一种遥感卫星多目标星上自主任务规划方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星控制领域。更具体地，涉及一种遥感卫星多目标星上自主任务规划方法及系统。

背景技术

随着对地遥感应用需求的增加和遥感卫星数量的增长，传统高度依赖地面运控系统控制遥感卫星运行的方式给地面运控系统带来的压力显著增加，测控效率低、时效性差和人工工作量大的控制方法越来越不适应未来航天任务的需要。因此，遥感卫星的管理逐渐从“地面离线”向“星上自主”演变，星上自主任务规划是提高成像效率、降低数传测控压力和提高卫星对应急突发事件快速响应能力的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种遥感卫星多目标星上自主任务规划方法及系统，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供了一种遥感卫星多目标星上自主任务规划方法，该方法包括

对当前周期内的定轨数据进行处理生成轨道预报并进行坐标转换；

通过对地面目标的经度进行筛选得到备选成像目标，并根据地影约束、升轨和降轨对备选成像目标进行排序得到成像目标集合；

通过对所述成像目标集合进行成像时刻和侧摆角计算得到成像时序和成像资源需求并生成成像路径矩阵；

根据所述成像路径矩阵、功耗和重要性权重得到成像任务规划。

可选地，该方法包括更新卫星的当前圈次、蓄电池电量和固存余量。

可选地，所述对当前周期内的定轨数据进行处理生成轨道预报并进行坐标转换包括

对卫星在地心惯性坐标系下的位置和速度进行积分得到轨道预报；

并将所述轨道预报的值进行坐标转换得到卫星在地心固连坐标系下的经度、纬度和高度。

可选地，该方法包括

根据卫星在地心惯性坐标系下的位置和星上的太阳星历得到太阳在地心惯性坐标系下的位置，并根据圆柱形地影模型判断卫星是否在地影中。

可选地，若卫星在地影中，则删除在地影中的轨道预报的值。

可选地，所述通过对所述成像目标集合进行计算得到成像时序和成像资源需求并生成成像路径矩阵包括

根据所述成像目标集合中成像目标的成像时刻、侧摆时长和成像相机的开机时长计算每个成像目标的成像开始时刻和结束时刻；

根据每个所述成像目标的成像开始时刻和结束时刻的重叠关系以及时间先后顺序生成成像路径矩阵；其中所述成像路径矩阵的每一行代表一个多目标任务规划方案。

可选地，所述通过对所述成像目标集合进行计算得到成像时序和成像资源需求并生成成像路径矩阵还包括

根据所述成像相机的开机功耗和姿控子系统功耗计算目标成像的功耗需求和地面目标成像的数据量。

可选地，所述根据所述成像路径矩阵、功耗和重要性权重得到成像任务规划包括

利用所述成像目标的重要性权重生成权重向量，并根据所述权重向量和所述成像路径矩阵得到每个多目标任务规划方案所需的总权重；

利用所述目标成像的功耗需求生成功耗向量，并根据所述功耗向量和所述成像路径矩阵得到每个多目标任务规划方案所需的总功耗；

按照所述总权重从大到小依次判断所述总功耗是否满足当前圈次的蓄电池电量和能源平衡需求。

可选地，若满足，则利用当前所述多目标任务规划方案进行任务规划。

本发明第二方面提供了一种遥感卫星多目标星上自主任务规划系统，该系统包括

空间关系计算模块，用于对当前周期内的定轨数据进行处理生成轨道预报并进行坐标转换；

成像目标筛选模块，用于通过对地面目标的经度进行筛选得到备选成像目标，并根据地影约束、升轨和降轨对备选成像目标进行排序得到成像目标集合；

路径矩阵计算模块，用于通过对所述成像目标集合进行计算得到成像时序和成像资源需求并生成成像路径矩阵；

任务规划生成模块，用于根据所述成像路径矩阵、功耗和重要性权重得到成像任务规划。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种遥感卫星多目标星上自主任务规划方法，该方法根据地面目标的重要性，综合考虑星上固存容量和能源约束，有效降低了多目标任务规划方法时间复杂度和空间复杂度，有利于星上实施。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例提供的遥感卫星多目标星上自主任务规划方法的流程图。

图2示出本发明实施例提供的遥感卫星多目标星上自主任务规划方法中的地影模型示意图。

图3示出本发明实施例提供的遥感卫星多目标星上自主任务规划方法中的备选成像目标计算流程。

图4示出本发明实施例提供的遥感卫星多目标星上自主任务规划方法中的路径矩阵计算流程。

图5示出本发明实施例提供的遥感卫星多目标星上自主任务规划方法中的卫星与目标的最大距离。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

随着对地遥感应用需求的增加和遥感卫星数量的增长，传统高度依赖地面运控系统控制遥感卫星运行的方式给地面运控系统带来的压力显著增加，测控效率低、时效性差和人工工作量大的控制方法越来越不适应未来航天任务的需要。

因此，遥感卫星的管理逐渐从“地面离线”向“星上自主”演变，星上自主任务规划是提高成像效率、降低数传测控压力和提高卫星对应急突发事件快速响应能力的关键。

传统遥感卫星对地成像任务需要运控中心、测控中心、地面站、卫星和星上遥感成像载荷共同完成。其中运控中心、测控中心和数传地面站统称为地面支撑系统。如表1所示为遥感卫星分系统名称和功能。

表1遥感卫星分系统名称和功能

遥感卫星在面对普查和周期性成像等应用需求时，轨道通常采用回归轨道方式，通过合理选择轨道倾角和半长轴，使得星下点呈一定周期回归。在回归周期内，各圈次上的卫星是否通过数传和测控站，以及过站的时长都是确定的。因此如何利用这一性质，充分考虑光照条件、成像时间约束和固存容量约束，建立了星上自主任务规划是一个亟待解决的问题。

有鉴于此，本发明的一个实施例提供了一种遥感卫星多目标星上自主任务规划方法，如图1所示，该方法包括对当前周期内的定轨数据进行处理生成轨道预报并进行坐标转换；通过对地面目标的经度进行筛选得到备选成像目标，并根据地影约束、升轨和降轨对备选成像目标进行排序得到成像目标集合；通过对所述成像目标集合进行成像时刻和侧摆角计算得到成像时序和成像资源需求并生成成像路径矩阵；根据所述成像路径矩阵、功耗和重要性权重得到成像任务规划。

具体的，本实施例根据遥感卫星多目标成像任务的特点提供一种自主任务规划方法，该方法针对卫星可成像弧段经度范围筛选目标，考虑地影约束和升轨、降轨特征对备选成像目标进行排序。通过卫星和目标之间的距离判断是否进入可成像弧段，并进一步通过曲线拟合计算得到成像时刻和侧摆角。根据侧摆角和侧摆时间的近似线性关系得到姿态机动时长，综合相机预热时长和开机时长得到该目标成像开始时刻和结束时刻。根据目标之间成像时段的先后和重叠关系，生成规划矩阵、功耗向量和权重向量，满足功耗约束且总权重最大的方案即该圈次多目标任务规划方案。

在一个具体的示例中，根据卫星当前圈次在光照区内的轨迹在地心惯性坐标系(WGS84)下的经度范围内进行筛选，得到备选成像目标。之后对备选成像目标的纬度排序得到成像目标序列(成像目标集合)。

具体的，如图3所示，根据所得到的卫星经纬度预报值，考虑卫星侧摆能力和成像时长范围预筛选得到备选成像目标，得到备选成像目标集合。

进一步，根据光照区卫星是升轨还是降轨，对备选成像目标集合排序。对于升轨，按照纬度增加排序；对于降轨，按照纬度减小排序。

本实施例综合考虑了星上能源约束、存储容量约束、成像光照条件约束和目标地区的重要性权重，计算时间复杂度和空间复杂度较低，便于工程实施。

在一种可能的实现方式中，该方法包括更新卫星的当前圈次、蓄电池电量和固存余量。

在一种可能的实现方式中，所述对当前周期内的定轨数据进行处理生成轨道预报并进行坐标转换包括对卫星在地心惯性坐标系下的位置和速度进行积分得到轨道预报；并将所述轨道预报的值进行坐标转换得到卫星在地心固连坐标系下的经度、纬度和高度。

具体的，由星上的导航接收机给出的WGS84坐标系下的位置和速度，进行轨道预报。进一步的，对卫星的位置、速度和轨道预报时间进行无量纲化处理。其中，地球的质量GE和赤道半径R

在地心惯性坐标系下，J2轨道动力学模型可以写为

式中，J

进一步的，积分得到卫星在地心惯性坐标系下当前圈次的预报后，将其转换到地心固连坐标系下的坐标计算卫星的经度、纬度和高度。

在一个具体的示例中，根据星上导航接收机给出的从地惯系(地心惯性坐标系)到地固系(地心固连坐标系)的坐标转换矩阵，忽略短期内章动、极移和岁差，只考虑地球自转，可以将地惯系下的位置转换到地固系。

r

式中，r

进一步的，根据公式得到经度、维度和高度。

式中，e

进一步的，将卫星在地心惯性坐标系下的轨道预报值转换到地心固连坐标系下，短期内忽略章动、岁差和极移，仅考虑地球自转影响，可以得到卫星在地球固连坐标系下的位置为

r

式中，r

在一个具体的示例中，根据卫星轨道预报的经度纬度高度和筛选后目标的经度纬度高度，计算卫星与目标的距离。

进一步的，在WGS84坐标系下根据目标的位置矢量r

L＝||r

式中，||*||

在一个具体的示例中，如图5所示，根据卫星的最大侧摆角θ

式中，R

进一步的，α可通过下式计算得到。

式中，β为卫星可达半视角；β＝θ

在一个具体的示例中，当卫星和目标的距离L≤kD时，其中k为缩放系数，可以得到卫星的可成像轨迹弧段。对该弧段内卫星在地心固连坐标系下的位置坐标进行最小二乘拟合，进而求得可成像弧段中星目距离最小值D

进一步的，根据星目距离最小值D

在一个具体的示例中，首先计算成像时卫星和目标的地心角为

成像所需的侧摆角为

在一种可能的实现方式中，该方法包括根据卫星在地心惯性坐标系下的位置和星上的太阳星历得到太阳在地心惯性坐标系下的位置，并根据圆柱形地影模型判断卫星是否在地影中。

具体的，如图2所示，根据卫星在地心惯性坐标系下的位置矢量和星上的太阳星历得到的太阳在地心惯性坐标系下的位置矢量，根据圆柱形地影模型，判断卫星是否在地影中。

进一步的，对于光学遥感卫星而言，成像位置必须在光照区，因此可以删去在地影中的轨道预报值。

根据圆柱形地影模型，当卫星-地心-太阳三者的角度γ≤γ*时，

γ*＝90°+arcsin(R

式中，R

在一种可能的实现方式中，若卫星在地影中，则删除在地影中的轨道预报的值。

在一种可能的实现方式中，如图4所示，所述通过对所述成像目标集合进行计算得到成像时序和成像资源需求并生成成像路径矩阵包括根据所述成像目标集合中成像目标的成像时刻、侧摆时长和成像相机的开机时长计算每个成像目标的成像开始时刻和结束时刻；根据每个所述成像目标的成像开始时刻和结束时刻的重叠关系以及时间先后顺序生成成像路径矩阵；其中所述成像路径矩阵的每一行代表一个多目标任务规划方案。

具体的，对于成像目标序列中的备选目标，依次计算卫星和该目标在WGS坐标系的相对位置矢量，将卫星和目标之间的距离小于给定的阈值的轨道弧段作为可成像弧段，通过曲线拟合计算成像时刻和该时刻的侧摆角。

进一步的，如果侧摆角大于卫星姿态角的阈值，在成像目标序列中删去该目标。

在一个具体的示例中，根据姿态控制系统(姿控分系统)的设计可知侧摆时角速度近似为常数，侧摆角和侧摆时间呈线性关系，由此计算得到侧摆角所需的侧摆时长。并由成像时刻、相机开机时长和侧摆时长计算任务开始时刻和结束时刻。

在一种可能的实现方式中，所述通过对所述成像目标集合进行计算得到成像时序和成像资源需求并生成成像路径矩阵还包括根据所述成像相机的开机功耗和姿控子系统功耗计算目标成像的功耗需求和地面目标成像的数据量。

具体的，根据相机开机功耗和姿控分系统功耗计算该目标成像的功耗需求，并根据开机时长和相机成像数据率计算该地面目标成像的数据量。

在一个具体的示例中，计算侧摆时长和成像时长；根据侧摆时长、成像时长和相机预开机时长计算成像时间需求；根据相机功耗需求和姿控子系统功耗需求计算该目标成像的功耗总需求；根据成像时长和数据率计算地面目标数据量；根据地面目标功耗总需求、地面目标数据量和地面目标编号得到地面目标特征集合。

进一步的，计算成像时长需求为

Δt

式中，Δt

进一步的，计算数据量包括计算该地面目标数据量d的公式为

式中，

根据侧摆时长、成像时刻和相机预开机时长计算成像开始时刻和成像结束时刻。

对于第i个可成像地面目标，成像开始时刻为

式中，

成像结束时刻为

计算功耗包括计算相机功耗需求为

W

式中，P

该地面目标功耗总需求为

W

式中，W

在一个可选的示例中，完成对备选目标的任务开始时刻、任务结束时刻、功耗需求和数据量的计算后，根据各任务目标开始时刻和结束时刻的重叠关系和时间先后顺序，生成路径矩阵。

进一步的，即根据时序相邻的两个地面目标任务的起始时刻和结束时刻，若第i+1任务的起始时刻在第i任务规划的结束时刻之前，那么第i+1任务不能与第i任务相继执行，此时任务规划路径矩阵的第i行第i+1列为0；若第i+1任务的起始时刻在第i任务规划的结束时刻之后，那么第i+1任务可以与第i任务相继执行，此时任务规划路径矩阵的第i行第i+1列设置为1；对于第i+1行第i列设置为0；第i行第i列设置为0。由此生成任务规划路径矩阵，其中该矩阵的每一行代表一个可行的多目标任务规划方案。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述成像路径矩阵、功耗和重要性权重得到成像任务规划包括利用所述成像目标的重要性权重生成权重向量，并根据所述权重向量和所述成像路径矩阵得到每个多目标任务规划方案所需的总权重；利用所述目标成像的功耗需求生成功耗向量，并根据所述功耗向量和所述成像路径矩阵得到每个多目标任务规划方案所需的总功耗；按照所述总权重从大到小依次判断所述总功耗是否满足当前圈次的蓄电池电量和能源平衡需求。

具体的，将成像目标所需的功耗生成功耗向量，任务规划路径矩阵(成像路径矩阵)乘以功耗向量，得到各可行的任务规划方案所需的总功耗。将成像目标的重要性权重生成权重向量，任务规划路径矩阵乘以权重向量，得到各可行的任务规划方案所需的总权重。

进一步的，按照方案的总权重从大到小依次判断该任务的总功耗是否满足当前圈次的蓄电池电量和能源平衡需求。满足功耗约束且总权重最大的方案即为该圈次多目标任务规划方案。

在一个具体的示例中，从任务规划的起始时间开始，卫星依次经过各目标地点附近，各目标点成像时长不同，侧摆角不同，所以任务起始时刻和任务时长不同。利用这一性质，如果目标i的开始时间在目标j开始时间之后且在结束时间之前，那么目标i和目标j之间没有先后成像的可能，设置任务规划路径矩阵第i行第j列元素为0，否则设为1。由此可以构建任务规划的路径矩阵S。

进一步的，根据该圈次备选目标的重要性权重向量W，得到各方案的收益向量V为

V＝S·W

根据该圈次备选目标的功耗预算向量G，得到各方案的总功耗向量为

V＝S·W

总功耗满足蓄电池电量约束的向量为

C＝H

式中，C代表H中的各元素是否满足约束H＜Power

最佳成像规划方案为

式中，·代表向量元素点乘，其中

得到最佳成像规划方案后，由星上设备控制指令模板，生成可执行的控制指令流。

在一种可能的实现方式中，若满足，则利用当前所述多目标任务规划方案进行任务规划。

本实施例综合星上存储容量、能源平衡、成像条件和地区重要性权重等因素，基于遥感卫星轨道设计的回归特性提出了一种星上自主任务规划方法，兼顾了能源、固存容量、数传时长、成像时长和地区重要性等约束，计算时间复杂度和空间复杂度较低，便于星上实施。

本发明的另一个实施例提供了一种遥感卫星多目标星上自主任务规划系统，该系统包括空间关系计算模块，用于对当前周期内的定轨数据进行处理生成轨道预报并进行坐标转换；成像目标筛选模块，用于通过对地面目标的经度进行筛选得到备选成像目标，并根据地影约束、升轨和降轨对备选成像目标进行排序得到成像目标集合；路径矩阵计算模块，用于通过对所述成像目标集合进行成像时刻和侧摆角计算得到成像时序和成像资源需求并生成成像路径矩阵；任务规划生成模块，用于根据所述成像路径矩阵、功耗和重要性权重得到成像任务规划。

具体的，本实施例提供的任务规划系统分为四个模块，分别为空间关系计算模块、成像目标筛选模块、路径矩阵计算模块和任务规划生成模块。其中，空间关系计算模块，用于对当前周期内的数据进行处理生成轨道预报并进行坐标转换计算；成像目标筛选模块，用于通过对地面目标的经度范围进行筛选得到备选成像目标；路径矩阵计算模块，计算得到成像时序和成像资源需求，进一步生成路径矩阵；任务规划生成模块，根据路径矩阵和功耗、重要性权重，计算得到所述的最佳成像任务规划。

本实施例综合星上存储容量、能源平衡、成像条件和地区重要性权重等因素，基于遥感卫星轨道设计的回归特性提出了一种星上自主任务规划系统，兼顾了能源、固存容量、数传时长、成像时长和地区重要性等约束，计算时间复杂度和空间复杂度较低，便于星上实施。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。