CN112330091B - 一种星载sar成像自主任务规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星载SAR成像自主任务规划方法，解决高精度小幅宽多目标成像任务下的星载SAR在轨自主成像任务规划问题，根据地面目标分布特点，确定合理的目标区域观测顺序，自主进行成像任务编排，最终得到各个目标点的成像时间和成像角度，用于指导SAR载荷对目标区域进行成像观测。

Description

一种星载SAR成像自主任务规划方法

技术领域

本发明属于星载SAR成像任务规划技术领域，具体涉及一种星载SAR成像自主任务规划方法。

背景技术

随着星载SAR卫星的发展，卫星成像任务变得更加复杂，对卫星在轨进行自主任务规划的需求不断增加。由于高精度小幅宽星载SAR卫星的成像幅宽较小，当面临地面多目标区域成像任务时，需要规划目标区域成像次序并分别确定成像参数，此时就需要结合成像区域中的目标点的分布及目标特性来最优设计成像任务。由于地面目标分布位置及目标特性未知、高精度小幅宽星载SAR卫星单次成像无法覆盖所有目标，针对以上问题，目前亟待研究星载SAR在轨成像自主任务规划方法，以最大限度地发挥星载SAR卫星的价值。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种星载SAR成像自主任务规划方法，可以解决高精度小幅宽多目标成像任务下的星载SAR在轨自主成像任务规划问题。

一种星载SAR成像自主任务规划方法，包括如下步骤：

步骤一、多目标聚合：首先计算待成像目标间距离，若两个或多个目标间距离小于成像幅宽时，则将多个目标归在同一成像区域内，目标区域位置设在多目标几何中心处，统计待成像目标区域个数N；

步骤二、按照设定的目标区域排序准则对目标区域进行排序；

步骤三、计算第一个目标区域对应的斜视角及成像时间窗口；

步骤四、在第一个目标成像完成后再间隔时间Δt，按照步骤三中的计算方式依次对其余目标区域依次进行计算，得到对应的斜视角及成像时间窗口(Ts_i,Te_i)，i＝1,...,N；其中Δt为波束改变时间；

步骤五、判断成像约束是否成立：如果约束条件不成立，转入步骤六；如果成立，则转入步骤七；

步骤六、若则删除前N/2个目标中成像时间窗口最长，或成像质量最差，或包含目标尺寸最小对应的目标成像区域，令N＝N-1，并转入到步骤三；否则删除后N/2个目标中成像质量最差，或成像时间窗口较长，或包含目标尺寸最小对应的目标成像区域，令N＝N-1，并转入到步骤三；

步骤七、调整目标区域排序顺序，按照步骤三和四的方法计算斜视角及成像时间窗口(Ts_i,Te_i)，计算目标函数其中w₁.w₂,w₃,w₄为权重；若目标函数的值增加，则保留本次顺序调整，否则不保存；多次执行步骤七达到目标函数最优或者达到最大迭代次数，转入步骤八；

步骤八、输出成像目标区域个数N及当前目标区域排序下目标对应的成像时间窗口(Ts_i,Te_i)，完成成像任务规划。

较佳的，所述设定的目标区域排序准则为：

(a)将目标区域按方位向位置顺序进行排列；

(b)目标区域方位向位置相近时，包含大目标的区域在前，包含小目标的区域在后；

(c)目标区域方位向位置和区域内目标大小相近时，距离上一目标区域近的目标区域在前，较远区域在后；

(d)目标区域方位向位置、包含目标大小及距离上一目标区域距离相近时，前N/2个远距目标区域在前，后N/2个近距目标区域在后(保证成像时后斜视角较小)，使得成像时间尽可能的短。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种星载SAR成像自主任务规划方法，解决高精度小幅宽多目标成像任务下的星载SAR在轨自主成像任务规划问题，根据地面目标分布特点，确定合理的目标区域观测顺序，自主进行成像任务编排，最终得到各个目标点的成像时间和成像角度，用于指导SAR载荷对目标区域进行成像观测。

附图说明

图1为星载SAR成像目标规划算法流程图；

图2(a)所示为24个舰船目标组成的航母编队位置分布情况(舰队中心位置北纬12.708°，东经114.271°)的STK仿真示意图，航母编队覆盖范围约4万平方公里；图2(b)所示为星载SAR波束照射舰船目标成像的示意图。

图3为成像任务规划的结果示意图，其中时间内完成对驱逐舰1的SAR成像，时间内完成对驱逐舰2的SAR成像，/>时间内完成对舰船目标i的SAR成像。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

当前在轨卫星的任务规划主要采用地面指定目标区域的方式，这种模式的优点是技术成熟，对卫星的监控能力强。针对高精度小幅宽在轨实时成像任务需求，目前的地面成像任务规划方式已不适用，此时星载SAR卫星需要结合目标位置及目标特性完成在轨成像任务规划工作，进而完成在轨实时成像工作。因此提出了一种星载SAR成像自主任务规划方法，根据地面目标分布特点，确定合理的目标观测顺序，自主进行成像任务编排，最终得到各个目标点的成像时间和成像角度，用于指导SAR载荷对目标区域进行成像观测。

本发明涉及星载SAR成像任务规划准则、星载SAR成像区域排序准则、星载SAR成像约束条件、星载SAR成像任务规划流程、星载SAR成像任务规划目标函数等内容，具体如下：

一、星载SAR成像任务规划准则：

(a)一次成像观测尽可能多的对多目标进行成像(一个成像区域内包含较多的待成像目标)：节省成像时间和卫星资源；

(b)尽可能多地对目标进行正侧视成像：正侧视时SAR卫星聚束模式成像合成孔径时间短，单次成像时间少可使得总成像时间尽可能的短，保证在有限的时间内对更多目标区域进行成像；

(c)沿卫星飞行方向依次对目标区域进行成像：保证大部分目标区域得到最优成像并保证成像总时间最短；

(d)优先对包含较大目标(威胁性大)的区域进行成像：保证威胁性较大的目标可以得到优先成像；

(e)优先对距离上一成像目标区域最近的区域进行成像：成像区域之间距离近，使得成像波束指向变化最小；

二、星载SAR成像目标区域排序准则:

目标区域排序优先级：成像区域方位向位置优先级最高，待成像区域内含大型目标的优先级次之，前后两次成像目标区域间距离优先级次之，成像区域方位向位置相同时成像区域的俯仰向位置优先级最低。

(a)将目标区域按方位向位置顺序进行排列；

(b)目标区域方位向位置相近时，包含大目标的区域在前，包含小目标的区域在后；

(c)目标区域方位向位置和区域内目标大小相近时，距离上一目标区域近的目标区域在前，较远区域在后；

(d)目标区域方位向位置、包含目标大小及距离上一目标区域距离相近时，前N/2个远距目标区域在前(保证成像时前斜视角较小)，后N/2个近距目标区域在后(保证成像时后斜视角较小)，使得成像时间尽可能的短。

实施例：

本发明涉及一种星载SAR成像自主任务规划方法，本发明的具体的实施步骤如下：

步骤一、多目标聚合：首先计算待成像目标间距离，若两个或多个目标间距离小于成像幅宽时，则将多个目标归在同一成像区域内，目标区域位置设在多目标几何中心处，统计待成像目标区域个数N；

步骤二、按照目标区域排序准则对目标区域进行排序；

步骤三、根据卫星成像起始位置和第一个目标区域位置计算SAR卫星天线波束指向，在轨完成波位设计，同时计算合成孔径时间等信息，得到第一个目标区域对应的斜视角及成像时间窗口；

步骤四、在第一个目标成像完成后再间隔时间Δt(Δt为波束改变时间)，按照步骤三中的计算方式依次对其余目标区域依次进行计算，得到对应的斜视角及成像时间窗口(Ts_i,Te_i)，i＝1,...,N；

步骤五、判断成像约束是否成立：如果约束条件不成立，转入步骤六；如果成立，则转入步骤七；

步骤六、若则删除前N/2个目标中成像时间窗口最长(或成像质量最差或包含目标尺寸最小等)对应的目标成像区域，令N＝N-1，并转入到步骤三；否则删除后N/2个目标中成像质量最差(或成像时间窗口较长或包含目标尺寸最小等)对应的目标成像区域，令N＝N-1，并转入到步骤三；

步骤七、调整目标区域排序顺序，按照步骤三和四的方法计算斜视角及成像时间窗口(Ts_i,Te_i)，计算目标函数其中w₁.w₂,w₃,w₄为权重，w₁+w₂+w₃+w₄＝1，根据具体任务需求给予各目标不同的权重；若目标函数的值增加，则保留本次顺序调整，即认为调整后的规划结果更优，用该方案替代上一个规划方案，否则不保存；多次执行步骤七达到目标函数最优(小于设定阈值)或者达到最大迭代次数，转入步骤八；

步骤八、输出成像目标区域个数n及目标对应的成像时间窗口(Ts_i,Te_i)，完成成像任务规划。

其中的模型输入、模型输出、成像任务规划最终目标、约束条件及任务规划的目标函数如下：

(1)输入：

成像任务规划准则；

成像区域排序准则；

卫星成像起始位置(SL_i,Sλ_i)；

待成像目标个数N；

待成像目标编号i，i＝1,...,N；

目标位置(L_i,λ_i),i＝1,...,N；

目标大小S_i,i＝1,...,N；

两次成像时间间隔Δt；

成像总时长T(包含时间及资源约束)；

(2)输出：

成像区域个数n n≤N；

完成成像的目标区域编号i，i＝1,...,n；

目标区域i对应的成像时间窗口(Ts_i,Te_i),i＝1,...,n；

(3)成像任务规划目标：

1)使得成像目标个数n尽可能多；

2)目标斜视角尽可能小；

3)成像期间未使用时间资源尽可能少；

4)成像质量尽可能好,优先大目标成像质量；

(4)约束条件：

1)(时间及资源约束)；

2)n≤N；

(5)目标函数：

仿真验证：

为了对所提方法的有效性进行验证，本发明选用C波段星载SAR卫星，其中成像幅宽10km、成像分辨率2m。基于STK软件，建立如下仿真场景，在我国南海区域内设置航母编队目标(舰队中心位置北纬12.708°,东经114.271°)，如图2(a)所示，航母编队覆盖范围约4万平方公里，其中航母位置及大小信息均是通过其他手段实时探测得到的，作为任务规划的输入信息。各船舶经纬度信息如下表1所示，舰船间间距均大于10km，因此需要对24个舰船目标分别进行成像处理，根据前述的目标排序准则对目标进行排序，并以目标函数最大为准则对目标进行成像任务规划，最终可得如下表1所示的每个目标的成像起始时刻及其SAR成像所需的合成孔径时间。

表1成像任务规划结果

从以上结果可以看出，根据本发明提出的星载SAR成像任务规划方法，实现了对航母编队的24艘舰船的完整观测，可以最大效率地使用卫星资源，同时可以对重点目标进行分别观测，具有重要的应用价值。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种星载SAR成像自主任务规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、多目标聚合：首先计算待成像目标间距离，若两个或多个目标间距离小于成像幅宽时，则将多个目标归在同一成像区域内，目标区域位置设在多目标几何中心处，统计待成像目标区域个数N；

步骤二、按照设定的目标区域排序准则对目标区域进行排序；

步骤三、计算第一个目标区域对应的斜视角及成像时间窗口；

步骤四、在第一个目标成像完成后再间隔时间Δt，按照步骤三中的计算方式依次对其余目标区域依次进行计算，得到对应的斜视角及成像时间窗口(Ts_i,Te_i)，i＝1,…,N；其中Δt为波束改变时间；

步骤五、判断成像约束是否成立：如果约束条件不成立，转入步骤六；如果成立，则转入步骤七；

步骤六、若则删除前N/2个目标中成像时间窗口最长，或成像质量最差，或包含目标尺寸最小对应的目标成像区域，令N＝N-1，并转入到步骤三；否则删除后N/2个目标中成像质量最差，或成像时间窗口较长，或包含目标尺寸最小对应的目标成像区域，令N＝N-1，并转入到步骤三；

步骤七、调整目标区域排序顺序，按照步骤三和四的方法计算斜视角及成像时间窗口(Ts_i,Te_i)，计算目标函数其中w₁.w₂,w₃,w₄为权重；S_i为目标大小，i＝1,…,N；T为成像总时长；若目标函数的值增加，则保留本次顺序调整，否则不保存；多次执行步骤七达到目标函数最优或者达到最大迭代次数，转入步骤八；

步骤八、输出成像目标区域个数N及当前目标区域排序下目标对应的成像时间窗口(Ts_i,Te_i)，完成成像任务规划。

2.如权利要求1所述的一种星载SAR成像自主任务规划方法，其特征在于，所述设定的目标区域排序准则为：

(a)将目标区域按方位向位置顺序进行排列；

(b)目标区域方位向位置相近时，包含大目标的区域在前，包含小目标的区域在后；

(c)目标区域方位向位置和区域内目标大小相近时，距离上一目标区域近的目标区域在前，较远区域在后；

(d)目标区域方位向位置、包含目标大小及距离上一目标区域距离相近时，前N/2个远距目标区域在前，后N/2个近距目标区域在后(保证成像时后斜视角较小)，使得成像时间尽可能的短。