多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法技术

本发明专利技术公开了一种多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法，属于卫星通信技术领域。该方法包括两个阶段，将生成覆盖模式和选择覆盖模式相分离，使得该方法结构合理、层次清晰；该方法能够提供至少一个覆盖方案，使得成像卫星完成覆盖消耗的时间尽可能的少。该方法还通过计算覆盖方案的最优性参数来评价所选择的覆盖方案的质量。

【技术实现步骤摘要】
多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法
本专利技术涉及卫星通信
，具体地涉及一种多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法。
技术介绍
以马航MH370的搜索为例，2014年3月20日，澳大利亚声称在南印度洋发现疑似MH370残骸，位置为：纬度-43.58，经度90.57。为了搜索该点附近区域，可以把范围扩大为以该点为中心的一个正方形区域。中国曾调用多颗成像卫星对MH370展开搜索，每颗成像卫星的成像区域是一个条带形区域。图1示出了一颗成像卫星的成像的条带形区域的示意图，如图1所示，通过控制成像卫星上的传感器(如相机)的开关机时间，传感器成像的条带形区域的位置是可以沿成像扫描方向变化的，条带形区域的长度也是可以变化的。由于成像卫星成像需要消耗时间，合理的安排各个成像卫星成像的条带形区域的位置，以使得多个成像卫星在将整个区域完全覆盖的前提下消耗的时间尽可能的少具有至关重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法，该方法通过调整成像卫星成像的条带形区域的长度以及沿成像卫星成像扫描方向的位置获得消耗的时间尽可能少的覆盖方案。为了实现上述目的，本专利技术的实施方式提供一种多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法，包括生成覆盖模式和选择覆盖模式，其中生成覆盖模式具体包括以下步骤：确定多个成像卫星的成像扫描方向；将欲覆盖的矩形区域划分成多个网格，以生成第一网格列表G；针对多个成像卫星中的每一个成像卫星：判断成像卫星的成像扫描方向是第一倾斜方向还是第二倾斜方向；在判断成像卫星的成像扫描方向为第一倾斜方向的情况下，以第一网格列表G中的任意网格的左上角顶点为基点，根据成像卫星的成像扫描方向将划分的多个网格重新排序，以生成第二网格列表LG，以第二网格列表LG中的网格的左上角顶点和右下角顶点为基点，根据成像卫星覆盖的条带形区域的宽度确定成像卫星的覆盖模式的四个顶点，以形成成像卫星的一个覆盖模式，以及遍历第二网格列表LG中的网格，以形成成像卫星的覆盖模式列表；在判断成像卫星的成像方向为第二倾斜方向的情况下，以第一网格列表G中的任意网格的右上角顶点为基点，根据成像卫星的成像扫描方向将划分的多个网格重新排序，以生成第三网格列表LG，并以第三网格列表LG中的网格的右上角顶点和左下角顶点为基点，根据成像卫星覆盖的条带形区域的宽度确定成像卫星的覆盖模式的四个顶点，以形成成像卫星的一个覆盖模式，以及遍历第三网格列表LG中的网格，以形成成像卫星的覆盖模式列表；遍历多个成像卫星，以得到覆盖模式集合，该覆盖模式集合包括每个成像卫星的覆盖模式列表；选择覆盖模式具体包括以下步骤：针对多个成像卫星中的每一个成像卫星：设定时间下界的初始值，时间消耗的初始值，迭代次数的上限值，拉格朗日乘子序列的初始值，以及时间系数序列的初始值；根据成像卫星上携带的传感器的开机时间和关机时间，计算成像卫星执行覆盖模式所需要的时间；采用拉格朗日松弛技术建立成像卫星执行覆盖模式所需要的时间最小化的目标函数，以获得成像卫星执行覆盖模式消耗的时间目标值；计算成像卫星执行覆盖模式列表中的每一个覆盖模式消耗的时间目标值，并从覆盖模式列表中选择消耗的时间目标值最小的一个覆盖模式；遍历多个成像卫星，以选择每一个成像卫星的消耗的时间目标值最小的一个覆盖模式，以形成一个覆盖方案；修正覆盖方案，以获得修正后的覆盖方案；更新时间下界的初始值，时间消耗的初始值；根据更新后的时间下界的初始值和更新后的时间消耗的初始值计算修正后的覆盖方案的最优性参数的值；通过更新拉格朗日乘子的值来更新目标函数，基于更新的目标函数重新选择每一个成像卫星的消耗的时间目标值最小的一个覆盖模式，以形成一个覆盖方案，针对新形成的覆盖方案重新计算最优性参数的值；多次更新拉格朗日乘子的值，在拉格朗日乘子的值的更新次数达到迭代次数的上限值的情况下，从选择和重新选择的多个覆盖方案中选择最优性参数的值最小的覆盖方案，作为用于覆盖矩形区域的覆盖方案。通过上述技术方案，将多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法分成两个阶段，生成覆盖模式和选择覆盖模式相分离，使得该方法结构合理、层次清晰；该方法能够提供至少一个使得成像卫星完成覆盖消耗的时间尽可能少的覆盖方案。本专利技术实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术实施例，但并不构成对本专利技术实施例的限制。在附图中：图1示出了一颗成像卫星的成像的条带形区域的示意图；图2是根据本专利技术的一实施方式的多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法的生成覆盖模式的流程图；图3是根据本专利技术的一实施方式的多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法的选择覆盖模式的流程图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术实施例，并不用于限制本专利技术实施例。在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“左上角顶点”、“左下角顶点”、“右上角顶点”、“右下角顶点”通常是指参照附图所示的“左上角顶点”、“左下角顶点”、“右上角顶点”、“右下角顶点”。“内、外”是指相对于各部件本身轮廓的内、外。在本申请的实施方式中，成像扫描直线为相应的成像卫星的成像扫描区域的沿扫描方向的中线。在本申请的实施方式中，覆盖模式可以指成像卫星的成像覆盖区域(或者称成像扫描区域)。覆盖模式生成例如，采用NT个成像卫星对想要覆盖的矩形区域A进行覆盖可以包括生成覆盖模式和选择覆盖模式两个阶段，其中NT个成像卫星形成成像卫星列表S，S可以记为图2是根据本专利技术的一实施方式的多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法的生成覆盖模式的流程图；如图2所示，在本专利技术的一实施方式中，生成覆盖模式可以包括：在步骤S101中，确定多个成像卫星的成像扫描方向；在步骤S102中，将欲覆盖的矩形区域A划分成多个网格，以生成第一网格列表G，并对第一网格列表G中的网格依次编号，其中第一网格列表G可以记为定义第i个网格gi的左上角顶点、右上角顶点、左下角顶点和右下角顶点的坐标分别为p1(i)＝＜x1(i),y1(i)＞、p2(i)＝＜x2(i),y2(i)＞、p3(i)＝＜x3(i),y3(i)＞、p4(i)＝＜x4(i),y4(i)＞；针对成像卫星列表S中的每一个成像卫星：在步骤S103中，判断成像卫星的成像扫描方向是第一倾斜方向还是第二倾斜方向。第一倾斜方向例如可以包括“从左上角顶点到右下角顶点”的方向或者“从右下角顶点到左上角顶点”的方向，或者总体倾向上沿着“从左上角顶点到右下角顶点”的方向或者“从右下角顶点到左上角顶点”的方向(例如，在图中相对于垂直方向往左倾斜)。第二倾斜方向例如可以包括“从左下角顶点到右上角顶点”的方向或者“从右上角顶点到左下角顶点”的方向，或者总体倾向上沿着“从左下角顶点到右上角顶点”的方向或者“从右上角顶点到左下角顶点”的方向(例如，在图中相对于垂直方向往右倾斜)。在步骤S104中，在判断成像卫星的成像扫描方向为第一倾斜方向的情况下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法，其特征在于，包括生成覆盖模式和选择覆盖模式，其中生成覆盖模式具体包括以下步骤：确定多个成像卫星的成像扫描方向；将欲覆盖的矩形区域划分成多个网格，以生成第一网格列表G；针对所述多个成像卫星中的每一个成像卫星：判断所述成像卫星的成像扫描方向是第一倾斜方向还是第二倾斜方向；在判断所述成像卫星的成像扫描方向为所述第一倾斜方向的情况下，以所述第一网格列表G中的任意网格的左上角顶点为基点，根据成像卫星的成像扫描方向将划分的所述多个网格重新排序，以生成第二网格列表LG，以所述第二网格列表LG中的网格的左上角顶点和右下角顶点为基点，根据所述成像卫星覆盖的条带形区域的宽度确定所述成像卫星的覆盖模式的四个顶点，以形成所述成像卫星的一个覆盖模式，以及遍历所述第二网格列表LG中的网格，以形成所述成像卫星的覆盖模式列表；在判断所述成像卫星的成像方向为所述第二倾斜方向的情况下，以所述第一网格列表G中的任意网格的右上角顶点为基点，根据成像卫星的成像扫描方向将划分的所述多个网格重新排序，以生成第三网格列表LG，并以所述第三网格列表LG中的网格的右上角顶点和左下角顶点为基点，根据所述成像卫星覆盖的条带形区域的宽度确定所述成像卫星的覆盖模式的四个顶点，以形成所述成像卫星的一个覆盖模式，以及遍历所述第三网格列表LG中的网格，以形成所述成像卫星的覆盖模式列表；遍历所述多个成像卫星，以得到覆盖模式集合，该覆盖模式集合包括每个成像卫星的覆盖模式列表；选择覆盖模式具体包括以下步骤：针对所述多个成像卫星中的每一个成像卫星：设定时间下界的初始值，时间消耗的初始值，迭代次数的上限值，拉格朗日乘子序列的初始值，以及时间系数序列的初始值；根据所述成像卫星上携带的传感器的开机时间和关机时间，计算所述成像卫星执行覆盖模式所需要的时间；建立所述成像卫星执行覆盖模式所需要的时间最小化的目标函数，以获得成像卫星执行覆盖模式消耗的时间目标值；计算所述成像卫星执行所述覆盖模式列表中的每一个覆盖模式消耗的时间目标值，并从所述覆盖模式列表中选择消耗的时间目标值最小的一个覆盖模式；遍历所述多个成像卫星，以选择每一个成像卫星的消耗的时间目标值最小的一个覆盖模式，以形成一个覆盖方案；修正所述覆盖方案，以获得修正后的覆盖方案；更新所述时间下界的初始值，所述时间消耗的初始值；根据更新后的时间下界的初始值和更新后的时间消耗的初始值计算所述修正后的覆盖方案的最优性参数的值；通过更新所述拉格朗日乘子的值来更新所述目标函数，基于更新的目标函数重新选择每一个成像卫星的消耗的时间目标值最小的一个覆盖模式，以形成一个覆盖方案，针对新形成的覆盖方案重新计算所述最优性参数的值；多次更新所述拉格朗日乘子的值，在所述拉格朗日乘子的值的更新次数达到所述迭代次数的上限值的情况下，从选择和重新选择的多个覆盖方案中选择所述最优性参数的值最小的覆盖方案，作为用于覆盖所述矩形区域的覆盖方案。...

【技术特征摘要】
1.一种多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法，其特征在于，包括生成覆盖模式和选择覆盖模式，其中生成覆盖模式具体包括以下步骤：确定多个成像卫星的成像扫描方向；将欲覆盖的矩形区域划分成多个网格，以生成第一网格列表G；针对所述多个成像卫星中的每一个成像卫星：判断所述成像卫星的成像扫描方向是第一倾斜方向还是第二倾斜方向；在判断所述成像卫星的成像扫描方向为所述第一倾斜方向的情况下，以所述第一网格列表G中的任意网格的左上角顶点为基点，根据成像卫星的成像扫描方向将划分的所述多个网格重新排序，以生成第二网格列表LG，以所述第二网格列表LG中的网格的左上角顶点和右下角顶点为基点，根据所述成像卫星覆盖的条带形区域的宽度确定所述成像卫星的覆盖模式的四个顶点，以形成所述成像卫星的一个覆盖模式，以及遍历所述第二网格列表LG中的网格，以形成所述成像卫星的覆盖模式列表；在判断所述成像卫星的成像方向为所述第二倾斜方向的情况下，以所述第一网格列表G中的任意网格的右上角顶点为基点，根据成像卫星的成像扫描方向将划分的所述多个网格重新排序，以生成第三网格列表LG，并以所述第三网格列表LG中的网格的右上角顶点和左下角顶点为基点，根据所述成像卫星覆盖的条带形区域的宽度确定所述成像卫星的覆盖模式的四个顶点，以形成所述成像卫星的一个覆盖模式，以及遍历所述第三网格列表LG中的网格，以形成所述成像卫星的覆盖模式列表；遍历所述多个成像卫星，以得到覆盖模式集合，该覆盖模式集合包括每个成像卫星的覆盖模式列表；选择覆盖模式具体包括以下步骤：针对所述多个成像卫星中的每一个成像卫星：设定时间下界的初始值，时间消耗的初始值，迭代次数的上限值，拉格朗日乘子序列的初始值，以及时间系数序列的初始值；根据所述成像卫星上携带的传感器的开机时间和关机时间，计算所述成像卫星执行覆盖模式所需要的时间；建立所述成像卫星执行覆盖模式所需要的时间最小化的目标函数，以获得成像卫星执行覆盖模式消耗的时间目标值；计算所述成像卫星执行所述覆盖模式列表中的每一个覆盖模式消耗的时间目标值，并从所述覆盖模式列表中选择消耗的时间目标值最小的一个覆盖模式；遍历所述多个成像卫星，以选择每一个成像卫星的消耗的时间目标值最小的一个覆盖模式，以形成一个覆盖方案；修正所述覆盖方案，以获得修正后的覆盖方案；更新所述时间下界的初始值，所述时间消耗的初始值；根据更新后的时间下界的初始值和更新后的时间消耗的初始值计算所述修正后的覆盖方案的最优性参数的值；通过更新所述拉格朗日乘子的值来更新所述目标函数，基于更新的目标函数重新选择每一个成像卫星的消耗的时间目标值最小的一个覆盖模式，以形成一个覆盖方案，针对新形成的覆盖方案重新计算所述最优性参数的值；多次更新所述拉格朗日乘子的值，在所述拉格朗日乘子的值的更新次数达到所述迭代次数的上限值的情况下，从选择和重新选择的多个覆盖方案中选择所述最优性参数的值最小的覆盖方案，作为用于覆盖所述矩形区域的覆盖方案。2.根据权利要求1所述的多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法，其特征在于，以所述第一网格列表G中的任意网格的左上角顶点为基点，根据成像卫星的成像扫描方向将划分的所述多个网格重新排序，以生成第二网格列表LG具体包括：从所述第一网格列表G中任意选择一个网格，在所述成像卫星的成像扫描直线上确定与选择的网格的左上角顶点的距离为设定值的第一参考点和第二参考点，其中所述第一参考点位于所述第二参考点的右下方；以所述第一参考点为起点，所述第二参考点为终点确定参考向量，以所述第一参考点为起点，以所述第一网格列表G中的任意网格的左上角顶点为终点确定一向量，计算该向量在所述参考向量上的投影；遍历所述第一网格列表G中的网格，获得向量投影列表；将所述向量投影列表中的投影按照降序排列，以对所述第一网格列表G中的网格重新排序，构造所述第二网格列表LG；以所述第一网格列表G中的任意网格的右上角顶点为基点，根据成像卫星的成像扫描方向将划分的所述多个网格重新排序，以生成第三网格列表LG具体包括：从所述第一网格列表G中任意选择一个网格，在所述成像卫星的成像扫描直线上确定与选择的网格的右上角顶点的距离为设定值的第一参考点和第二参考点，其中所述第一参考点位于所述第二参考点的左下方；以所述第一参考点为起点，所述第二参考点为终点确定参考向量，以所述第一参考点为起点，以所述第一网格列表G中的任意网格的右上角顶点为终点确定一向量，计算该向量在所述参考向量上的投影；遍历所述第一网格列表G中的网格，获得向量投影列表；将所述向量投影列表中的投影按照降序排列，以对所述第一网格列表G中的对应的网格重新排序，构造所述第三网格列表LG。3.根据权利要求2所述的多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法，其特征在于，在所述成像卫星的成像扫描直线上的与所述选择的网格的左上角顶点的距离为设定值的两个点采用方程组(1)表示：其中，x代表经度，y代表纬度，xl＜x1(z)＜xr，x1(z)和y1(z)分别为所述选择的网格的左上角顶点的经度值和纬度值，xl和xr分别为所述两个点的经度值，R为所述设定值，A、B、C均为成像卫星的成像扫描直线的参数；在所述成像卫星的成像扫描直线上的与所述选择的网格的右上角顶点的距离为设定值的两个点采用方程组(2)表示：其中，x代表经度，y代表纬度，xl＜x2(z)＜xr，x2(z)和y2(z)分别为所述选择的网格的右上角顶点的经度值和纬度值，xl和xr分别为所述两个点的经度值，R为所述设定值，A、B、C均为成像卫星的成像扫描直线的参数。4.根据权利要求3所述的多成像卫星区域覆盖任务最大完成时间最小化规划方法，其特征在于，以所述第二网格列表LG中的网格的左上角顶点和右下角顶点为基点，根据所述成像卫星覆盖的条带形区域的宽度确定所述成像卫星的覆盖模式的四个顶点，以形成所述成像卫星的一个覆盖模式，以及遍历所述第二网格列表LG中的网格，以形成所述成像卫星的覆盖模式列表具体包括：在所述第二网格列表LG中任意选择一个第一网格，在通过所述第一网格的左上角顶点且与所述成像卫星的成像扫描方向垂直的直线上确定与成像扫描直线的距离等于所述成像卫星覆盖的条带形区域的宽度的一半的第一顶点和第二顶点；在第二网格列表LG中选择一个第二网格，所述第二网格在所述第二网格列表LG中的编号大于等于所述第一网格的编号，在通过所述第二网格的右下角顶点且与所述成像卫星的成像扫描方向垂直的直线上确定与所述成像扫描直线的距离等于所述成像卫星覆盖的条带形区域的宽度的一半的第三顶点和第四顶点；以所述第一顶点、第二顶点、第三顶点和第四顶点为顶点，形成所述成像卫星的一个覆盖模式；对于所述第一网格和所述第二网格依次遍历所述第二网格列表LG中的网格，获得所述成像卫星的基础覆盖模式列表；在所述基础覆盖模式列表中添加一个虚拟的覆盖模式，以获得所述成像卫星的覆盖模式列表，所述虚拟的覆盖模式被定义为不覆盖任何网格，消耗的能量或者时间为零的覆盖模式；以所述第三网格列表LG中的网格的右上角顶点和左下角顶点为基点，根据所述成像卫星覆盖的条带形区域的宽度确定所述成像卫星的覆盖模式的四个顶点，以形成所述成像卫星的一个覆盖模式，以及遍历所述第三网格列表LG中的网格，以形成所述成像卫星的覆盖模式列表具体包括：在所述第三网格列表LG中任意选择一个第一网格，在通过所述第一网格的右上角顶点且与该成像扫描直线方程垂直的直线上确定与所述成像扫描直线的距离等于该成像卫星覆盖的条带形区域的宽度的一半的第一顶点和第二顶点；在所述第三网格列表LG中选择一个第二网格，所述第二网格在所述第二网格列表LG中的编号大于等于所述第一网格的编号，在通过所述第二网格的左下角...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳鹏，朱外明，胡笑旋，夏维，罗贺，马华伟，王国强，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34