CN111667185B - 一种动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法，包括步骤：建立使用卫星集合对区域目标进行覆盖成像的成像计划；计算所有卫星的独立轨道周期的集合；将独立轨道周期的集合中的元素按照时间排序，依次计算每个独立轨道周期对区域目标成像的最有效覆盖条带，并从独立轨道周期的集合中移除已计算完成的独立轨道周期；根据每一个独立轨道周期的最有效覆盖条带规划对应的成像任务，并将成像任务的指令加入对应的卫星的指令列队中，等待上注；根据卫星执行成像任务消耗的资源更新所述状态参数；判断区域目标是否被覆盖完成，若是结束对区域目标T的覆盖成像。本发明具有较强的实用性，对区域目标具有最佳覆盖效率，可执行性和容错性较高。

Description

一种动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法

技术领域

本发明涉及航天遥感技术领域，特别是涉及一种动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法。

背景技术

在卫星对地观测成像任务中，单颗卫星难以在一次可见机会内完成对大面积区域目标的覆盖成像，因此在成像任务规划前往往需要对大面积区域目标进行合理地划分，将成像任务分解为多个可由单颗卫星在一次可见机会内完成的单次成像的条带任务，再由多颗卫星联合协同实现整个区域目标的覆盖成像。但是，现有的多星对同一区域目标成像方法仍存在以下不足：

[1]现有多星对同一区域目标成像方法都处于理论研究中，缺乏实际的可行性，例如Lemaitre M,Verfaillie G,Jouhaud F,et al.Selecting and schedulingobservations of agile satellites.Aerospace Science and Technology,2002,6(5):367-381，该论文作为多星对同一区域目标成像的鼻祖论文，它将多星对同一区域目标成像的问题进行了归纳总结，但是只是给出简单的理论解决方案，并没有给出切实可行的解决方案；再如，①王钧，成像卫星综合任务调度模型与优化方法研究，国防科学技术大学，2007年，②白保存，考虑任务合成的成像卫星调度模型与优化算法研究，国防科学技术大学，2008年，③章登义等，一种面向区域目标的敏捷成像卫星单轨调度方法，武汉大学学报(信息科学版)，2014年08期，也均未给出实际的解决方案；

[2]现有多星对同一区域目标成像方法中，对卫星的客观能力设定比较理想且固定，如卫星的机动能力(主要是侧摆能力)、卫星的最大成像时长、卫星携带的能量随时间变化量(现有的方法一般不考虑)，但是，卫星在实际执行任务的过程中，以上条件都是时刻变化的，如侧摆能力不仅取决于卫星自身的性能，还取决于卫星前一时刻的姿态；再有，卫星的最大成像时长，除了取决于卫星自身性能，还取决于卫星成像时刻所携带的能量、剩余数据存储空间等因素，并不是恒定不变的，这些问题现有方案并未考虑；

[3]现有多星对同一区域目标成像方法中，有些方法需要卫星具有很高的机动能力才能完成，为了对区域目标进行覆盖，需要卫星在一次成像过程中不断作侧摆和俯仰的变化；现实中，多颗卫星对同一区域目标成像时，部分或者全部卫星可能并不具备较高的机动能力；

[4]现有多星对同一区域目标成像方法中，一般都是预先将区域目标分解为大小固定的网格，或根据卫星每次成像区域的条带大小将区域目标分解，然后根据分解的情况依次执行的覆盖任务，并未考虑预定计划由于客观因素或异常情况影响，执行过程中中断时，如何继续完成对区域目标覆盖的问题；

[5]现有多星对同一区域目标成像方法只能处理形状比较理想的区域目标，如简单的闭合多边形、圆形、椭圆形等，而现实中，需要覆盖的区域目标多是复杂的洲际、国家、省或州等行政区域的边界线包含的复杂闭合区域，现有方法不能适用或效率低下；

[6]现有多星对同一区域目标成像方法中，如果是可见光成像，并未考虑成像时刻区域目标上空的云量情况对成像的影响和在成像区域有云情况下的应对方法；

[7]现有多星对同一区域目标成像方法中，如果是可见光成像，缺少成像时刻对地表反射情况的判断(太阳高度角)；

[8]现有多星对同一区域目标成像方法中，如果是一次性对区域目标分解并规划成像的，没有考虑随时间变化卫星轨道预报的精度下降，影响成像任务执行；

[9]现有多星对同一区域目标成像方法中，没有考虑卫星在执行覆盖任务的同时，卫星其他任务对覆盖任务可能产生的影响，如机动能力、容量和成像时长等；

[10]现有多星对同一区域目标成像方法中，没有考虑已规划的任务不能正确执行或者成像任务执行之后，数据不能正确生产的情况下，如何继续完成对区域目标的迭代覆盖；

[11]如果最终要求的产品是对整个区域目标完整的镶嵌产品，现有多星对同一区域目标成像方法中，没有考虑成像条带之间为了确保镶嵌成功，需要条带边缘有部分重合部分的搭接关系。

发明内容

基于此，有必要针对现有多星对同一区域目标成像方法存在的问题，提供一种动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法，该方法是一种根据卫星客观状态和对区域目标完成情况动态变化的多星规划方法，是一种在卫星实际规划工作中真实可用的方法。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法，包括以下步骤：

步骤一：确定由所有用于执行任务的卫星所组成的卫星集合；

步骤二：根据测控信息和卫星已经规划的任务情况更新卫星集合中所有卫星的状态参数；

步骤三：建立使用卫星集合对区域目标进行覆盖成像的成像计划，确定成像计划的开始时间和结束时间；

步骤四：通过轨道预报算法，以秒为单位计算卫星集合中每一颗卫星在成像计划的周期内每个时刻对应的位置点；

步骤五：以同一颗卫星相同轨道周期内的所有位置点的集合表示该颗卫星的一个独立轨道周期，得到所有卫星的独立轨道周期的集合；

步骤六：将独立轨道周期的集合中的元素按照时间排序，依次计算每个独立轨道周期对区域目标成像的最有效覆盖条带，并从独立轨道周期的集合中移除已计算完成的独立轨道周期；

步骤七：根据每一个独立轨道周期的最有效覆盖条带规划对应的成像任务，并将成像任务的指令加入对应的卫星的指令列队中，等待上注；

步骤八：根据卫星执行成像任务消耗的资源更新所述状态参数；

步骤九：判断区域目标是否被覆盖完成，若是，则进入步骤十二；若否，则进入步骤十；

步骤十：检查独立轨道周期的集合是否为空，若是，则进入步骤十一；若否，则返回步骤六；

步骤十一：建立使用卫星集合对区域目标进行覆盖成像的下一个成像计划，重复步骤二至步骤十；

步骤十二：结束对区域目标的覆盖成像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[1]本发明具有较强的实用性，可以作为多星对区域目标成像的方法应用在遥感卫星的实际运管工作中；

[2]本发明是一种在卫星的每个独立轨道周期动态独立计算最有效覆盖条带的方法，该方法考虑了区域目标的完成情况、成像条带对区域目标的有效覆盖面积、已经完成规划部分的搭接情况、云量因素、图像质量因素和成像时卫星的实时状态等因素，保证了每次规划结果对区域目标具有最佳覆盖效率；

[3]本发明在每次计算一颗卫星的一个独立轨道周期的最有效覆盖条带前，根据卫星实时参数状态，判断卫星对区域目标成像的最大可用成像时长和最大可用侧摆角范围，确保完成覆盖的要求在卫星的能力范围之内，使规划结果具有较高的可执行性；

[4]本发明可以对任意大小、任意形状的区域目标进行覆盖成像；同时，本发明不需要提前分解区域目标，不需要进行高斯投影，区域目标形状的复杂性不影响本发明的执行效率；

[5]由于本发明是根据每颗卫星的独立轨道周期，独立动态计算最有效覆盖条带的，每次规划结果因为异常没有按计划执行的情况下，对成像任务的继续规划没有任何影响，容错性较高；

[6]本发明可以按周期执行或不连续分步执行，在实际工作中，卫星任务的可执行性受多种客观不可控因素影响，根据实时情况分步择机执行，具有更高的可行性；本发明不需要对卫星长时间的任务规划进行预判分析，而只需关心短期内，具有较高可执行性的卫星任务执行收益即可；

[7]本方法按周期分步执行时，每次计算一颗卫星的一个轨道周期的最有效覆盖条带时，可以更新最新的卫星轨道参数和云量信息，即使区域目标的范围很大，成像任务时间跨度很长，也可以保证卫星的轨道精度和天气信息的相对准确性；

[8]本发明所有应用的算法，均可使用互联网提供的开源接口计算，或者使用开源算法实现，不需要依赖任务商业化软件，如STK软件等。

附图说明

图1为本发明其中一个实施例中动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法的流程图；

图2为本发明其中一个具体实施方式的流程图；

图3为条带的真实覆盖区域TC与边缘覆盖区域E的示意图；

图4为条带的有效覆盖区域的示意图；

图5为条带的边缘搭接的示意图；

图6为本发明另一个具体实施方式的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

在其中一个实施例中，参见图1，本发明公开一种动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一(S1)：开始对一个区域目标T进行覆盖成像，首先确定由所有用于执行任务的卫星所组成的卫星集合，卫星集合表示为S＝{sat₁，sat₂，…，sat_m}，其中m为用于执行任务的卫星总数，任务开始时间为StartTime0。

步骤二(S2)：根据测控信息和卫星已经规划的任务情况更新卫星集合S中所有卫星的状态参数，其中状态参数包括携带能量、存储空间、卫星实时姿态、最新轨道、机动能力(指最大侧摆)和最大成像时长等。

步骤三(S3)：建立一个使用卫星集合S对区域目标T的成像计划Schedule[n]，n代表这是卫星集合S对区域目标T的第n次成像计划，确定成像计划Schedule[n]的开始时间和结束时间，成像计划的开始时间为ScheduleStartTime[n]，成像计划的结束时间为ScheduleEndTime[n]；如果n＝1，则：

成像计划的开始时间ScheduleStartTime[1]＝StartTime0；

成像计划的结束时间ScheduleEndTime[1]＝StartTime0+SchedulePeriod；

其中，SchedulePeriod表示卫星集合S对区域目标T执行一次任务规划的时间跨度，一般以天为单位，可以是固定值，也可以根据每次成像计划Schedule[n]的要求动态设置。

步骤四(S4)：通过轨道预报算法，以秒为单位计算卫星集合S中每一颗卫星在成像计划Schedule[n]的周期内每个时刻t对应的位置点SatPos[sat,t]，其中：ScheduleStartTime[n]≤t≤ScheduleEndTime[n]。

步骤五(S5)：以同一颗卫星相同轨道周期内的所有位置点SatPos[sat,t]的集合表示该颗卫星的一个独立轨道周期Orbit[sat,i]，得到所有卫星的轨道周期的集合，即将同一颗卫星相同轨道周期内的位置点归入同一集合，该集合表示一颗卫星的一个独立轨道周期，以此方法，得到所有卫星的独立轨道周期的集合；用t0[sat,i]表示卫星sat在成像计划Schedule[n]的周期内第i次通过北极点的时刻，t0[sat,i+1]表示卫星sat在成像计划Schedule[n]的周期内第i+1次通过北极点的时刻，则t0[sat,i]到t0[sat,i+1]之间所有位置点SatPos[sat,t]的集合Orbit[sat,i]＝{SatPos[sat,t],(t0[sat,i]≤t≤t0[sat,i+1])}就是卫星sat的一个独立轨道周期，用Orbits[n]表示成像计划Schedule[n]内所有卫星的独立轨道周期的集合。

为了简化计算，关于独立轨道周期的范围，有以下设定：

设定一：由于卫星集合S对区域目标T的成像任务从StartTime0开始，因此卫星集合S对区域目标T的第一个成像计划Schedule[1]中的每颗卫星的第一个独立轨道周期Orbit[sat,0]都可能不是一个完整的轨道周期；

设定二：卫星sat的独立轨道周期Orbit[sat,i]的开始时刻(或者开始时间点)t0[sat,i]在成像计划Schedule[n]时间周期内，那对独立轨道周期Orbit[sat,i]整个完整轨道周期中的时刻点的计算都归属于Schedule[n]的计算范围；

设定三：除了第一个成像计划Schedule[1]外，对成像计划Schedule[n](n>1)中位置点SatPos的计算都是从t0[sat,1]开始，不考虑t0[sat,1]之前的时刻点。

步骤六(S6)：将独立轨道周期的集合Orbits[n]中的元素按照时间排序，依次计算每个独立轨道周期Orbit[sat,i]对区域目标T成像的最有效覆盖条带(规定每个独立轨道周期Orbit[sat,i]最多只对区域目标T成像一次)，并且每计算完成一次均从独立轨道周期的集合Orbits[n]中移除已计算完成的独立轨道周期Orbit[sat,i]。

接下来开始计算独立轨道周期Orbit[sat,i]的最有效覆盖条带，优选地，参见图2，计算每个独立轨道周期Orbit[sat,i]对区域目标T成像的最有效覆盖条带的具体过程包括以下步骤：

步骤六一(S61)：判断卫星sat在独立轨道周期Orbit[sat,i]内每个时刻t对应的位置点SatPos[sat,t]在侧摆角范围{-MaxRoll，MaxRoll}(MaxRoll表示卫星在当圈可用的最大侧摆角，一般MaxRoll≦45°)内对区域目标T是否可见，以及判断可见时的位置点是否满足太阳高度角要求，其中太阳高度角要求为：卫星指向地面目标点的太阳高度角SolarElevation[n,t]大于可见时的位置点的太阳高度角MinReqiredSolarElevation，即：

SolarElevation[n,t]>MinReqiredSolarElevation

若是，即卫星sat有对区域目标T可见的位置点且可见的位置点满足太阳高度角要求，则进入步骤六二(S62)；如果对区域目标T不可见和/或者没有满足太阳高度角要求的可见时的位置点SatPos[sat,t]，表示独立轨道周期Orbit[sat,i]没有对区域目标T成像的条带，则进入步骤十(S10)；

步骤六二(S62)：根据独立轨道周期Orbit[sat,i]的开始时间点t0[sat,i]确定卫星的状态参数，计算出卫星在独立轨道周期Orbit[sat,i]内的最大可用成像时长MaxImagingDuration[sat,i]；

步骤六三(S63)：计算出独立轨道周期Orbit[sat,i]内全部对区域目标T可见且满足太阳高度角要求的位置点SatPos[sat,t]，得到位置点集合V；

步骤六四(S64)：计算位置点集合V中每个位置点SatPos[sat,t]以位置点的时刻t为成像开始时刻、以步骤六二(S62)计算得到的最大可用成像时长MaxImagingDuration[sat,i]为成像时长、以Δr为侧摆角步长对区域目标T成像时，在地面形成的条带Strip[SatPos[sat,t],r]，其中r为侧摆角，且r∈{-MaxRoll，MaxRoll}，Strip[SatPos[sat,t],r]中包含条带的空间位置和卫星完成该条带的成像参数；可选地，Δr的取值范围为0.01～1deg；

步骤六五(S65)：步骤六四(S64)计算出的全部条带组成条带集合S＇，计算条带集合S＇中每个条带Strip[SatPos[sat,t],r]对区域目标T的最有效覆盖值ECV，最有效覆盖值ECV的计算公式为：

ECV＝a*ECP+b*EIP+c*QR (1)

其中，ECP表示条带Strip[SatPos[sat,t],r]对区域目标T的有效覆盖率，EIP表示条带Strip[SatPos[sat,t],r]与已经规划的区域的边缘搭接率，QR表示不同侧摆角下的图像质量与0侧摆角下的图像质量的比值，a、b、c分别表示ECP、EIP和QR在最有效覆盖值ECV中所占的权重，a、b、c的取值范围均为0～1，且有a+b+c＝1；

进一步地，公式(1)中ECP表示条带对区域目标T的有效覆盖率，其计算公式为：

其中，TC表示条带的真实覆盖区域，参见图3，真实覆盖区域为条带全部覆盖区域去掉宽度为w的边缘覆盖区域E的部分；C表示条带上空有云区域；TC∩T-C表示条带对区域目标T的有效覆盖区域，参见图4，有效覆盖区域反应的是使用条带对区域目标T成像时能覆盖到的有效区域；函数Farea(x)是计算区域面积值的函数。公式(2)表示的是条带有效覆盖区域的面积与条带的真实覆盖区域的面积的比，即条带的有效覆盖率；选择有效覆盖率越大的条带，完成对区域目标T成像覆盖的速度越快。

进一步地，条带上空有云区域C的计算方法为：

根据条带的成像时刻和条带的位置坐标获取气象单位提供的云量预报数据，并根据云量预报数据计算得到条带上空有云区域C；

如果无法获取气象单位提供的云量预报数据，则条带上空有云区域C为空。EIP表示条带Strip[SatPos[sat,t],r]边缘搭接率，

进一步地，公式(1)中EIP表示条带与已经规划的区域的边缘搭接率，其计算公式为：

其中，E表示条带以w为宽度的边缘覆盖区域，P表示区域目标T中已经规划的区域；函数Farea(x)是计算区域面积值的函数。参见图5，条带b与已经规划的条带a边缘搭接，阴影部分为条带b的搭接区域。公式(3)反应的是条带边缘与区域目标中已经规划的区域的搭接情况，即条带的搭接率。搭接率的意义在于，如果只考虑条带的有效成像面积，则会随机产生一些条带间的缝隙，导致后期对区域目标T的覆盖效率下降；选择搭接率越大的条带，与已经规划的区域可能产生的缝隙就越少，而缝隙越少，规划的中后期因“补缝”需要安排的拍摄任务就越少，从而对区域目标T的规划效率也就越高。

进一步地，公式(1)中QR代表不同侧摆角下的图像质量与0侧摆角下的图像质量的比值，其计算公式为：

其中，函数Fquality(r)是侧摆角与图像质量关系函数，r为侧摆角。函数Fquality(r)反应的是侧摆角r与图像质量之间的关系，r的绝对值越大，函数Fquality(r)的值越小，r＝0时Fquality(r)的值最大。公式(4)反应的是当前侧摆角r的图像质量与侧摆角为0时的图像质量的比值。

步骤六六(S66)：取条带集合S＇中最有效覆盖值ECV最大的条带作为独立轨道周期Orbit[sat,i]对区域目标T成像的最有效覆盖条带。条带的最有效覆盖值ECV反应的是在一个独立轨道周期Orbit[sat,i]内条带对区域目标T的实际有效覆盖效果，ECV值高的条带则是有效覆盖面积相对大，并与已完成规划的区域尽可能搭接、缝隙尽可能少且图像质量尽可能高的条带，因此，ECV值可以综合反应条带的成像面积、搭接情况和图像质量；在一个独立轨道周期Orbit[sat,i]内，在所有可以对区域目标T成像的可见点的时刻为开始时间，以最大可用成像时长MaxImagingDuration为成像时长，以所有可用侧摆角r成像得到的条带集合S＇中，ECV最大的条带称为对应的独立轨道周期Orbit[sat,i]对区域目标T的最有效覆盖条带。

步骤七(S7)：根据每一个独立轨道周期Orbit[sat,i]的最有效覆盖条带,规划对应的成像任务ImagingTask[sat,i]，并将成像任务ImagingTask[sat,i]的指令加入对应的卫星sat的指令列队中，等待上注。

步骤八(S8)：根据卫星sat执行成像任务ImagingTask[sat,i]消耗的资源，如携带能量、存储空间等，更新卫星sat的状态参数。

步骤九(S9)：判断区域目标T是否被覆盖完成，若是，则进入步骤十二(S12)结束对区域目标T的覆盖成像；若否，则进入步骤十(S10)。

步骤十(S10)：检查独立轨道周期的集合Orbits[n]是否为空，若是，则进入步骤十一(S11)；若否，则返回步骤六(S6)。

步骤十一(S11)：建立使用卫星集合S对区域目标T进行覆盖成像的下一个成像计划Schedule[n+1]，并重复上述步骤二(S2)至步骤十一(S11)，直至对区域目标T覆盖完成，下一个成像计划Schedule[n+1]的开始时间为ScheduleStartTime[n+1]，并且ScheduleStartTime[n+1]＝ScheduleEndTime[n]；

步骤十二(S12)：结束对区域目标T的覆盖成像。

本发明公开一种动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法，不同于现有方法，该方法不需要提前对区域目标进行分割，而是在执行覆盖任务的每颗卫星的每个独立轨道周期内，根据当前卫星的轨道位置和能力状态等状态参数，动态计算当前卫星对区域目标的最有效覆盖条带，并确定该独立轨道周期内卫星对区域目标的成像任务，按这样的方依次式循环所有执行任务卫星的所有独立轨道周期，直到完成对区域目标的覆盖任务。

由于成像规划和图像生产是两个相对独立的过程，而图像生成的结果又影响成像规划的结果，因此，为进一步保证本实施例所提出的方法对区域目标覆盖成像的效率，本方法在开始一个成像计划Schedule[n]的同时，定时更新图像生产系统对区域目标T的图像产品的生产结果，更新区域目标T图像的最新生成完成情况。具体地，作为一种具体的实施方式，参见图6，在执行步骤三(S3)至步骤五(S5)的同时，还执行以下步骤：

步骤Ⅰ(SⅠ)：实时监测图像生产系统是否有关于区域目标的生产任务执行情况，当有生产任务执行情况时，进入步骤Ⅱ(SⅡ)：

步骤Ⅱ(SⅡ)：判断是否有生产信息更新，若是，则进入步骤Ⅲ(SⅢ)；若否，则进入步骤Ⅳ(SⅣ)；

步骤Ⅲ(SⅢ)：更新区域目标T；

步骤Ⅳ(SⅣ)：获得最新区域目标T，最新区域目标T用于上述步骤六(S6)至步骤十一(S11)的计算。

在本实施方式中，开始一个对区域目标T的成像计划Schedule[n]的同时，用一个独立的线程，定时更新图像生产系统(或图像处理系统)对区域目标T的产品的完成情况，在区域目标T中标记规划完成并生产成功的区域，或在区域目标T中补充已经规划但生产失败的区域，更新区域目标T的最新范围，获得最新区域目标，该最新区域目标用于后续步骤的计算及成像。

在遥感卫星任务规划工作中，需要定时更新卫星轨道参数，保障规划工作的精度；同时，卫星的能力和状态参数，如姿态、机动能力、能源、容量等信息也是不断变化的，因此，对区域目标的规划，特别是时间跨度长的超大区域的规划任务，需要综合考虑这些客观因素。

本发明在计算卫星的某个独立轨道周期需要执行的任务前，都要动态更新卫星的最新轨道参数和能力状态等状态参数，确定卫星前最大侧摆能力，当前最大成像时长等，并根据最新更新的卫星参数和最新区域目标，计算最有效覆盖条带，这样的过程可以保证规划任务的精度和规划结果的可行性。

下面给出本发明的另一个具体实施方式：

[1]搭建一套JavaWeb系统，本方法中使用的所有算法，皆由Java开源API提供，或根据公开算法使用Java代码编写的方式实现；

[2]开始对区域目标T进行覆盖成像，将区域目标T以Java开源接口JST中的Polygon的形式保存，设置当前日期为StartTime；

[3]更新系统所有卫星的状态参数，包括机动能力、存储空间、携带能量和最大成像时长等；

[3a]开始一个对区域目标T成像的成像计划Schedule[n]，设置成像计划Schedule[n]的开始时间为ScheduleStartTime＝StartTime，结束时间为ScheduleEndTime＝StarTime+24h；

[3b]开始一个成像计划Schedule[n]的同时，用一个独立的线程，定时更新图像处理系统对区域目标T的产品的完成情况，在区域目标T中标记规划完成并生产成功的区域，或在区域目标T中补充已经规划但生产失败的区域，更新区域目标T的最新范围，获得最新区域目标，后续各个步骤针对获得的最新区域目标；

[4]使用TLE SGP4算法计算所有执行任务的卫星在ScheduleStartTime和ScheduleEndTime之间以秒为单位的位置点SatPos[sat,t]，位置点SatPos[sat,t]表示在时刻t，卫星sat在J2000坐标系下的速度和位置值；

[5]计算执行任务的每颗卫星通过北极点的时刻t0[sat,i]，以t0[sat,i]将位置SatPos[sat,t]划分为独立轨道周期Orbit[sat,i]，判断每颗卫星最后一个独立轨道周期Orbit[sat,i]是否完整，如果不完整，根据下一个t0[sat,i]时刻补充完整，最终得到独立轨道周期的集合；

[6]按时间顺序循环独立轨道周期的集合中所有独立轨道周期Oribt[sat,i]对象，求每个独立轨道周期Orbit[sat,i]的最有效覆盖条带；

[7]针对一个独立轨道周期Orbit[sat,i]的最有效覆盖条带的计算方法是：

第一步，根据卫星的机动能力(这里只计算侧摆能力)，求出卫星在当圈可用的最大侧摆角MaxRoll，在侧摆角范围{-MaxRoll，MaxRoll}内，计算每个位置点对区域目标T的可见性，并且每个可见时的位置点满足：地面目标点的太阳高度角SolarElevation大于产品要的最新太阳高度角要求MinReqiredSolarElevation；如果没有满足条件的位置点，表示该独立轨道周期没有对区域目标T的可见点，则进入步骤[11]；如果有，则继续下一步；

第二步，在独立轨道周期Orbit[sat,i]的时间周期内，通过卫星的状态参数，计算出该独立轨道周期对区域目标T成像的最大可用成像时长MaxImagingDuration[sat,i]，并将最大可用成像时长MaxImagingDuration[sat,i]设置为所有条带的固定成像时长，即将所有的条带的成像时长都统一的设置成一个固定值，该固定值就是最大可用成像时长MaxImagingDuration[sat,i]；

第三步，计算出独立轨道周期Orbit[sat,i]内全部对区域目标T可见且满足太阳高度角要求的位置点SatPos[sat,t]，得到位置点集合V，并以轨道周期每个位置点SatPos[sat,t]的时刻t为成像开始时间，以轨道周期内最大可用成像时长MaxImagingDuration为成像时长，以侧摆角为r，r在{-MaxRoll，MaxRoll}范围内以Δr＝0.2deg为步长，依次计算每个时刻t下，对地面成像得到的条带Strip[SatPos[sat,t],r]；

第四步，计算每个条带Strip[SatPos[sat,t],r]的真实覆盖区域TC和边缘覆盖区域E；根据条带的开始时间和地面位置，通过计算气象局提供的云量预报NC文件(即云量预报数据)，以45％为分界值(大于45％为有云的网格)，计算出每个条带上空的有云区域C；将真实覆盖区域TC、边缘覆盖区域E、有云区域C和条带侧摆角r的值带入公式(1)-公式(4)中，计算条带的有效覆盖值ECV，设权重a＝0.45，b＝0.45，c＝0.1；

第五步，取所有条带中ECV的值最大的条带，作为独立轨道周期对区域目标T覆盖的最有效覆盖条带；

[8]根据轨道周期的最有效覆盖条带规划卫星sat的成像任务；

[9]将规划好的成像任务发送给测控系统，由测控系统生成对应的卫星指令并加入到指令队列中等待上注；

[10]判断区域目标T是否已经覆盖完成，如果是，则结束对区域目标T的覆盖成像；如果否，则继续步骤[11]；

[11]查看本次成像计划Schedule[n]中的所有独立轨道周期是否全部计算完毕，即检查独立轨道周期的集合是否为空，如果否，继续步骤[6]；如果是，则继续步骤[12]；

[12]开始下一个成像计划Schedule[n+1]，下一个成像计划Schedule[n+1]的开始时间为ScheduleStartTime[n+1]，下一个成像计划Schedule[n+1]的结束时间为ScheduleEndTime[n+1]，并且ScheduleStartTime[n+1]＝ScheduleEndTime[n]，ScheduleEndTime[n+1]＝ScheduleEndTime[n]+24h。

本发明所提出的动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法具有以下有益效果：

[1]本发明具有较强的实用性，可以作为多星对区域目标成像的方法应用在遥感卫星的实际运管工作中；

[2]本发明是一种在卫星的每个独立轨道周期动态独立计算最有效覆盖条带的方法，该方法考虑了区域目标的完成情况、成像条带对区域目标的有效覆盖面积、已经完成规划部分的搭接情况、云量因素、图像质量因素和成像时卫星的实时状态等因素，保证了每次规划结果对区域目标具有最佳覆盖效率；

[3]本发明在每次计算一颗卫星的一个独立轨道周期的最有效覆盖条带前，根据卫星实时参数状态，判断卫星对区域目标成像的最大可用成像时长和最大可用侧摆角范围，确保完成覆盖的要求在卫星的能力范围之内，使规划结果具有较高的可执行性；

[4]本发明可以对任意大小、任意形状的区域目标进行覆盖成像；同时，本发明不需要提前分解区域目标，不需要进行高斯投影，区域目标形状的复杂性不影响本发明的执行效率；

[5]由于本发明是根据每颗卫星的独立轨道周期，独立动态计算最有效覆盖条带的，每次规划结果因为异常没有按计划执行的情况下，对成像任务的继续规划没有任何影响，容错性较高；

[6]本发明可以按周期执行或不连续分步执行，在实际工作中，卫星任务的可执行性受多种客观不可控因素影响，根据实时情况分步择机执行，具有更高的可行性；本发明不需要对卫星长时间的任务规划进行预判分析，而只需关心短期内，具有较高可执行性的卫星任务执行收益即可；

[7]本方法按周期分步执行时，每次计算一颗卫星的一个轨道周期的最有效覆盖条带时，可以更新最新的卫星轨道参数和云量信息，即使区域目标的范围很大，成像任务时间跨度很长，也可以保证卫星的轨道精度和天气信息的相对准确性；

[8]本发明所有应用的算法，均可使用互联网提供的开源接口计算，或者使用开源算法实现，不需要依赖任务商业化软件，如STK软件等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定由所有用于执行任务的卫星所组成的卫星集合；

步骤二：根据测控信息和卫星已经规划的任务情况更新卫星集合中所有卫星的状态参数；

步骤三：建立使用卫星集合对区域目标进行覆盖成像的成像计划，确定成像计划的开始时间和结束时间；

步骤四：通过轨道预报算法，以秒为单位计算卫星集合中每一颗卫星在成像计划的周期内每个时刻对应的位置点；

步骤五：以同一颗卫星相同轨道周期内的所有位置点的集合表示该颗卫星的一个独立轨道周期，得到所有卫星的独立轨道周期的集合；

步骤六：将独立轨道周期的集合中的元素按照时间排序，依次计算每个独立轨道周期对区域目标成像的最有效覆盖条带，并从独立轨道周期的集合中移除已计算完成的独立轨道周期；其中，计算每个独立轨道周期对区域目标成像的最有效覆盖条带的过程包括以下步骤：

步骤六一：判断卫星在独立轨道周期内每个位置点在侧摆角范围内对区域目标是否可见以及可见时的位置点是否满足太阳高度角要求，若是，则进入步骤六二；若否，则进入步骤十；

步骤六二：根据独立轨道周期的开始时间点确定卫星的状态参数，计算出卫星在独立轨道周期内的最大可用成像时长；

步骤六三：计算出独立轨道周期内全部对区域目标可见且满足太阳高度角要求的位置点，得到位置点集合；

步骤六四：计算位置点集合中每个位置点以步骤六二计算得到的最大可用成像时长为成像时长、以Δr为侧摆角步长对区域目标成像时在地面形成的条带；

步骤六五：步骤六四计算出的全部条带组成条带集合，计算条带集合中每个条带对区域目标的最有效覆盖值ECV，所述最有效覆盖值ECV的计算公式为：

ECV＝a*ECP+b*EIP+c*QR (1)

其中，ECP表示条带对区域目标T的有效覆盖率，EIP表示条带与已经规划的区域的边缘搭接率，QR表示不同侧摆角下的图像质量与0侧摆角下的图像质量的比值，a、b、c分别表示ECP、EIP和QR在最有效覆盖值ECV中所占的权重，a、b、c的取值范围均为0～1，且有a+b+c＝1；

步骤六六：取条带集合中最有效覆盖值ECV最大的条带作为独立轨道周期对区域目标成像的最有效覆盖条带；

步骤七：根据每一个独立轨道周期的最有效覆盖条带规划对应的成像任务，并将成像任务的指令加入对应的卫星的指令列队中，等待上注；

步骤八：根据卫星执行成像任务消耗的资源更新所述状态参数；

步骤九：判断区域目标是否被覆盖完成，若是，则进入步骤十二；若否，则进入步骤十；

步骤十：检查独立轨道周期的集合是否为空，若是，则进入步骤十一；若否，则返回步骤六；

步骤十一：建立使用卫星集合对区域目标进行覆盖成像的下一个成像计划，重复步骤二至步骤十；

步骤十二：结束对区域目标的覆盖成像。

2.根据权利要求1所述的动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法，其特征在于，ECP的计算公式为：

其中，TC表示条带的真实覆盖区域，条带的真实覆盖区域为条带全部覆盖区域去掉宽度为w的边缘覆盖区域E的部分，T表示区域目标，C表示条带上空有云区域，TC∩T-C表示条带对区域目标的有效覆盖区域，函数Farea(x)是计算区域面积值的函数。

3.根据权利要求2所述的动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法，其特征在于，条带上空有云区域的计算方法为：

根据条带的成像时刻和条带的位置坐标获取气象单位提供的云量预报数据，并根据云量预报数据计算得到条带上空有云区域；

如果无法获取气象单位提供的云量预报数据，则条带上空有云区域为空。

4.根据权利要求1所述的动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法，其特征在于，EIP的计算公式为：

其中，E表示条带中以w为宽度的边缘覆盖区域，P表示区域目标中已经规划的区域，函数Farea(x)是计算区域面积值的函数。

5.根据权利要求1所述的动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法，其特征在于，QR的计算公式为：

其中，函数Fquality(r)是侧摆角与图像质量关系函数，r为侧摆角。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法，其特征在于，在执行步骤三至步骤五的同时，还执行以下步骤：

步骤Ⅰ：实时监测图像生产系统是否有关于区域目标的生产任务执行情况，当有生产任务执行情况时，进入步骤Ⅱ：

步骤Ⅱ：判断是否有生产信息更新，若是，则进入步骤Ⅲ；若否，则进入步骤Ⅳ；

步骤Ⅲ：更新区域目标；

步骤Ⅳ：获得最新区域目标，所述最新区域目标用于步骤六至步骤十一的计算。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法，其特征在于，

所述轨道预报算法采用TLE SGP4算法。

8.根据权利要求1至5任意一项所述的动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法，其特征在于，

所述状态参数包括携带能量、存储空间、卫星实时姿态、最新轨道、机动能力和最大成像时长。

9.根据权利要求1至5任意一项所述的动态规划多颗卫星对区域目标覆盖成像的方法，其特征在于，

Δr的取值范围为0.01～1deg；

a＝0.45，b＝0.45，c＝0.1。