本發(fā)明涉及敏捷衛(wèi)星成像任務(wù)全局優(yōu)化分配方法，屬于敏捷衛(wèi)星成像任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，在軌衛(wèi)星機(jī)動能力有限，成像模式只有傳統(tǒng)的側(cè)擺成像和對地成像兩種，對于一個目標(biāo)的觀測時段相對簡單，所以不涉及多個目標(biāo)按照軌道圈次進(jìn)行全局分配問題。

隨著航天技術(shù)發(fā)展，衛(wèi)星的機(jī)動能力大幅增強(qiáng)，可以沿三軸進(jìn)行機(jī)動，能夠在能力允許的范圍內(nèi)對任意走向的地面目標(biāo)進(jìn)行觀測。由于可以在俯仰方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，當(dāng)衛(wèi)星位于目標(biāo)前方、上方、后方時，均可對目標(biāo)進(jìn)行觀測，可用觀測時間較長，可以在較長的時間窗口內(nèi)自由地選取其中任一時段對目標(biāo)進(jìn)行觀測。使得同一目標(biāo)存在很多觀測時段，需要根據(jù)一定的原則進(jìn)行優(yōu)化求解進(jìn)行成像任務(wù)全局優(yōu)化，以達(dá)到好的觀測效果和應(yīng)用效果。

目前比較多的任務(wù)規(guī)劃研究集中在單星或多星綜合成像任務(wù)的調(diào)度問題上，優(yōu)化指標(biāo)多是單個目標(biāo)的優(yōu)化，不能實(shí)現(xiàn)對多個任務(wù)的軌道觀測圈次分配問題，只能隨機(jī)或人工通過多次試驗(yàn)選取某個目標(biāo)的軌道圈次及觀測時段，從而使得不能合理規(guī)劃成像任務(wù)，導(dǎo)致觀測結(jié)果不是最優(yōu)的，成像質(zhì)量沒有保證，能源消耗大，且人工通過多次試驗(yàn)選取還直接導(dǎo)致耗費(fèi)的時間多。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種敏捷衛(wèi)星成像任務(wù)全局優(yōu)化分配方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種敏捷衛(wèi)星成像任務(wù)全局優(yōu)化分配方法，步驟如下：

(1)分析衛(wèi)星對所有成像目標(biāo)的可見性，得到每個目標(biāo)的可見時段；

(2)判斷每個可見時段是否處于降軌段，對處于降軌段的可見時段，計(jì)算其中間時刻衛(wèi)星指向各個目標(biāo)起始點(diǎn)的側(cè)擺角；

(3)判斷是否有側(cè)擺角不超過α的可見時段，如果沒有滿足條件的可見時段，則無法對成像任務(wù)進(jìn)行全局優(yōu)化，否則進(jìn)入步驟(4)；α為滿足機(jī)動能力、衛(wèi)星能源以及圖像分辨率要求的側(cè)擺角閾值；

(4)如果僅存在一個滿足條件的可見時段，則在該可見時段對應(yīng)的軌道圈對可見目標(biāo)進(jìn)行成像；如果滿足條件的可見時段大于等于兩個，則按照可見時段開始時刻的先后順序?qū)M足條件的可見時段進(jìn)行排序，并統(tǒng)計(jì)這些可見時段所在的軌道圈，按可見時段的先后順序在對應(yīng)的軌道圈內(nèi)，對可見目標(biāo)依次成像，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星成像任務(wù)全局優(yōu)化分配。

所述步驟(2)中判斷每個可見時段是否處于降軌段的方法為：

(2.1)根據(jù)軌道半長軸a與地心引力常數(shù)μ計(jì)算衛(wèi)星軌道周期T：

$T=\frac{2\mathrm{\π}}{\sqrt{\mathrm{\μ}}}{a}^{\frac{3}{2}}$

(2.2)根據(jù)STK二維圖或衛(wèi)星位置在J2000慣性坐標(biāo)系下的投影z分量來計(jì)算衛(wèi)星第一圈的降軌時段；

(2.3)計(jì)算某個可見時段開始時刻t_s/T的余數(shù)，并判斷余數(shù)是否位于衛(wèi)星第一圈的降軌時段，如果位于，則該可見時段處于降軌段，否則，該可見時段未處于降軌段；

(2.4)重復(fù)步驟(2.3)，直到完成所有可見時段的判斷。

所述步驟(2.2)中，根據(jù)衛(wèi)星位置在J2000慣性坐標(biāo)系下的投影z分量來計(jì)算衛(wèi)星第一圈的降軌時段的方法為：

計(jì)算投影z分量由1變?yōu)?1的時間段，該時間段即為衛(wèi)星第一圈的降軌時段。

所述步驟(2)中計(jì)算可見時段中間時刻衛(wèi)星指向各個目標(biāo)起始點(diǎn)或結(jié)束點(diǎn)側(cè)擺角的方法為：

(4.1)假設(shè)某個可見時段中間時刻t_mid時，衛(wèi)星在J2000慣性系中的位置坐標(biāo)為r_sat,ECI，衛(wèi)星指向地面成像點(diǎn)為其中，λ表示大地經(jīng)度，表示大地緯度，h表示大地坐標(biāo)下的海拔，根據(jù)大地坐標(biāo)系與地固坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得成像點(diǎn)在地固坐標(biāo)系中的位置r_P,ECF；

(4.2)根據(jù)地固坐標(biāo)系到J2000慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣L_ECI,ECF，利用公式r_P,ECI＝L_ECI,ECF·r_P,ECF計(jì)算成像點(diǎn)在J2000慣性系中的位置坐標(biāo)r_P,ECI；

(4.3)根據(jù)衛(wèi)星在J2000慣性系中的位置坐標(biāo)為r_sat,ECI和地面成像點(diǎn)在J2000慣性系中的位置坐標(biāo)r_P,ECI，利用公式Δr_ECI＝r_P,ECI-r_sat,ECI得到在J2000慣性系中衛(wèi)星與地面成像點(diǎn)的矢量差Δr_ECI；

(4.4)根據(jù)J2000慣性系中衛(wèi)星與地面成像點(diǎn)的矢量差Δr_ECI以及J2000慣性系到衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣L_oi，利用公式Δr_orbit＝L_oi·Δr_ECI在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系中衛(wèi)星與地面成像點(diǎn)的矢量差Δr_orbit；

(4.5)令Δr_orbit＝[r_x,orbit,r_y,orbit,r_z,orbit]^T，則滾動角和俯仰角θ的計(jì)算公式分別為：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{r_{x,orbit}}{r_{orbit}}$

其中

(4.6)本體系z軸單位矢量為z_b＝[0,0,1]^T，經(jīng)過衛(wèi)星滾動、俯仰轉(zhuǎn)動后，該矢量在軌道系下的投影

其中

(4.7)利用如下公式計(jì)算側(cè)擺角β：

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\left(\frac{z_{orbit,after}\·z_{orbit,before}}{\left|\right|z_{orbit,after}|{|}_2\·|\left|z_{orbit,before}\right|{|}_2}\right)$

其中z_orbit,before為矢量z_b在軌道系下的投影，且z_orbit,before＝z_b。

所述步驟(4.1)中獲得成像點(diǎn)在地固坐標(biāo)系中位置r_P,ECF的方法為：

r_P,ECF＝(x,y,z)

其中a為軌道半長軸。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)本發(fā)明從衛(wèi)星應(yīng)用的角度兼顧考慮衛(wèi)星能源、成像效率、成像質(zhì)量等多方面因素，提出了目標(biāo)成像時段在降軌段且可見時段中間時刻側(cè)擺角小于一定范圍的優(yōu)化原則，將多個成像任務(wù)分配到合適的軌道圈次，得到兼顧衛(wèi)星能源、成像質(zhì)量和觀測效能等因素的成像任務(wù)全局優(yōu)化結(jié)果，使成像任務(wù)規(guī)劃更加合理，符合衛(wèi)星應(yīng)用需求，從而優(yōu)化觀測結(jié)果，保證成像質(zhì)量，降低能源消耗。

(2)對于太陽同步衛(wèi)星來說，降軌段處于陽照區(qū)且太陽觀測角比較適合觀測，可以保證良好的成像質(zhì)量。本發(fā)明將目標(biāo)的觀測時段限制在降軌段，是從成像輻射質(zhì)量的角度對觀測時段進(jìn)行選擇和優(yōu)化的第一步，是后續(xù)進(jìn)行成像任務(wù)全局優(yōu)化、保證成像質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

(3)衛(wèi)星的側(cè)擺角度影響到衛(wèi)星機(jī)動耗費(fèi)的能源、成像時的定位精度、太陽光照角度、觀測效能等，是成像應(yīng)用中的具有綜合意義的指標(biāo)，對于整星應(yīng)用來說具有一定代表性。在成像過程中側(cè)擺角是連續(xù)變化的，中間時刻的側(cè)擺角可以作為一個特征量來表征整個過程的機(jī)動情況。因此，本發(fā)明利用目標(biāo)可見時段的中間時刻的側(cè)擺角作為優(yōu)化變量，能夠有效保證衛(wèi)星能源、成像質(zhì)量和觀測效能等多種因素滿足衛(wèi)星應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)成像任務(wù)的全局優(yōu)化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法流程圖；

圖2為衛(wèi)星對目標(biāo)可見性分析報告；

圖3為衛(wèi)星與地面站之間的相對幾何關(guān)系；

圖4為實(shí)施例中成像目標(biāo)位置與范圍示意圖。

具體實(shí)施方式

下面對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。

當(dāng)前，衛(wèi)星的機(jī)動能力大幅提升，姿態(tài)可以沿三軸進(jìn)行快速的任意大角度機(jī)動，使得對目標(biāo)的觀測更加靈活，同一個觀測目標(biāo)可以存在多個可觀測時段，給應(yīng)用帶來的問題是需要從多個觀測時段中篩選出合適的觀測時段。

本發(fā)明提出了衛(wèi)星成像任務(wù)全局優(yōu)化分配方法，針對敏捷衛(wèi)星一定時間跨度內(nèi)大量的點(diǎn)目標(biāo)、條帶和區(qū)域等綜合成像任務(wù)需求，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃將各個成像任務(wù)分配到合理的軌道圈上，使任務(wù)分配均勻、合理，且符合成像任務(wù)的觀測要求和時效性要求。

如圖1所示，本發(fā)明的敏捷衛(wèi)星成像任務(wù)全局優(yōu)化分配方法，步驟如下：

(1)利用STK中的Access Tool生成對所有成像目標(biāo)的可見性報告，得到每個目標(biāo)的可見時段報告格式如圖2所示。報告包含目標(biāo)的可見起始時刻、可見結(jié)束時刻、可見時段長度。

(2)判斷每個可見時段是否處于降軌段，對處于降軌段的可見時段，計(jì)算該可見時段的中間時刻，衛(wèi)星指向各個目標(biāo)起始點(diǎn)或結(jié)束點(diǎn)的側(cè)擺角。

判斷每個可見時段是否處于降軌段的方法為：

(2.1)根據(jù)軌道半長軸a與地心引力常數(shù)μ計(jì)算衛(wèi)星軌道周期T：

$T=\frac{2\mathrm{\π}}{\sqrt{\mathrm{\μ}}}{a}^{\frac{3}{2}}$

(2.2)根據(jù)STK二維圖或衛(wèi)星位置在J2000慣性坐標(biāo)系下的投影z分量來計(jì)算衛(wèi)星第一圈的降軌時段；

衛(wèi)星位置在J2000慣性系下的投影z分量由1變?yōu)?1的時間段，判斷為降軌段。

(2.3)計(jì)算某個可見時段開始時刻t_s/T的余數(shù)，并判斷余數(shù)是否位于衛(wèi)星第一圈的降軌時段，如果位于，則該可見時段處于降軌段，否則，該可見時段未處于降軌段；

(2.4)重復(fù)步驟(2.3)，直到完成所有可見時段的判斷。

計(jì)算可見時段中間時刻衛(wèi)星指向各個目標(biāo)起始點(diǎn)或結(jié)束點(diǎn)側(cè)擺角的方法為：

(3.1)假設(shè)某個可見時段中間時刻t_mid時，衛(wèi)星在J2000慣性系中的位置坐標(biāo)為r_sat,ECI，衛(wèi)星指向地面成像點(diǎn)為其中，λ表示大地經(jīng)度，表示大地緯度，h表示大地坐標(biāo)下的海拔，根據(jù)大地坐標(biāo)系與地固坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得成像點(diǎn)在地固坐標(biāo)系中的位置r_P,ECF；

r_P,ECF＝(x,y,z)

其中

(3.2)根據(jù)地固坐標(biāo)系到J2000慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣L_ECI,ECF，利用公式r_P,ECI＝L_ECI,ECF·r_P,ECF計(jì)算成像點(diǎn)在J2000慣性系中的位置坐標(biāo)r_P,ECI；

(3.3)如圖3所示，根據(jù)衛(wèi)星在J2000慣性系中的位置坐標(biāo)為r_sat,ECI和地面成像點(diǎn)在J2000慣性系中的位置坐標(biāo)r_P,ECI，利用公式Δr_ECI＝r_P,ECI-r_sat,ECI得到在J2000慣性系中衛(wèi)星與地面成像點(diǎn)的矢量差Δr_ECI；

(3.4)根據(jù)J2000慣性系中衛(wèi)星與地面成像點(diǎn)的矢量差Δr_ECI以及J2000慣性系到衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣L_oi，利用公式Δr_orbit＝L_oi·Δr_ECI在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系中衛(wèi)星與地面成像點(diǎn)的矢量差Δr_orbit；

(3.5)令Δr_orbit＝[r_x,orbit,r_y,orbit,r_z,orbit]^T，則滾動角和俯仰角θ的計(jì)算公式分別為：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{r_{x,orbit}}{r_{orbit}}$

其中atan2考慮了四個可能象限，返回以弧度表示并介于-π到π之間的反正切值，

(3.6)本體系z軸單位矢量為z_b＝[0,0,1]^T，經(jīng)過衛(wèi)星滾動、俯仰轉(zhuǎn)動后，該矢量在軌道系下的投影

(3.7)利用如下公式計(jì)算側(cè)擺角β：

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\left(\frac{z_{orbit,after}\·z_{orbit,before}}{\left|\right|z_{orbit,after}|{|}_2.|\left|z_{orbit,before}\right|{|}_2}\right)$

其中z_orbit,before為矢量z_b在軌道系下的投影，且z_orbit,before＝z_b。

(3)判斷是否有側(cè)擺角不超過α的可見時段，如果沒有滿足條件的可見時段，則無法對成像任務(wù)進(jìn)行全局優(yōu)化；否則進(jìn)入步驟(4)；α的選擇，是綜合考慮機(jī)動能力、衛(wèi)星能源、圖像分辨率等圖像質(zhì)量指標(biāo)限定的。例如，某衛(wèi)星典型機(jī)動能力25°/20s，考慮分辨率要小于0.8m，短期機(jī)動到大角度保證能源當(dāng)圈平衡，最終選取側(cè)擺角閾值為60°。

(4)如果僅存在一個滿足條件的可見時段，確定該可見時段所在的軌道圈和對應(yīng)的可見目標(biāo)(衛(wèi)星指向該可見目標(biāo)起始點(diǎn)的側(cè)擺角)，在該軌道圈內(nèi)對可見目標(biāo)進(jìn)行成像；如果滿足條件的可見時段大于等于兩個，則按照可見時段開始時刻的先后順序?qū)M足條件的可見時段進(jìn)行排序，并統(tǒng)計(jì)這些可見時段所在的軌道圈，按可見時段的先后順序在對應(yīng)的軌道圈里，對可見目標(biāo)依次進(jìn)行成像，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星成像任務(wù)全局優(yōu)化分配。

實(shí)施例：

某敏捷衛(wèi)星的軌道仿真參數(shù)如表1所示：

表1軌道仿真參數(shù)

成像目標(biāo)位置與范圍如圖4所示，其中T表示點(diǎn)目標(biāo)，LA表示非沿跡目標(biāo)，LP表示沿跡目標(biāo)，A表示區(qū)域目標(biāo)，LS表示不規(guī)則長條帶目標(biāo)。

利用本發(fā)明的方法進(jìn)行衛(wèi)星成像任務(wù)全局優(yōu)化分配，根據(jù)衛(wèi)星能源、成像效率和成像質(zhì)量等約束條件，選擇側(cè)擺角不超過60度的可見時段，共21個，按照可見時段開始時刻的先后順序?qū)M足條件的可見時段進(jìn)行排序，并統(tǒng)計(jì)這些可見時段所在的軌道圈，得到的全局分配結(jié)果如表2所示。

表2某敏捷衛(wèi)星成像任務(wù)全局優(yōu)化分配結(jié)果

按順序在對應(yīng)的軌道圈內(nèi)，對按照可見時段開始時刻排列的可見目標(biāo)序列依次成像，實(shí)現(xiàn)該敏捷衛(wèi)星成像任務(wù)的全局優(yōu)化分配。經(jīng)仿真測試，該方法在成像任務(wù)的全局分配上是可行的、有效的。

相對于現(xiàn)有方法中，同一目標(biāo)存在很多觀測時段，只能隨機(jī)或人工通過多次試驗(yàn)選取某個目標(biāo)的軌道圈次及觀測時段而言，本發(fā)明從衛(wèi)星應(yīng)用角度兼顧考慮衛(wèi)星能源、成像效率、成像質(zhì)量等多方面因素，提出了目標(biāo)成像時段在降軌段且可見時段中間時刻側(cè)擺角小于一定范圍的優(yōu)化原則，將多個成像任務(wù)分配到合適的軌道圈次，得到兼顧衛(wèi)星能源、成像質(zhì)量和觀測效能等因素的成像任務(wù)全局優(yōu)化結(jié)果，使成像任務(wù)規(guī)劃更加合理，符合衛(wèi)星應(yīng)用需求，從而優(yōu)化觀測結(jié)果，有效保證成像質(zhì)量，降低能源消耗。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。