一种针对敏捷卫星的在线调度方法技术

本发明专利技术公开了一种针对敏捷卫星的在线调度方法，该方法包括：Step 1，设置由目标发现星和目标识别星组成的星簇；Step 2，目标发现星获取目标的低分辨率图像，并提取目标坐标及目标收益；Step 3，目标发现星将目标坐标和目标收益传送给目标识别星；Step 4，目标识别星接收目标坐标和目标收益，并获取目标的高分辨率图像，同时根据目标坐标和目标收益，以目标总收益最大化为优化目标，在线生成一个满足时序约束条件的观测调度方案；Step 5，当观测完当前目标，目标识别星根据Step 4生成的观测调度方案，目标识别星姿态机动到下一个目标的开始观测姿态。本发明专利技术能够解决海面目标识别的目标场景，利用一次过境的机会即可对海面的多个目标进行识别。

An online scheduling method for agile satellite

The invention discloses an on-line scheduling method for agile satellite, the method includes: Step 1, set by the target detection and target recognition of star cluster stars; Step 2, target detection of low resolution image acquisition of the target star, and extract the target coordinates and target return; Step 3, target detection the star will be the target coordinates and target returns transmitted to the target recognition of star Step; 4, receiving star target recognition target coordinates and target yield, high resolution images and obtain the target, at the same time according to the target coordinates and target return, to maximize the total revenue target as the optimization goal, online generate a satisfy the timing constraints. Observation scheduling Step scheme; 5, when the end observation target, target recognition based on Step 4 generation satellite observation scheduling scheme, target recognition satellite attitude maneuver to start the next target observation posture State. The method can solve the target scene of sea surface target recognition, and can recognize multiple targets on the sea surface by using the opportunity of passing through the sea.

【技术实现步骤摘要】
一种针对敏捷卫星的在线调度方法
本专利技术涉及卫星
，特别是涉及一种针对敏捷卫星的在线调度方法。
技术介绍
在海面目标侦察场景中，在卫星飞过海域前难以获取目标精确的位置坐标。同时，只有通过高分辨率图像才可识别目标的具体类型信息。在传统的观测卫星管控体制下，地面站要提前一天规划好卫星所有的观测计划，并上注给卫星进行执行。在计划执行过程中，卫星不能再对计划进行更改，这种管控方式导致卫星的响应能力很低。同时，由于目标具有一定的机动能力，在得知目标位置后再规划卫星的观测计划，会导致卫星在观测时丢失目标。所以面对海面目标识别的场景，传统的管控模式只能通过多个目标识别星Sat2的条带拼接来对一个海面区域进行一次性成像，来识别海面中目标的具体特征。由于目标识别星Sat2的成像条带较窄，导致这种目标执行模式对资源造成大量的浪费。利用自主规划能力来提高敏捷卫星的观测效能受到了越来越多研究人员的重视。目前，比较成功的自主敏捷卫星系统主要有EO1、Firebird和OptiSAR。EO1是来自NAS的敏捷自主卫星，它能发现地球表面的火山喷发、冰层消融、云雾遮挡地壳运动等科学事件。EO1先自主生成一个起始的调度算法，再利用迭代改进的方式来解决卫星状态、资源约束和时序冲突等问题。Firebird是火灾识别系统(HotSpotRecognitionSystem)的重要组成部分，该卫星能获得火灾位置和火情区域规模等火灾参数信息。Firebird通过火情发现等自动探测事件来实现有限自主目标规划。OptiSARTM由来自两个轨道的8个串联模块组成，每个串联模块由一个SAR(syntheticApertureRader)卫星和一个与其相距几分钟的光学卫星构成(Fabrizio，2016)。这个星座不仅可同时对某一目标进行SAR成像和光学成像，也可通过SAR卫星的云判系统来使避免光学卫星对云雾遮挡区域进行成像，从而提高了光学卫星的观测效率。另一个值得一提的双敏捷卫星星座是Pleiades。虽然该星座不是自主星座，但是该星座具有24h内可对地表任一目标进行成像的能力。地面管控中心每天要分三个时段生成Pleiades的调度方案，并通过不同的地面站进行上注。这种方式提高了星座的响应能力，可使星座对其上注时刻2小时前的所有目标进行响应。虽然该星座的响应能力已经高于了传统敏捷卫星，但是自主规划能力可进一步增加该星座的响应能力，并可减小该星座的人力资源等运营成本。目前，研究者普遍认为自主能力可以大幅度提高卫星的使用效率。LaValleeetal.(2006)和Tranetal.(2004)的研究表明自主调度能力在深空探测等项目方面具有较高的应用价值。ASPEN(AutomatedSchedulingandPlanningEnvironment)是目前最成功的自主规划与调度的框架之一。CASPER(ContinuousActivityScheduling，Planning，Execution，andReplanning)继承了ASPEN的推理规划能力，在EO1项目中也得到了成功的应用。CASPER采用了迭代改进的方法，该方法支持对方案持续的修改并能根据运行环境的变化快速更新当前方案。该方法中的冲突消解策略能用最小的时间消耗来对原方案进行修改，使新方案能满足当前的使用约束。andVerfaillie(2007)6研究了一种基于响应——优化框架的敏捷卫星自主调度方法。响应模块负责完成环境与优化决策模块的交互和激活优化决策模块。同时，响应模块能及时给出一个满足当前约束的可行调度方案。当被响应模块激活时，优化模块负责生成一个较优的调度方案，并返还给响应模块。文献(Beaumetetal.，2011)采用了一种迭代随机贪婪的算法来计算优化决策模块中的调度方案，该文章的研究者认为通过一定的前瞻机制能提高算法的优化效率。多位学者从不同角度都对在线调度算法进行了研究。Damianietal。(2004)针对非敏捷卫星提出了一个anytime规划算法。Lenzenetal.(2014)描述了用于Firebird项目的VAMOS(VerificationofAutonomousMissionPlanningOnboardaSpacecraft)，该方法通过资源的上、下界限制可行目标的方法来解决地面约束推理不精确的问题。Wangetal.(2015)研究了多颗非敏捷卫星基于目标合成的在线调度问题。Liuetal.(2016)提出了一种针对敏捷卫星的在线调度算法。到目前为止，各个学者从不同角度研究了地球观测卫星的在线调度算法。但是，针对敏捷卫星最具特点的时间依赖转换时间约束(PraletandVerfaillie2012)，只有少量学者涉及，该问题并没有被有效解决。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种针对敏捷卫星的在线调度方法来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。为实现上述目的，本专利技术提供一种针对敏捷卫星的在线调度方法，所述针对敏捷卫星的在线调度方法包括：Step1，设置由一个低分辨率目标发现星和一个敏捷高分辨率目标识别星组成的星簇，目标发现星在目标识别星的前端飞行；Step2，目标发现星在飞行过程中利用其宽幅相机和星上图像处理软件发现目标，获取目标的低分辨率图像，并从低分辨率图像中提取目标坐标以及根据目标的形状、尺寸确定目标收益；Step3，目标发现星将目标坐标和目标收益传送给目标识别星；Step4，目标识别星接收目标坐标和目标收益，并观测目标，以获取目标的高分辨率图像，同时根据目标坐标和目标收益，以目标总收益最大化为优化目标，在线生成一个满足时序约束条件的观测调度方案，该观测调度方案具体生成步骤如下：Step41，针对敏捷卫星调度问题建立由可视时间窗和姿态机动时间约束组成的时序约束模型，通过将所有目标均处理成平行于星下线的条带目标，同时假设有侧摆角造成的分辨率降低不会影响目标的识别以及目标的发现顺序与目标的时间窗中点的升序一致，每个目标只有一个可视时间窗；和Step42，根据目标发现星提供的目标信息，利用分支定界算法在当前目标观测完毕前决策出下一个要观测的目标，分支定界算法的计算时间小于当前目标的观测时长，以在任意时刻返回一个有效的观测调度方案，并随着计算时间的延长不断优化该观测调度方案；Step5，当观测完当前目标，目标识别星根据Step4生成的观测调度方案，目标识别星姿态机动到下一个目标的开始观测姿态。进一步地，Step41中，时序约束模型为：目标函数：决策变量：约束条件：xNT+1＝1；(9)xi∈{O，1}，yij∈{O，1}，i，j＝L…，NT；(14)式中，pi为目标i的收益；wsi为目标i的可视时间窗的开始时间；wei为目标i的可视时间窗的结束时间；duri为目标i的成像时长需求；sti为目标i的观测开始时间；eti为目标i的观测结束时间；atisi为卫星开始观测目标i时对应的观测姿态，包括俯仰角、侧摆角和偏航角；atiei为卫星结束观测目标i时对应的观测姿态，包括俯仰角、侧摆角和偏航角；dmin(.，.)为两个姿态间的最小机动时间；NT为场景内的总目标数目；S为所有目标的所有可能子集；式(1)表示优化目标为最大化所有观测目标的收益本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对敏捷卫星的在线调度方法，其特征在于，包括：Step 1，设置由一个低分辨率目标发现星和一个敏捷高分辨率目标识别星组成的星簇，目标发现星在目标识别星的前端飞行；Step 2，目标发现星在飞行过程中利用其宽幅相机和星上图像处理软件发现目标，获取目标的低分辨率图像，并从低分辨率图像中提取目标坐标以及根据目标的形状、尺寸确定目标收益；Step 3，目标发现星将目标坐标和目标收益传送给目标识别星；Step 4，目标识别星接收目标坐标和目标收益，并观测目标，以获取目标的高分辨率图像，同时根据目标坐标和目标收益，以目标总收益最大化为优化目标，在线生成一个满足时序约束条件的观测调度方案，该观测调度方案具体生成步骤如下：Step 41，针对敏捷卫星调度问题建立由可视时间窗和姿态机动时间约束组成的时序约束模型，通过将所有目标均处理成平行于星下线的条带目标，同时假设有侧摆角造成的分辨率降低不会影响目标的识别以及目标的发现顺序与目标的时间窗中点的升序一致，每个目标只有一个可视时间窗；和Step 42，根据目标发现星提供的目标信息，利用分支定界算法在当前目标观测完毕前决策出下一个要观测的目标，分支定界算法的计算时间小于当前目标的观测时长，以在任意时刻返回一个有效的观测调度方案，并随着计算时间的延长不断优化该观测调度方案；Step 5，当观测完当前目标，目标识别星根据Step 4生成的观测调度方案，目标识别星姿态机动到下一个目标的开始观测姿态。...

【技术特征摘要】
1.一种针对敏捷卫星的在线调度方法，其特征在于，包括：Step1，设置由一个低分辨率目标发现星和一个敏捷高分辨率目标识别星组成的星簇，目标发现星在目标识别星的前端飞行；Step2，目标发现星在飞行过程中利用其宽幅相机和星上图像处理软件发现目标，获取目标的低分辨率图像，并从低分辨率图像中提取目标坐标以及根据目标的形状、尺寸确定目标收益；Step3，目标发现星将目标坐标和目标收益传送给目标识别星；Step4，目标识别星接收目标坐标和目标收益，并观测目标，以获取目标的高分辨率图像，同时根据目标坐标和目标收益，以目标总收益最大化为优化目标，在线生成一个满足时序约束条件的观测调度方案，该观测调度方案具体生成步骤如下：Step41，针对敏捷卫星调度问题建立由可视时间窗和姿态机动时间约束组成的时序约束模型，通过将所有目标均处理成平行于星下线的条带目标，同时假设有侧摆角造成的分辨率降低不会影响目标的识别以及目标的发现顺序与目标的时间窗中点的升序一致，每个目标只有一个可视时间窗；和Step42，根据目标发现星提供的目标信息，利用分支定界算法在当前目标观测完毕前决策出下一个要观测的目标，分支定界算法的计算时间小于当前目标的观测时长，以在任意时刻返回一个有效的观测调度方案，并随着计算时间的延长不断优化该观测调度方案；Step5，当观测完当前目标，目标识别星根据Step4生成的观测调度方案，目标识别星姿态机动到下一个目标的开始观测姿态。2.如权利要求1所述的针对敏捷卫星的在线调度方法，其特征在于，Step41中，时序约束模型为：目标函数：决策变量：约束条件：x0＝1；(8)xNT+1＝1；(9)xi∈{0，1}，yij∈{0，1}，i，j＝1，...，NT；(14)式中，pi为目标i的收益；wsi为目标i的可视时间窗的开始时间；wei为目标i的可视时间窗的结束时间；duri为目标i的成像时长需求；sti为目标i的观测开始时间；eti为目标i的观测结束时间；atisi为卫星开始观测目标i时对应的观测姿态，包括俯仰角、侧摆角和偏航角；atiei为卫星结束观测目标i时对应的观测姿态，包括俯仰角、侧摆角和偏航角；dmin(.，.)为两个姿态间的最小机动时间；NT为场景内的总目标数目；S为所有目标的所有可能子集；式(1)表示优化目标为最大化所有观测目标的收益总和；式(2)和式(3)表示模型的决策变量，其中，xi表示目标i是否被观测，当目标i被观测时xi＝1，否则xi＝0；yij表示目标j是否在目标i后被观测，如果目标j在目标i后被观测则yij＝1，否则yij＝0；式(4)至式(11)表示敏捷卫星调度问题的约束条件；式(4)表示任一观测目标的开始观测时刻和观测结束时刻都应在对应的时间窗范围内；式(5)表示任一观测目标的观测结束时刻等于其观测开始时刻加上观测时长；式(6)表示后续目标的观测开始时刻应该大于前一观测目标的观测结束时刻加上两个观测姿态间的转换时间；式(7)表示对于任意目标yii＝0；式(8)和式(9)表示场景中有一个虚拟开始目标和虚拟结束目标，二者的观测开始时刻和观测时长都为0；式(10)和式子(11)表示任一观测目标有且只有一个前继目标和一个后续目标；式(12)是经典的DFJ子回路消除约束；式(13)表示如果目标i在目标j后被观测，则说明两个目标都被观测；式(14)表示变量的取值范围。3.如权利要求1所述的针对敏捷卫星的在线调度方...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宇宁，褚骁庚，陈英武，贺仁杰，姚锋，邢立宁，刘晓路，陈成，陈盈果，王涛，吕济民，张忠山，常忠祥，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43