CN113313356A - 遥感卫星对地观测应急任务合成方法与装置 - Google Patents

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CN113313356A CN202110480543.8A CN202110480543A CN113313356A CN 113313356 A CN113313356 A CN 113313356A CN 202110480543 A CN202110480543 A CN 202110480543A CN 113313356 A CN113313356 A CN 113313356A
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Abstract

本发明提供遥感卫星对地观测应急任务合成方法和装置，涉及卫星任务规划技术领域。本发明通过应用基于合成机制的应急任务插入方法，能够将随机到达的应急任务快速插入到现有初始规划序列中合适的位置，避免由于时间窗冲突而造成任务观测时间窗选择的时间消耗，及时获得插入应急任务后的任务规划序列；通过应用任务合成、插入、替换和重插入方式，有效避免任务冲突，特别是将原本因存在冲突而不能同时观测的任务合成为既包括常规任务又包括应急任务的单个综合任务，有效增加任务观测数量，提高观测收益，减小对原任务序列的扰动；此外，任务合成观测能够减少卫星姿态转换次数和传感器开关机次数，减少在轨卫星能量消耗，增强卫星运行稳定性。

Description

遥感卫星对地观测应急任务合成方法与装置
技术领域
本发明涉及卫星任务规划技术领域，具体涉及一种遥感卫星对地观测应急任务合成方法与装置。
背景技术
对地观测卫星是空间范围内的一种成像资源，根据用户对地球表面目标的成像需求，利用星载微波或光学传感器，在对目标可见的时间窗内对地球表面观测成像，获取图像信息。由于具有覆盖区域广、成像效果好且不受国界限制等优点，近年来广泛应用于农业、工业、气象和军事等领域。
在轨卫星对任务成像过程中存在多种不确定性，会实时产生新的或变更的应急任务观测需求。应急任务具有两大特点：(1)高时效性：当地震、火灾等自然灾害发生时，会产生应急任务观测需求并期望被快速响应，以便及时获取受灾区域图像信息，指导制定救援策略；(2)随机性：当出现卫星状态改变、云层影响等突发状况时，应急任务随机到达且时间和数量不确定。当应急任务到达时，应以应急任务优先规划为原则，及时且快速规划应急任务，获取目标区域图像信息，满足用户需求。
由于卫星资源有限，任务数量繁多，卫星以最佳侧摆角度独立观测任务时，任务完成数量较少且资源利用不充分。近年来很多学者将任务合成机制融合到多星任务规划问题中。采用任务合成的方式规划待观测任务虽然会降低图像分辨率，但是能够有效增加任务观测数量，减少卫星传感器姿态转换次数，增强卫星稳定性。该方式在多星任务规划领域已被广泛认可。
在观测任务数量远大于卫星资源数量的现实情况下，在轨卫星上观测任务通常达到饱和状态。当应急任务到达后，需要将应急任务插入到规划序列上快速完成规划。在尽量减少对原规划序列扰动的前提下最大化应急任务的观测收益是多星任务规划领域的一大挑战。传统模式下，应急任务到达后单独插入到已有任务规划序列中，插入的应急任务和规划序列中的常规任务极易产生时间窗冲突或姿态转换时间不足的冲突，造成常规任务被拒绝，任务完成率低且耗时长，对原序列的扰动较大，最终影响任务完成数量和观测收益。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种遥感卫星对地观测应急任务合成方法与装置，解决了传统应急任务规划模式对原序列的扰动较大，影响任务完成数量和观测收益的技术问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种遥感卫星对地观测应急任务合成方法，包括：
S1、获取应急任务集和卫星轨道上常规任务的初始规划序列；
S2、从所述应急任务集中随机选取应急任务，采用任务合成方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；若合成方式成功，转入S5，否则转入S3；
S3、采用任务插入方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；若插入方式成功，转入S5，否则转入S4；
S4、采用任务替换方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；
S5、从所述应急任务集中随机选取剩余应急任务进行重插入，循环依次执行所述任务合成、插入和替换方式，将所述其他应急任务插入所述初始规划序列中，得到插入应急任务后的任务规划序列；
S6、构建具有角度依赖性收益的多目标数学规划模型；
S7、根据多条所述插入应急任务后的任务规划序列和多目标数学规划模型，选择最优的任务规划序列。
优选的，所述步骤S6中多目标数学规划模型包括：
表示在应急任务优先规划的原则下，最大化任务观测总收益的第一目标函数：
Figure BDA0003048393720000031
其中，
Figure BDA0003048393720000032
Figure BDA0003048393720000033
为二元变量，表示任务tg最终是否在轨道orbitj上被观测；T＝{t1,t2,...,tg,...,tG}为所述任务规划序列内的综合任务集合，G为综合任务数量，其中包含所有应急任务和常规任务；orbit＝{orbit1,orbit2,...,orbitj,...,orbitJ}表示轨道集，J为轨道数量；
Figure BDA0003048393720000034
表示综合任务tg的实际观测收益；
表示对所述初始规划序列扰动最小的第二目标函数：
Figure BDA0003048393720000041
其中，
Figure BDA0003048393720000042
TNj＝{t1,t2,...,ti′,...,tn′}为所述初始规划序列对应轨道orbitj上在轨常规任务ti′的集合；
Figure BDA0003048393720000043
表示由于应急任务的插入对初始规划序列上常规任务的扰动度量值。
优选的，所述步骤S6中多目标数学规划模型还包括：
约束条件：
Figure BDA0003048393720000044
Figure BDA0003048393720000045
其中，
Figure BDA0003048393720000046
Figure BDA0003048393720000047
Figure BDA0003048393720000048
Figure BDA0003048393720000049
公式(5)表示所述任务规划序列内的综合任务的观测结束时间一定不小于观测开始时间，所述综合任务的观测时间窗为
Figure BDA00030483937200000410
公式(6)表示两相邻综合任务之间需要满足姿态转换时间约束，为保证不等式恒成立，M表示一个很大的数；公式(7)表示姿态转换时间的计算方式，其中
Figure BDA00030483937200000411
表示轨道orbitj上综合任务tg和tg+1之间的姿态转换时间，velj表示轨道orbitj上卫星传感器的旋转速度，stabj表示轨道orbitj上卫星传感器的稳定时间；公式(8)表示卫星轨道上任务成像存储量不超过该轨道卫星传感器的最大存储量Memj，其中memoryj表示轨道orbitj上卫星传感器单位成像时间的存储系数；公式(9)表示综合任务的实际观测收益的计算方式，revenueg表示综合任务tg的期望观测收益，实质上等于综合任务tg的实际观测收益，
Figure BDA0003048393720000051
表示综合任务tg的实际观测收益，R表示合成任务tcom中包含R个元任务，angler表示对应元任务在轨道orbitj上的最佳观测角度，anglecom表示合成任务tcom在轨道orbitj上的最佳观测角度，实质上等于综合任务tg的实际观测角度；公式(10)中
Figure BDA0003048393720000052
表示应急任务ti在轨道orbitj上的最佳观测角度，
Figure BDA0003048393720000053
表示常规任务ti′在轨道orbitj上的最佳观测角度。
优选的，所述步骤S2具体包括：
S21、遍历所述应急任务存在时间窗的轨道上的任务，将与所选应急任务满足卫星侧摆角约束条件和卫星上传感器的最长开机时间约束条件的任务，存放入候选合成任务集合CMTS中；
S22、从CMTS中随机选择并删除任务，判断卫星成像储存消耗量约束条件和任务实际观测收益约束条件，满足转入S23；否则随机选择CMTS中下一任务，重复本步骤；若CMTS为空，转入S3；
S23、判断所述应急任务合成过程是否与第一卫星姿态转换时间约束条件冲突，不冲突转入S24，否则转入S25；
S24、将所述应急任务以合成方式插入所述初始规划序列中，并从所述应急任务集合中删除该应急任务，转入S5；
S25、若未遍历CMTS，随机选择CMTS中下一任务，重复执行S22；否则判断冲突任务的任务类型，若为常规任务，则删除该常规任务将所述应急任务以合成方式观测，更新所述初始规划序列，转入S5；若为应急任务，不做合成调整，转入S3。
优选的，所述步骤S3具体包括：
S31、确定所述应急任务所有的观测时间窗，计算所述观测时间窗对应的位置冲突度，并根据位置冲突度将各观测时间窗非降序排序；所述位置冲突度是指给定一个应急任务ti的时间窗
Figure BDA0003048393720000061
所有常规任务中，与TWi j存在时间窗冲突(包括时间窗重复或姿态转换时间不足等)的时间窗个数
Figure BDA0003048393720000062
所述应急任务更倾向于选择位置冲突度小的位置插入并执行观测。
S32、判断所述观测时间窗是否与第二卫星姿态转换时间约束条件冲突，不冲突，转入S33，否则转入S34；
S33、选定满足第二卫星姿态转换时间约束条件且位置冲突度最小的观测时间窗，将所述应急任务在该观测时间窗位置插入观测，并从所述应急任务集合中删除该应急任务，转入S5；
S34、若未遍历所有所述观测时间窗，依次选择下一个观测时间窗，重复执行S32；否则，判断冲突任务的任务类型，若为常规任务，则删除该常规任务将所述应急任务以插入方式观测，更新所述初始规划序列，转入S5；若为应急任务，不做插入调整，转入S4。
优选的，所述步骤S4具体包括：
S41、根据所述应急任务的观测时间窗，确定所述初始规划序列中所有能够被替换的常规任务，计算所述常规任务对应的任务时间窗选择度，并根据任务时间窗选择度将各常规任务非升序排序；所述常规任务的任务时间窗选择度是指常规任务ti′在各个轨道上的时间窗数量
Figure BDA0003048393720000071
所述应急任务更倾向于替换时间窗选择度更大的常规任务。
S42、判断所述应急任务替换过程是否与第三卫星姿态转换时间约束条件冲突，不冲突，转入S43，否则转入S44；
S43、选定满足第三卫星姿态转换时间约束条件且任务时间窗选择度最大的常规任务，将所述应急任务替换该常规任务观测，并从所述应急任务集合中删除该应急任务，转入S5；
S44、若未遍历所述所有能够被替换的常规任务，依次选择下一个常规任务，重复执行S42；否则，判断冲突任务的任务类型，若为常规任务，则删除该常规任务将所述应急任务以替换方式观测，更新所述初始规划序列，转入S5；若为应急任务，不做替换调整，需要规划的应急任务此次尝试插入失败，放回所述应急任务集中，转入S5。
优选的，所述步骤S21中所述侧摆角约束条件和卫星上传感器的最长开机时间约束条件分别为：
所述侧摆角约束条件为：
Figure BDA0003048393720000072
Figure BDA0003048393720000073
其中，
Figure BDA0003048393720000074
表示应急任务ti在轨道orbitj上的最佳观测角度；
Figure BDA0003048393720000075
表示常规任务ti′在轨道orbitj上的最佳观测角度；令
Figure BDA0003048393720000076
Figure BDA0003048393720000077
任务合成观测需满足卫星视场角覆盖范围内能够对所有任务可见，即满足上述约束条件(12)；FOVj表示轨道orbitj上卫星传感器视场角，合成任务的观测侧摆角度取各任务的最佳侧摆角度平均值，表示为：
Figure BDA0003048393720000081
Figure BDA0003048393720000082
所述最长开机时间约束条件为：
Figure BDA0003048393720000083
其中，合成任务的观测时间窗为各任务的观测开始时间最小值和观测结束时间最大值间的时间间隔，表示为：
Figure BDA0003048393720000084
设应急任务ti和常规任务ti′的时间窗分别为
Figure BDA0003048393720000085
Figure BDA0003048393720000086
bootj表示轨道orbitj上卫星传感器最长开机时间；
优选的，所述步骤S22中卫星成像储存消耗量约束条件和任务实际观测收益约束条件分别为：
所述卫星成像储存消耗量约束条件为：
Figure BDA0003048393720000087
所述任务实际观测收益约束条件为：
Figure BDA0003048393720000088
Figure BDA0003048393720000089
其中，revenuei为应急任务ti的最佳观测收益；revenuei′为常规任务ti′的最佳观测收益；
Figure BDA00030483937200000810
为应急任务ti的实际观测受益，计算方式为：
Figure BDA00030483937200000811
Figure BDA0003048393720000091
为常规任务ti′的实际观测收益，计算方式为：
Figure BDA0003048393720000092
Figure BDA0003048393720000093
应急任务ti和常规任务ti′的观测收益最大损失率分别为αi和αi′；
优选的，所述步骤S23中第一卫星姿态转换时间约束条件为：
Figure BDA0003048393720000094
Figure BDA0003048393720000095
优选的，所述步骤S32中第二卫星姿态转换时间约束条件为：
Figure BDA0003048393720000096
Figure BDA0003048393720000097
优选的，所述步骤S42中第三卫星姿态转换时间约束条件为：
Figure BDA0003048393720000098
Figure BDA0003048393720000099
一种遥感卫星对地观测应急任务合成装置，包括：
获取模块，用于获取应急任务集和卫星轨道上常规任务的初始规划序列；
合成模块，用于从所述应急任务集中随机选取应急任务，采用任务合成方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；若合成方式成功，转入S5，否则转入S3；
插入模块，用于采用任务插入方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；若插入方式成功，转入S5，否则转入S4；
替换模块，用于采用任务替换方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；
重插入模块，用于从所述应急任务集中随机选取剩余应急任务进行重插入，循环依次转入所述任务合成、插入和替换方式，将所述其他应急任务插入所述初始规划序列中，得到插入应急任务后的任务规划序列；
模型构建模块，用于构建具有角度依赖性收益的多目标数学规划模型；
选择模块，用于根据多条所述插入应急任务后的任务规划序列和多目标数学规划模型，选择最优的任务规划序列。
(三)有益效果
本发明提供了一种遥感卫星对地观测应急任务合成方法和装置。与现有技术相比，具备以下有益效果：
本发明包括从所述应急任务集中随机选取应急任务，采用任务合成、插入、替换方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；从所述应急任务集中随机选取剩余应急任务进行重插入，循环依次执行所述任务合成、插入和替换方式，将所述剩余应急任务插入所述初始规划序列中，得到插入应急任务后的任务规划序列；根据多条所述插入应急任务后的任务规划序列和具有角度依赖性收益的多目标数学规划模型，选择最优的任务规划序列。本发明通过应用基于合成机制的应急任务插入方法，能够在尽量不影响常规任务初始规划序列的前提下，将随机到达的应急任务快速插入到现有初始规划序列中合适的位置，避免由于时间窗冲突而造成任务观测时间窗选择的时间消耗，及时获得插入应急任务后的任务规划序列；通过应用任务合成、插入、替换和重插入方式，有效避免任务冲突，特别是将原本因存在冲突而不能同时观测的任务合成为既包括常规任务又包括应急任务的单个综合任务，有效增加任务观测数量，提高观测收益，减小对原任务序列的扰动；此外，任务合成观测能够减少卫星姿态转换次数和传感器开关机次数，减少在轨卫星能量消耗，增强卫星运行稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种遥感卫星对地观测应急任务合成方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种应急任务合成方式示意图；
图3为本发明实施例提供的一种应急任务插入方式示意图；
图4为本发明实施例提供的一种应急任务替换方式示意图；
图5为本发明实施例提供的一种遥感卫星对地观测应急任务合成装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作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。
本申请实施例通过提供一种遥感卫星对地观测应急任务合成方法和装置，解决了传统应急任务规划模式对原序列的扰动较大，影响任务完成数量和观测收益的技术问题。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
本发明实施例包括从所述应急任务集中随机选取应急任务，采用任务合成、插入、替换方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；从所述应急任务集中随机选取剩余应急任务进行重插入，循环依次执行所述任务合成、插入和替换方式，将所述其他应急任务插入所述初始规划序列中，得到插入应急任务后的任务规划序列；根据多条所述插入应急任务后的任务规划序列和具有角度依赖性收益的多目标数学规划模型，选择最优的任务规划序列。本发明通过应用基于合成机制的应急任务插入方法，能够在尽量不影响常规任务初始规划序列的前提下，将随机到达的应急任务快速插入到现有初始规划序列中合适的位置，避免由于时间窗冲突而造成任务观测时间窗选择的时间消耗，及时获得插入应急任务后的任务规划序列；通过应用任务合成、插入、替换和重插入方式，有效避免任务冲突，特别是将原本因存在冲突而不能同时观测的任务合成为既包括常规任务又包括应急任务的单个综合任务，有效增加任务观测数量，提高观测收益，减小对原任务序列的扰动；此外，任务合成观测能够减少卫星姿态转换次数和传感器开关机次数，减少在轨卫星能量消耗，增强卫星运行稳定性。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例:
第一方面，如图1～4所示，本发明实施例提供了一种遥感卫星对地观测应急任务合成方法，包括：
S1、获取应急任务集和卫星轨道上常规任务的初始规划序列；
S2、从所述应急任务集中随机选取应急任务，采用任务合成方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；若合成方式成功，转入S5，否则转入S3；
S3、采用任务插入方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；若插入方式成功，转入S5，否则转入S4；
S4、采用任务替换方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；
S5、从所述应急任务集中随机选取剩余应急任务进行重插入，循环依次执行所述任务合成、插入和替换方式，将所述其他应急任务插入所述初始规划序列中，得到插入应急任务后的任务规划序列；
S6、构建具有角度依赖性收益的多目标数学规划模型；
S7、根据多条所述插入应急任务后的任务规划序列和多目标数学规划模型，选择最优的任务规划序列。
本发明实施例提出合成、插入、替换和重插入(merging，insertion，replacementand reinsertion,MIRR)算法，且通过应用基于合成机制的应急任务插入方法，能够在尽量不影响常规任务初始规划序列的前提下，将随机到达的应急任务快速插入到现有初始规划序列中合适的位置，避免由于时间窗冲突而造成任务观测时间窗选择的时间消耗，及时获得插入应急任务后的任务规划序列；通过应用任务合成、插入、替换和重插入方式，有效避免任务冲突，特别是将原本因存在冲突而不能同时观测的任务合成为既包括常规任务又包括应急任务的单个综合任务，有效增加任务观测数量，提高观测收益，减小对原任务序列的扰动；此外，任务合成观测能够减少卫星姿态转换次数和传感器开关机次数，减少在轨卫星能量消耗，增强卫星运行稳定性。
首先需要说明的，为简化问题，本发明实施例中假设卫星对任务的可见时间窗即为观测时间窗；卫星绕地球运行一周完成一次数据下传并清空内存。
此外，本发明实施例将插入应急任务后的任务规划序列中的每一个任务视为综合任务，包括采用合成方式得到的合成任务、采用插入或者替换方式插入的应急任务、以及没有执行任何处理的常规任务。当任务以元任务形式观测时(即没有执行任何处理的常规任务或没有合成处理的应急任务)，依旧被看作综合任务，即综合任务中可以包含一个或多个元任务。
本发明实施例提供的数学规划模型以综合任务为描述对象。其中，任务合成后被看作一个任务在卫星的一个观测条带内观测，具有其自身属性。当对合成任务成像时，以合成观测角度对任务执行观测可能会造成图像扭曲，从而影响观测收益。所以，本发明实施例提供的数学规划模型为融合合成机制的应急任务规划模型，可以描述为具有角度依赖性收益的多目标数学规划模型(Multi-objective mathematical programming model withangle-dependent revenue,MOMPM-ADR)，包括：
表示在应急任务优先规划的原则下，最大化任务观测总收益的第一目标函数：
Figure BDA0003048393720000151
其中，
Figure BDA0003048393720000152
Figure BDA0003048393720000153
为二元变量，表示任务tg最终是否在轨道orbitj上被观测；T＝{t1,t2,...,tg,...,tG}为所述任务规划序列内的综合任务集合，G为综合任务数量，其中包含所有应急任务和常规任务；orbit＝{orbit1,orbit2,...,orbitj,...,orbitJ}表示轨道集，J为轨道数量；
Figure BDA0003048393720000154
表示综合任务tg的实际观测收益；
表示对所述初始规划序列扰动最小的第二目标函数：
Figure BDA0003048393720000155
其中，
Figure BDA0003048393720000156
TNj＝{t1,t2,...,ti′,...,tn′}为所述初始规划序列对应轨道orbitj上在轨常规任务ti′的集合；
Figure BDA0003048393720000157
表示由于应急任务的插入对初始规划序列上常规任务的扰动度量值。
所述多目标数学规划模型还包括：
约束条件：
Figure BDA0003048393720000158
Figure BDA0003048393720000159
Figure BDA0003048393720000161
其中，
Figure BDA0003048393720000162
Figure BDA0003048393720000163
Figure BDA0003048393720000164
Figure BDA0003048393720000165
公式(5)表示所述任务规划序列内的综合任务的观测结束时间一定不小于观测开始时间，所述综合任务的观测时间窗为
Figure BDA0003048393720000166
公式(6)表示两相邻综合任务之间需要满足姿态转换时间约束，为保证不等式恒成立，M表示一个很大的数；公式(7)表示姿态转换时间的计算方式，其中
Figure BDA0003048393720000167
表示轨道orbitj上综合任务tg和tg+1之间的姿态转换时间，velj表示轨道orbitj上卫星传感器的旋转速度，stabj表示轨道orbitj上卫星传感器的稳定时间；公式(8)表示卫星轨道上任务成像存储量不超过该轨道卫星传感器的最大存储量Memj，其中memoryj表示轨道orbitj上卫星传感器单位成像时间的存储系数；公式(9)表示综合任务的实际观测收益的计算方式，revenueg表示综合任务tg的期望观测收益，实质上等于综合任务tg的实际观测收益，
Figure BDA0003048393720000168
表示综合任务tg的实际观测收益，R表示合成任务tcom中包含R个元任务，angler表示对应元任务在轨道orbitj上的最佳观测角度实质上等于综合任务tg的实际观测角度；公式(10)中
Figure BDA0003048393720000169
表示应急任务ti在轨道orbitj上的最佳观测角度，
Figure BDA00030483937200001610
表示常规任务ti′在轨道orbitj上的最佳观测角度。
特别的，公式(6)中M表示一个很大的数，当
Figure BDA0003048393720000171
和
Figure BDA0003048393720000172
都为1时，说明两相邻任务都被观测，则后一任务必须在前一任务观测完成并调整姿态之后才可以执行观测；当
Figure BDA0003048393720000173
取值为1而
Figure BDA0003048393720000174
取值为0时，说明前一任务被观测而后一任务不被观测，则该约束无效，但由于M的存在，不等值依旧成立；当
Figure BDA0003048393720000175
取值为0而
Figure BDA0003048393720000176
取值为1时，说明前一任务不被观测而后一任务被观测，任务的开始时间是一个大于0的数，不等式依旧成立。
下面对本发明实施例的实现过程进行详细说明：
S1、获取应急任务集和卫星轨道上常规任务的初始规划序列。
给定一组卫星Sa，存在多条轨道Orbit＝{orbit1,orbit2,...,orbitj,...,orbitJ}，J为轨道数量，每条轨道orbitj上存在一组待观测的常规任务的初始规划序列TNj＝{t1,t2,...,ti′,...,tn′}。
当一组应急任务TE＝{t1,t2,...,ti,...}到达后，在应急任务ti∈TE的截止期限Hi内，通过下述合成、插入、替换和重插入(merging，insertion，replacement andreinsertion,MIRR)算法合理插入到初始规划序列上，完成应急任务规划。
S2、如图2所示，从所述应急任务集中随机选取应急任务，采用任务合成方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；若合成方式成功，转入S5，否则转入S3，具体包括：
S21、遍历所述应急任务存在时间窗的轨道上的常规任务，将与选中应急任务满足卫星侧摆角约束条件和卫星上传感器的最长开机时间约束条件的常规任务，存放入候选合成任务集合CMTS中。
不难理解的是，该步骤中放入CMTS中的候选任务既包括没有经过处理过的常规任务，后续处理步骤中经过插入、替换处理得到的应急任务，还包括经过合成处理以后仍可以与其他应急任务再次合成处理的合成任务。
所述侧摆角约束条件和卫星上传感器的最长开机时间约束条件分别为：
所述侧摆角约束条件为：
Figure BDA0003048393720000181
Figure BDA0003048393720000182
其中，
Figure BDA0003048393720000183
表示应急任务ti在轨道orbitj上的最佳观测角度；
Figure BDA0003048393720000184
表示常规任务ti′在轨道orbitj上的最佳观测角度；令
Figure BDA0003048393720000185
Figure BDA0003048393720000186
FOVj表示轨道orbitj上卫星传感器视场角，合成任务的观测侧摆角度取各任务的最佳侧摆角度平均值，表示为：
Figure BDA0003048393720000187
所述最长开机时间约束条件为：
Figure BDA0003048393720000188
其中，合成任务的观测时间窗为各任务的观测开始时间最小值和观测结束时间最大值间的时间间隔，表示为：
Figure BDA0003048393720000189
Figure BDA00030483937200001810
表示合成任务tcom在轨道orbitj上的时间窗开始时间，
Figure BDA00030483937200001811
表示合成任务tcom在轨道orbitj上的时间窗结束时间；设应急任务ti和常规任务ti′的时间窗分别为
Figure BDA0003048393720000191
Figure BDA0003048393720000192
bootj表示轨道orbitj上卫星传感器最长开机时间；
S22、从CMTS中随机选择并删除任务，判断卫星成像储存消耗量约束条件和任务实际观测收益约束条件，满足转入S23；否则随机选择CMTS中下一任务，重复本步骤；若CMTS为空，转入S3。
所述卫星成像储存消耗量约束条件和任务实际观测收益约束条件分别为：
所述卫星成像储存消耗量约束条件为：
Figure BDA0003048393720000193
所述任务实际观测收益约束条件为：
Figure BDA0003048393720000194
Figure BDA0003048393720000195
其中，revenuei为应急任务ti的最佳观测收益；revenuei′为常规任务ti′的最佳观测收益；
Figure BDA0003048393720000196
为应急任务ti的实际观测受益；
Figure BDA0003048393720000197
为常规任务ti′的实际观测收益；应急任务ti和常规任务ti′的观测收益最大损失率分别为αi和αi′；
S23、判断所述应急任务合成过程是否与第一卫星姿态转换时间约束条件冲突，不冲突转入S24，否则转入S25。
所述第一卫星姿态转换时间约束条件为：
Figure BDA0003048393720000198
Figure BDA0003048393720000199
S24、将所述应急任务以合成方式插入所述初始规划序列中，并从所述应急任务集合中删除该应急任务，转入S5。
S25、若未遍历CMTS，随机选择CMTS中下一任务，重复执行S22；否则判断冲突任务的任务类型，若为常规任务，则删除该常规任务将所述应急任务以合成方式观测，更新所述初始规划序列，转入S5；若为应急任务，不做合成调整，转入S3。
S3、如图3所示，采用任务插入方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；若插入方式成功，转入S5，否则转入S4，具体包括；
S31、确定所述应急任务所有的观测时间窗，计算所述观测时间窗对应的位置冲突度，并根据位置冲突度将各观测时间窗非降序排序；所述位置冲突度是指给定一个应急任务ti的时间窗
Figure BDA0003048393720000201
所有常规任务中，与TWi j存在时间窗冲突的时间窗个数
Figure BDA0003048393720000202
S32、判断所述观测时间窗是否与第二卫星姿态转换时间约束条件冲突，不冲突，转入S33，否则转入S34。
S33、选定满足第二卫星姿态转换时间约束条件且位置冲突度最小的观测时间窗，将所述应急任务在该观测时间窗位置插入观测，并从所述应急任务集合中删除该应急任务，转入S5。
所述第二卫星姿态转换时间约束条件为：
Figure BDA0003048393720000203
Figure BDA0003048393720000204
S34、若未遍历所有所述观测时间窗，依次选择下一个观测时间窗，重复执行S32；否则，判断冲突任务的任务类型，若为常规任务，则删除该常规任务将所述应急任务以插入方式观测，更新所述初始规划序列，转入S5；若为应急任务，不做插入调整，转入S4。
S4、如图4所示，采用任务替换方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中，具体包括：
S41、根据所述应急任务的观测时间窗，确定所述初始规划序列中所有能够被替换的常规任务，计算所述常规任务对应的任务时间窗选择度，并根据任务时间窗选择度将各常规任务非升序排序；所述常规任务的任务时间窗选择度是指常规任务ti′在各个轨道上的时间窗数量
Figure BDA0003048393720000211
S42、判断所述应急任务替换过程是否与第三卫星姿态转换时间约束条件冲突，不冲突，转入S43，否则转入S44。
所述第三卫星姿态转换时间约束条件为：
Figure BDA0003048393720000212
Figure BDA0003048393720000213
S43、选定满足第三卫星姿态转换时间约束条件且任务时间窗选择度最大的常规任务，将所述应急任务替换该常规任务观测，并从所述应急任务集合中删除该应急任务，转入S5。
S44、若未遍历所述所有能够被替换的常规任务，依次选择下一个常规任务，重复执行S42；否则，判断冲突任务的任务类型，若为常规任务，则删除该常规任务将所述应急任务以替换方式观测，更新所述初始规划序列，转入S5；若为应急任务，不做替换调整，需要规划的应急任务此次尝试插入失败，放回所述应急任务集中，转入S5。
S5、从所述应急任务集中随机选取剩余应急任务进行重插入，循环依次执行所述任务合成、插入和替换方式，将所述剩余应急任务插入所述初始规划序列中，得到插入应急任务后的任务规划序列。
经过上述步骤S2～S4的合成、插入、替换操作，已经将一部分应急任务安排进初始规划序列。对于其他应急任务的重插入过程是再次循环以上合成、插入和替换操作，直至应急任务不能再安排进初始规划序列为止。
S6、构建具有角度依赖性收益的多目标数学规划模型。
正如上文所述，通过分析任务的观测角度和观测收益关系，分析任务合成条件并创建合成任务，以包括合成任务的综合任务为操作对象建立具有角度依赖性收益的多目标数学规划模型(Multi-objective mathematical programming model with angle-dependent revenue：MOMPM-ADR)，所述多目标数学规划模型包括第一、第二目标函数和约束条件，具体内容不再赘述。
S7、根据多条所述插入应急任务后的任务规划序列和多目标数学规划模型，选择最优的任务规划序列。
经过前述步骤得到多条插入应急任务后的任务规划序列，结合上述多目标数学规划模型，从尽量减少对原规划序列扰动的前提下最大化应急任务的观测收益的角度，从中选择最优的任务规划序列作为最终的任务规划序列。
本发明实施例在应急任务规划中加入合成机制，及时响应应急任务观测需求，满足应急任务时效性高的特点；且有效增加任务观测数量和观测收益，减小对原规划序列的扰动。
通过任务合成操作将满足合成条件的任务同时观测，减少因应急任务的插入造成的常规任务的拒绝。任务同时观测会显著增加任务观测数量，增大观测收益；由于冲突任务依旧在原位置观测，从而减小对原规划序列的扰动。
第二方面，如图5所示，本发明实施例提供了一种遥感卫星对地观测应急任务合成装置，包括：
获取模块，用于获取应急任务集和卫星轨道上常规任务的初始规划序列；
合成模块，用于从所述应急任务集中随机选取应急任务，采用任务合成方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；若合成方式成功，转入S5，否则转入S3；
插入模块，用于若合成方式失败，采用任务插入方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；若插入方式成功，转入S5，否则转入S4；
替换模块，用于若插入方式失败，采用任务替换方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；
重插入模块，用于从所述应急任务集中随机选取剩余应急任务进行重插入，循环依次转入所述任务合成、插入和替换方式，将所述其他应急任务插入所述初始规划序列中，得到插入应急任务后的任务规划序列；
模型构建模块，用于构建具有角度依赖性收益的多目标数学规划模型；
选择模块，用于根据多条所述插入应急任务后的任务规划序列和多目标数学规划模型，选择最优的任务规划序列。
可理解的是，本发明实施例提供的遥感卫星对地观测应急任务合成装置与上述遥感卫星对地观测应急任务合成方法相对应，其有关内容的解释、举例、有益效果等部分可以参考遥感卫星对地观测应急任务合成方法中的相应内容，此处不再赘述。
综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：
本发明实施例包括从所述应急任务集中随机选取应急任务，采用任务合成、插入、替换方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；从所述应急任务集中随机选取剩余应急任务进行重插入，循环依次执行所述任务合成、插入和替换方式，将所述其他应急任务插入所述初始规划序列中，得到插入应急任务后的任务规划序列；根据多条所述插入应急任务后的任务规划序列和具有角度依赖性收益的多目标数学规划模型，选择最优的任务规划序列。通过应用基于合成机制的应急任务插入方法，能够在尽量不影响常规任务初始规划序列的前提下，将随机到达的应急任务快速插入到现有初始规划序列中合适的位置，避免由于时间窗冲突而造成任务观测时间窗选择的时间消耗，及时获得插入应急任务后的任务规划序列；通过应用任务合成、插入、替换和重插入方式，有效避免任务冲突，特别是将原本因存在冲突而不能同时观测的任务合成为既包括常规任务又包括应急任务的单个综合任务，有效增加任务观测数量，提高观测收益，减小对原任务序列的扰动；此外，任务合成观测能够减少卫星姿态转换次数和传感器开关机次数，减少在轨卫星能量消耗，增强卫星运行稳定性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种遥感卫星对地观测应急任务合成方法，其特征在于，包括：
S1、获取应急任务集和卫星轨道上常规任务的初始规划序列；
S2、从所述应急任务集中随机选取应急任务，采用任务合成方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；若合成方式成功，转入S5，否则转入S3；
S3、采用任务插入方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；若插入方式成功，转入S5，否则转入S4；
S4、采用任务替换方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；
S5、从所述应急任务集中随机选取剩余应急任务进行重插入，循环依次执行所述任务合成、插入和替换方式，将所述其他应急任务插入所述初始规划序列中，得到插入应急任务后的任务规划序列；
S6、构建具有角度依赖性收益的多目标数学规划模型；
S7、根据多条所述插入应急任务后的任务规划序列和多目标数学规划模型，选择最优的任务规划序列。
2.如权利要求1所述的遥感卫星对地观测应急任务合成方法，其特征在于，所述步骤S6中多目标数学规划模型包括：
表示在应急任务优先规划的原则下，最大化任务观测总收益的第一目标函数：
Figure FDA0003048393710000011
其中，
Figure FDA0003048393710000012
Figure FDA0003048393710000021
为二元变量，表示任务tg最终是否在轨道orbitj上被观测；T＝{t1，t2，...，tg，...，tG}为所述任务规划序列内的综合任务集合，G为综合任务数量，其中包含所有应急任务和常规任务；orbit＝{orbit1，orbit2，...，orbitj，...，orbitJ}表示轨道集，J为轨道数量；
Figure FDA0003048393710000022
表示综合任务tg的实际观测收益；
表示对所述初始规划序列扰动最小的第二目标函数：
Figure FDA0003048393710000023
其中，
Figure FDA0003048393710000024
TNj＝{t1，t2，...，ti′，...，tn′}为所述初始规划序列对应轨道orbitj上在轨常规任务ti′的集合；
Figure FDA0003048393710000025
表示由于应急任务的插入对初始规划序列上常规任务的扰动度量值。
3.如权利要求2所述的遥感卫星对地观测应急任务合成方法，其特征在于，所述步骤S6中多目标数学规划模型还包括：
约束条件：
Figure FDA0003048393710000026
Figure FDA0003048393710000027
其中，
Figure FDA0003048393710000028
Figure FDA0003048393710000029
Figure FDA00030483937100000210
Figure FDA0003048393710000031
公式(5)表示所述任务规划序列内的综合任务的观测结束时间一定不小于观测开始时间，所述综合任务的观测时间窗为
Figure FDA0003048393710000032
公式(6)表示两相邻综合任务之间需要满足姿态转换时间约束，为保证不等式恒成立，M表示一个很大的数；公式(7)表示姿态转换时间的计算方式，其中
Figure FDA0003048393710000033
表示轨道orbitj上综合任务tg和tg+1之间的姿态转换时间，velj表示轨道orbitj上卫星传感器的旋转速度，stabj表示轨道orbitj上卫星传感器的稳定时间；公式(8)表示卫星轨道上任务成像存储量不超过该轨道卫星传感器的最大存储量Memj，其中memoryj表示轨道orbitj上卫星传感器单位成像时间的存储系数；公式(9)表示综合任务的实际观测收益的计算方式，revenueg表示综合任务tg的期望观测收益，实质上等于综合任务tg的实际观测收益，
Figure FDA0003048393710000034
表示综合任务tg的实际观测收益，R表示合成任务tcom中包含R个元任务，angler表示对应元任务在轨道orbitj上的最佳观测角度，anglecom表示合成任务tcom在轨道orbitj上的最佳观测角度，实质上等于综合任务tg的实际观测角度；公式(10)中
Figure FDA0003048393710000035
表示应急任务ti在轨道orbitj上的最佳观测角度，
Figure FDA0003048393710000036
表示常规任务ti′在轨道orbitj上的最佳观测角度。
4.如权利要求3所述的遥感卫星对地观测应急任务合成方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21、遍历所述应急任务存在时间窗的轨道上的任务，将与选中应急任务满足卫星侧摆角约束条件和卫星上传感器的最长开机时间约束条件的任务，存放入候选合成任务集合CMTS中；
S22、从CMTS中随机选择并删除任务，判断卫星成像储存消耗量约束条件和任务实际观测收益约束条件，满足转入S23；否则随机选择CMTS中下一任务，重复本步骤；若CMTS为空，转入S3；
S23、判断所述应急任务合成过程是否与第一卫星姿态转换时间约束条件冲突，不冲突转入S24，否则转入S25；
S24、将所述应急任务以合成方式插入所述初始规划序列中，并从所述应急任务集合中删除该应急任务，转入S5；
S25、若未遍历CMTS，随机选择CMTS中下一任务，重复执行S22；否则判断冲突任务的任务类型，若为常规任务，则删除该常规任务将所述应急任务以合成方式观测，更新所述初始规划序列，转入S5；若为应急任务，不做合成调整，转入S3。
5.如权利要求3所述的遥感卫星对地观测应急任务合成方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31、确定所述应急任务所有的观测时间窗，计算所述观测时间窗对应的位置冲突度，并根据位置冲突度将各观测时间窗非降序排序；所述位置冲突度是指给定一个应急任务ti的时间窗
Figure FDA0003048393710000041
所有常规任务中，与TWi j存在时间窗冲突的时间窗个数
Figure FDA0003048393710000042
S32、判断所述观测时间窗是否与第二卫星姿态转换时间约束条件冲突，不冲突，转入S33，否则转入S34；
S33、选定满足第二卫星姿态转换时间约束条件且位置冲突度最小的观测时间窗，将所述应急任务在该观测时间窗位置插入观测，并从所述应急任务集合中删除该应急任务，转入S5；
S34、若未遍历所有所述观测时间窗，依次选择下一个观测时间窗，重复执行S32；否则，判断冲突任务的任务类型，若为常规任务，则删除该常规任务将所述应急任务以插入方式观测，更新所述初始规划序列，转入S5；若为应急任务，不做插入调整，转入S4。
6.如权利要求3所述的遥感卫星对地观测应急任务合成方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
S41、根据所述应急任务的观测时间窗，确定所述初始规划序列中所有能够被替换的常规任务，计算所述常规任务对应的任务时间窗选择度，并根据任务时间窗选择度将各常规任务非升序排序；所述常规任务的任务时间窗选择度是指常规任务ti′在各个轨道上的时间窗数量
Figure FDA0003048393710000051
S42、判断所述应急任务替换过程是否与第三卫星姿态转换时间约束条件冲突，不冲突，转入S43，否则转入S44；
S43、选定满足第三卫星姿态转换时间约束条件且任务时间窗选择度最大的常规任务，将所述应急任务替换该常规任务观测，并从所述应急任务集合中删除该应急任务，转入S5；
S44、若未遍历所述所有能够被替换的常规任务，依次选择下一个常规任务，重复执行S42；否则，判断冲突任务的任务类型，若为常规任务，则删除该常规任务将所述应急任务以替换方式观测，更新所述初始规划序列，转入S5；若为应急任务，不做替换调整，需要规划的应急任务此次尝试插入失败，放回所述应急任务集中，转入S5。
7.如权利要求4所述的遥感卫星对地观测应急任务合成方法，其特征在于，所述步骤S21中所述侧摆角约束条件和卫星上传感器的最长开机时间约束条件分别为：
所述侧摆角约束条件为：
Figure FDA0003048393710000061
Figure FDA0003048393710000062
其中，
Figure FDA0003048393710000063
表示应急任务ti在轨道orbitj上的最佳观测角度；
Figure FDA0003048393710000064
表示常规任务ti′在轨道orbitj上的最佳观测角度；令
Figure FDA0003048393710000065
Figure FDA0003048393710000066
FOVj表示轨道orbitj上卫星传感器视场角，合成任务的观测侧摆角度取各任务的最佳侧摆角度平均值，表示为：
Figure FDA0003048393710000067
所述最长开机时间约束条件为：
Figure FDA0003048393710000068
其中，合成任务的观测时间窗为各任务的观测开始时间最小值和观测结束时间最大值间的时间间隔，表示为：
Figure FDA0003048393710000069
设应急任务ti和常规任务ti′的时间窗分别为
Figure FDA00030483937100000610
Figure FDA00030483937100000611
bootj表示轨道orbitj上卫星传感器最长开机时间；和/或
所述步骤S22中卫星成像储存消耗量约束条件和任务实际观测收益约束条件分别为：
所述卫星成像储存消耗量约束条件为：
Figure FDA0003048393710000071
所述任务实际观测收益约束条件为：
Figure FDA0003048393710000072
Figure FDA0003048393710000073
其中，revenuei为应急任务ti的最佳观测收益；revenuei′为常规任务ti′的最佳观测收益；
Figure FDA0003048393710000074
为应急任务ti的实际观测受益；
Figure FDA0003048393710000075
为常规任务ti′的实际观测收益；应急任务ti和常规任务ti′的观测收益最大损失率分别为αi和αi′；和/或
所述步骤S23中第一卫星姿态转换时间约束条件为：
Figure FDA0003048393710000076
Figure FDA0003048393710000077
8.如权利要求5所述的遥感卫星对地观测应急任务合成方法，其特征在于，所述步骤S32中第二卫星姿态转换时间约束条件为：
Figure FDA0003048393710000078
Figure FDA0003048393710000079
9.如权利要求6所述的遥感卫星对地观测应急任务合成方法，其特征在于，所述步骤S42中第三卫星姿态转换时间约束条件为：
Figure FDA00030483937100000710
Figure FDA00030483937100000711
10.一种遥感卫星对地观测应急任务合成装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取应急任务集和卫星轨道上常规任务的初始规划序列；
合成模块，用于从所述应急任务集中随机选取应急任务，采用任务合成方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；若合成方式成功，转入S5，否则转入S3；
插入模块，用于若合成方式失败，采用任务插入方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；若插入方式成功，转入S5，否则转入S4；
替换模块，用于若插入方式失败，采用任务替换方式将所述应急任务插入所述初始规划序列中；
重插入模块，用于从所述应急任务集中随机选取剩余应急任务进行重插入，循环依次转入所述任务合成、插入和替换方式，将所述其他应急任务插入所述初始规划序列中，得到插入应急任务后的任务规划序列；
模型构建模块，用于构建具有角度依赖性收益的多目标数学规划模型；
选择模块，用于根据多条所述插入应急任务后的任务规划序列和多目标数学规划模型，选择最优的任务规划序列。
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