【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及遥感方法，尤其涉及一种基于低轨卫星网络的遥感方法及系统。
技术介绍
1、近年来，遥感卫星已广泛应用于环境监测、应急探测和救援，如监测森林火灾、地震、洪水等自然灾害，探测收集的大量数据需要传回地面以便提供即时信息，降低生命财产损失。但是由于卫星与地面站之间的可视时间有限，将大量的遥感数据传输到地面存在严峻挑战。
2、现有的遥感数据传输方法主要分为三类：通过地面站传输、通过地球同步轨道卫星(geo)中继以及通过低轨卫星leo中继。大部分遥感调度方案将遥感任务调度和数据传输分开考虑，没有将网络中的遥感、传输、计算等协同起来，导致网络资源利用不充分，性能提升有限。现有的遥感数据计算卸载方案主要集中在遥感数据星上卸载的可行性分析、系统架构设计、以及基于目标的最优化卸载策略方面。遥感数据星上卸载系统架构设计致力于提供多层计算卸载框架，其中卫星可作为中继或者计算节点参与到数据卸载过程中，缺乏对卫星网络中各项资源的优化与调度。基于目标的最优化卸载策略主要针对时延、能耗、资源利用率、卸载效率等单个或多个目标来优化数据卸载策略，以实现最优化调度。然而，这些工作主要关注计算卸载，而没有考虑可用的遥感和传输资源，没有实现整体的最优配置。
技术实现思路
1、鉴于此，本专利技术实施例提供了一种基于低轨卫星网络的遥感方法及系统，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷，解决了现有技术中低轨卫星网络在向差异化的遥感任务分配遥感、通信和计算资源时无法实现任务数最大化和资源最优分配的问题
2、本专利技术的一个方面提供了一种基于低轨卫星网络的遥感方法，所述方法用于在低轨卫星网络上运行，所述低轨卫星网络包括：一个或多个遥感卫星、通信卫星和计算卫星，所述遥感卫星、所述通信卫星和所述计算卫星之间的拓扑关系在单个时隙内保持不变，该方法包括以下步骤：
3、构建遥感模型，建立约束以使每个遥感任务分配至指定所述遥感卫星后，各遥感卫星能够在其数据采样能力范围内，对分配到的一个或多个遥感任务的目标区域完成数据采集；
4、构建传输模型，建立约束以使所述遥感卫星与所述计算卫星通过所述通信卫星进行中继通信的过程中，星间链路占用的传输速率不超过其最大传输速率；
5、构建计算模型，建立约束以使所述计算卫星执行分配到的遥感任务时，累计占用的计算资源不超过其计算能力；
6、构建问题模型，基于所述遥感模型、所述传输模型和所述计算模型，最大化所述低轨卫星网络执行的遥感任务总数；
7、将所述问题模型分解为流量调度子问题和遥感调度子问题，所述流量调度子问题用于确定所述低轨卫星网络中每个遥感卫星可传输最大数据量，所述流量调度子问题基于第一设定方案求解；所述遥感调度子问题基于所述流量调度子问题求解结果以及所述遥感卫星可用遥感资源调度所述遥感任务，所述遥感调度子问题基于第二设定方案求解。
8、在一些实施例中，各遥感卫星能够在其数据采样能力范围内，对分配到的一个或多个遥感任务的目标区域完成数据采集，包括：
9、建立约束以使所述遥感卫星投射在地球表面的轨迹接近或覆盖所述目标区域，表达式为：
10、
11、θ＝(r+h)tanσ/(2πr)；
12、其中，λs(t)表示卫星s在时隙t处的纬度，φs(t)表示卫星s在时隙t处的经度，λm表示目标区域的纬度，φm表示目标区域的经度，σ表示卫星遥感摄像头的最大回转角，r表示地球半径，h表示卫星轨道高度，[ak,bk]表示从时隙ak到时隙bk的连续时间段；
13、以及建立约束以使分配至每个遥感卫星的所述遥感任务的累计数据收集速率不超过相应遥感卫星的最大数据采集速率，表达式为：
14、
15、其中，x(m,s,t)表示标识遥感调度决策的变量，x(m,s,t)为1时表示所述遥感任务m在时隙t被所述遥感卫星s观测，x(m,s,t)为0时表示所述遥感任务m在时隙t未被所述遥感卫星s观测，表示观测所述遥感目标所需的数据采集速率，表示所述遥感卫星s在时隙t的可用数据收集速率，表示所述遥感卫星的集合，t表示所有时隙的集合，m表示所述低轨卫星网络系统需要执行的实时遥感任务数量。
16、在一些实施例中，建立约束以使所述遥感卫星与所述计算卫星通过所述通信卫星进行中继通信的过程中，占用的星间链路传输速率不超过其最大传输速率，包括：
17、采用香农定理计算星间链路的最大传输速率表达式为：
18、
19、
20、其中，bl表示所述星间链路的可用带宽，ptr表示所述卫星s的传输功率，表示所述卫星s处的发射天线增益，表示所述卫星s′处的接收天线增益，n0表示噪声功率，表示自由空间损耗，c表示光速，fr表示载波中心频率，dl(t)表示所述卫星s和s′之间的距离。
21、以及在每个时隙内，每个通过所述通信卫星传输到所述计算卫星的任务占用的传输速率不应超过相应星间链路的最大传输速率，表达式为：
22、
23、其中，m表示所述低轨卫星网络系统需要执行的实时遥感任务数量，e表示所有星间链路，t表示所有时隙的集合，lss′表示卫星s和s′之间的星间链路，表示星间链路的最大传输速率。
24、在一些实施例中，建立约束以使所述计算卫星执行分配到的遥感任务时，累计占用的计算资源不超过其计算能力，表达式为：
25、
26、其中，表示在时隙t所述计算卫星s的可用计算资源，表示所述计算卫星s计算所述遥感任务m所需的计算资源，t为所有时隙的集合，m表示所述低轨卫星网络系统需要执行的实时遥感任务数量。
27、在一些实施例中，结合所述遥感模型、所述传输模型和所述计算模型的约束条件，所述问题模型的表达式为：
28、
29、
30、
31、
32、
33、其中，γ(m,s)为定义变量，其中γ(m,s)为1时表示遥感卫星s被分配给任务m，γ(m,s)为0时表示遥感卫星s未被分配给任务m，m表示所述低轨卫星网络系统需要执行的实时遥感任务数量，表示遥感卫星的集合，表示计算卫星的集合，表示每个任务占用的传输速率，x(m,s,t)表示标识遥感调度决策的变量，x(m,s,t)为1时表示所述遥感任务m在时隙t被遥感卫星s观测，x(m,s,t)为0时表示所述遥感任务m在时隙t未被遥感卫星s观测，e表示所有星间链路，lss′表示卫星s和s′之间的星间链路，是观测遥感目标所需的数据采集速率，表示计算卫星s′计算遥感任务m所需的计算资源，zc表示处理单位比特遥感数据所需的cpu周期。
34、在一些实施例中，所述流量调度子问题用于确定所述低轨卫星网络中每个遥感卫星可传输最大数据量，表达式为：
35、
36、
37、
38、
39、其中，表示卫星s在时隙t向s′传输的数据量，e表本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于低轨卫星网络的遥感方法，其特征在于，所述方法用于在低轨卫星网络上运行，所述低轨卫星网络包括：一个或多个遥感卫星、通信卫星和计算卫星，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于低轨卫星网络的遥感方法，其特征在于，建立约束以使各遥感卫星能够在其数据采样能力范围内，对分配到的一个或多个遥感任务的目标区域完成数据采集，包括：
3.根据权利要求2所述的基于低轨卫星网络的遥感方法，其特征在于，建立约束以使所述遥感卫星与所述计算卫星通过所述通信卫星进行中继通信的过程中，占用的星间链路传输速率不超过其最大传输速率，包括：
4.根据权利要求3所述的基于低轨卫星网络的遥感方法，其特征在于，建立约束以使所述计算卫星执行分配到的遥感任务时，累计占用的计算资源不超过其计算能力，表达式为：
5.根据权利要求4所述的基于低轨卫星网络的遥感方法，其特征在于，结合所述遥感模型、所述传输模型和所述计算模型的约束条件，所述问题模型的表达式为：
6.根据权利要求5所述的基于低轨卫星网络的遥感方法，其特征在于，所述流量调度子问题用于确定所述低
7.根据权利要求6所述的基于低轨卫星网络的遥感方法，其特征在于，所述方法将所述流量调度子问题转化为最大流量问题，并采用标准最大流算法求解，具体步骤如下：
8.根据权利要求7所述的基于低轨卫星网络的遥感方法，其特征在于，所述遥感调度子问题的表达式为：
9.根据权利要求8所述的基于低轨卫星网络的遥感方法，其特征在于，所述遥感调度子问题基于整数规划求解器求解。
10.一种用于遥感的低轨卫星系统，其特征在于，所述低轨卫星系统包括：一个或多个遥感卫星、通信卫星和计算卫星，所述低轨卫星系统执行如权利要求1至9中任一项所述方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种基于低轨卫星网络的遥感方法，其特征在于，所述方法用于在低轨卫星网络上运行，所述低轨卫星网络包括：一个或多个遥感卫星、通信卫星和计算卫星，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于低轨卫星网络的遥感方法，其特征在于，建立约束以使各遥感卫星能够在其数据采样能力范围内，对分配到的一个或多个遥感任务的目标区域完成数据采集，包括：
3.根据权利要求2所述的基于低轨卫星网络的遥感方法，其特征在于，建立约束以使所述遥感卫星与所述计算卫星通过所述通信卫星进行中继通信的过程中，占用的星间链路传输速率不超过其最大传输速率，包括：
4.根据权利要求3所述的基于低轨卫星网络的遥感方法，其特征在于，建立约束以使所述计算卫星执行分配到的遥感任务时，累计占用的计算资源不超过其计算能力，表达式为：
5.根据权利要求4所述的基于低轨卫星网络的遥感方法，其特征在于，结合所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘江，熊婷，张然，周宇柯，吴畏虹，唐琴琴，黄韬，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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