的成像时间窗口无法完全覆盖成像时间的情况下，再次从第一执行卫星列表中筛选至少一个第三执行卫星，其中，第一执行卫星、第二执行卫星和第三执行卫星的成像时间窗口彼此可以具有重叠，并且三者的成像时间窗口之和能够完全覆盖成像时间。

S2：主星基于第一执行卫星、第二执行卫星和第三执行卫星各自的成像时间窗口的端点将成像时间划分为主子成像时间和次子成像时间，并基于主子成像时间将新增成像任务划分为第一子成像任务和次子成像任务。主子成像时间为执行卫星的成像时间窗口的非重叠部分，次子成像时间是执行卫星的成像时间窗口的重叠部分。第一子成像任务的成像时间为主子成像时间，第二子成像任务的成像时间为次子成像时间。例如，新增成像任务所需的成像时间为早8点至早12点，A执行卫星的成像时间窗口为早7点至早10点，B执行卫星的成像时间窗口为早9点至早11点，C执行卫星的成像时间窗口为早10点半至早12点半。则主子成像时间为早8点至早9点、早10点至早10点半以及早11点至早12点。次子成像时间为早9点至早10点以及早10点半至早11点。A执行卫星的第一子成像任务所对应的主子成像时间为早8点至早9点。

优选的，主星基于主子成像时间将第一子成像任务的相关信息传输至相应的执行卫星，其中，执行卫星基于其自身参数以及约束限制将主子成像时间划分为不能执行第一子成像任务的第一子成像时间以及能够执行第一子成像任务的第二子成像时间。具体的，主星将主子成像时间为早8点至早9点的第一子成像任务传输至A执行卫星后，A执行卫星能够基于其当前执行的成像任务、计划任务、电池容量和存储容量等自身参数信息确定其基于约束限制而不能执行第一子成像任务的第一子成像时间。例如，A执行卫星预测其在执行完成当前成像任务后剩余的存储容量仅能够满足半个小时的成像任务所需，则A执行卫星便会将第二子成像时间确定为早8点半至早9点，早8点至早8点半即为能够执行的第一子成像时间。

优选的，执行卫星被配置为：在第一子成像时间内执行解除约束任务，在第二子成像时间内执行成像任务。执行卫星基于例如是容量限制、电量限制等约束限制而导致在第一子成像时间内无法执行成像任务，解除约束任务是执行卫星消除约束限制的任务。例如，执行卫星基于其存储容量不足导致无法执行成像任务，则解除约束任务为数据下传任务。通过将成像数据下传至地面站，便能有效地消除存储容量不足的约束限制。

优选的，执行卫星将其各自的第一子成像时间分别传输至主星。主星重复执行步骤S1和S2以对第一子成像时间进一步划分，进而得到成像时间范围更小的子成像任务直至产生的子成像任务能够被其他执行卫星完全执行为止。在得到子成像任务不存在与其子成像时间具有重叠的执行卫星的情况下，结束对第一子成像时间的进一步划分，并按照优先执行该子成像任务的方式更新与其关联的执行卫星。例如，A执行卫星的第一子成像时间为早8点至早9点，没有其他执行卫星的成像时间窗口包含该第一子成像时间，故只有将A执行卫星的计划列表中的部分任务进行删除，从而使得A执行卫星能够优先执行该子成像任务。现有的卫星调度系统将成像任务分配至每一个与其关联的执行卫星以获得每个执行卫星的执行效用，随后主星根据若干个执行卫星的执行效用进行统一调度协调，达到收敛以获得最优解耗时较长并且其不能将新增的紧急的成像任务及时进行分配。本发明按照成像时间窗口重叠范围最大的方式筛选执行卫星后，按照根据执行卫星的成像时间窗口的端点划分成像时间的方式将新增成像任务划分为若干个子成像任务，并将子成像任务发送至相应的执行卫星以使得执行卫星能够根据其自身状态确定能够执行的子成像时间。能够执行的子成像时间所对应的子成像任务立刻分配至该执行卫星。不能够执行的子成像时间所对应的子成像任务再根据与其关联的执行卫星的成像时间窗口进行再次划分，进而再次进行分配，直至划分的子成像任务能够被完全执行为止。该调度过程至少具有以下优势：1、主星和执行卫星的计算量小。主星只负责根据子成像时间筛选与其相关的执行卫星。执行卫星根据其自身参数得到能够执行的成像时间段。2、新增成像任务按照逐级划分的方式能够得到成像时间范围逐渐减小的若干个子成像任务，成像时间范围较小的成像任务的再次分配不需要考虑已经分配了成像时间范围较大的成像任务的执行卫星，避免了根据所有执行卫星的执行效用进行反复迭代计算获得最优解所造成的计算负载的增加。3、成像时间范围较大子成像任务早于成像时间范围较小的成像任务进行分配，进而即使子成像任务不执行，也能够最大程度地覆盖成像时间，或者需要通过删除其他成像任务对子成像任务进行执行时，其他任务的删除量也较小，从而可以降低对其他任务的影响。

S3：主星按照如下方式基于次子成像时间对执行卫星进行调度：将次子成像时间划分为若干个子成像时间窗口的情况下，将第一执行卫星、第二执行卫星和/或第三执行卫星设置为按照交替的方式执行成像任务以及成像数据下传任务的工作模式。

例如，次子成像时间为早8点至早10点，次子成像时间是第一执行卫星和第二执行卫星的成像时间窗口的覆盖范围。通过划分将其划分为早8点至早8点半、早8点半至早9点、早9点至早9点半以及在9点半至早10点四个子成像时间。则第一执行卫星和第二执行卫星在早8点至早10点内的任务列表如表1所示。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种卫星高效调度星座，至少包括能够彼此建立通信连接的主星(1a)、执行卫星(1)和地面站(2)，其特征在于，所述主星(1a)按照如下步骤调度所述执行卫星(1)：

主星(1a)按照执行卫星(1)的成像时间窗口之和完全覆盖成像任务的成像时间的方式筛选出至少两个执行卫星(1)，并将成像任务的成像时间划分为主子成像时间和次子成像时间；

在所述次子成像时间是执行卫星(1)彼此之间重叠的成像时间窗口的情况下，所述执行卫星(1)基于约束限制确定其能够执行成像任务的时间窗口以将所述主子成像时间划分为第一子成像时间和第二子成像时间，

在所述执行卫星(1)基于所述约束限制不能在所述第二子成像时间内执行成像任务的情况下，所述主星(1a)按照将所述第二子成像时间进行划分直至所述执行卫星(1)在所述主子成像时间内不存在所述约束限制的方式得到成像时间范围更小的子成像时间，其中：

所述执行卫星(1)被配置为在所述第一子成像时间内执行成像任务，且在所述第二子成像时间内执行解除约束任务的工作模式。

2.如权利要求1所述的卫星高效调度星座，其特征在于，所述主星(1a)按照如下方式筛选出至少两个执行卫星(1)：

基于成像任务的成像区域落入执行卫星(1)的条带覆盖范围的方式建立第一执行卫星列表，按照执行卫星(1)的成像时间窗口分别与所述成像时间的执行开始时刻和执行结束时刻重叠范围最大的方式分别筛选出第一执行卫星和第二执行卫星，其中：

在所述第一执行卫星与所述第二执行卫星彼此的成像时间窗口无法完全覆盖所述成像时间的情况下，按照成像时间窗口与所述成像时间的重叠范围最大的方式筛选出至少一个第三执行卫星，所述第三执行卫星的成像时间窗口不包括所述执行开始时刻和所述执行结束时刻。

3.如权利要求2所述的卫星高效调度星座，其特征在于，在所述次子成像时间是执行卫星(1)彼此之间重叠的成像时间窗口的情况下，所述主星(1a)按照如下步骤调度所述执行卫星(1)：

将所述次子成像时间划分为若干个子成像时间窗口，所述执行卫星(1)基于所述子成像时间窗口交替执行成像任务和所述解除约束任务；

在所述执行卫星(1)基于其存储容量不足产生所述约束限制的情况下，所述解除约束任务能够是执行卫星(1)将其采集的成像数据传输至所述地面站(2)的成像数据下传任务。

4.如权利要求3所述的卫星高效调度星座，其特征在于，所述第一执行卫星、所述第二执行卫星和所述第三执行卫星按照以下步骤交替执行所述成像任务和所述解除约束任务：

基于成像数据的下传时间将所述第一执行卫星和所述第三执行卫星彼此之间重叠的成像时间窗口划分为若干个在时间轴上交替排布的第一子成像时间窗口和第二子成像时间窗口，所述第一执行卫星按照在第一子成像时间窗口执行所述成像任务并且在第二子成像时间窗口执行所述解除约束任务，所述第三执行卫星按照在第一子成像时间窗口执行所述约束下传任务并且在所述第二子成像时间窗口执行所述成像任务；或者

基于成像数据的下传时间将所述第二执行卫星和所述第三执行卫星彼此之间重叠的成像时间窗口划分为若干个在时间轴上交替排布的第三子成像时间窗口和第四子成像时间窗口，所述第二执行卫星按照在第三子成像时间窗口执行所述成像任务并且在第四子成像时间窗口执行所述解除约束任务，所述第三执行卫星按照在第三子成像时间窗口执行所述解除约束任务并且在所述第四子成像时间窗口执行所述成像任务。

5.如权利要求4所述的卫星高效调度星座，其特征在于，所述约束限制至少能够根据执行卫星(1)的自身参数进行确定，所述自身参数至少包括执行卫星(1)的电池状态信息和存储器容量状态信息，其中：

在执行卫星(1)的存储器剩余容量小于执行所述成像任务所需的存储容量的情况下生成所述约束限制；或者，在所述执行卫星(1)的剩余电量小于执行所述成像任务所需的电量要求的情况下生成所述约束限制。

6.如权利要求5所述的卫星高效调度星座，其特征在于，在所述地面站(2)接收到第三方的新增成像任务需求数据的情况下，所述地面站(2)至少能够按照如下方式对所述新增成像任务需求数据进行处理：

基于所述新增成像任务需求数据至少获取成像任务的成像区域和成像时间；

基于执行卫星(1)的自身参数、所述成像区域和所述成像时间对所述成像任务进行分类以建立需要至少两个执行卫星(1)协同完成的成像任务集；

在所述重叠任务集中的重叠任务能够被两个执行卫星(1)中的任意一个单独完成的情况下，基于遥感卫星的自身参数获取所述重叠任务的执行效用，并将所述成像任务分配至执行效用最优的遥感卫星。

7.如权利要求6所述的卫星高效调度星座，其特征在于，所述自身参数还包括指定成像区域的成像时间窗口，所述重叠任务的执行效用至少能够基于成像时间窗口与所述成像时间的比值进行衡量，其中：

所述执行效用按照所述比值增大的方式达到最优状态。

8.如权利要求7所述的卫星高效调度星座，其特征在于，所述主星(1a)按照如下步骤将所述次子成像时间划分为若干个子成像时间窗口：

基于所述存储器容量状态信息确定执行卫星(1)的剩余存储容量；

按照执行卫星(1)在所述成像时间内所采集的且未下传至所述地面站(2)的成像数据不超过所述剩余存储容量的方式划分所述次子成成像时间。

9.一种卫星高效调度方法，其特征在于，所述卫星高效调度方法至少按照如下步骤进行调度：

主星(1a)按照执行卫星(1)的成像时间窗口之和完全覆盖成像任务的成像时间的方式筛选出至少两个执行卫星(1)，并将成像任务的成像时间划分为主子成像时间和次子成像时间；

在所述次子成像时间是执行卫星(1)彼此之间重叠的成像时间窗口的情况下，所述执行卫星(1)基于约束限制确定其能够执行成像任务的时间窗口以将所述主子成像时间划分为第一子成像时间和第二子成像时间，

在所述执行卫星(1)基于所述约束限制不能在所述第二子成像时间内执行成像任务的情况下，所述主星(1a)按照将所述第二子成像时间进行划分直至所述执行卫星(1)在所述主子成像时间内不存在所述约束限制的方式得到成像时间范围更小的子成像时间，其中：

所述执行卫星(1)被配置为在所述第一子成像时间内执行成像任务，且在所述第二子成像时间内执行解除约束任务的工作模式。

10.如权利要求9所述的卫星高效调度方法，其特征在于，在将所述次子成像时间划分为若干个子成像时间窗口，所述执行卫星(1)基于所述子成像时间窗口交替执行成像任务和所述解除约束任务，其中，

在所述执行卫星(1)基于其存储容量不足产生所述约束限制的情况下，所述解除约束任务能够是执行卫星(1)将其采集的成像数据传输至地面站(2)的成像数据下传任务。

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