成像卫星观测调度的目标聚类方法技术

本发明专利技术公开了一种成像卫星观测调度的目标聚类方法，通过获得卫星观测的任务聚类条件和性质、获得卫星在轨道圈次内任务聚类方案的最大收益值、获得最优任务聚类方案、完成目标聚类的步骤得到最优任务聚类方案，进而获得卫星的各观测活动所覆盖的目标的集合。本发明专利技术是一种能满足卫星各项操作使用规则及性能特点、计算代价小、能使卫星在给定时间内能完成更多的观测任务、能提高卫星资源的使用效率和效益、且成像畸变小的成像卫星观测调度的目标聚类方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及到航天应用
领域，尤其涉及一种成像卫星观测任务的调 度合成优化方法。
技术介绍
成像卫星具有覆盖范围广、运行时间长、不受国界和空域限制、无需考虑人员安全 等独特优势，因此，自成像卫星出现以来，受到了世界各国的高度重视，并在军事侦察、灾害 防治、环境保护、城市规划以及农业、气象等许多领域发挥了重要作用。通常，成像卫星是按照预定的观测计划来实施观测的，观测计划中明确了在给定 时间范围内，卫星将在什么时间、采用什么样的观测角度、对哪些地面区域进行成像。观测 计划由卫星管控部门根据用户提交的观测需求制定，每一个观测任务都对应于地球表面一 个确定的区域，称作观测目标。计划的好坏很大程度上会影响卫星的应用效益和观测效率。 生成卫星观测计划的核心工作称为卫星观测调度，即为每个任务安排观测卫星资源及对应 的观测时间窗口，以最大化完成任务的数目，同时满足以下基本约束1、卫星同一时刻只能以一个观测角度进行成像；2、卫星观测任务必须在与观测目标的可见时间窗口内执行；3、卫星的两个连续任务之间必须具有足够的时间让星载遥感器进行姿态转换；4、卫星观测必须满足卫星本身的操作使用约束。受卫星制造技术水平的限制，目前研发成功的成像卫星往往受到一些比较严格的 操作使用约束，比较典型的包括5、单次开机最大时间约束指卫星一次开机到关机的最长时间限制；6、单圈开机次数约束是指卫星在绕地球飞行的一个轨道圈次中最大的开机次 数；7、单圈侧摆次数约束指卫星在一个轨道圈次内最大的侧摆次数限制。就目前的应用情况来看，对卫星观测能力影响较大的是卫星的单个轨道圈次内最 大侧摆次数限制。具体而言，的成像卫星在进行成像观测时，可以沿垂直星下线方向进行一 定角度范围内的侧摆机动，从而有能力观测适当偏离星下线的地面目标，但侧摆机动的速 度较慢，侧摆完成后还要经过较长的姿态稳定时间才可以继续成像，因此单个轨道圈次内 允许侧摆成像的次数非常有限。由于不同侧摆角度的两次成像意味着两次相机开关机，而 地面目标往往是偏离星下线且最佳侧摆角度各不相同，所以一个圈次内能够侧摆成像的次 数实际上也就决定了一个圈次内能够观测的目标的数量，从而成为影响卫星观测效率的一 个瓶颈。为了有效克服卫星姿态机动能力的限制，一种相对合理可行的方式是在进行卫星 任务调度时，考虑将某些邻近的观测任务进行聚类。而聚类观测由于能够充分利用每一次 侧摆机会观测尽量多的目标，因此对提高卫星观测效率是很有必要的。目前，针对卫星的使用特点而提出的成像卫星观测调度的任务聚类研究较少，主要有以下两种方式1、2007年，北京市遥感信息研究所的徐雪仁等人在研究资源卫星遥感数据获取任 务调度优化算法(《资源卫星(可见光)遥感数据获取任务调度优化算法研究》，遥感学报， 徐雪仁、宫鹏等)时，提出了多种调度规则，其中一种目标访问参数优化规则考虑了对遥感 器开关机时间和侧摆角两种参数的优化，其本质是通过对相邻目标的观测侧摆角度和开关 机时间的修正，实现一次载荷控制动作获取更多目标数据的目的，也就是任务聚类观测。文 献中给出了针对聚类后任务的遥感器开关机时间和观测侧摆角的确定原则，但是没有指出 应该对哪些任务进行聚类，如何聚类才能最大化提高观测效益，因此缺乏实际可操作性。2,2007年，国防科技大学的王钧在研究成像卫星综合任务调度模型与优化方法 (《成像卫星综合任务调度模型与优化方法研究》，国防科学技术大学博士学位论文，王钧) 时提到，侧摆角度相同且相距较近的成像任务的成像时间可能会产生重叠，需要对这些有 重叠的成像时间段进行聚类，将多个重叠的成像时间段合并成一个成像时间段。这种成像 时段的聚类实质上也是一种任务聚类，只适用于侧摆角度相同、观测时间有重叠的观测任 务。由于重叠且侧摆角度完全相同的观测任务并不多见，因此这种聚类方式不能有效缓解 由于姿态机动能力限制导致的观测效率低的问题。综上所述，可以发现目前在成像卫星调度问题研究中，这些文献也只是给出了一 些简单的聚类规则，可操作性不强，或者效果不明显。事实上，对侧摆次数严格受限的成像 卫星来说，由于侧摆一次就意味着相机开关机一次，而且通常情况下不同地面目标观测的 最佳侧摆角度是各不相同的，因此如果卫星对每个目标都采用最佳侧摆角进行观测，则往 往意味着卫星只能完成数量对应于侧摆次数的任务，导致非常低的观测效率。当前尚未见 有通过考虑优化的任务聚类观测来进行成像卫星调度的相关报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术存在的技术问题，提供一种能满足卫 星各项操作使用规则及性能特点、计算代价小、能使卫星在给定时间内能完成更多的观测 任务、能提高卫星资源的使用效率和效益、且成像畸变小的成像卫星观测调度的目标聚类 方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案一种，其特征在于，包括以下步骤(1)获得卫星观测的任务聚类条件和性质根据卫星遥感器的视场角以及卫星单 次开机最长时间，分析得到卫星在单个轨道圈次内的任务聚类条件以及观测活动的性质；(2)获得卫星在轨道圈次内任务聚类方案的最大收益值根据所述任务聚类条 件、观测活动的性质、卫星的性能约束条件以及各观测任务对应目标的优先级，建立卫星在 单个轨道圈次内的最大覆盖模型；遍历卫星在所述轨道圈次内的所有观测任务，求解所述 最大覆盖模型，得到卫星在所述轨道圈次内任务聚类方案的最大收益值；(3)获得最优任务聚类方案根据得到的最大收益值，对所对应的所有观测任务 进行搜索，得到具有所述最大收益值且总观测持续时间最小的任务聚类方案，即为卫星在 所述轨道圈次内的最优任务聚类方案；(4)完成目标聚类根据各观测任务与目标的对应关系，得到所述最优任务聚类方案中卫星各观测活动所覆盖的目标的集合，完成目标聚类。作为本专利技术的进一步改进上述的目标聚类方法中，所述步骤(2)是基于动态规划算法实现的，其包括以下 步骤①.阶段划分将卫星在单个轨道圈次内的所有候选观测任务按照时间窗口的开 始时间进行非降序编号，设卫星在单个轨道圈次内共有|N|个候选观测任务T1, T2, L，τ|Ν|， 根据卫星在单个轨道圈次内的最大侧摆次数n，将所述所有候选观测任务划分为按时序顺序的η个阶段，按照η、η-1.......1的顺序生成观测活动，其中，第η个观测活动的初始任务节点为η，终止任务节点为|Ν| ；②.构建初始聚类状态矩阵计算卫星对任意两个观测任务进行聚类观测时的聚 类状态，构建初始聚类状态矩阵；③.根据所述最大覆盖模型，计算第η个观测活动的最大收益，生成第η个观测活 动的收益向量及其对应的终止任务节点向量；④.设第k个聚类任务包括第η个观测活动以及时序在其后的所有观测活动，第 k-Ι个聚类任务包括第η-1个观测活动以及时序在其后的所有观测活动，以第η个观测活动 的收益向量和终止任务节点向量为计算基础，并分别计算第η-1至第1个观测活动的最大 收益，可以依次递推计算得到第k-Ι至第1个聚类任务的最大收益，分别记录，并生成相应 的收益向量及其对应的终止任务节点向量，计算过程中每计算时序在前的聚类任务的收益 时均以前一计算的结果为基础，所述第1个聚类任务的收益向量即为卫星在单个轨道圈次 内的完整的任务聚类方案的最大收益向量，所述最大收益向量中包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种成像卫星观测调度的目标聚类方法，其特征在于，包括以下步骤：（１）获得卫星观测的任务聚类条件和性质：根据卫星遥感器的视场角以及卫星单次开机最长时间，分析得到卫星在单个轨道圈次内的任务聚类条件以及观测活动的性质；（２）获得卫星在轨道圈次内任务聚类方案的最大收益值：根据所述任务聚类条件、观测活动的性质、卫星的性能约束条件以及各观测任务对应目标的优先级，建立卫星在单个轨道圈次内的最大覆盖模型；遍历卫星在所述轨道圈次内的所有观测任务，求解所述最大覆盖模型，得到卫星在所述轨道圈次内任务聚类方案的最大收益值；（３）获得最优任务聚类方案：根据得到的最大收益值，对所对应的所有观测任务进行搜索，得到具有所述最大收益值且总观测持续时间最小的任务聚类方案，即为卫星在所述轨道圈次内的最优任务聚类方案；（４）完成目标聚类：根据各观测任务与目标的对应关系，得到所述最优任务聚类方案中卫星各观测活动所覆盖的目标的集合，完成目标聚类。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贺仁杰，姚锋，邢立宁，张正强，
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：43[中国|湖南]