快速生成敏捷成像卫星对地观测需求筹划的方法技术

本发明专利技术提出的一种快速生成敏捷成像卫星对地观测需求筹划的方法，旨在提供一种能够从成像质量整体最优的角度快速确定指定卫星任务观测时间的方法。本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：基于胡克定律和力平衡建立弹簧‑质点系统模型；根据观测目标的地理位置和卫星的最大综合角观测能力计算每个观测任务与其它所有观测任务的常量机动时间，形成常量机动时间矩阵；根据观测任务排序，依次将观测任务加入弹簧质点系统，然后应用卫星姿态机动能力表、常量机动时间矩阵，计算每个观测任务加入后，弹簧‑质点系统保持力平衡状态时各任务滑块的位置，获取最优的各任务观测时间，生成敏捷成像卫星对地观测需求筹划方案。

Rapid generation of agile imaging satellite to earth observation requirements

The invention provides a method for rapidly generating the earth observation requirement planning for agile imaging satellites, aiming at providing a method for quickly determining the mission observation time of the designated satellite from the perspective of the overall optimization of the imaging quality. The invention is realized by the following technical scheme: the establishment of spring mass system model and force balance based on Hooke's law; constant maneuver is calculated for each observation task with all the other observation tasks according to the maximum angular observation ability of target location and the satellite formation maneuver time constant, according to the observation matrix; task scheduling, in turn the observation task added mass spring system, then the application of satellite attitude maneuver capability, constant maneuvering time matrix, calculated for each observation task after joining the position of each task block spring mass system holding force balance, the task of getting the optimal observation time, generating demand for satellite imaging agile planning scheme.

【技术实现步骤摘要】
快速生成敏捷成像卫星对地观测需求筹划的方法
本专利技术涉及一种航天需求筹划领域中，敏捷成像卫星的需求筹划方法，特别是基于胡克定律和力平衡支持规划方案智能寻优、具备规划方案快速生成的建模方法和实现方法。
技术介绍
随着成像卫星应用需求的不断提高,成像卫星平台及载荷技术也在不断地发展,高分辨率敏捷成像卫星就是根据未来卫星应用需求和技术发展趋势而设计研制的新一代先进卫星。为一类具有大范围、快速机动能力的对地观测卫星。敏捷成像卫星在提高卫星观测效率的同时,也使得卫星需求的筹划与调度变得更加的复杂和困难,给卫星需求筹划技术带来了新的挑战。连续成像过程中侧摆角度必须保持不变的这类卫星，对地观测卫星根据用户要求获取地面区域的图敏捷成像卫星被称作非敏捷成像卫星。敏捷成像卫星与传统非敏捷成像卫星相比，敏捷成像卫星具备绕翻滚、俯仰和偏航轴三个方向摆动的能力，使得敏捷成像卫星对地观测具备更大的灵活性和自由度。相对非敏捷卫星而言，敏捷卫星可以利用其俯仰能力对观测目标进行前视、正视或后视，从而提供了更强大的观测能力和更多的观测自由。卫星对地观测任务规划是为了满足用户的遥感图像需求,对遥感卫星系统资源和对地观测任务进行规划与调度的过程。合理的任务规划是提高遥感卫星系统效能的重要手段。任务规划是指为了实现给定的目标,对所有与目标相关的资源和任务进行规划和调度的过程。遥感卫星通常在数百公里的轨道高度上绕地球飞行,星载遥感器的视场角对应于星下线两侧对称的带状区域即卫星的观测带。伴随地球的自转,观测带不断变化并能覆盖地球表面的大部分地区。当卫星经过地面目标上空时,可以利用星载遥感器采集目标数据并存储在星载存储器内,待卫星经过地面接收站上空,再将存储的数据回传至地面。由于卫星的成像操作需要消耗能量,卫星的对地观测将受到能量的限制。此外,某些星载遥感器如光学相机,其数据采集活动还需要在较低的云层覆盖和一定的太阳光照条件下进行,在安排观测任务时必须考虑云层气象条件的限制。遥感卫星在成像过程中始终处于高速飞行状态,其姿态控制能力有限,使得在同一轨道圈次只有部分地面目标能够获得成像机会；另一方面,卫星连续两个圈次的赤道距离大约为几千公里,在一个成像计划编制周期内卫星通常要经过数十个圈。卫星对地观测任务规划具体是指:在综合考虑遥感卫星能力和用户遥感图像需求的基础上,将资源分配给相互竞争的多个观测任务,并确定任务中各具体活动的起止时间,以排除不同任务之间的资源使用冲突,并最大化满足用户的需求。卫星对地观测任务规划是一个复杂的问题,其中包含了许多与特定问题相关的实际约束,如卫星与地面目标之间的可见时间窗口、卫星连续两次观测之间的调整时间、卫星的侧视调整次数、地面目标要求的特定遥感器类型、星载存储器的容量、气象条件等。卫星对地观测是人造卫星按照既定的运行轨道,利用携带的光电遥感器或无线电设备,对用户感兴趣的地面目标进行成像的过程。对地观测卫星根据用户要求获取地面区域的图像,每个观测区域都有一定的时间窗口、观测持续时间和观测收益等属性。对地观测卫星根据用户提出的对地观测需求对目标进行观测,将探测收集到的目标观测信息暂时存放在星载存储器中,当卫星飞过地面站时,通过星地通信链路下传到地面接收站,然后进行观测信息处理。地面数据处理中心通过人工或者智能分析判读观测数据结果,从而得到用户感兴趣的有价值的信息。敏捷成像卫星需求筹划与传统成像卫星需求筹划相比具有以下不同：1)敏捷成像卫星对地观测的成像质量由成像时观测起止时间决定，成像时间越靠近观测时间窗口的中间值时，即卫星的观测俯仰角越接近0°时，成像质量越好；同样成像时间越远离观测时间窗口的中间值时，即卫星的观测俯仰角接近最大/最小俯仰角时，成像角度导致的图像畸变，成像质量越差。2)对于非敏捷成像卫星，其对地观测的起止时间完全由观测目标位置决定；而对于敏捷成像卫星，由于拥有俯仰能力，其观测时间窗口更大，卫星可以在时间窗口中任意时间开始观测，因此需求筹划的解空间更大，搜索算法设计难度更高。3)非敏捷成像卫星在两个相邻观测任务间的时间间隔由被观测目标的地理位置决定。对于确定的被观测目标，非敏捷成像卫星的两个相邻观测任务的时间间隔是确定的；而敏捷成像卫星由于可以调整观测时的俯仰角进而改变两相邻观测任务的时间间隔，但调整俯仰角意味着卫星需要时间调整姿态以完成下一任务，相邻观测任务间的时间间隔必须大于卫星调整姿态的机动时间，而机动时间是两个任务观测综合角度相关的函数。敏捷成像卫星需求筹划的目的对该类卫星的观测需求汇总，初步筛选，统一调配，冲突消解，确定可完成的需求，以提高卫星利用率。与卫星任务规划相比，需求筹划更关注于如何快速判断某侦察需求是否可以完成，最大化执行数量或最大化侦察任务优先级总和时能执行哪些侦察需求。敏捷成像卫星需求筹划问题是一类典型的资源受限型任务规划问题，因为对于一颗敏捷成像卫星而言，其运行轨道、姿态机动能力、有效载荷能力等资源条件都是相对固定的，敏捷成像卫星只能在这些限定资源的基础上满足有限的观测需求。对敏捷成像卫星进行需求筹划的目的就是要在这些有限的资源条件下，实现卫星各类任务需求的优化安排，按照特定工作模式及卫星平台自身的各类约束和使用规则，合理规划，让用户的需求得到最大程度的满足，从而使得敏捷成像卫星系统的应用效能得到充分发挥。用户越来越期望对地观测卫星能够完成更加复杂多样的观测需求。对地观测需求复杂性主要体现在空域覆盖要求广、时域覆盖要求多次和频域覆盖要求多维等方面。复杂多样的对地观测需求给卫星任务规划带来了诸如规划算法复杂度高、规划效能低、规划结果用户满意度低、稀缺的卫星资源利用不合理等问题。卫星对地观测任务规划的传统方式需要操作人员考虑用户需求及卫星的各种约束,通过长时间的人工分析编制成像计划。随着卫星数目的不断增多、卫星能力的不断增强以及用户需求复杂性的不断增加。传统的单星成像计划编制方式已不能满足实际需求,卫星对地观测任务规划也正在逐渐从依赖于地面人员手工编制走向星上自主计划生成,从单星自成系统管理走向多星编队或成星座组网管理。卫星的需求筹划问题本身就属于一类NP-hard问题，而敏捷成像卫星因其更强的对地观测能力，大幅增加了卫星可进行观测的工作模式，任务的可行性方案空间明显增大，使得规划问题复杂性和寻优难度大幅提高。这类问题需要在特定目标下寻找最优解来实现一定程度上的最优化筹划，解的优化程度与计算的复杂度成正比，为了寻求更加优化的筹划结果，往往要付出更大计算复杂度的代价。在卫星的实际工程应用中，需求筹划问题往往要同时兼顾筹划结果的合理性和筹划计算的复杂度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种能够减少逻辑运算量，降低问题复杂度，以成像质量整体最优为目的，支持规划方案智能寻优、具备规划方案的快速生成敏捷成像卫星需求筹划的方法。本专利技术的上述目的可以通过以下措施来达到：一种快速生成敏捷成像卫星对地观测需求筹划的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)建立弹簧-质点系统模型：将敏捷成像卫星对地观测需求筹划抽象为弹簧-质点系统，基于胡克定律和力平衡，由一根长度为L的弹簧连接滑块建立弹簧-质点系统模型，根据观测目标地理位置及卫星轨道确定每个观测任务的劲度系数；(2)建立本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速生成敏捷成像卫星对地观测需求筹划的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)建立弹簧‑质点系统模型：将敏捷成像卫星对地观测需求筹划抽象为弹簧‑质点系统，基于胡克定律和力平衡，由一根长度为L的弹簧连接滑块建立弹簧‑质点系统模型，根据观测目标地理位置及卫星轨道确定每个观测任务的劲度系数；(2)建立常量机动时间矩阵：根据观测目标的地理位置和卫星的最大综合角观测能力计算每个观测任务与其它所有观测任务的常量机动时间，形成常量机动时间矩阵；(3)弹簧‑质点系统力平衡状态计算：按照任务序列或优先级将观测任务置入弹簧‑质点系统，依据胡克定律和牛顿第三定律计算力平衡状态，得到所有可安排任务的观测时间方案；通过上述建立弹簧‑质点系统模型、建立常量机动时间矩阵和力平衡状态计算三个步骤生成敏捷成像卫星对地观测需求筹划方案。

【技术特征摘要】
1.一种快速生成敏捷成像卫星对地观测需求筹划的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)建立弹簧-质点系统模型：将敏捷成像卫星对地观测需求筹划抽象为弹簧-质点系统，基于胡克定律和力平衡，由一根长度为L的弹簧连接滑块建立弹簧-质点系统模型，根据观测目标地理位置及卫星轨道确定每个观测任务的劲度系数；(2)建立常量机动时间矩阵：根据观测目标的地理位置和卫星的最大综合角观测能力计算每个观测任务与其它所有观测任务的常量机动时间，形成常量机动时间矩阵；(3)弹簧-质点系统力平衡状态计算：按照任务序列或优先级将观测任务置入弹簧-质点系统，依据胡克定律和牛顿第三定律计算力平衡状态，得到所有可安排任务的观测时间方案；通过上述建立弹簧-质点系统模型、建立常量机动时间矩阵和力平衡状态计算三个步骤生成敏捷成像卫星对地观测需求筹划方案。2.如权利要求1所述的快速生成敏捷成像卫星对地观测需求筹划的方法，其特征在于：根据观测目标地理位置及卫星轨道确定每个观测任务的劲度系数，将敏捷成像卫星对地观测综合角度与观测时间距离过顶时间差的关系，抽象为弹簧-质点系统中弹力与弹簧压缩/拉升长度距离弹簧静止长度差的关系建立弹簧-质点系统模型，并根据观测时间窗口和观测时长得到任务滑块可移动范围和滑块长度，将每个对地观测任务依据其卫星的最大综合角观测能力、过顶时间和观测时间窗口计算其弹簧劲度系数。3.如权利要求1所述的快速生成敏捷成像卫星对地观测需求筹划的方法，其特征在于：在建立常量机动时间矩阵中，常量机动时间矩阵依据每个任务的观测时间窗口、观测目标的地理位置、卫星的机动能力，判断卫星是否有足够的时间完成姿态的调整，以及可能的姿态调整所需的最大时间，并以此作为该两个任务的常量机动时间，确定两个任务在其观测时间窗口内的任意时间执行，完成所有任务的两两判断，形成常量机动时间矩阵；根据观测任务排序，依次将观测任务加入弹簧质点系统，然后应用卫星姿态机动能力表、常量机动时间矩阵，计算每个观测任务加入后，弹簧-质点系统保持力平衡状态时各任务滑块的位置，获取最优的各任务观测时间；并根据卫星姿态机动能力表、观测目标地理位置、卫星的最大综合角观测能力和观测时长，计算所有观测任务的常量机动时间矩阵。4.如权利要求1所述的快速生成敏捷成像卫星对地观测需求筹划的方法，其特征在于：根据卫星机动能力表，在表能力中的可能机动时间依次选择一个取值作为两观测任务的当前时间间隔，在两观测任务的观测时间窗口内，以1秒为步长同时调整两观测任务的观测时间，计算两观测任务当前情况所需的机动时间，若所有机动时间都小于等于当前时间间隔，则当前时间间隔取值为常量机动时间；否则选取机动能力表的下一取值作为两任务的当前时间间隔，重复以上运算，以此类推，直至得到常量机动时间，完成所有观测任务两两间的常量机动时间计算，得到常量机动时间矩阵。5.如权利要求1所述的快速生成敏捷成像卫星对地观测需求筹划的方法，其特征在于：对于确定的观测任务排序，根据需求筹划要求可配置目标函数，设置目标函数为最大化满足观测任务数量或最大化任务的优先级权重总和，依据卫星姿态机动能力表...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋竹，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51