CN115204628B - 基于成像资源自适性调节的卫星最小量元任务规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于成像资源自适性调节的卫星最小量元任务规划方法，包括：构建卫星载荷对地观测模型，计算星载传感器目标观测区域的经纬度信息并记录在卫星可视栅格表中；基于卫星可视栅格表构建任务区域栅格表；将相邻栅格间进行合并，形成初始成像条带集进行合并，获得连续成像条带；对连续成像条带进行开机层规划处理，获得元任务条带，将调节后的元任务条带分配到不同的开机块；根据轨道层约束将开机块分配到不同的回归周期中，产生单轨任务规划序列，提取优先级和收益信息，对单轨任务进行排序，产生最终的任务规划序列。本发明降低了任务规划问题的计算量和复杂度,提高了卫星对地观测任务规划的效率。

Description

基于成像资源自适性调节的卫星最小量元任务规划方法

技术领域

本发明涉及卫星任务规划技术领域，特别是涉及一种基于成像资源自适性调节的卫星最小量元任务规划方法。

背景技术

目前，针对卫星任务分解规划问题，专利“一种基于多星多载荷的卫星集群协同规划方法”以任务区域覆盖范围最大化，采集次数、采集成本和最终采集时间组合最小化为目标，对有效条带进行分解和排序，其中未考虑到任务的优先级。专利“基于合成策略的成像卫星应急任务规划方法和系统”在规划方案中将选取的应急任务插入到可见时间窗的无冲突位置,该方法虽然能够通过合成观测减少成像卫星开机次数，但不能使任务区域的总体观测时间最短。专利“一种面向自然灾害应急响应的卫星快速规划方法及系统”采用基于重点任务优先规则的快速卫星任务规划方式进行动态任务的协同规划和资源重组，同样未考虑到总体观测时间。专利“一种资源充足情形下最小完工时间的卫星任务规划方法”以最小完工时间为目标完成卫星任务规划,虽然能够缩短执行任务所需时间，但仍可以在最小完工时间不变的基础上对不同回归周期的任务规划序列做出调整，从而在卫星对观测区域任务优先级和收益方面做出改进。

发明内容

本发明的目的是提供基于成像资源自适性调节的卫星最小量元任务规划方法，以解决上述现有技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

基于成像资源自适性调节的卫星最小量元任务规划方法，包括：

构建卫星载荷对地观测模型，基于所述卫星载荷对地观测模型计算目标观测区域的经纬度信息并记录在卫星可视栅格表中；

基于所述卫星可视栅格表构建任务区域栅格表，所述任务区域栅格表包括完全落在和部分落在所述目标观测区域内的卫星可视栅格；

参照所述任务区域栅格表，进行相邻栅格间的合并，形成初始成像条带，将所述初始成像条带进行合并，获得连续成像条带集；

对所述连续成像条带集进行开机层规划处理，获得元任务条带，调节所述元任务条带长度，并将调节后的元任务条带分配到不同的开机块；

根据轨道层约束将所述开机块分配到不同的回归周期中，产生单轨任务规划序列，其中，所述单轨任务规划序列处于不同回归周期，提取单轨任务规划序列的优先级和收益信息，对单轨任务进行排序，产生最终的任务规划序列。

优选地，所述卫星可视栅格表中包括采样时刻、栅格顶点经纬度坐标、轨道号、星载传感器波位号、升降轨标识信息。

优选地，所述任务区域栅格表中还包括：栅格的优先级和收益信息。

优选地，获得所述连续成像条带集，包括：

参照所述任务区域栅格表，首先进行相邻栅格间的初步合并，形成所述初始成像条带，再根据最小开机时长和最小成像时长约束，将同波位初始成像条带再次合并得到所述连续成像条带集，并计算连续成像条带集的优先级和收益。

优选地，所述相邻栅格间的初步合并为，对相邻栅格相距时间等于时间步长的栅格进行合并；所述同波位初始成像条带再次合并为，当具有相同波位号的前一初始成像条带满足第一预设阈值且紧邻的后一初始成像条带满足第二预设阈值时，则初始成像条带、所述前一初始成像条带与所述紧邻的后一初始成像条带合并为同一个连续成像条带。

优选地，所述第一预设阈值为所述前一初始成像条带的观测时长小于最小开机时长和最小成像时长，所述第二预设阈值为所述紧邻的后一初始成像条带的开始观测时间在其前一条带的最小开机时长和最小成像时长内。

优选地，所述初始成像条带和所述连续成像条带中包括：成像开机时间、成像结束时间、轨道号、波位号、升降轨标识、优先级和收益，其中，所述优先级为条带所包含栅格的最高优先级，所述收益包括所述栅格收益的总和。

优选地，所述开机层规划处理包括，根据开机层约束对所述连续成像条带进行适应性条带切割、条带补充和条带融合，得到所述元任务条带并分配到所述不同的开机块，所述开机块记录有本开机块内的连续成像条带信息、成像次数、成像时间间隔、开机时长以及开关机时间。

优选地，所述开机层约束包括单次开机最大时长、单次开机成像次数、单次开机累计成像时长、最大成像时长、最小成像时长、同波位成像间隔和不同波位成像间隔。

优选地，产生所述最终的任务规划序列，包括：从所述不同回归周期的单轨任务规划序列中提取优先级和收益信息，根据不同回归周期累计优先级和收益的大小，对单轨任务进行排序，产生最终的任务规划序列；其中，所述不同回归周期的单轨任务规划序列记录有每个回归周期分配到的开机块信息、开关机次数、开关机时间间隔、该回归周期的第一次开机时刻、最后一次关机时刻、单轨优先级和收益。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过采用成像条带自适性调节方法，实现卫星最小量元任务的分解，解决了连续成像条带在复杂成像约束下如何进行切割、补充和融合的问题，提高了卫星冗余成像资源的利用率；

(2)本发明通过采用层次化任务规划方法，利用层级嵌套的方式，实现开机块内成像任务规划和轨道层开机任务规划，解决了一次开机多次成像和单轨多次开机的复杂任务规划问题，降低了任务规划问题的计算量和复杂度,提高了卫星对地观测任务规划的效率；

(3)本发明通过综合优先级收益最大的轨间任务重组策略，实现在以最小回归周期数为规划目标的前提下，卫星任务规划序列综合优先级收益的最大化，兼顾了卫星对地观测任务的工作效率和经济效益。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例的条带补充过程示意图；

图3为本发明实施例的条带融合过程示意图；

图4为本发明实施例的条带适应性切割、补充和融合过程示意图；

图5为本发明实施例的不同回归周期单轨任务规划结果示意图；

图6为本发明实施例的随回归周期数增长的综合优先级收益和覆盖率变化情况示意图；

图7为本发明实施例的卫星元任务贪婪规划算法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1，本实施例提供基于成像资源自适性调节的卫星最小量元任务规划方法，包括：

步骤一，卫星载荷对地建模。根据卫星轨道参数确定采样时刻卫星在轨的空间位置状态，建立卫星载荷对地观测模型，计算星载传感器可观测区域的经纬度信息并记录在卫星可视栅格表中。

步骤二，任务区域栅格判断。判断卫星可视栅格是否部分落在或全部落在目标任务观测任务区域内，落在目标观测区域内的栅格组成任务区域栅格表。

步骤三，连续成像条带合成。参照任务区域栅格表，首先进行相邻栅格间初步合并，形成初始成像条带。再根据最小开机时长和最小成像时长约束，将同波位初始成像条带再次合并得到连续成像条带集，并计算连续成像条带的优先级和收益。

步骤四，最小量元任务自适性调节。对连续成像条带集进行开机层规划，按照开机层约束对连续成像条带进行适应性切割、补充和融合，得到元任务条带。在按照约束动态调节元任务条带长度，并将调节后的元任务条带分配到不同的开机块。

步骤五，元任务时序最优规划。根据轨道层约束，循环选取剩余开机块集中最早开始的开机块，依照轨道层约束将开机块分配到不同的回归周期，直至开机块集为空，实现开机块到不同回归周期单轨任务的分配，产生不同回归周期的单轨任务规划序列(如图5)。

步骤六，综合收益最大的轨间任务重组。从不同回归周期的单轨任务规划序列中提取优先级和收益信息，根据不同回归周期累计优先级和收益的大小，对单轨任务进行排序，优先级高且收益大的回归周期对应的单轨任务序列优先被观测，产生最终的任务规划序列。

步骤一中，所述的卫星可视栅格表包括采样时刻、栅格顶点经纬度坐标、轨道号、星载传感器波位号、升降轨标识等信息。

步骤二中，所述的任务区域栅格表除了包含卫星可视栅格表记录的数据外，还标记有栅格的优先级和收益信息。

步骤三中，所述的初步合并是指对相邻栅格相距时间等于时间步长的栅格进行合并。所述的同波位初始成像条带再次合并是指当具有相同波位号的前一初始成像条带的观测时长小于最小开机时长和最小成像时长，且紧邻的后一初始成像条带的开始观测时间在前一条带的最小开机时长和最小成像时长内时，这两个初始成像条带可合并为同一个连续成像条带。初始成像条带和连续成像条带记录有成像开机时间、成像结束时间、轨道号、波位号、升降轨标识、优先级和收益。优先级为该条带所包含栅格的最高优先级，收益取其包含栅格收益的总和。

步骤四中，所述的开机层规划算法需按照开机层约束对连续成像条带进行元任务分解，主要包括条带切割、补充和融合三个操作(如图4)。在按照约束动态调节元任务条带长度的同时，采用如图7所示的贪婪算法将调节后的元任务条带分配到不同的开机块。

(1)条带切割

条带切割是指在给开机块分配成像条带时，将连续成像条带分解成满足最大成像时长、开机最大时长、单次开机累计成像时长和成像次数要求的元任务条带。

(2)条带补充

当元任务条带的长度不满足最小成像时长时，需要将条带长度扩充至最小成像时长，原方法是向后延长该条带的成像时间(如图2中条带3)，部分元任务条带(如图2中条带5)会因成像间隔约束未被优先考虑放入开机块，导致原开机块对应时间段空缺，造成成像资源的浪费。条带补充过程将向前后两个方向扩充条带，对不满足最小成像时长的条带开始和结束时间进行调节，为下一元任务条带的选择预留更长的空闲成像时段，从而使成像块中元任务条带排列更加紧密，减少了成像资源的浪费，提高了总体观测时间效率。

(3)条带融合

在一次开机多次成像的开机块规划过程中，通常当条带间隔满足成像间隔约束就再次成像，此时会出现成像次数达到上限而成像时长资源仍有剩余的情况。条带融合过程可以将已规划入开机块的元任务条带在满足最大成像时长和单次开机累计成像时长的约束条件下融合成同一元任务条带(图3中条带3、4进行了融合)，从而预留出一定的开机次数，使得更多的元任务条带能够放入该开机块，更加高效地利用成像资源。

开机层约束包括单次开机最大时长、单次开机成像次数、单次开机累计成像时长、最大成像时长、最小成像时长、同波位成像间隔和不同波位成像间隔。开机块记录有本开机块内的连续成像条带信息、成像次数、成像时间间隔、开机时长以及开关机时间。

步骤五中，轨道层约束包括单轨开机次数、单轨累计开机时长、单轨累计成像次数、单轨累计成像时长、单次开机最小时长、开机间隔。不同回归周期的单轨任务规划序列记录有每个回归周期分配到的开机块信息、开关机次数、开关机时间间隔、该回归周期的第一次开机时刻、最后一次关机时刻、单轨优先级和收益。如图6所示为随回归周期数增长的综合优先级收益和覆盖率变化情况。

本发明在综合考虑航天对地观测任务需求的前提下，结合卫星载荷成像约束，设计了基于成像资源自适应调节方法，实现了最小量元任务的分解并使元任务排列更加紧密，避免了成像冗余资源的浪费，提高了卫星有效载荷资源的利用率。采用层次化任务规划方法解决了一次开机多次成像和单轨多次开机的复杂任务规划问题，并且通过综合优先级收益最大的轨间任务重组策略实现了卫星任务规划序列综合优先级收益的最大化，在提升卫星对地观测效率的同时，兼顾经济效益。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.基于成像资源自适性调节的卫星最小量元任务规划方法，其特征在于，包括：

构建卫星载荷对地观测模型，基于所述卫星载荷对地观测模型计算目标观测区域的经纬度信息并记录在卫星可视栅格表中；

基于所述卫星可视栅格表构建任务区域栅格表，所述任务区域栅格表包括完全落在和部分落在所述目标观测区域内的卫星可视栅格；

参照所述任务区域栅格表，进行相邻栅格间的初步合并，形成初始成像条带，再根据最小开机时长和最小成像时长约束，将同波位初始成像条带再次合并得到连续成像条带集，并计算连续成像条带的优先级和收益；

其中所述初步合并是指对相邻栅格相距时间等于时间步长的栅格进行合并；所述同波位初始成像条带再次合并是指当具有相同波位号的前一初始成像条带的观测时长小于最小开机时长和最小成像时长，且紧邻的后一初始成像条带的开始观测时间在前一条带的最小开机时长和最小成像时长内时，这两个初始成像条带可合并为同一个连续成像条带；所述初始成像条带和所述连续成像条带记录有成像开机时间、成像结束时间、轨道号、波位号、升降轨标识、优先级和收益；所述优先级为该条带所包含栅格的最高优先级，收益取其包含栅格收益的总和；

对所述连续成像条带集进行开机层规划处理，获得元任务条带，调节所述元任务条带长度，并将调节后的元任务条带分配到不同的开机块；其中，所述开机层规划处理包括：根据开机层约束对所述连续成像条带进行适应性条带切割、条带补充和条带融合，得到所述元任务条带并分配到所述不同的开机块，所述开机块记录有本开机块内的连续成像条带信息、成像次数、成像时间间隔、开机时长以及开关机时间；所述开机层约束包括单次开机最大时长、单次开机成像次数、单次开机累计成像时长、最大成像时长、最小成像时长、同波位成像间隔和不同波位成像间隔；所述条带切割为在给开机块分配成像条带时，将连续成像条带分解成满足最大成像时长、开机最大时长、单次开机累计成像时长和成像次数要求的元任务条带；条带补充过程将向前后两个方向扩充条带，对不满足最小成像时长的条带开始和结束时间进行调节，为下一元任务条带的选择预留更长的空闲成像时段；条带融合过程将已规划入开机块的元任务条带在满足最大成像时长和单次开机累计成像时长的约束条件下融合成同一元任务条带，从而预留出一定的开机次数，使得更多的元任务条带能够放入该开机块；

根据轨道层约束将所述开机块分配到不同的回归周期中，产生单轨任务规划序列，其中，所述单轨任务规划序列处于不同回归周期，提取单轨任务规划序列的优先级和收益信息，对单轨任务进行排序，产生最终的任务规划序列；

其中产生所述最终的任务规划序列，包括：从所述不同回归周期的单轨任务规划序列中提取优先级和收益信息，根据不同回归周期累计优先级和收益的大小，对单轨任务进行排序，产生最终的任务规划序列；其中，所述不同回归周期的单轨任务规划序列记录有每个回归周期分配到的开机块信息、开关机次数、开关机时间间隔、该回归周期的第一次开机时刻、最后一次关机时刻、单轨优先级和收益。

2.根据权利要求1所述的基于成像资源自适性调节的卫星最小量元任务规划方法，其特征在于，所述卫星可视栅格表中包括采样时刻、栅格顶点经纬度坐标、轨道号、星载传感器波位号、升降轨标识信息。

3.根据权利要求1所述的基于成像资源自适性调节的卫星最小量元任务规划方法，其特征在于，所述任务区域栅格表中还包括：栅格的优先级和收益信息。

Images