一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法及系统技术方案

一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法及系统，本发明专利技术能够保证对目标点的快速高效筛选，形成优化的区域内多点目标任务集合。在确定的任务执行区间内，采用综合最佳分辨率、最大能源获取能力等因素的加权平均方法确定最佳成像时间点，保证成像任务的最佳质量。为了保证任务冲突问题的高效解决，引入性价比判断原则，进行优先级序，保证高优先级任务的有效执行。在区域内重叠任务的解决，采用了兼顾了两个目标点之间姿态机动角度最小和先可见的任务优先观测的迭代排序方法，有效地保证任务的高效执行。本发明专利技术特别适用于面向超敏捷卫星的区域内多点目标成像任务的星上规划，能有高效完成任务筛选，冲突解决等关键问题。

【技术实现步骤摘要】
一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法及系统
本专利技术属于航天器自主任务规划领域，涉及一种针对区域内点目标成像任务的任务规划方法及系统。
技术介绍
超敏捷卫星是一类具有超快速机动能力、超高精度指向性与超强到位稳定能力的卫星平台。由于超敏捷卫星具有超强的机动能力与超快速的到位稳定特性，极大的提升了卫星的成像能力，可完成区域内多个点目标的密集成像任务。由此产生了针对区域内多点目标成像任务的规划和冲突消解问题。现有的任务规划与冲突消解过程均在地面完成，由于算法的复杂度较高，受制于星上资源的有限性，无法实现星上应用。具体需求为：针对成像任务中的区域内点目标(半径小于10公里的圆形区域)呈现出局部区域内分布密集、随机特征，在满足星上使用约束和任务需求约束条件下最大化优先级之和、任务完成度、目标覆盖率,最小化单个卫星工作负荷、能量消耗约束，以最高的成像质量尽可能完成成像任务。因此传统的针对区域内多点目标成像的方法已经不适用，需要针对寻找新的解决方法。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：提出了一种面向星上应用的区域多点目标任务优化方法及系统，根据卫星属性和任务需求，将有限的敏捷卫星资源分配给多个观测任务,并确定任务执行时间和动作序列,以最大限度满足用户需求，提供了一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法。本专利技术的技术解决方案是：一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，步骤如下：(1)卫星预先上注多点目标的成像任务，将卫星轨道周期作为规划周期，进行点目标成像任务的快速挑选，并生成点目标成像任务序列；(2)计算步骤(1)生成的点目标成像任务执行的时间区间；(3)在步骤(2)时间区间内，求取拍摄效果最优的最佳成像时刻；(4)按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，生成点目标成像任务序列；(5)判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突，若未发生冲突，则按照步骤(4)生成的点目标成像任务序列，依次执行成像任务；若发生冲突，进行步骤(6)；(6)对于发生冲突的点目标的成像任务，按照任务执行的时间区间的执行时刻重新排序，将重新排序后仍发生冲突的点目标的成像任务剔除，生成优化的点目标成像任务序列，并依次执行成像任务。步骤(1)卫星预先上注多点目标的成像任务，如下：卫星周期性的接受上注任务，在星上形成任务集合，每个轨道周期即规划周期根据任务的可执行性对星上任务集合中的任务进行挑选、排序、优化并最终执行。步骤(1)将卫星轨道周期作为规划周期，进行点目标成像任务的快速挑选，并生成点目标成像任务序列，具体如下：将轨道周期作为规划周期，依据卫星成像视角范围，对点目标成像任务进行可成像性判断进而快速挑选并生成规划周期内计划执行的任务序列；其中成像视角从任务中获取，设为αViewAng_max，若无要求，αViewAng_max则默认为45°；再根据成像视角αViewAng_max计算对应的地心张角Φmax，地心张角Φmax表示目标可见时，地心至目标点矢量与地心至卫星的矢量的夹角所允许的最大值；具体计算方法如下：按照正弦定理：最后：Φmax＝β-αViewAng_max式中，Re为地球半径，HSat为卫星高度，Θ为卫星综合姿态角，Φ为对应的地心张角，β为成像视角αViewAng_max和地心张角Φmax之和；并记录cΦmax＝cosΦmax，其中c为余弦计算cos的简写，即卫星进入到以目标点为圆心的Φmax度内时，卫星能够实现对目标的指向即完成了对点目标成像任务的快速挑选并生成由可完成的点目标成像任务组成的任务序列，即生成点目标成像任务序列。步骤(2)计算步骤(1)生成的点目标成像任务执行的时间区间，具体如下：确定每个点目标成像任务可执行的时间区间即分别确定任务可执行的起始时刻、中间时刻和结束时刻；具体计算方法如下：依次计算给定目标的地固系矢量与卫星单位矢量序列的夹角的余弦值；式中，θss2sat表示地固系下目标矢量与卫星单位矢量的夹角c表示余弦计算cos的简写，dot表示矢量积运算；当cosθss2sat≥cΦmax时，满足约束，目标可见；起始时刻判断：当cosθss2sat≥cΦmax且cosθss2sat,pst<cΦmax，其中cosθss2sat,pst为上一控制周期目标的地固系矢量与卫星单位矢量序列的夹角的余弦值，初始值设为1；结束时刻判断：当cosθss2sat<cΦmax且cosθss2sat,pst≥cΦmax；中间时刻判断：当cθss2sat取得最大值时，对应卫星姿态机动角度最小，对应分辨率最高的成像时刻；一般分辨率最高时刻对应了可见时间区间的中间时刻；由此确定了由起始时刻与结束时刻组成的点目标成像任务执行的时间区间和成像分辨率最高的中间时刻。步骤(3)在步骤(2)时间区间内，求取拍摄效果最优的最佳成像时刻，具体如下：在任务规划中，考虑成像效果，计算在可见时间区间内的综合最优成像的最佳成像时刻；综合考虑以下两个条件：a.分辨率最佳，等价于在卫星本体系下卫星+Z轴(卫星本体坐标系下+Z轴由卫星质心指向地心，+X与Z轴垂直并指向卫星速度方向，Y轴与X、Z轴右手正交)与卫星至地球矢量的夹角最小；取角度范围：0～45°，取角度余弦进行分辨率评估；b.能源获取能力最强，等价于卫星的-Z轴与太阳矢量的夹角α-ZSun，夹角越小，能源获取能力越强；取夹角余弦进行能源获取能力评估；计算方式，卫星指向目标点的矢量：其中表示地固系下卫星地心矢量，表示地固系下卫星单位矢量；再求：其中表示地固系下太阳单位矢量；按照夹角的余弦对能源获取能力进行评估，余弦值越大，能源获取能力越好；当余弦值小于0时，将余弦值置为0作为保护；按照以上2个条件的加权平均求得最大值，对应最佳成像时刻；在一般星上能源设计充足的前提下，确定权重值；求取在可见时间区间内取得最佳成像时刻。步骤(4)按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，生成点目标成像任务序列，具体如下：对点目标成像任务序列进行排序；将所有待观测的点目标任务序列，按照成像中间时刻的先后顺序进行排序，其中中间时刻一致的，开始时间在前的排在前；排序的具体方法如下：a.将排在第一位的任务作为任务的起点，为当前处理的节点(设为i，i＝1，2，3……)；b.逐个计算待排序的目标点(设为j，j＝1，2，3……)与当前处理节点相对于地心的夹角θij和待排序的目标点与当前处理的节点的成像中间时刻的时间差：δtij＝tob_mj-tob_mi，其中，tob_mj为待排序目标点成像中间时刻，tob_mi为当前处理节点的成像中间时刻；c.计算综合指标：θij+δtij最小的目标点作为新的当前处理的节点；其中θij为当前处理节点相对于地心的夹角；重复步骤b、c直至子序列的最后一个任务；由上述过程可得到具有成像中间时刻先后顺序的任务序列。步骤(5)判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突，冲突是指：两个任务的中间时刻完全相同。步骤(6)中任务可执行时间区间的执行时刻的确定方法，如下：首先取排序第(1)个任务的起始时刻作为整个序列成像的起始时间，依此根据卫星轨道、地面目标点的位置、卫星的姿态机动能力等确定出规划序列中后续各个点目标成像任务的可执行起始时刻；任务可执行时间区本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，其特征在于步骤如下：(1)卫星预先上注多点目标的成像任务，将卫星轨道周期作为规划周期，进行点目标成像任务的快速挑选，并生成点目标成像任务序列；(2)计算步骤(1)生成的点目标成像任务执行的时间区间；(3)在步骤(2)时间区间内，求取拍摄效果最优的最佳成像时刻；(4)按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，生成点目标成像任务序列；(5)判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突，若未发生冲突，则按照步骤(4)生成的点目标成像任务序列，依次执行成像任务；若发生冲突，进行步骤(6)；(6)对于发生冲突的点目标的成像任务，按照任务执行的时间区间的执行时刻重新排序，将重新排序后仍发生冲突的点目标的成像任务剔除，生成优化的点目标成像任务序列，并依次执行成像任务。

【技术特征摘要】
1.一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，其特征在于步骤如下：(1)卫星预先上注多点目标的成像任务，将卫星轨道周期作为规划周期，进行点目标成像任务的快速挑选，并生成点目标成像任务序列；(2)计算步骤(1)生成的点目标成像任务执行的时间区间；(3)在步骤(2)时间区间内，求取拍摄效果最优的最佳成像时刻；(4)按照任务执行的时间区间的中间时刻排序，生成点目标成像任务序列；(5)判断按照任务执行的时间区间的中间时刻执行成像任务是否发生冲突，若未发生冲突，则按照步骤(4)生成的点目标成像任务序列，依次执行成像任务；若发生冲突，进行步骤(6)；(6)对于发生冲突的点目标的成像任务，按照任务执行的时间区间的执行时刻重新排序，将重新排序后仍发生冲突的点目标的成像任务剔除，生成优化的点目标成像任务序列，并依次执行成像任务。2.根据权利要求1所述的一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，其特征在于：步骤(1)卫星预先上注多点目标的成像任务，具体如下：卫星周期性的接受上注任务，在星上形成任务集合，每个轨道周期即规划周期根据任务的可执行性对星上任务集合中的任务进行挑选、排序、优化并最终执行。3.根据权利要求1所述的一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，其特征在于：步骤(1)将卫星轨道周期作为规划周期，进行点目标成像任务的快速挑选，并生成点目标成像任务序列，具体如下：将轨道周期作为规划周期，依据卫星成像视角范围，对点目标成像任务进行可成像性判断进而快速挑选并生成规划周期内计划执行的任务序列；其中成像视角从任务中获取，设为αViewAng_max，若无要求，αViewAng_max则默认为45°；再根据成像视角αViewAng_max计算对应的地心张角Φmax，地心张角Φmax表示目标可见时，地心至目标点矢量与地心至卫星的矢量的夹角所允许的最大值；具体计算方法如下：按照正弦定理：最后：Φmax＝β-αViewAng_max式中，Re为地球半径，HSat为卫星高度，Θ为卫星综合姿态角，Φ为对应的地心张角，β为成像视角αViewAng_max和地心张角Φmax之和；并记录cΦmax＝cosΦmax，其中c为余弦计算cos的简写，即卫星进入到以目标点为圆心的Φmax度内时，卫星能够实现对目标的指向即完成了对点目标成像任务的快速挑选并生成由可完成的点目标成像任务组成的任务序列，即生成点目标成像任务序列。4.根据权利要求1所述的一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，其特征在于：步骤(2)计算步骤(1)生成的点目标成像任务执行的时间区间，具体如下：确定每个点目标成像任务可执行的时间区间即分别确定任务可执行的起始时刻、中间时刻和结束时刻；具体计算方法如下：依次计算给定目标的地固系矢量与卫星单位矢量序列的夹角的余弦值；式中，θss2sat表示地固系下目标矢量与卫星单位矢量的夹角c表示余弦计算cos的简写，dot表示矢量积运算；当cosθss2sat≥cΦmax时，满足约束，目标可见；起始时刻判断：当cosθss2sat≥cΦmax且cosθss2sat,pst<cΦmax，其中cosθss2sat,pst为上一控制周期目标的地固系矢量与卫星单位矢量序列的夹角的余弦值，初始值设为1；结束时刻判断：当cosθss2sat<cΦmax且cosθss2sat,pst≥cΦmax；中间时刻判断：当cθss2sat取得最大值时，对应卫星姿态机动角度最小，对应分辨率最高的成像时刻；一般分辨率最高时刻对应了可见时间区间的中间时刻；由此确定了由起始时刻与结束时刻组成的点目标成像任务执行的时间区间和成像分辨率最高的中间时刻。5.根据权利要求1所述的一种超敏捷卫星区域多点目标任务优化方法，其特征在于：步骤(3)在步骤(2)时间区间内，求取拍摄效果最优的最佳成像时刻，具体如下：在任务规划中，计算在可见时间区间内的综合最优成像的最佳成像时刻；综合满足以下两个条件：a.分辨率最佳，等价于在卫星本体系下卫星+Z轴与卫星至地球矢量的夹角最小；取角度范围：0～45°，取角度余弦进行分辨率评估；b.能源获取能力最强，等价于卫星的-Z轴与太阳矢量的夹角α-ZSun，夹角越小，能源获取能力越强；取夹角余弦进行能源获取能力评估；由于卫星指向目标点的矢量为：其...

【专利技术属性】
技术研发人员：田科丰，汤亮，刘羽白，关新，郝仁剑，王有懿，张科备，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11