CN112529437B - 多目标卫星成像规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多目标卫星成像规划方法，包括：根据成像目标信息，将多目标卫星成像任务分解为多个元任务，获取多个元任务的输入条件；基于所述多个元任务的输入条件，根据任务效益因素和成像可行性因素综合计算所述多个元任务的任务优先级；在拓展观测工作模式和应急观测工作模式下，基于所述任务优先级分析卫星成像过程数传载荷的约束条件；以最大化任务完成率为优化目标，结合所述约束条件，求解所述多个元任务的规划结果。本发明针对卫星成像任务的规划调度可以提高卫星资源利用率，合理分配成像资源、充分发挥成像系统能力，最大化成像任务完成率。

Description

多目标卫星成像规划方法

技术领域

本发明涉及卫星成像规划技术领域，尤其涉及一种多目标卫星成像规划方法。

背景技术

卫星是获取地面图像信息的重要手段，具有观测范围广、成像能力强、不受时间、地域和国界限制等特点，在农业、工业以及军事等多方面具有重要的应用价值。当前，卫星资源日益丰富，但随经济社会发展，对卫星成像的需求也日趋增多。因此，如何高效、充分利用有限的卫星资源是当前卫星任务规划问题研究的热点。

在卫星的任务规划问题中，需要综合考虑卫星任务完成率、任务完成收益、卫星负载均衡等多方面要求，形成满足任务时间窗约束、卫星能量约束、卫星存储约束、卫星侧摆次数约束的任务规划方案，以指导卫星工作，提高卫星利用效率。

但是，当前研究主要集中于基于任务完成收益的任务规划方法研究，对面向多目标的任务规划方法研究较少，也就是说，目前研究人员未对卫星任务规划过程中的多目标进行详细考虑。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明提供了一种多目标卫星成像规划方法，解决了单个卫星对多区域目标的成像规划问题。

(二)技术方案

本发明提供一种多目标卫星成像规划方法，包括：根据成像目标信息，将多目标卫星成像任务分解为多个元任务，获取多个元任务的输入条件；基于所述多个元任务的输入条件，根据任务效益因素和成像可行性因素综合计算所述多个元任务的任务优先级；在拓展观测工作模式和应急观测工作模式下，基于所述任务优先级分析卫星成像过程数传载荷的约束条件；以最大化任务完成率为优化目标，结合所述约束条件，求解所述多个元任务的规划结果。

进一步地，所述成像目标信息包括点目标和大区域目标；所述多个元任务的输入条件包括：过境元任务区域的卫星轨道号、过境开始时间、过境结束时间、传感器、侧摆角、优先级、区域云量和下传数据时间；所述多个元任务的规划结果包括：所述多个元任务的成像需求是否可执行，以及可执行元任务的成像轨道号。

进一步地，所述任务效益因素包括用户等级、用户选择的价格等级、其他区域价值因素和用户申请时间先后，通过所述任务效益因素的代数加权和确定任务目标效益；所述成像可行性因素包括区域云量和调度周期内成像次数。

进一步地，所述最大化任务完成率也即最小化未完成任务时间之和，所述优化目标的目标函数为：

其中，cost1表示优化目标；prio_i为任务i的成像优先级权重；stt_i表示任务i的成像开始时间；tem_i表示任务i的成像结束时间；standt表示开机前的数传载荷预热时间；t_delay_i表示任务i的成像结束后传感器关闭的延迟时间；rt_i表示针对任务i，传感器的实际工作时间(包含预热时间)；∑_i″(1-standby_i″，i)*standt表示如果在任务开始前待机，传感器无需预热；standby_i″，i为0或1，取值为1表示任务i与任务i″的间隙传感器在待机状态。

进一步地，所述数传载荷是指数传分系统及数传天线分系统的关键有效载荷；所述卫星成像过程数传载荷的约束条件包括卫星最大能量约束、卫星姿态转换时间约束和开关机约束，其中：所述卫星最大能量约束包括载荷工作总时间约束、载荷待机约束、成像任务时间约束或单轨载荷工作时间约束；所述开关机约束包括开关机时间间隔约束或单次开机时间限制约束。

进一步地，所述载荷工作总时间约束包括：一个调度周期内的载荷工作时间不超过相应载荷的可用时长，即同时满足下式：

其中，b_i表示任务i的载荷开始工作时间；c_i表示任务i的载荷工作结束时间；x_i为0或1，取值为1表示对任务i成像，取值为0表示不对任务i成像，并且x_i≤c_i-b_i；rt_i表示针对任务i，传感器的实际工作时间(包含预热时间)；i′表示紧邻任务i的后一任务，i′＞i；standby_i′i为0或1，取值为1表示任务i′与任务i的间隙在待机状态；sen_i，s表示任务i的传感器s的用户设定成像时间；sest_s表示传感器s的每周期可用时长。

进一步地，所述载荷待机约束包括：在进入成像区域前，数传载荷应提前预热，而如果成像任务开始前卫星已处于待机状态，则不需要预热时间，即满足下式：

其中，b_i′表示任务i′的载荷开始工作时间；stt_i′表示任务i′的成像开始时间；standt表示开机前的数传载荷预热时间；tem_i表示任务i的成像结束时间；t_delay_i表示任务i的成像结束后传感器关闭的延迟时间；standby_i，i′为0或1，取值为1表示任务i′与任务i的间隙在待机状态。

进一步地，所述单轨载荷工作时间约束包括：根据载荷组合观测需求和数传时间约束，要求传感器s的每轨成像时间不超过成像时长上限，即满足下式：

其中，rt_i表示针对任务i，传感器的实际工作时间(包含预热时间)；standby_i′i为0或1，取值为1表示任务i′与任务i的间隙在待机状态；sen_i，s表示任务i的传感器s的用户设定成像时间；sest_track_s表示传感器s的每轨最大成像时长；T_j表示轨道j的任务集合。

进一步地，所述卫星姿态转换时间约束包括：由拓展观测工作模式切换到应急观测工作模式时，也即从普查任务切换到侧摆任务时，需要提前预留侧摆任务的准备时间，即满足下式：

其中，b_i′表示任务i′的载荷开始工作时间；stt_i′表示任务i′的成像开始时间；t_sway表示侧摆任务所需的准备时间；x_i为0或1，x_i为1表示对任务i成像，x_i为0表示不对任务i成像；I_e表示应急观测工作模式的任务集合。

进一步地，所述开关机时间间隔约束包括：前后两次任务的开关机应预留时间间隔，在前后两次任务的间隙处于待机状态时，则无需考虑预留时间间隔的限制；

所述单次开机时间限制约束包括：卫星一次成像时间窗应在单次最长开机时间范围内，即满足下式：

其中，任务i″是紧邻任务i之后且处于任务i′之前的任务；rt_i″表示针对任务i″，传感器的实际工作时间(包含预热时间)；imt^up表示单次开机时长上限；standby_i，i′为0或1，取值为1表示任务i′与任务i的间隙在待机状态；stt_i′表示任务i′的成像开始时间；tem_i表示任务i的成像结束时间。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明针对卫星成像任务的规划调度可以提高卫星资源利用率，合理分配成像资源、充分发挥成像系统能力，最大化成像任务完成率。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例的多目标卫星成像规划方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示意性示出了本发明实施例的多目标卫星成像规划方法的流程图。

如图1所示，一种多目标卫星成像规划方法，包括：步骤S1，根据成像目标信息，将多目标卫星成像任务分解为多个元任务，获取多个元任务的输入条件；步骤S2，基于所述多个元任务的输入条件，根据任务效益因素和成像可行性因素综合计算所述多个元任务的任务优先级；步骤S3，在拓展观测工作模式和应急观测工作模式下，基于所述任务优先级分析卫星成像过程数传载荷的约束条件；步骤S4，以最大化任务完成率为优化目标，结合所述约束条件，求解所述多个元任务的规划结果。

以下将以具体的实施例为例对该方法进行详细说明。

步骤S1，根据成像目标信息，将多目标卫星成像任务分解为多个元任务，获取多个元任务的输入条件。

具体地，多目标卫星成像任务中的成像目标例如可以划分为点目标和大区域目标。对于点目标，由于单次成像即可执行任务，该单次成像可执行任务作为元任务；对于大区域目标，由于目标涉及区域较广，根据卫星轨道方向和幅宽将区域划分为多个子区域目标，其中每一个子区域目标可通过单次成像执行，那么每一个子区域目标对应的单次成像可执行任务视为一个元任务，也即大区域目标的成像任务分解为多个元任务的成像规划问题。

需要说明的是，本文提及的任务i′，i″，i均为多个元任务中的某一元任务。

多个元任务的输入条件例如可以包括：过境元任务区域的卫星轨道号、过境开始时间、过境结束时间、传感器、侧摆角、优先级、区域云量和下传数据时间。

步骤S2，基于所述多个元任务的输入条件，根据任务效益因素和成像可行性因素综合计算所述多个元任务的任务优先级。

其中，任务效益因素包括用户等级、用户选择的价格等级、其他区域价值和用户申请时间先后。

例如，分别设定用户等级、用户选择的价格等级、其他区域价值和用户申请时间先后的影响因子p_n(n＝1，2，3，4)及其对应的权重系数f_n(n＝1，2，3，4)，通过以上各因素的代数加权和确定任务目标效益g_i。其中，i表示多个元任务中的某一元任务，以下简称为任务i。

也即，任务效益因素的计算公式为：

其中，p₁、f₁分别为用户等级的影响因子及权重系数；p₂、f₂分别为用户选择的价格等级的影响因子及权重系数；p₃、f₃分别为其他区域价值的影响因子及权重系数；p₄、f₄分别为用户申请时间先后的影响因子及权重系数；g_i为任务i的目标效益。

除了任务效益因素外，成像任务优先级还需考虑成像可行性因素，该成像可行性因素例如可以包括区域云量和调度周期内可成像次数。

其中，区域云量的源数据可根据最新天气预报确定中短期区域云量，或根据历史数据确定长期区域云量。单个调度周期例如可以为1天，调度周期的时间可根据实际需要设置，具体本发明不做限制。

综合考虑当前调度周期的天气状况和未来可成像时间的天气状况、任务的优先级、未来(该调度周期之后)可成像次数、该成像区域的需求次数等因素，成像任务优先级由下式计算得出

prio_i＝g_i*pr_i*Pef_i

其中，g_i为任务i的目标效益；pr_i为任务i在本调度周期内成像的概率；Pef_i为在本调度周期之后的时间不能成像的概率；prio_i为任务i的成像优先级权重。

具体地，Pef_i可由以下方法确定：

如果则Pef_i＝1；

否则

其中，RFO(p，d_c)表示任务i在本调度周期d_c之后的周期可获取概率的集合，d表示属于任意周期的时间。

步骤S3，在拓展观测工作模式和应急观测工作模式下，基于所述任务优先级分析卫星成像过程数传载荷的约束条件。

其中，数传载荷是指数传分系统及数传天线分系统的关键有效载荷。

本发明实施例中，数传载荷的约束条件包括：卫星最大能量约束、卫星姿态转换时间约束和开关机约束，其中：

卫星最大能量约束包括载荷工作总时间约束、载荷待机约束、成像任务时间约束或单轨载荷工作时间约束；

开关机约束包括开关机时间间隔约束或单次开机时间限制约束。

以下对卫星成像过程数传载荷的各项约束条件做详细说明。

本发明实施例中，一个调度周期是指一天。

(1)载荷工作总时间约束

载荷工作总时间约束是指一个调度周期内的载荷工作时间不超过相应载荷的可用时长，即同时满足下式：

其中，b_i表示任务i的载荷开始工作时间；c_i表示任务i的载荷工作结束时间；x_i为0或1，取值为1表示对任务i成像，取值为0表示不对任务i成像，并且x_i≤c_i-b_i；rt_i为引入的第一中间变量，表示针对任务i，传感器的实际工作时间(包含预热时间)；i′表示紧邻任务i的后一任务，i′＞i；standby_i′i为0或1，取值为1表示任务i′与任务i的间隙在待机状态；sen_i，s表示任务i的传感器s的用户设定成像时间；sest_s表示传感器s的每周期可用时长。

由于上述公式的第一中间变量rt_i属于非线性项，需要线性化，第一中间变量rt_i需同时满足下式：

其中，M表示一个很大的正数，例如可以取值为10⁶。

(2)载荷待机约束

载荷待机约束，是指在进入成像区域前，数传载荷应提前预热，而如果成像任务开始前卫星已处于待机状态，则不需要预热时间，也即：

其中，b_i′表示任务i′的载荷开始工作时间；stt_i′表示任务i′的成像开始时间；standt表示开机前的数传载荷预热时间；tem_i表示任务i的成像结束时间；t_delay_i表示表示任务i的成像结束后传感器关闭的延迟时间；standby_i，i′为0或1，取值为1表示任务i′与任务i的间隙在待机状态。

需要说明的是，本发明实施例中，standby_i，i′等同于standby_i′i，并且，变量standby_i，i′的定义如下：

如果则standby_i，i′＝1。

其中，b_i表示任务i的载荷开始工作时间；c_i′表示任务i′的载荷工作结束时间；t_s表示数传载荷的开机准备时间；任务i″是紧邻任务i之后且处于任务i′之前的任务；x_i″为0或1，取值为1表示任务i″成像，否则不成像；x_i′为0或1，取值为1表示任务i′成像，否则不成像；x_i为0或1，取值为1表示对任务i成像，否则不成像，并且x_i≤c_i-b_i。

具体来说，上述公式是指：如果两任务i，i′的间隔时间小于最大待机时长(b_i-c_i′＜t_s)，两任务i，i′均成像执行(x_i＝1，x_i′＝1)，并且，两任务i，i′之间没有执行其他任何任务(∑x_i″＝0，i′＜i″＜i)，则执行前一任务i后应该待机。

为了便于计算，变量standby_i，i′的定义公式可转换为以下关系式：

其中，δ2_i，i′表示引入的第二中间变量，取值为0或1，当x_i＝1且x_i′＝1时，δ2_i，i′＝1；δ3_i，i′表示引入的第三中间变量，取值为0或1，当b_i-c_i′＜t_s时，δ3_i，i′＝1；U，ε，L均为参数，且U＞L＞ε＞0。

(3)成像任务时间约束

成像任务时间约束，是指成像开始时间早于结束时间，并且，前一任务结束之后，后一任务才能开始，即同时满足下式：

其中，b_i表示任务i的载荷开始工作时间；c_i表示任务i的载荷工作结束时间；i′为紧邻任务i的后一任务；b_i′表示任务i′的载荷开始工作时间。

(4)单轨载荷工作时间约束

单轨载荷工作时间约束，是指根据载荷组合观测需求和数传时间约束，要求传感器s的每轨成像时间不超过成像时长上限，即满足下式：

其中，rt_i表示针对任务i，传感器的实际工作时间(包含预热时间)；standby_i′i为0或1，取值为1表示任务i′与任务i的间隙在待机状态；sen_i，s表示任务i的传感器s的用户设定成像时间；sest_track_s表示传感器s的每轨最大成像时长；T_j表示轨道j的任务集合。

(5)卫星姿态转换时间约束

卫星姿态转换时间约束，是指由拓展观测工作模式切换到应急观测工作模式时，也即从普查任务切换到侧摆任务时，需要提前预留侧摆任务的准备时间，即满足下式：

其中，b_i′表示任务i′的载荷开始工作时间；stt_i′表示任务i′的成像开始时间；t_sway表示侧摆任务所需的准备时间；x_i为0或1，取值为1表示对任务i成像，取值为0表示不对任务i成像；I_e表示应急观测工作模式的任务集合。

(6)开关机时间间隔约束

开关机时间间隔约束，是指前后两次任务的开关机应预留时间间隔，在前后两次任务的间隙处于待机状态时，则无需考虑预留时间间隔的限制，即满足下式：

b_i′-c_i≥inv*(1-standby_i，i′)，i′＞i

其中，任务i′是任务i的后一项任务；b_i′表示任务i′的载荷开始工作时间；c_i表示任务i的载荷工作结束时间；inv表示任务i′和任务i的开关机的最短时间间隔；standby_i，i′为0或1，取值为1表示任务i′与任务i的间隙在待机状态。

(7)单次开机时间限制约束

单次开机时间限制约束，是指卫星一次成像时间窗应在单次最长开机时间范围内，即满足下式：

其中，任务i″是紧邻任务i之后且处于任务i′之前的任务；rt_i″表示针对任务i″，传感器的实际工作时间(包含预热时间)；imt^up表示单次开机时长上限；standby_i，i′为0或1，取值为1表示任务i′与任务i的间隙在待机状态；stt_i′表示任务i′的成像开始时间；tem_i表示任务i的成像结束时间。

步骤S4，以最大化任务完成率为优化目标，结合所述约束条件，求解所述多个元任务的规划结果。

由于卫星成像时间是连续变量，所以应基于连续时间建模。

本发明实施例中，优化目标为最大化任务完成率，也即最小化未完成任务时间之和。

具体地，优化目标的目标函数表示为：

其中，cost1表示优化目标，也即最小化未完成任务时间之和；prio_i为任务i的成像优先级权重；stt_i表示任务i的成像开始时间；tem_i表示任务i的成像结束时间；standt表示开机前的数传载荷预热时间；t_delay_i表示任务i的成像结束后传感器关闭的延迟时间，例如，如果任务结束后后续没有连续拍摄任务，传感器需延迟1分钟关闭；rt_i表示针对任务i，传感器的实际工作时间(包含预热时间)；∑_i″(1-standby_i″，i)*standt表示如果在任务开始前待机，传感器无需预热；standby_i″，i为0或1，取值为1表示任务i与任务i″的间隙传感器在待机状态。

本发明实施例中，多个元任务的优化结果例如可以包括：多个元任务的成像需求是否可执行，以及可执行元任务的成像轨道号。

综上所述，本发明提供了一种多目标卫星成像规划方法，针对卫星成像任务的规划调度可以提高卫星资源利用率，合理分配成像资源、充分发挥成像系统能力，最大化成像任务完成率。

在本发明中，术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制；术语“或”是包含性的，意为和/或。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多目标卫星成像规划方法，其特征在于，包括：

根据成像目标信息，将多目标卫星成像任务分解为多个元任务，获取多个元任务的输入条件；

基于所述多个元任务的输入条件，根据任务效益因素和成像可行性因素综合计算所述多个元任务的任务优先级；

在拓展观测工作模式和应急观测工作模式下，基于所述任务优先级分析卫星成像过程数传载荷的约束条件；

以最大化任务完成率为优化目标，结合所述约束条件，求解所述多个元任务的规划结果；

其中，所述数传载荷是指数传分系统及数传天线分系统的关键有效载荷；

所述卫星成像过程数传载荷的约束条件包括卫星最大能量约束、卫星姿态转换时间约束和开关机约束，其中：

所述卫星最大能量约束包括载荷工作总时间约束、载荷待机约束、成像任务时间约束或单轨载荷工作时间约束；

所述开关机约束包括开关机时间间隔约束或单次开机时间限制约束；

所述载荷工作总时间约束包括：

一个调度周期内的载荷工作时间不超过相应载荷的可用时长，即同时满足下式：

其中，b_i表示任务i的载荷开始工作时间；c_i表示任务i的载荷工作结束时间；x_i为0或1，取值为1表示对任务i成像，取值为0表示不对任务i成像，并且x_i≤c_i-b_i；rt_i表示针对任务i，传感器的实际工作时间；i′表示紧邻任务i的后一任务，i′>i；standby_i′i为0或1，取值为1表示任务i′与任务i的间隙在待机状态；sen_i，s表示任务i的传感器s的用户设定成像时间；sest_s表示传感器s的每周期可用时长；

所述载荷待机约束包括：

在进入成像区域前，数传载荷应提前预热，而如果成像任务开始前卫星已处于待机状态，则不需要预热时间，即满足下式：

其中，b_i′表示任务i′的载荷开始工作时间；stt_i′表示任务i′的成像开始时间；standt表示开机前的数传载荷预热时间；tem_i表示任务i的成像结束时间；t_delay_i表示任务i的成像结束后传感器关闭的延迟时间；standby_i，i′为0或1，取值为1表示任务i′与任务i的间隙在待机状态；

所述单轨载荷工作时间约束包括：

根据载荷组合观测需求和数传时间约束，要求传感器s的每轨成像时间不超过成像时长上限，即满足下式：

其中，rt_i表示针对任务i，传感器的实际工作时间；standby_i′i为0或1，取值为1表示任务i′与任务i的间隙在待机状态；sen_i，s表示任务i的传感器s的用户设定成像时间；sest_track_s表示传感器s的每轨最大成像时长；T_j表示轨道j的任务集合；

所述卫星姿态转换时间约束包括：

由拓展观测工作模式切换到应急观测工作模式时，也即从普查任务切换到侧摆任务时，需要提前预留侧摆任务的准备时间，即满足下式：

其中，b_i′表示任务i′的载荷开始工作时间；stt_i′表示任务i′的成像开始时间；t_sway表示侧摆任务所需的准备时间；x_i为0或1，x_i为1表示对任务i成像，x_i为0表示不对任务i成像；I_e表示应急观测工作模式的任务集合；

所述开关机时间间隔约束包括：前后两次任务的开关机应预留时间间隔，在前后两次任务的间隙处于待机状态时，则无需考虑预留时间间隔的限制；

所述单次开机时间限制约束包括：卫星一次成像时间窗应在单次最长开机时间范围内，即满足下式：

其中，任务i″是紧邻任务i之后且处于任务i′之前的任务；rt_i″表示针对任务i″，传感器的实际工作时间；imt^up表示单次开机时长上限；standby_i，i′为0或1，取值为1表示任务i′与任务i的间隙在待机状态；stt_i′表示任务i′的成像开始时间；tem_i表示任务i的成像结束时间；

所述最大化任务完成率也即最小化未完成任务时间之和，所述优化目标的目标函数为：

其中，cost1表示优化目标；prio_i为任务i的成像优先级权重；stt_i表示任务i的成像开始时间；tem_i表示任务i的成像结束时间；standt表示开机前的数传载荷预热时间；t_delay_i表示任务i的成像结束后传感器关闭的延迟时间；rt_i表示针对任务i，传感器的实际工作时间；∑_i″(1-standby_i″，i)*standt表示如果在任务开始前待机，传感器无需预热；standby_i″，i为0或1，取值为1表示任务i与任务i″的间隙传感器在待机状态。

2.根据权利要求1所述的多目标卫星成像规划方法，其特征在于，所述成像目标信息包括点目标和大区域目标；

所述多个元任务的输入条件包括：过境元任务区域的卫星轨道号、过境开始时间、过境结束时间、传感器、侧摆角、优先级、区域云量和下传数据时间；

所述多个元任务的规划结果包括：所述多个元任务的成像需求是否可执行，以及可执行元任务的成像轨道号。

3.根据权利要求1所述的多目标卫星成像规划方法，其特征在于，所述任务效益因素包括用户等级、用户选择的价格等级、其他区域价值因素和用户申请时间先后，通过所述任务效益因素的代数加权和确定任务目标效益；

所述成像可行性因素包括区域云量和调度周期内成像次数。