CN113315563A - 全球组网协同星座应急调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全球组网协同星座应急调度方法，包括：进行全球组网协同星座的设计特点分析，获取全球组网协同星座的空间分布特性与时间分布特性；根据空间分布特性与时间分布特性，获取全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，进一步获取以地理分区为长期值守分组策略；根据全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，获取事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略；结合地理分区为长期值守分组策略与事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略，全球组网协同星座进行目标探测的任务调度。

Description

全球组网协同星座应急调度方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种全球组网协同星座应急调度方法。

背景技术

红外低轨星座是通过全球组网，协同工作完成对空间高动态时敏目标实时探测发现，跟踪定位的复杂系统。星座需要对全球范围目标出现的空域进行二重覆盖，并在目标出现之后快速响应形成观测资源对目标的分配。因此红外低轨星座对任务的应急响应调度技术具有较强的需求，面向时敏目标快速调度也是具有较高价值的研究方向。

针对事件快速响应的方法研究方面，现有的研究主要包括：动态地进行已有规划方案的调整与重规划，结合观测路径的应急任务响应时间最优进行多星成像规划，在向全局优化的同时进行时效性的增强；如何实现单星观测任务的规划以及多星之间的协同；同时红外低轨星座调度还需要卫星开展协同规划。红外低轨星座资源调度问题是一个复杂时空的观测资源动态分配问题，现有方法都针对红外低轨星座中的一些特定方面的问题提出了解决方案。但面向全球的实时响应调度方面，尚没有结合红外低轨星座的星座特点提出的应急任务调度方法。现有方法多采用直接进行全局优化。但由于红外低轨星座卫星数量较多，当目标数量较大时，难以满足系统实时任务响应的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全球组网协同星座应急调度方法，以解决现有的红外低轨星座在目标数量较大时难以满足系统实时任务响应要求的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种全球组网协同星座应急调度方法，包括：

进行全球组网协同星座的设计特点分析，获取全球组网协同星座的空间分布特性与时间分布特性；

根据空间分布特性与时间分布特性，获取全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性；

根据全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，获取以地理分区为长期值守分组策略；

根据全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，获取事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略；

结合地理分区为长期值守分组策略与事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略，全球组网协同星座进行目标探测的任务调度。

可选的，在所述的全球组网协同星座应急调度方法中，所述进行全球组网协同星座的设计特点分析，获取全球组网协同星座的空间分布特性与时间分布特性包括：

使全球组网协同星座的设计特点符合面向全球分布的时敏动态多目标进行协同观测系统；

使全球组网协同星座的设计特点符合全球空域空间时敏目标的立体观测与组网通信要求；

使全球组网协同星座的设计特点符合对目标空域的全球二重覆盖、以及保持星座整网联通要求；

全球组网协同星座的空域覆盖约束包括：临边观测约束及最大探测距离约束。

可选的，在所述的全球组网协同星座应急调度方法中，所述进行全球组网协同星座的设计特点分析，获取全球组网协同星座的空间分布特性与时间分布特性包括：

卫星与目标的连线高于大气临边的高度H_a，卫星红外载荷的最大探测距离约束为L；

将临边观测约束和最大探测距离约束投影到地球表面；

由临边观测约束投影到地球表面产生以星下点为中心、半径为D_b(H_t)的圆形不可见区域；其中H_t为目标的高度；

不可见区域的半径D_b(H_t)的计算方法见公式(1)，其中H_s为卫星高度；

式中：R_e为地球半径；

最大探测距离约束投影到地球表面产生半径为D(H_t)的圆形区域，最大探测弧段D(H_t)的计算方法为：

以星下点为中心，最大探测弧段去除不可见区域获得带状区域，带状区域的宽度D_l(H_t)为：

D_l(H_t)＝D(H_t)-D_b(H_t) (3)。

可选的，在所述的全球组网协同星座应急调度方法中，根据空间分布特性与时间分布特性，获取全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性包括：

设置卫星在一个轨道面中均匀分布，根据在轨道面内星间的半间距S计算一个轨道面内所需卫星的数量N，根据轨道面半覆盖宽度C计算所需轨道面的数量P，轨道面数量和轨道面中卫星数量为：

设置链路保护高度H_c，根据其中两颗卫星的星间地心角θ_ISL和卫星的高度H_s决定两星的通信距离，计算星间通信最大地心角为：

计算通信距离：

D_ISL＝2·(H_s+R_e)·sin(θ_ISL/2) (6)

轨道面内卫星数量N满足：

N＞2π/θ^max _ISL (7)

轨道面之间卫星的最小地心角θ^min _IOL满足：

θ^min _IOL＜θ^max _ISL (8)。

可选的，在所述的全球组网协同星座应急调度方法中，根据全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，获取以地理分区为长期值守分组策略包括：

将经度宽度为90°，纬度宽度为90°的一个区域划分为一个值守区域，进入一个值守区域的卫星动态组成分组，在全球范围内划分出8个值守区域，获得8个分组；

分组集合为：

Group＝{G₁,G₂,...,G₈} (9)

每个分组包含的变量为：

G_na＝{Sat_na,Tar_na,L_na,F_na} (10)

其中na为区域编号，取值在1-8之间；

Sat_na为组内卫星集合，Tar_na为分配给改组的目标集合，L_na为组内主星，F_na组内从星。

可选的，在所述的全球组网协同星座应急调度方法中，根据全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，获取事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略包括：

针对正对赤道上经度0°、90°、180°、-90°的四个区域交点为中心，设立四个经纬度宽度为20°的冲突区；

如果目标落入冲突区，则激活动态快速分组策略；

动态快速分组集合为：

CG＝{CG₁,CG₂,...,CG₈} (11)。

可选的，在所述的全球组网协同星座应急调度方法中，根据全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，获取事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略还包括：

将不同轨道面按照升交点经度与冲突区的距离关系，将其分配到动态冲突区中；

通过计算|CG^ca _G0-Ω_central|来选取距离冲突区最近的轨道面；

其中CG^ca _G0为冲突区的中心经度，Ω_central为轨道面的升交点经度或者降交点经度的中心经度；

一个轨道面的所有卫星的升交点经度都分布在一个宽度为R_Ω的经度区间内，R_Ω为：

R_Ω＝T·ω_e (12)

其中：T为该轨道面的轨道周期，ω_e为地球速度。因此对于每个分组包含的变量为：

CG_ca＝{Sat_ca,Tar_ca,L_ca,F_ca,Ω_A,Ω_D} (13)

其中ca为区域编号，取值在1-4之间；

Sat_ca为组内卫星集合，Tar_ca为分配给改组的目标集合，L_ca为组内主星，F_ca组内从星，Ω_A为最近的升交点经度所处轨道面编号，Ω_D为最近的降交点经度所处轨道面编号。

可选的，在所述的全球组网协同星座应急调度方法中，选定轨道面后，采用基于相对运动分析选取原则选择轨道面上的卫星组成分组

在获得目标的位置和初步运动速度信息后，计算目标与卫星的相对运动角度并设置相对角度影响因子

依据目标与卫星的距离设置相对距离影响因子

由目标的高度生成半径为D_b(H_t)的不可见区域影响因子

计算基于相对运动分析的轨道面内选星因子SF：

式中，w_ra为相对角度影响因子的权重，w_dis为相对距离影响因子的权重，w_bd为不可见区域影响因子的权重。

在本发明提供的全球组网协同星座应急调度方法中，通过分析全球组网协同星座的设计特点，获取全球组网协同星座的空间分布特性与时间分布特性、全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，进一步得到以地理分区为长期值守分组策略以及事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略，以进行全球组网协同星座目标探测的任务调度，提出了一种以地理分区为长期值守分组策略与事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略相结合的多重策略。在策略指导下完成任务分组，开展工作窗口调度，多重策略可有效应对不同区域的目标触发，并实时完成分组及工作窗口规划调度，较好解决了任务突发情况下的系统响应，由于采用了优先分组的策略，降低了全局优化的复杂度，具有创新性，且具备较好的应用价值。本发明提出了一种多重策略下的星座应急任务快速优化的策略。将对目标观测的分析结合红外星座的轨道特性开展，可以提高系统对应急任务的响应能力。

附图说明

图1是本发明一实施例红外低轨星座空域覆盖示意图；

图2是本发明一实施例空域覆盖地面投影示意图；

图3是本发明一实施例星座的覆盖投影分析示意图；

图4是本发明一实施例星间链路示意图；

图5是本发明一实施例全球分区示意图；

图6是本发明一实施例任务调度流程示意图；

图7(a)是本发明一实施例基于动态快速分组策略对目标1的卫星分组选星结果示意图；

图7(b)是本发明一实施例基于区域值守策略对目标2的卫星分组选星结果示意图；

图8(a)是本发明一实施例对目标1的工作窗口规划结果示意图；

图8(b)是本发明一实施例对目标1及目标2的工作窗口规划结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的全球组网协同星座应急调度方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

本发明的核心思想在于提供一种全球组网协同星座应急调度方法，以解决现有的红外低轨星座在目标数量较大时难以满足系统实时任务响应要求的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种全球组网协同星座应急调度方法，包括：进行全球组网协同星座的设计特点分析，获取全球组网协同星座的空间分布特性与时间分布特性；根据空间分布特性与时间分布特性，获取全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性；根据全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，获取以地理分区为长期值守分组策略；根据全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，获取事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略；结合地理分区为长期值守分组策略与事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略，全球组网协同星座进行目标探测的任务调度。

本实施例中，全球组网协同星座为红外低轨星座，面向红外低轨星座的应急任务规划与资源调度问题，结合红外低轨星座的空间与时间分布特性，本发明提出另一种基于多重策略的红外低轨星座任务应急调度方法。该方法结合红外低轨星座的设计特点，从星座全球分布的均匀性、结构的对称性以及星座内卫星运动的周期性分析作为输入，提出了一种以地理分区为长期值守分组策略与事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略相结合的多重策略。在策略指导下完成任务分组，开展工作窗口调度。经仿真分析，多重策略可有效应对不同区域的目标触发，并实时完成分组及工作窗口规划调度，较好解决了任务突发情况下的系统响应，由于采用了优先分组的策略，降低了全局优化的复杂度，具有创新性，且具备较好的应用价值。

红外低轨星座的设计目标是为了构建一个面向全球分布的时敏动态多目标进行协同观测系统。星座的设计要满足对于全球空域空间时敏目标的立体观测与组网通信的要求。因此对于目标空域的全球二重覆盖以及保持星座整网联通的要求是星座设计的主要目标。

空域覆盖能力的主要约束包括临边观测的约束以及最大探测距离的约束。具体可见图1。

卫星需要在深空背景下观测目标，即卫星与目标的连线应高于大气临边的高度H_a。同时卫星的红外载荷探测能力是有限的，最大的探测距离为L。

为了进行全球覆盖的设计将临边约束和最大观测距离投影到地球表面。其中由临边约束产生的不可见区域是以星下点为中心，弧段D_b(H_t)为半径的圆形区域。其中H_t为目标的高度，因此这个圆形区域的大小是变化的，由目标分布的上下边界决定。不可见弧段D_b(H_t)的计算方法见公式(1)，其中H_s为卫星高度。

式中：R_e为地球半径。

同样，最大观测距离对应的到地面也产生一个半径为D(H_t)的圆形区域。最大探测弧段D(H_t)的计算方法可见公式(2)。

以星下点为中心，最大可观测距离去除不可观测范围获得一个带状的区域，环带的宽度D_l(H_t)见公式(3)。

D_l(H_t)＝D(H_t)-D_b(H_t) (3)

投影到地面的覆盖示意图可见图3。其中蓝色部分为卫星的单重覆盖区域，红色为空域的二重覆盖区域，星下点的中心区域未被它星覆盖的部分代表盲区。覆盖的投影大小随着目标高度的分布不同而变化，目标高度越低则盲区越大，目标高度越接近卫星的高度则覆盖区域越大。

从红外低轨星座的观测特点触发，结合全球覆盖特性的要求，适合选用Walker星座构型。其中Walker星座δ构型具备较好的覆盖特性。Walker-δ的特点是由多颗高度相同，倾角相同，轨道面之间升交点均匀分布，轨道面内卫星的相位也均匀分布的一种星座。常用T/P/F来表示其构型。其中T代表卫星总数，P代表轨道面的数量，F代表相邻轨道面间的相位差。

结合和对于红外低轨星座覆盖能力的分析，可以进行红外星座规模的分析与设计。将观测能力投影到地面分析覆盖特性。覆盖分析可见图3。

其中，卫星在一个轨道面中均匀分布，在轨道面内星间的半间距S决定了一个轨道面内所需卫星的数量N，轨道面半覆盖宽度C决定了所需轨道面的数量P。D为最大探测弧段。轨道面和轨道面中卫星数量的具体估算方法可见公式(4)。

同时，星座的设计还要考虑到星座可以实时保持网络联通性能。因此需要考虑星间链路的约束。

如图4所示，其中两颗卫星的星间地心角θ_ISL和卫星的高度H_s决定了两颗星的通信距离。同时卫星之间为了降低链路的损耗，需要避免穿越大气，一次设置了链路高度的保护H_c。星间通信最大地心角和传输距离的计算见公式(5)和公式(6)。

星间通信最大地心角的计算：

传输距离计算：

D_ISL＝2·(H_s+R_e)·sin(θ_ISL/2) (6)

因此轨道面内卫星数量N也需要满足公式(7)的要求。

N＞2π/θ^max _ISL (7)

同时要求两个轨道面之间的至少有一对卫星可以跨轨道面组链路(Inter OrbitILS，IOL)，因此轨道面之间卫星的最小地心角θ^min _IOL应小于轨道面内的最大地心角(8)。

θ^min _IOL＜θ^max _ISL (8)

以上，由于红外低轨星座的空间覆盖和星间链路连通性的要求，红外低轨星座的设计结果具有了两个方面的特性。首先由于轨道面以及轨道面中的卫星是均匀分布的因此星座的空间分布具有高度的均匀性与对称性。同时，虽然卫星运动高度动态，当卫星之间的相对位置关系的变化具有很高的周期性。因此对于红外低轨星座的管理与调度需要充分考虑其空间中星座的均匀性、对称性以及变化规律高度周期性的特点。

红外低轨星座面向空间时敏目标的探测本质是如何将有限的观测资源合理地在时间和空间上进行分配的过程。同时由于目标出现的突发特性和目标信息的依赖性，需要系统基于外部输入的目标信息进行快速的资源调度和任务窗口的规划，来保障观测任务的及时开展。

目标的出现是一个不确定的事件，在红外低轨星座传感器的研究中，一般会采用在任务初期进行一次全局的优化决策过程来完成星座资源对于目标分配。由于需要进行多种约束的计算以及全局寻优算法的时间复杂度，即便采用次优算法进行求解，也将消耗较大的运算资源。

根据全球组网协同星座的设计特点的分析结果，红外低轨星座选取的构型都具有高度的均匀和对称分布特性，在动态过程中也有很强的周期特性。因此对于任务的管理应与红外低轨星座的空间特征结合，从而提升系统的工作效率。本发明提出一种基于多重策略的红外低轨星座任务应急调度方法。主要采用全球分区管控值守分组策略与基于相对运动分析的动态快速分组策略相结合的方法来提升对于突发事件的快速响应能力。

根据星座内卫星的分布特性，虽然卫星处于高度动态的过程，但是选取合适的空间范围后，处于空间范围内的卫星数量是相对固定的，而且出入区域的时间也具有很高的周期特性。因此在红外低轨星座中采用了一种长期在轨维持的分组策略。如图5所示，将经度宽度为90°，纬度宽度为90°的一个区域划分为一个值守区域，进入该区域的卫星动态组成分组。这样在全球范围内划分出8个值守区域，获得8个分组。分组集合可以表示为(9)。

Group＝{G₁,G₂,...,G₈} (9)

对于每个分组包含的变量为(10)。

G_na＝{Sat_na,Tar_na,L_na,F_na} (10)

其中na为区域编号，取值在1-8之间。Sat_na为组内卫星集合，Tar_na为分配给改组的目标集合，L_na为组内主星，F_na组内从星。区域分组见图5。

同时对于四个分区交接的区域，组间切换在这些区域切换频繁，因此针对正对赤道上经度0°、90°、180°、-90°的四个区域交点为中心，设立四个经纬度宽度为20°的冲突区。如果目标落入冲突区，则激活动态快速分组策略。动态快速分组共4个触发区域，分组集合可以表示为(11)

CG＝{CG₁,CG₂,...,CG₈} (11)

基于相对运动分析的动态快速分组策略，主要为了解决两个问题。问题一是在四个区域交界处的分组冲突问题。因此在目标出现前，该策略不激活。问题二是解决在目标落入该区域后如何快速组成观测组的问题。在动态快速分组策略中，轨道的固有特性依然是分组策略制定的重要依据。由于Walker-δ星座中多个轨道面的升交点经度Ω_A在赤道上也是均匀分布的，因此可以将不同轨道面按照升交点经度与冲突区的距离关系，将其分配到动态冲突区中。同时由于轨道面的对称性，需要同时考虑轨道面的降交点经度Ω_D。通过计算|CG^ca _G0-Ω_central|来选取距离分区最近的轨道面。其中CG^ca _G0为冲突区的中心经度，Ω_central为轨道面的升交点经度或者降交点经度的中心经度。这是由于一个轨道面的所有卫星的升交点经度都分布在一个宽度为R_Ω的经度区间里。

R_Ω＝T·ω_e (12)

其中：T为该轨道面的轨道周期，ω_e为地球速度。因此对于每个分组包含的变量为(13)

CG_ca＝{Sat_ca,Tar_ca,L_ca,F_ca,Ω_A,Ω_D} (13)

其中ca为区域编号，取值在1-4之间。Sat_ca为组内卫星集合，Tar_ca为分配给改组的目标集合，L_ca为组内主星，F_ca组内从星，Ω_A为最近的升交点经度所处轨道面编号，Ω_D为最近的降交点经度所处轨道面编号。

选定轨道面后，需要进一步选择轨道面上的卫星组成分组。这里采用基于相对运动分析选取原则。在获得目标的位置和初步的运动速度信息后，计算目标与卫星的相对运动角度并设计相对角度影响因子

依据目标与卫星的距离设计相对距离影响因子

以及由目标高度生成半径为D_b(H_t)的不可观测区域影响因子

从而形成基于相对运动分析的轨道面内选星因子SF，计算如(14)。

式中，w_ra，w_dis，w_bd为对应相对角度影响因子、距离影响因子和不可观测区域影响因子的权重。

本实施例中全球组网协同星座应急调度方法的主要变量包括目标变量、卫星资源变量、可见窗口变量、任务决策变量

其中ID_i为目标的系统编号，w_i为目标的系统权重，st_i为开始时间，et_i为结束时间，period_i为周期，position_i为目标位置信息，velocity_i为目标速度信息。

对于卫星Sat_j，

其中SCID_j为卫星的编号。Role_j是卫星在系统任务中承担的角色，可以为主星或者从星。Status_j为卫星的工作状态。

为Sat_j正在承担的任务。

为当前的卫星载荷空间指向角度。Position_j为卫星位置，Velocity_j为卫星速度，WrokTime_j为卫星还可工作的时间长度。

可见窗口

其中，

为窗口起始时间，

为窗口结束时间，

为窗口的长度，

为指向窗口开始点的卫星指向角度，

为指向窗口结束时刻的卫星指向角度，

为观测窗口中卫星与目标之间的最大距离，

为观测窗口中卫星与目标之间的最小距离。

在完成任务规划候，生成规划执行窗口集合；

表示在任务规划后的卫星Sat_j对目标Tar_i的第e个执行窗口。

其中

为任务开始时间，

为任务结束时间。

本实施例中全球组网协同星座应急调度方法的目标函数包括：为了简化问题的分析，在调度过程中，主要考虑的约束包括两颗卫星同时可以观测目标才满足任务要求，每个传感器一个时间段只能观测一个目标。优化目标时主要考虑两个目标，一个是选择较长的观测弧段，一个是尽早开始观测。

目标函数：

其中w_p为观测时间的权重，w_st为开始时间权重。

约束条件：如观测组合为(Sat_n，Sat_m)，则

决策变量：

本实施例中全球组网协同星座应急调度方法的基于多重策略的调度流程见图6。调度方案的具体执行步骤如下，第一步：在外部目标信息输入条件下的触发初始任务调度方案。第二步：依据目标位置所在区域进行策略的选择，如在地理值守区域则根据区域的分组信息直接触发任务规划与调度的计算过程；如目标位置出处于冲突区域，则触发基于相对运动分析的动态快速分组策略。根据冲突区选择临近轨道面并通过选星因子选出动态观测分组。第三步：确定分组之后，根据目标轨迹预测以及卫星信息计算所有可见窗口。第四步：根据目标函数和约束条件进行任务窗口的优选。第五步：通过星间链路进行任务分配。第六步：任务执行。第七步：判别观测任务是否结束，如是，则调度过程结束，如否则执行第六步。

本实施例中全球组网协同星座应急调度方法的仿真算例包括：仿真输入采用32/4/1/1600km/60°的星座构型进行，种子星Satellite1的具体参数见表1。

表1卫星Satellite1轨道参数

参数	取值
		半长轴	7878.14km
离心率	5.82968e-19
		轨道倾角	60°
升交点赤经	2.39826e-17deg
		近地点幅角	0°
真近点角	0°

临边高度等仿真参数见表2.

表2仿真参数设置

各项权重的取值见表3

表3权重设置

参数	取值
		相对角度权重w<sub>ra</sub>	0.15
距离权重w<sub>dis</sub>	0.65
		不可观测区域权重w<sub>bd</sub>	0.2
观测时长权重w<sub>p</sub>	0.85
		开始时间权重w<sub>st</sub>	0.15

用于仿真的目标，给出两个点的位置，相见表4.

表4目标初始位置

本实施例中全球组网协同星座应急调度方法的仿真结果包括：首先进行了分组策略的仿真验证，先后输入目标1和目标2的两点位置信息后，进行了不同策略的激活。目标1处于冲突区，采用基于相对运动分析的动态快速分组策略进行优选，目标2处于G3分区，采用了区域值守的分组分析。初步的选星结果可见图7的(a)，(b)。

通过仿真验证，在目标出现后采用多重策略进行任务星分组的策略是有效的。其中目标1选出了编号11，16，32，33的卫星组成了编队，并按照优选轨道面和轨道面优选卫星进行了排序。

目标2选出了11，12，32，33也根据可见关系对观测的卫星进行了排序，但基于区域值守策略卫星分组，所选的卫星并非都是观测条件最好的卫星。因为没有采取轨道面和基于相对运动关系的优化。但保持长期动态分组，不用进行分组运算，可以完成目标初期的任务规划要求。

接下来进行了任务窗口分配的验证。采取了先对先出现的目标1进行窗口分配，再目标2出现后再进行整体对于目标1，2的窗口分配。详见图8的(a)(b)。

从图8的(a)(b)中，可以看出目标1出现后，优于优选出了较好的轨道和卫星，所以针对目标一完成了完成的立体观测窗口规划。而针对目标2的窗口分析，通过分组后可见性的分析，也选出了两段立体观测弧段。因此前期的分组策略并不影响第二阶段的工作窗口分析。需要指出的是，由于本发明没有考虑目标精度发散的问题，在实际应用中，存在目标2的第二个立体观测弧段可能无法完成目标捕获而失败。关于精度约束的分析也是后续主要需要拓展的工作。

本发明面向红外低轨星座任务的突发性，目标出现不可预测性，根据红外低轨星座的星座空间和时间上的均匀性、对称性和周期性，提出了一种多重的应急调度策略。由基于区域值守的长期分组策略和基于相对运动特性分析的动态快速分组策略。

经过仿真计算分析。基于不同触发条件的多重应急调度策略是有效的。可以快速进行面向目标探测的组网和工作窗口的调度规划。其中基于相对运动特性分析的动态快速分组策略，由于在选择观测卫星时就针对观测条件进行了优选，因此选择的卫星可以获得较好的组网观测效果。基于区域的分组未作优化，但提高了响应的时效性，并且可以在第二阶段的窗口规划中进行进一步的优选。后续还需要结合目标的精度发散等约束进行窗口规划算法的优化。最后，本发明提出了基于多重策略的红外低轨星座任务应急调度方法，该方法充分考虑了红外低轨星座的轨道特性，并从红外低轨星座空间和时间的特性出发提出了长期和突发结合的运行策略，具有创新性，且具备较好的应用价值。

综上，上述实施例对全球组网协同星座应急调度方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种全球组网协同星座应急调度方法，其特征在于，包括：

进行全球组网协同星座的设计特点分析，获取全球组网协同星座的空间分布特性与时间分布特性；

根据空间分布特性与时间分布特性，获取全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性；

根据全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，获取以地理分区为长期值守分组策略；

根据全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，获取事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略；

结合地理分区为长期值守分组策略与事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略，全球组网协同星座进行目标探测的任务调度。

2.如权利要求1所述的全球组网协同星座应急调度方法，其特征在于，所述进行全球组网协同星座的设计特点分析，获取全球组网协同星座的空间分布特性与时间分布特性包括：

使全球组网协同星座的设计特点符合面向全球分布的时敏动态多目标进行协同观测系统；

使全球组网协同星座的设计特点符合全球空域空间时敏目标的立体观测与组网通信要求；

使全球组网协同星座的设计特点符合对目标空域的全球二重覆盖、以及保持星座整网联通要求；

全球组网协同星座的空域覆盖约束包括：临边观测约束及最大探测距离约束。

3.如权利要求2所述的全球组网协同星座应急调度方法，其特征在于，所述进行全球组网协同星座的设计特点分析，获取全球组网协同星座的空间分布特性与时间分布特性包括：

卫星与目标的连线高于大气临边的高度H_a，卫星红外载荷的最大探测距离约束为L；

将临边观测约束和最大探测距离约束投影到地球表面；

由临边观测约束投影到地球表面产生以星下点为中心、半径为D_b(H_t)的圆形不可见区域；其中H_t为目标的高度；

不可见区域的半径D_b(H_t)的计算方法见公式(1)，其中H_s为卫星高度；

式中：R_e为地球半径；

最大探测距离约束投影到地球表面产生半径为D(H_t)的圆形区域，最大探测弧段D(H_t)的计算方法为：

以星下点为中心，最大探测弧段去除不可见区域获得带状区域，带状区域的宽度D_l(H_t)为：

D_l(H_t)＝D(H_t)-D_b(H_t) (3)。

4.如权利要求3所述的全球组网协同星座应急调度方法，其特征在于，根据空间分布特性与时间分布特性，获取全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性包括：

设置卫星在一个轨道面中均匀分布，根据在轨道面内星间的半间距S计算一个轨道面内所需卫星的数量N，根据轨道面半覆盖宽度C计算所需轨道面的数量P，D为最大探测弧段，轨道面数量和轨道面中卫星数量为：

设置链路保护高度H_c，根据其中两颗卫星的星间地心角θ_ISL和卫星的高度H_s决定两星的通信距离，计算星间通信最大地心角为：

计算通信距离：

D_ISL＝2·(H_s+R_e)·sin(θ_ISL/2) (6)

轨道面内卫星数量N满足：

N＞2π/θ^max _ISL (7)

轨道面之间卫星的最小地心角θ^min _IOL满足：

θ^min _IOL＜θ^max _ISL (8)。

5.如权利要求4所述的全球组网协同星座应急调度方法，其特征在于，根据全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，获取以地理分区为长期值守分组策略包括：

将经度宽度为90°，纬度宽度为90°的一个区域划分为一个值守区域，进入一个值守区域的卫星动态组成分组，在全球范围内划分出8个值守区域，获得8个分组；

分组集合为：

Group＝{G₁,G₂,...,G₈} (9)

每个分组包含的变量为：

G_na＝{Sat_na,Tar_na,L_na,F_na} (10)

其中na为区域编号，取值在1-8之间；

Sat_na为组内卫星集合，Tar_na为分配给改组的目标集合，L_na为组内主星，F_na组内从星。

6.如权利要求5所述的全球组网协同星座应急调度方法，其特征在于，根据全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，获取事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略包括：

针对正对赤道上经度0°、90°、180°、-90°的四个区域交点为中心，设立四个经纬度宽度为20°的冲突区；

如果目标落入冲突区，则激活动态快速分组策略；

动态快速分组集合为：

CG＝{CG₁,CG₂,...,CG₈} (11)。

7.如权利要求6所述的全球组网协同星座应急调度方法，其特征在于，根据全球组网协同星座的全球分布均匀特性、全球组网协同星座结构对称特性、以及全球组网协同星座内卫星运动周期特性，获取事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略还包括：

将不同轨道面按照升交点经度与冲突区的距离关系，将其分配到动态冲突区中；

通过计算|CG^ca _G0-Ω_central|来选取距离冲突区最近的轨道面；

其中CG^ca _G0为冲突区的中心经度，Ω_central为轨道面的升交点经度或者降交点经度的中心经度；

一个轨道面的所有卫星的升交点经度都分布在一个宽度为R_Ω的经度区间内，R_Ω为：

R_Ω＝T·ω_e (12)

其中：T为该轨道面的轨道周期，ω_e为地球速度。因此对于每个分组包含的变量为：

CG_ca＝{Sat_ca,Tar_ca,L_ca,F_ca,Ω_A,Ω_D} (13)

其中ca为区域编号，取值在1-4之间；

Sat_ca为组内卫星集合，Tar_ca为分配给改组的目标集合，L_ca为组内主星，F_ca组内从星，Ω_A为最近的升交点经度所处轨道面编号，Ω_D为最近的降交点经度所处轨道面编号。

8.如权利要求7所述的全球组网协同星座应急调度方法，其特征在于，选定轨道面后，采用基于相对运动分析选取原则选择轨道面上的卫星组成分组

在获得目标的位置和初步运动速度信息后，计算目标与卫星的相对运动角度并设置相对角度影响因子

依据目标与卫星的距离设置相对距离影响因子

由目标的高度生成半径为D_b(H_t)的不可见区域影响因子

计算基于相对运动分析的轨道面内选星因子SF：

式中，w_ra为相对角度影响因子的权重，w_dis为相对距离影响因子的权重，w_bd为不可见区域影响因子的权重。

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