CN111950877B - 一种多星编队协同区域成像自主任务规划方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多星编队协同区域成像自主任务规划方法及系统，包括：中枢星实时处理星上任务队列，按时间触发区域拼接任务；根据各星准备状态，确定参与当前拼接的卫星集合及各星所用的成像模式；以中枢星轨道对地面上注区域成像任务进行分解计算得到的参数，定义为中枢星参数；根据中枢星参数分解进行区域合法性检查；根据区域分解的各类约束及地面上注区域多边形任务描述的中枢星参数分解，按照一定的重叠度要求，使用飞行方向平行的近似长方形覆盖目标多边形区域，计算得到各近似长方形的中心点经纬度以及成像时长，并分配给各有效成员星。
Description
技术领域
本发明涉及多星的协同任务规划领域，具体地，涉及一种多星编队协同区域成像自主任务规划方法及系统。
背景技术
对地观测卫星的成像任务根据用户的观测需求，获取对地球表面指定的目标图像信息。对地观测成像可对指定目标点或指定区域成像，也根据目标区域的特点划分及载荷成像的特征区别和观测偏好，可将区域划分成像，如一星一条带成像，卫星对地观测范围是一个以星下点轨迹为中心的带状区域，处于这个带状区域内的地面目标都有可能被卫星观测到。
卫星对地观测任务通常由地面发起，任务需求搜集、任务筹划、可见性计算，指令生成，境内或中继上注等。随着卫星数量的增多、编队组网系统协同需求的提出、任务的日趋复杂、时效性要求的提高，传统的星地大回路的管控方式已无法适应，特别当星上具备一定的自主认知能力，可根据实时探测数据即时处理结果，在轨实时生成突发应急任务，如点或区域成像任务，当区域较大，无法由单星完成，需实时进行多星的协同观测。因此，星上需具备多星协同区域成像自主任务规划能力。
目前对多星区域成像任务规划，多为对同类型分布在不同轨道的组网卫星的地面任务规划方法，对于由同轨携带多种成像载荷的异构编队卫星系统，则无能为力。
对比同类已公开方法：面向区域覆盖的多成像卫星任务规划方法(发明专利，CN201810010372.0)，该方法提供了一种区域覆盖方案使得多个成像卫星消耗的总能量尽可能的小。本专利与其有以下明显不同：区域分解方式不同：本专利采用平行矩形分解方法，对比专利采用不规则方向覆盖方法；约束及优化目标不同，本专利采用星下区域分解，成像偏好的优选排序准则为约束，对比专利主要考虑覆盖率约束；计算模型不同：本专利采用星地几何计算方法与对比专利显著不同。对比同类已公开方法：一种遥感卫星狭长目标区域的斜条带拼接成像方法(发明专利，CN201410490348.3)，该专利提出一种采用不同方向的斜条带对狭长目标区域的连续完整覆盖成像的方法。本专利与其有以下明显不同：本专利面向多边形地表区域，包含了凸多边形、凹多边形，狭长区域等，对比专利仅针对狭长目标区域；本专利面向同轨编队卫星，采用顺轨条带分解方法，对比专利采用斜条带对狭长目标区域的轨迹拼接成像。本专利面向多星协同观测，对比专利面向单星观测。
综上，目前，尚未见针对同轨携带多种成像载荷的异构卫星系统的多星编队协同区域成像自主任务规划方法。本专利与现有技术具有显著的技术特征、差异性、创新性和新颖性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多星编队协同区域成像自主任务规划方法及系统。
根据本发明提供的一种多星编队协同区域成像自主任务规划方法，包括：
步骤M1：中枢星实时处理星上任务队列，按时间触发区域拼接任务；
步骤M2：根据各星准备状态，确定参与当前拼接的卫星集合及各星所用的成像模式；
步骤M3：以中枢星轨道对地面上注区域成像任务进行分解计算得到的参数，定义为中枢星参数；
步骤M4：根据中枢星参数分解进行地面上注区域合法性检查，得到合法的地面上注区域；
步骤M5：根据区域分解的各类约束及合法的地面上注区域成像任务分解得到的中枢星参数分解，按照一定的重叠度要求，使用飞行方向平行的近似长方形覆盖目标多边形区域，计算得到各近似长方形的中心点经纬度以及成像时长，并分配给各有效成员星。
优选地，所述步骤M1中任务队列包括：任务队列来自于地面上注或星上生成，所述星上生成包括中枢星或成员星根据在轨实时探测数据的目标分布或区域特征生成的任务。
优选地，所述步骤M2包括：中枢星根据地面预先指定成员星，成员星星间进行交互信息，确定当前拼接的成员星集合；
所述交互信息包括中枢星发成员星数据包中的任务启动标志、任务T0和任务时长dt；
成员星根据自身任务执行状态，判断任务时长dt时段内是否与自身任务存在冲突，若无冲突，则反馈给中枢星，确定为当前拼接的成员星；当存在冲突，则不是当前拼接的成员星。
优选地，所述步骤M3包括：根据中枢星的GPS轨道信息，计算拼接区域多边形任务描述的中枢星各顶点和中心点的过顶时刻和侧摆角。
优选地，所述步骤M4包括：根据中枢星参数分解得到的各顶点和中心点的过顶时刻和侧摆角，过顶时间取上一步过顶时刻最大和最小值取平均值，侧摆角取上一步最大和最小侧摆角取平均，得到平均中心点和平均侧摆角；当所有点的侧摆角同正或同负，且绝对值均大于卫星侧摆阈值，星上返回错误字，区域拼接超范围，否则区域合法。
优选地，所述步骤M5包括：
步骤M5.1：根据任务区域分解的各类约束和拼接区域多边形任务描述的区域中枢星分解参数，进行基于约束满足的规划处理，将多边形任务区域划分，得到星下视场按卫星载荷类型排列的分条带顺序；
步骤M5.2：根据分条带顺序计算成员星分条带成像中心点经纬度；
步骤M5.3：根据成员星分条带成像中心点经纬度，递推轨道到区域中心点过顶时刻，根据各星指向角计算各星与地面交点经纬度；
步骤M5.3：根据中枢星分解参数，计算得到成像时长；
步骤M5.4：中枢星将计算得到各星与地面交点经纬度和成像时长经星间网络发送至成员星，成员星执行成像。
优选地，所述步骤M5.1中任务区域分解的各类约束包括：任务约束、卫星约束、环境约束和处理约束；
所述任务约束包括地面预先指定的全域或局部优选载荷类型；
所述卫星约束包括姿态机动或载荷指向边界；包括不超过成像星侧摆角约束、载荷的太阳高度角约束和最大成像时长约束；
所述环境约束包括区域内的太阳光照角度、局部云层覆盖和不分配可见光，优先SAR卫星；
所述处理约束包括临近条带使用同类载荷成像优先、区域全图均匀分辨率、侧摆角大的优先用高分辨率载荷、在条带间预留一定的重叠度。
优选地，所述步骤M5.3包括：根据中枢星各顶点最大过顶时刻减去中枢星各顶点最小过顶时刻，增加预设值余量，确定成像时长。
根据本发明提供的一种多星编队协同区域成像自主任务规划系统，包括：
模块M1：中枢星实时处理星上任务队列，按时间触发区域拼接任务；
模块M2：根据各星准备状态，确定参与当前拼接的卫星集合及各星所用的成像模式；
模块M3：以中枢星轨道对地面上注区域成像任务进行分解计算得到的参数，定义为中枢星参数；
模块M4：根据中枢星参数分解进行地面上注区域合法性检查，得到合法的地面上注区域；
模块M5：根据区域分解的各类约束及合法的地面上注区域成像任务分解得到的中枢星参数分解，按照一定的重叠度要求，使用飞行方向平行的近似长方形覆盖目标多边形区域，计算得到各近似长方形的中心点经纬度以及成像时长，并分配给各有效成员星。
优选地，所述模块M1中任务队列包括：任务队列来自于地面上注或星上生成，所述星上生成包括中枢星或成员星根据在轨实时探测数据的目标分布或区域特征生成的任务；
所述模块M2包括：中枢星根据地面预先指定成员星，成员星星间进行交互信息，确定当前拼接的成员星集合；
所述交互信息包括中枢星发成员星数据包中的任务启动标志、任务T0和任务时长dt；
成员星根据自身任务执行状态，判断任务时长dt时段内是否与自身任务存在冲突，若无冲突，则反馈给中枢星，确定为当前拼接的成员星；当存在冲突，则不是当前拼接的成员星。
所述模块M3包括：根据中枢星的GPS轨道信息，计算拼接区域多边形任务描述的中枢星各顶点和中心点的过顶时刻和侧摆角。
所述模块M4包括：根据中枢星参数分解得到的各顶点和中心点的过顶时刻和侧摆角，过顶时间取上一步过顶时刻最大和最小值取平均值，侧摆角取上一步最大和最小侧摆角取平均，得到平均中心点和平均侧摆角；当所有点的侧摆角同正或同负，且绝对值均大于卫星侧摆阈值，星上返回错误字，区域拼接超范围，否则区域合法。
所述模块M5包括：
模块M5.1：根据任务区域分解的各类约束和拼接区域多边形任务描述的区域中枢星分解参数，进行基于约束满足的规划处理，将多边形任务区域划分，得到星下视场按卫星载荷类型排列的分条带顺序；
模块M5.2：根据分条带顺序计算成员星分条带成像中心点经纬度；
模块M5.3：根据成员星分条带成像中心点经纬度，递推轨道到区域中心点过顶时刻，根据各星指向角计算各星与地面交点经纬度；
模块M5.3：根据中枢星分解参数，计算得到成像时长；
模块M5.4：中枢星将计算得到各星与地面交点经纬度和成像时长经星间网络发送至成员星，成员星执行成像。
所述模块M5.1中任务区域分解的各类约束包括：任务约束、卫星约束、环境约束和处理约束；
所述任务约束包括地面预先指定的全域或局部优选载荷类型；
所述卫星约束包括姿态机动或载荷指向边界；包括不超过成像星侧摆角约束、载荷的太阳高度角约束和最大成像时长约束；
所述环境约束包括区域内的太阳光照角度、局部云层覆盖和不分配可见光，优先SAR卫星；
所述处理约束包括临近条带使用同类载荷成像优先、区域全图均匀分辨率、侧摆角大的优先用高分辨率载荷、在条带间预留一定的重叠度。
所述模块M5.3包括：根据中枢星各顶点最大过顶时刻减去中枢星各顶点最小过顶时刻，增加预设值余量，确定成像时长。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
动态确定有效成员星集合，中枢星与成员星的握手信息，可包含中枢星发成员星数据包中的“任务启动标志”、任务T0、任务时长dt等；综合各类约束，包括任务约束、卫星约束、环境约束、处理约束等；计算效率高，实时性好；经纬度描述任务，避免以侧摆角描述，由于成员星轨道和基准不一致，导致的成像区域偏差；进行基于约束满足的规划处理，将多边形目标区域划分，得到星下视场按卫星载荷类型排列的分条带顺序。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为大拼接区域成像任务示意图；
图2为分解后的各星成像区域示意图；
图3为算法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的目的是提供一种快捷有效的方法解决多星编队协同区域成像任务规划问题。
为解决上述技术问题，本发明面向多星协同区域成像任务规划需求，针对同轨携带多种成像载荷的异构编队卫星系统，提出了一种多星编队协同区域成像自主任务规划方法。该方法结合工程应用的实际需求，以与卫星飞行方向平行的多个近似长方形区域覆盖目标多边形区域，将任务成像大区域分解，生成每个成员星执行的分条带成像子任务，将子任务描述为分条带中心点和成像时长，分配给各有效成员星。中枢星首先启动协同任务，通过星间网络发布任务给成员星，并根据成员星对是否参加本次任务的响应情况，确定参与本次拼接的卫星集合、各星所用的成像模式和载荷幅宽，根据成像区域分解所需的各类约束，如任务区域约束、卫星最大侧摆角度约束、载荷视场指向约束等，计算区域过顶时刻、侧摆角、区域视场范围等，确定优选的卫星组合及排序，计算成员星成像中心经纬度和成像时长，经星间分发至成员星执行。
实施例1
根据本发明提供的一种多星编队协同区域成像自主任务规划方法，包括：如图3所示
步骤M1：中枢星实时处理星上任务队列，按时间触发区域拼接任务；
步骤M2：根据各星准备状态，确定参与当前拼接的卫星集合及各星所用的成像模式；
步骤M3：以中枢星轨道对地面上注区域成像任务进行分解计算得到的参数，定义为中枢星参数；
步骤M4：根据中枢星参数分解进行地面上注区域合法性检查，得到合法的地面上注区域；
步骤M5：根据区域分解的各类约束及合法的地面上注区域成像任务分解得到的中枢星参数分解，按照一定的重叠度要求，使用飞行方向平行的近似长方形覆盖目标多边形区域，计算得到各近似长方形的中心点经纬度以及成像时长，并分配给各有效成员星。
具体地，所述步骤M1中任务队列包括：任务队列来自于地面上注或星上生成，所述星上生成包括中枢星或成员星根据在轨实时探测数据的目标分布或区域特征生成的任务。
具体地，所述步骤M2包括：中枢星根据地面预先指定成员星，成员星星间进行交互信息，确定当前拼接的成员星集合；
所述交互信息包括中枢星发成员星数据包中的任务启动标志、任务T0和任务时长dt；
成员星根据自身任务执行状态，判断任务时长dt时段内是否与自身任务存在冲突，若无冲突，则反馈给中枢星，确定为当前拼接的成员星；当存在冲突，则不是当前拼接的成员星。
具体地，所述步骤M3包括：根据中枢星的GPS轨道信息，计算拼接区域多边形任务描述的中枢星各顶点和中心点的过顶时刻和侧摆角。
具体地，所述步骤M4包括：根据中枢星参数分解得到的各顶点和中心点的过顶时刻和侧摆角，过顶时间取上一步过顶时刻最大和最小值取平均值，侧摆角取上一步最大和最小侧摆角取平均，得到平均中心点和平均侧摆角；当所有点的侧摆角同正或同负，且绝对值均大于卫星侧摆阈值，星上返回错误字，区域拼接超范围，否则区域合法。
具体地，所述步骤M5包括：
步骤M5.1：根据任务区域分解的各类约束和拼接区域多边形任务描述的区域中枢星分解参数，进行基于约束满足的规划处理，将多边形任务区域划分，得到星下视场按卫星载荷类型排列的分条带顺序；
步骤M5.2：根据分条带顺序计算成员星分条带成像中心点经纬度；
步骤M5.3：根据成员星分条带成像中心点经纬度，递推轨道到区域中心点过顶时刻，根据各星指向角计算各星与地面交点经纬度；
步骤M5.3：根据中枢星分解参数，计算得到成像时长；
步骤M5.4：中枢星将计算得到各星与地面交点经纬度和成像时长经星间网络发送至成员星，成员星执行成像。
具体地，所述步骤M5.1中任务区域分解的各类约束包括：任务约束、卫星约束、环境约束和处理约束；
所述任务约束包括地面预先指定的全域或局部优选载荷类型；
所述卫星约束包括姿态机动或载荷指向边界；包括不超过成像星侧摆角约束、载荷的太阳高度角约束和最大成像时长约束；
所述环境约束包括区域内的太阳光照角度、局部云层覆盖和不分配可见光，优先SAR卫星；
所述处理约束包括临近条带使用同类载荷成像优先、区域全图均匀分辨率、侧摆角大的优先用高分辨率载荷、在条带间预留一定的重叠度。
具体地，所述步骤M5.3包括：根据中枢星各顶点最大过顶时刻减去中枢星各顶点最小过顶时刻，增加预设值余量，确定成像时长。
根据本发明提供的一种多星编队协同区域成像自主任务规划系统，包括：
模块M1：中枢星实时处理星上任务队列，按时间触发区域拼接任务；
模块M2：根据各星准备状态，确定参与当前拼接的卫星集合及各星所用的成像模式；
模块M3：以中枢星轨道对地面上注区域成像任务进行分解计算得到的参数，定义为中枢星参数；
模块M4：根据中枢星参数分解进行地面上注区域合法性检查，得到合法的地面上注区域；
模块M5：根据区域分解的各类约束及合法的地面上注区域成像任务分解得到的中枢星参数分解，按照一定的重叠度要求，使用飞行方向平行的近似长方形覆盖目标多边形区域，计算得到各近似长方形的中心点经纬度以及成像时长，并分配给各有效成员星。
具体地，所述模块M1中任务队列包括：任务队列来自于地面上注或星上生成，所述星上生成包括中枢星或成员星根据在轨实时探测数据的目标分布或区域特征生成的任务。
具体地，所述模块M2包括：中枢星根据地面预先指定成员星，成员星星间进行交互信息，确定当前拼接的成员星集合；
所述交互信息包括中枢星发成员星数据包中的任务启动标志、任务T0和任务时长dt；
成员星根据自身任务执行状态，判断任务时长dt时段内是否与自身任务存在冲突，若无冲突，则反馈给中枢星，确定为当前拼接的成员星；当存在冲突，则不是当前拼接的成员星。
具体地，所述模块M3包括：根据中枢星的GPS轨道信息，计算拼接区域多边形任务描述的中枢星各顶点和中心点的过顶时刻和侧摆角。
具体地，所述模块M4包括：根据中枢星参数分解得到的各顶点和中心点的过顶时刻和侧摆角，过顶时间取上一步过顶时刻最大和最小值取平均值，侧摆角取上一步最大和最小侧摆角取平均，得到平均中心点和平均侧摆角；当所有点的侧摆角同正或同负，且绝对值均大于卫星侧摆阈值，星上返回错误字，区域拼接超范围，否则区域合法。
具体地，所述模块M5包括：
模块M5.1：根据任务区域分解的各类约束和拼接区域多边形任务描述的区域中枢星分解参数，进行基于约束满足的规划处理，将多边形任务区域划分，得到星下视场按卫星载荷类型排列的分条带顺序；
模块M5.2：根据分条带顺序计算成员星分条带成像中心点经纬度；
模块M5.3：根据成员星分条带成像中心点经纬度，递推轨道到区域中心点过顶时刻，根据各星指向角计算各星与地面交点经纬度；
模块M5.3：根据中枢星分解参数，计算得到成像时长；
模块M5.4：中枢星将计算得到各星与地面交点经纬度和成像时长经星间网络发送至成员星，成员星执行成像。
具体地，所述模块M5.1中任务区域分解的各类约束包括：任务约束、卫星约束、环境约束和处理约束；
所述任务约束包括地面预先指定的全域或局部优选载荷类型；
所述卫星约束包括姿态机动或载荷指向边界；包括不超过成像星侧摆角约束、载荷的太阳高度角约束和最大成像时长约束；
所述环境约束包括区域内的太阳光照角度、局部云层覆盖和不分配可见光，优先SAR卫星；
所述处理约束包括临近条带使用同类载荷成像优先、区域全图均匀分辨率、侧摆角大的优先用高分辨率载荷、在条带间预留一定的重叠度。
具体地，所述模块M5.3包括：根据中枢星各顶点最大过顶时刻减去中枢星各顶点最小过顶时刻，增加预设值余量，确定成像时长。
实施例2
实施例2是实施例1的变化例
本发明面向多星协同区域成像任务规划需求，针对同轨携带多种成像载荷的异构编队卫星系统，携带不同类型，不同宽度的载荷，通过编队组网飞行、多星多载荷协同应用、在轨数据处理、在轨信息融合、情报快速分发，获取战场综合信息，实现信息融合应用、目标发现即确认，提高战场侦察准确性和时效性，提出了一种多星区域拼接成像自主任务规划算法。该方法结合工程应用的实际需求，根据成像目标拼接区域的特征，中枢星T0时刻触发拼接处理流程，根据各星准备状态，确定参与本次拼接的卫星集合及各星所用的成像模式，根据拼接区域多边形任务描述的顶点坐标，以地面预设各星拼接排布顺序，以一定的重叠度要求，以飞行方向平行的近似长方形覆盖目标多边形区域，将拼接后成像区域分解，分配给各有效成员星。该方法可有效解决多星编队协同区域成像任务规划问题。
如图1-2所示，在大区域拼接模式下，中枢星T0时刻触发拼接处理流程，根据各星准备状态，确定参与本次拼接的卫星集合及各星所用的成像模式，根据拼接区域多边形任务描述的顶点坐标，以地面预设各星拼接排布顺序，以一定的重叠度要求，以飞行方向平行的近似长方形覆盖目标多边形区域，将拼接后成像区域分解，分配给各有效成员星。
本算法能生成各星成像中心点经纬度和成像时长，进行区域目标多星条带拼接，排布顺序可由地面配置，重叠度可由地面配置，适应区域大或区域小，不会超过各星机动能力边界。
步骤A、任务启动：中枢星实时处理星上任务队列，按时间触发区域拼接任务，任务队列来自于地面上注或星上生成，其中星上生成为中枢星或成员星根据在轨实时探测数据的重点目标分布或区域特征，临时生成的任务。
步骤B、确定参与拼接的成员星集合：中枢星根据地面预先指定及与成员星星间传输握手，确定本次拼接可用的成员星集合。中枢星与成员星的握手信息，可包含中枢星发成员星数据包中的“任务启动标志”、任务T0、任务时长dt等，成员星根据自身任务执行状态，判断T0到dt时段是否与自身任务存在冲突，若无冲突，则反馈给中枢星“可参与本次任务”为“有效”。
步骤C、确定区域分解的各类约束：任务约束、卫星约束、环境约束、处理约束等；
任务约束包括：地面预先指定的全域或局部优选载荷类型，如优选红外、SAR、高光谱等；全局优选的条带各载荷排列顺序；
卫星约束包括：姿态机动或载荷指向边界；不超过成像星侧摆角约束；载荷的太阳高度角约束；SAR星不能在星下附近成像(一般星下侧摆正负15°内)；最大成像时长约束；
环境约束包括：区域内的太阳光照角度；局部云层覆盖；不分配可见光，优先SAR卫星；
处理约束包括：临近条带使用同类载荷成像优先，易于图像合成后的地面解译；区域全图均匀分辨率，侧摆角大的优先用高分辨率载荷；在条带间预留一定的重叠度。
按照约束的重要性排序，顺序依次为任务约束、卫星约束、环境约束、处理约束，确定区域分解时，以满足重要的约束为先。
步骤D，计算拼接区域多边形任务描述的区域的分解参数；
计算过程启动，计算拼接区域多边形任务描述的各顶点的过顶时刻和侧摆角：
在大区域拼接模式下，在T0时刻启动拼接任务规划计算过程。
1.变量初始化：把过程用到的变量初始化。
2.计算各顶点的过顶时刻和侧摆角
1)以轨道信息为输入，计算瞬时轨道根数；
将秒计数、微秒计数合成表示为星上时间格式Torbit：0.1毫秒计数
以Torbit时刻的WGS84系建立惯性参考系I，在此坐标系上描述卫星和目标的运动。
RWGS84：WGS84系卫星位置，m
VWGS84：WGS84系卫星速度，m/s
ωe＝7.29211514E-5(rad/s)，代表地球自转角速率
其中，v表示卫星速度
考虑地球自转引起的牵连速度，得到I系下的位置速度：
(近圆轨道近似)
a表示轨道半径；
卫星轨道角动量：
代表轨道角速率
i表示轨道倾角，H表示轨道角动量；
轨道节线单位矢量N
(当分母为0，赋值N＝[100])
Ω＝atan2(N(2),N(1))，值域(-π,π]，代表升交点赤经
u0：瞬时惯性系初始轨道幅角，单位°
z≥0时，
z<0时，
2)将顶点的目标经纬度转为WGS84坐标，依次计算每一个顶点的过顶时刻和侧摆角。
以下需要迭代三次计算，迭代初值取：t＝t0
u＝u0+ωt
I系到卫星轨道系的转换矩阵及变化率：
目标在I系的位置及变化率：
给出本体系下的目标矢量，其中Aoi是随时间变化量，/>
转换为X(t)＝0的函数：
迭代计算3次，得到时间变量t，即
在计算得到t后，可得到X(t),Y(t),Z(t)
计算顶点侧摆角，
输出转换为角度，
3.无效输入剔除
判断，若所有点的侧摆角同正或同负，且绝对值均大于45°，星上返回错误字，区域拼接超范围，退出协同流程。其他情况，进入下一步。
4.计算区域中心点过顶时间和侧视角：
过顶时间：取上一步计算区域的每一个顶点的过顶时刻最大和最小值取平均，得到区域中心点过顶时间：
侧摆角：取上一步计算区域的每一个顶点的最大和最小侧摆角取平均，得到平均中心点和平均侧视角。
5.确定区域成像视场大小
确定各星参与拼接的模式，视场角，根据卫星所用模式的视场角、重叠度信息，计算拼接视场张角总和。
步骤E，优选成像星组合生成各星指向角。
根据步骤C中确定的任务约束、卫星约束、环境约束、处理约束，结合步骤D中确定的区域分解参数，进行基于约束满足的规划处理，将多边形目标区域划分，得到星下视场按卫星载荷类型排列的分条带顺序。
判断平均中心点下的区域成像视场边缘是否超出正负45°，若不超出可由各星排布顺序、各自视场角、重叠度，计算各星视场中心的侧视角；若超出，设置超出一侧边界为45°，以此边界，向内依次排开各星视场，计算各星视场中心指向。
处理过程：
1)计算默认状态下各星视场中心指向角
定义左侧为第一个，右侧为最后一个。
第一颗星：中心角度+总视场一半-幅宽一半
第二颗星：第一颗星-第一颗星幅宽一半-第二颗星幅宽一半+重叠区
第k+1颗星：第k颗星-第k颗星幅宽一半-第k+1颗星幅宽一半+重叠区
依次计算完毕所有卫星摆角。
2)判断是否超过拼接成像视场边缘最大角度
(1)左边界是否超限
(2)右边界是否超限
3)判断SAR星是否能够成像
判断SAR星拼接侧摆角>-15°且<15°时，执行SAR移到最右侧，其他星视场左移
步骤F，计算成员星分条带成像中心点经纬度：
计算成员星分条带成像中心点经纬度，递推轨道到区域中心点过顶时刻，根据各星指向角计算各星与地面交点经纬度。
处理流程：
计算各星分区中心点坐标，以步骤2得到的轨道根数计算结果为输入，并计算各星分区中心点经纬度。
ae＝6378137m，be＝6356752m
计算转换矩阵，其中u为主星过区域中心点时刻的轨道幅角：
设θ为其中一颗成员星侧摆角。
设目标位置矢量：
上式可化简为：
上式可化简为Zst的一元二次方程，可解出Zst：
ActZst 2+BctZst+Cct＝0
Act＝(act1 2+act2 2)be 2+act3 2ae 2
Bct＝2be 2(act1bct1+act2bct2)+2ae 2act3bct3
Cct＝be 2(bct1 2+bct2 2)+ae 2bct3 2-ae 2be 2
地球自转速度：ωe＝7.4197E-5
可将WGS84系坐标转换为地理经纬度。
步骤G，成像时长计算。
根据各顶点最大-最小过顶时刻，增加一定余量，确定各星推扫时长；
处理流程：
1)计算成像时长dt
成像时长为各顶点最大-最小过顶时刻，增加一定余量，确定各星推扫时长。
步骤H，中枢星将计算得到各星与地面交点经纬度、成像时长经星间网络发送至成员星，成员星执行成像
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (7)
1.一种多星编队协同区域成像自主任务规划方法，其特征在于，包括：
步骤M1：中枢星实时处理星上任务队列，按时间触发区域拼接任务；
步骤M2：根据各星准备状态，确定参与当前拼接的卫星集合及各星所用的成像模式；
步骤M3：以中枢星轨道对地面上注区域成像任务进行分解计算得到的参数，定义为中枢星参数；
步骤M4：根据中枢星参数分解进行地面上注区域合法性检查，得到合法的地面上注区域；
步骤M5：根据区域分解的各类约束及合法的地面上注区域成像任务分解得到的中枢星参数分解，按照一定的重叠度要求，使用飞行方向平行的近似长方形覆盖目标多边形区域，计算得到各近似长方形的中心点经纬度以及成像时长，并分配给各有效成员星；
所述步骤M5包括：
步骤M5.1：根据任务区域分解的各类约束和拼接区域多边形任务描述的区域中枢星分解参数，进行基于约束满足的规划处理，将多边形任务区域划分，得到星下视场按卫星载荷类型排列的分条带顺序；
步骤M5.2：根据分条带顺序计算成员星分条带成像中心点经纬度；
步骤M5.3：根据成员星分条带成像中心点经纬度，递推轨道到区域中心点过顶时刻，根据各星指向角计算各星与地面交点经纬度；
步骤M5.3：根据中枢星分解参数，计算得到成像时长；
步骤M5.4：中枢星将计算得到各星与地面交点经纬度和成像时长经星间网络发送至成员星，成员星执行成像；
所述步骤M5.1中任务区域分解的各类约束包括：任务约束、卫星约束、环境约束和处理约束；
所述任务约束包括地面预先指定的全域或局部载荷类型；
所述卫星约束包括姿态机动或载荷指向边界；包括不超过成像星侧摆角约束、载荷的太阳高度角约束和最大成像时长约束；
所述环境约束包括区域内的太阳光照角度、局部云层覆盖和不分配可见光，优先SAR卫星；
所述处理约束包括临近条带使用同类载荷成像优先、区域全图均匀分辨率、侧摆角大的优先用高分辨率载荷、在条带间预留一定的重叠度；
所述步骤M5.3包括：根据中枢星各顶点最大过顶时刻减去中枢星各顶点最小过顶时刻，增加预设值余量，确定成像时长。
2.根据权利要求1所述的多星编队协同区域成像自主任务规划方法，其特征在于，所述步骤M1中任务队列包括：任务队列来自于地面上注或星上生成，所述星上生成包括中枢星或成员星根据在轨实时探测数据的目标分布或区域特征生成的任务。
3.根据权利要求1所述的多星编队协同区域成像自主任务规划方法，其特征在于，所述步骤M2包括：中枢星根据地面预先指定成员星，成员星星间进行交互信息，确定当前拼接的成员星集合；
所述交互信息包括中枢星发成员星数据包中的任务启动标志、任务T0和任务时长dt；
成员星根据自身任务执行状态，判断任务时长dt时段内是否与自身任务存在冲突，若无冲突，则反馈给中枢星，确定为当前拼接的成员星；当存在冲突，则不是当前拼接的成员星。
4.根据权利要求1所述的多星编队协同区域成像自主任务规划方法，其特征在于，所述步骤M3包括：根据中枢星的GPS轨道信息，计算拼接区域多边形任务描述的中枢星各顶点和中心点的过顶时刻和侧摆角。
5.根据权利要求1所述的多星编队协同区域成像自主任务规划方法，其特征在于，所述步骤M4包括：根据中枢星参数分解得到的各顶点和中心点的过顶时刻和侧摆角，过顶时间取上一步过顶时刻最大和最小值取平均值，侧摆角取上一步最大和最小侧摆角取平均，得到平均中心点和平均侧摆角；当所有点的侧摆角同正或同负，且绝对值均大于卫星侧摆阈值，星上返回错误字，区域拼接超范围，否则区域合法。
6.一种多星编队协同区域成像自主任务规划系统，其特征在于，包括：
模块M1：中枢星实时处理星上任务队列，按时间触发区域拼接任务；
模块M2：根据各星准备状态，确定参与当前拼接的卫星集合及各星所用的成像模式；
模块M3：以中枢星轨道对地面上注区域成像任务进行分解计算得到的参数，定义为中枢星参数；
模块M4：根据中枢星参数分解进行地面上注区域合法性检查，得到合法的地面上注区域；
模块M5：根据区域分解的各类约束及合法的地面上注区域成像任务分解得到的中枢星参数分解，按照一定的重叠度要求，使用飞行方向平行的近似长方形覆盖目标多边形区域，计算得到各近似长方形的中心点经纬度以及成像时长，并分配给各有效成员星；
所述模块M5包括：
模块M5.1：根据任务区域分解的各类约束和拼接区域多边形任务描述的区域中枢星分解参数，进行基于约束满足的规划处理，将多边形任务区域划分，得到星下视场按卫星载荷类型排列的分条带顺序；
模块M5.2：根据分条带顺序计算成员星分条带成像中心点经纬度；
模块M5.3：根据成员星分条带成像中心点经纬度，递推轨道到区域中心点过顶时刻，根据各星指向角计算各星与地面交点经纬度；
模块M5.3：根据中枢星分解参数，计算得到成像时长；
模块M5.4：中枢星将计算得到各星与地面交点经纬度和成像时长经星间网络发送至成员星，成员星执行成像；
所述模块M5.1中任务区域分解的各类约束包括：任务约束、卫星约束、环境约束和处理约束；
所述任务约束包括地面预先指定的全域或局部载荷类型；
所述卫星约束包括姿态机动或载荷指向边界；包括不超过成像星侧摆角约束、载荷的太阳高度角约束和最大成像时长约束；
所述环境约束包括区域内的太阳光照角度、局部云层覆盖和不分配可见光，优先SAR卫星；
所述处理约束包括临近条带使用同类载荷成像优先、区域全图均匀分辨率、侧摆角大的优先用高分辨率载荷、在条带间预留一定的重叠度；
所述模块M5.3包括：根据中枢星各顶点最大过顶时刻减去中枢星各顶点最小过顶时刻，增加预设值余量，确定成像时长。
7.根据权利要求6所述的多星编队协同区域成像自主任务规划系统，其特征在于，所述模块M1中任务队列包括：任务队列来自于地面上注或星上生成，所述星上生成包括中枢星或成员星根据在轨实时探测数据的目标分布或区域特征生成的任务；
所述模块M2包括：中枢星根据地面预先指定成员星，成员星星间进行交互信息，确定当前拼接的成员星集合；
所述交互信息包括中枢星发成员星数据包中的任务启动标志、任务T0和任务时长dt；
成员星根据自身任务执行状态，判断任务时长dt时段内是否与自身任务存在冲突，若无冲突，则反馈给中枢星，确定为当前拼接的成员星；当存在冲突，则不是当前拼接的成员星；
所述模块M3包括：根据中枢星的GPS轨道信息，计算拼接区域多边形任务描述的中枢星各顶点和中心点的过顶时刻和侧摆角；
所述模块M4包括：根据中枢星参数分解得到的各顶点和中心点的过顶时刻和侧摆角，过顶时间取上一步过顶时刻最大和最小值取平均值，侧摆角取上一步最大和最小侧摆角取平均，得到平均中心点和平均侧摆角；当所有点的侧摆角同正或同负，且绝对值均大于卫星侧摆阈值，星上返回错误字，区域拼接超范围，否则区域合法。
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