一种针对应急区域的星群联合机动规划系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了一种针对应急区域的星群联合机动规划系统及方法；首先计算星群对应急区域目标的可见性窗口；再针对存在可见性窗口的卫星，做星下轨迹调整的机动策略；构建在卫星对区域目标不可见情况下的机动策略；对所有不通过机动及通过机动满足条件的卫星星下条带作统一编码；进行适应度函数计算，最后采用启发式算法对编码做优化，得到星群联合机动规划的最终结果；本发明专利技术充分利用当前空间资源，在短时间内，增加对应急区域的时间窗口，提高区域的覆盖率；同时考虑到卫星轨道机动消耗以及区域覆盖重叠率，在合理利用卫星资源的前提下减少资源浪费

【技术实现步骤摘要】
一种针对应急区域的星群联合机动规划系统及方法


[0001]本专利技术属于遥感星群对地区域覆盖任务规划
，具体地，涉及一种针对应急区域的星群联合机动规划系统及方法
。

技术介绍

[0002]遥感星群是由多颗遥感卫星组成的星座，它们协同工作，通过地面控制系统实现对地球表面的观测与数据获取
。
在地区域覆盖任务规划
，遥感星群发挥着重要的作用
。
[0003]遥感星群对事故
、
灾害等突发性事件的及时观测覆盖对突发事件情况掌握
、
灾情救援具有重要意义
。
在需求时间段内，当前卫星的时间窗口数固定，存在对区域覆盖率无法满足观测需求的情况
。
[0004]卫星对区域的覆盖存在任务时间与时间窗口冲突，仅通过优化卫星侧摆角
、
观测条带长度的方式提升的区域覆盖率有限
。
星地几何关系为卫星轨道
、
姿态与地球自转，区域位置等的相互关系
。
因此，如何建立一种轨道机动策略以增加应急区域在任务场景时间内的覆盖率是关键问题
。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提出了一种针对应急区域的星群联合机动规划系统及方法，提出星群联合机动规划，通过轨道机动，改变卫星星下轨迹，从而增加观测时间窗口及观测条带位置，达到应急区域覆盖的目的
。
[0006]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]一种针对应急区域的星群联合机动规划方法：
[0008]所述方法具体包括以下步骤：
[0009]步骤1：计算星群对应急区域目标的可见性窗口；
[0010]步骤2：针对步骤1存在可见性窗口的卫星，做星下轨迹调整的机动策略；
[0011]步骤3：构建在卫星对区域目标不可见情况下的机动策略；
[0012]步骤4：对所有不通过机动及通过机动满足条件的卫星星下条带作统一编码；
[0013]步骤5：适应度函数计算，定义适应度函数来评估步骤4编码的优劣；
[0014]步骤6：采用启发式算法对编码做优化，得到星群联合机动规划的最终结果
。
[0015]进一步地，在步骤1中，所述可见性窗口的计算方法具体为：
[0016]步骤
1.1
：设定应急区域目标观测场景开始与结束时间；
[0017]步骤
1.2
：计算区域近似中心点；区域顶点集合为
P
＝
{p
i
|lon
i
,lat
i
},1≤i≤p
num
，中心点
AreaC
经纬度坐标为
(Clon,Clat)
，通过经纬度可计算得到对应的高斯坐标系下的坐标
(Cx,Cy)
；
[0018][0019][0020]步骤
1.3
：在场景时间内，将卫星飞行轨迹按照固定角距分为若干段，第
i
段轨迹对应的时间窗口为
[tS
i
,tE
i
]，其对应的开始位置和结束位置为
P
si
和
P
ei
；
[0021]步骤
1.4
：分别计算由
P
si
到地心到
AreaC
的夹角，由
P
ei
到地心到
AreaC
的夹角；若两夹角的大小均大于
90
度，则判定该窗口对该区域无时间窗口；
[0022]步骤
1.5
：取区域边界的若干离散点，分别计算卫星对各个离散点的可见时间窗口；若在时段内对所有离散点不存在时间窗口，则表明卫星在该时段内对该区域无时间窗口；
[0023]步骤
1.6
：对其中有时间窗口的边，记为则区域目标在该周期内的时间窗口为：
[0024][0025][0026]步骤
1.7
：在当前可见开始时刻与结束时刻附近增加卫星短步长离散点和提高边界离散点数目，重新计算可见开始时刻与结束时刻；
[0027]步骤
1.8
：最后对每个周期内的时间窗口进行汇总，得到卫星对区域目标在任务时段的时间窗口
。
[0028]进一步地，在步骤2中，所述星下轨迹调整的机动策略具体为：
[0029]步骤
2.1
：建立观测调整中心线；计算卫星时间窗口的星下轨迹在高斯坐标系下的斜率
k
p
；生成过区域近似中心点且垂直于星下斜率的观测调整中心线；观测调整中心线的表达式为：
[0030]y
‑
Cy
＝
‑
k
p
(x
‑
Cx)
[0031]步骤
2.2
：结合卫星最大侧摆角和视场范围，计算得到卫星对当前区域的可视范围；
[0032]步骤
2.3
：若卫星星下点在区域外，由当前星下点为开始，往区域中心点方向生成离散的待过顶星下点；若卫星星下点在区域内，沿观测调整中心线左右移动生成离散的待过顶星下点集合
P
r
；
[0033]步骤
2.4
：计算待过顶点范围；
[0034]步骤
2.4.1
：根据步骤
2.3
所述待过顶星下点集合，计算卫星轨道机动量；已知待过顶点对应的经纬度
(Plat,Plon)
，采用共面变轨的方式，改变卫星过顶时间和位置；
[0035]步骤
2.4.2
：考虑卫星最大姿态约束和视场范围，减小待过顶星下点范围；同时，分别采集卫星升轨轨道机动和降轨轨道机动数据集合，判断过顶时间是否在任务场景时段内，去除不满足时间条件的解；其中，原星下点包含在待过顶星下点范围中；
[0036]步骤
2.4.3
：分别构建升轨和降轨机动下满足条件的离散解对应的区域可视范围信息，包含：星下点斜率
P
k
、
幅宽
Width、
最大开始时间
PT
s
、
最小开始时间
PT
e
、
最大侧摆角
θ
max
、
最小侧摆角
θ
min
、
卫星机动量
P
m
；
[0037]步骤
2.4.4
：采用拉格朗日法得到在离散点区间中一待计算星下点对应的机动量
大小
、
星下点斜率；其他信息沿用离其最近的离散点对应的信息
。
[0038]进一步地，在步骤3中，所述卫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种针对应急区域的星群联合机动规划方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：步骤1：计算星群对应急区域目标的可见性窗口；步骤2：针对步骤1存在可见性窗口的卫星，做星下轨迹调整的机动策略；步骤3：构建在卫星对区域目标不可见情况下的机动策略；步骤4：对所有不通过机动及通过机动满足条件的卫星星下条带作统一编码；步骤5：适应度函数计算，定义适应度函数来评估步骤4编码的优劣；步骤6：采用启发式算法对编码做优化，得到星群联合机动规划的最终结果
。2.
根据权利要求1所述方法，其特征在于：在步骤1中，所述可见性窗口的计算方法具体为：步骤
1.1
：设定应急区域目标观测场景开始与结束时间；步骤
1.2
：计算区域近似中心点；区域顶点集合为
P
＝
{p
i
|lon
i
,lat
i
},1≤i≤p
num
，中心点
AreaC
经纬度坐标为
(Clon,Clat)
，通过经纬度可计算得到对应的高斯坐标系下的坐标
(Cx,Cy)
；；步骤
1.3
：在场景时间内，将卫星飞行轨迹按照固定角距分为若干段，第
i
段轨迹对应的时间窗口为
[tS
i
,tE
i
]
，其对应的开始位置和结束位置为
P
si
和
P
ei
；步骤
1.4
：分别计算由
P
si
到地心到
AreaC
的夹角，由
P
ei
到地心到
AreaC
的夹角；若两夹角的大小均大于
90
度，则判定该窗口对该区域无时间窗口；步骤
1.5
：取区域边界的若干离散点，分别计算卫星对各个离散点的可见时间窗口；若在时段内对所有离散点不存在时间窗口，则表明卫星在该时段内对该区域无时间窗口；步骤
1.6
：对其中有时间窗口的边，记为则区域目标在该周期内的时间窗口为：为：步骤
1.7
：在当前可见开始时刻与结束时刻附近增加卫星短步长离散点和提高边界离散点数目，重新计算可见开始时刻与结束时刻；步骤
1.8
：最后对每个周期内的时间窗口进行汇总，得到卫星对区域目标在任务时段的时间窗口
。3.
根据权利要求2所述方法，其特征在于：在步骤2中，所述星下轨迹调整的机动策略具体为：步骤
2.1
：建立观测调整中心线；计算卫星时间窗口的星下轨迹在高斯坐标系下的斜率
k
p
；生成过区域近似中心点且垂直于星下斜率的观测调整中心线；观测调整中心线的表达式为：
y
‑
Cy
＝
‑
k
p
(x
‑
Cx)
步骤
2.2
：结合卫星最大侧摆角和视场范围，计算得到卫星对当前区域的可视范围；步骤
2.3
：若卫星星下点在区域外，由当前星下点为开始，往区域中心点方向生成离散的待过顶星下点；若卫星星下点在区域内，沿观测调整中心线左右移动生成离散的待过顶星下点集合
P
r
；步骤
2.4
：计算待过顶点范围；步骤
2.4.1
：根据步骤
2.3
所述待过顶星下点集合，计算卫星轨道机动量；已知待过顶点对应的经纬度
(Plat,Plon)
，采用共面变轨的方式，改变卫星过顶时间和位置；步骤
2.4.2
：考虑卫星最大姿态约束和视场范围，减小待过顶星下点范围；同时，分别采集卫星升轨轨道机动和降轨轨道机动数据集合，判断过顶时间是否在任务场景时段内，去除不满足时间条件的解；其中，原星下点包含在待过顶星下点范围中；步骤
2.4.3
：分别构建升轨和降轨机动下满足条件的离散解对应的区域可视范围信息，包含：星下点斜率
P
k
、
幅宽
Width、
最大开始时间
PT
s
、
最小开始时间
PT
e
、
最大侧摆角
θ
max
、
最小侧摆角
θ
min
、
卫星机动量
P
m
；步骤
2.4.4
：采用拉格朗日法得到在离散点区间中一待计算星下点对应的机动量大小
、
星下点斜率；其他信息沿用离其最近的离散点对应的信息
。4.
根据权利要求3所述方法，其特征在于：在步骤3中，所述卫星对区域目标不可见情况下的机动策略具体为：步骤
3.1
：计算卫星在一轨内经过区域所在纬度范围区间内的两个星下斜率；步骤
3.2
：分别计算两个星下斜率对应的观测调整中心线和其对应的待过顶星下点范围；待过顶星下点范围在观测调整中心线与区域交点之间；步骤
3.3
：在待过顶星下点范围间生成等距的离散待过顶星下点；步骤
3.3
：计算满足时间要求和最大机动量约束的卫星升轨轨道机动和降轨轨道机动数据集合并构建区域可视范围信息；步骤
3.4
：采用拉格朗日法可得到在离散点区间中一待计算星下点对应的机动量大小
、<...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴限德，孙瑜奇，杨海岳，关宇同，王泽昆，卢建春，李小鹏，鲁泰杨，陈士博，赵海涵，王英杰，王钰尧，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：