面向資源利用率的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃績效評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及地觀測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向資源利用率的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃 績效評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對地觀測即在地球表面之外，利用空間飛行器（通常為成像衛(wèi)星）距離地面高的 位置優(yōu)勢，對地球表面進(jìn)行觀測并獲取其詳細(xì)數(shù)據(jù)的活動。由于對地觀測活動具有地面觀 測所無法取代的優(yōu)勢，其在經(jīng)濟(jì)、社會和軍事層面均具有十分重要的意義，并因此受到了科 研領(lǐng)域極大的重視。近年來，成像衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)發(fā)展極為迅速。星上載荷增加、多軸姿態(tài)控 制技術(shù)、非延跡推掃技術(shù)、多星編隊組網(wǎng)飛行等技術(shù)的發(fā)展給成像衛(wèi)星完成對地觀測任務(wù) 的能力帶來了極大的提升。
[0003] 成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃技術(shù)作為指導(dǎo)成像衛(wèi)星執(zhí)行對地觀測任務(wù)的唯一手段，其效能 的優(yōu)劣對于對地觀測活動的結(jié)果具有極大的影響。因此，成像衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)的發(fā)展同樣給 成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)。一方面，熱點科學(xué)問題的實時追蹤、多傳感器網(wǎng) 絡(luò)協(xié)同以及大容量圖像數(shù)據(jù)的傳輸?shù)葐栴}對于新的星地網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計提出了更高的 要求；另一方面，現(xiàn)有成像衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的能力也制約著由成像衛(wèi)星上的 傳感器產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)下行到地面的能力。2005年，Steve Chien等在ASE (Autonomous Sciencecraft Experiment)的一篇階段性總結(jié)[[i]]中既提出，使用自主規(guī)劃軟件使單 顆成像衛(wèi)星的觀測需求發(fā)生了變化，而這些改變的觀測需求使成像衛(wèi)星的數(shù)傳需求顯著上 升。我國學(xué)者張兵同樣指出，雖然目前的智能成像衛(wèi)星已經(jīng)具備了一定的實時任務(wù)響應(yīng)能 力和結(jié)合長期和短期天氣預(yù)報來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的能力，大大提高了成像衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的利 用效率，但是面對未來用戶對于成像衛(wèi)星數(shù)據(jù)的靈活需求，更加靈活的星上數(shù)據(jù)處理和傳 輸程序仍舊是智能成像衛(wèi)星系統(tǒng)所面對的一大挑戰(zhàn)。同時，由于地面規(guī)劃中采用的成像衛(wèi) 星資源預(yù)測模型的不準(zhǔn)確性，導(dǎo)致地面規(guī)劃不必要的限制成像衛(wèi)星使用效能的弊端也逐漸 顯現(xiàn)出來。為了應(yīng)對這些任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域的新問題，部分專家學(xué)者嘗試將多目標(biāo)優(yōu)化機(jī)制引 入成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域，如C. Pralet、G. Verfaillie等嘗試在現(xiàn)有任務(wù)調(diào)度方法基礎(chǔ) 上考慮任務(wù)數(shù)據(jù)的有效性，對于星上任務(wù)的規(guī)劃方法進(jìn)行優(yōu)化，并取得了一定的成果。而與 此相對的，對于一種能夠綜合衡量衛(wèi)星資源的使用效率的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃績效評估體系 的需求，也越來越迫切。
[0004] 傳統(tǒng)的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃算法通常從如下的幾個方面來評價規(guī)劃的整體表現(xiàn)：1、 完成任務(wù)的總收益；2、任務(wù)的完成率（或任務(wù)目標(biāo)的完成個數(shù)）；3、全局任務(wù)的最小完成時 間。部分規(guī)劃算法在以上的評價指標(biāo)基礎(chǔ)上加入了如：1、任務(wù)的成像質(zhì)量；2、任務(wù)規(guī)劃的 魯棒性（用可重新安排的任務(wù)收益最大表示）；3、較短的規(guī)劃時間；4、規(guī)劃容錯能力等。然 而，這些評價指標(biāo)基本都是從單純的任務(wù)收益出發(fā)，將其他的指標(biāo)作為對于任務(wù)收益的調(diào) 整參數(shù)進(jìn)行評估。
[0005] 由于成像衛(wèi)星任務(wù)執(zhí)行環(huán)境的復(fù)雜化，傳統(tǒng)的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃評價方法已經(jīng)越 來越無法滿足未來的敏捷成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)對于更加全面并且具有綜合性的任務(wù)收 益評價體系的需求。Gregory Beaumet提出，敏捷成像衛(wèi)星在進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃時，必須考慮成 像衛(wèi)星星上資源以及任務(wù)區(qū)域的云層覆蓋率等不確定性環(huán)境對于任務(wù)規(guī)劃過程和最終收 益的影響。我國學(xué)者張正強(qiáng)、譚躍進(jìn)同樣指出，對于未來的成像衛(wèi)星自主規(guī)劃系統(tǒng)，星地通 信時間、觀測條件變化、空間傳輸時長等因素是其設(shè)計時必須納入考量的問題。同時，傳統(tǒng) 的基于任務(wù)總收益或者任務(wù)完成率的規(guī)劃評價方法雖然能夠一定程度上比較規(guī)劃算法的 效能，但是卻無法揭示進(jìn)一步提升算法效果所需要著重考慮的因素。因此，一種能夠從多個 角度對于成像衛(wèi)星績效進(jìn)行評估的方法，是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提供一種面向資源利用率的成像 衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃績效評估方法。
[0007] 為了解決【背景技術(shù)】所存在的問題，本發(fā)明的面向資源利用率的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃 績效評估方法，它的評估方法為：
[0008] (1)、績效評估方法：
[0009] (1. 1)、成像質(zhì)量的任務(wù)總收益：
[0010] 任務(wù)總收益P的計算公式如下：
[0012] 其中，MCN代表規(guī)劃實際完成的任務(wù)數(shù),P1代表第i個任務(wù)的收益，CR i代表第i個 任務(wù)上空的云量系數(shù),D1為第i個任務(wù)的成像清晰系數(shù)，由成像時間偏離觀測時間窗中心點 的程度表示；
[0013] D1的具體計算方法如下：
[0015] 其中，OET1為第i個任務(wù)的觀測窗開始時間，OST i為第i個任務(wù)的觀測窗結(jié)束時 間，MST1為第i個任務(wù)的任務(wù)開始時間，MET i為第i個任務(wù)的任務(wù)結(jié)束時間；
[0016] (1. 2)、上傳資源剩余可用率；
[0017] (1.3)、觀測資源利用率；
[0018] (1. 4)、回傳資源剩余可用率；
[0019] (2)、評估實例：（2. 1)、成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法；
[0020] (2. I. 1)、地面批處理任務(wù)規(guī)劃方法；
[0021] (2. 1. 2)、天氣預(yù)報的地面批處理任務(wù)規(guī)劃方法；
[0022] (2. 1. 3)、實時氣象條件的星上自主任務(wù)規(guī)劃方法；
[0023] (2. 2)、實驗場景設(shè)計；
[0024] (2. 3)、仿真實驗結(jié)果；并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。
[0025] 本發(fā)明有益效果為：便于快速進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，操作簡便，使用方便，同時節(jié)省時間， 效率高。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明中地面批處理任務(wù)規(guī)劃基本流程圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明中考慮天氣預(yù)報的地面批處理任務(wù)規(guī)劃基本流程圖；
[0028] 圖3為本發(fā)明中考慮實時氣象條件的星上自主任務(wù)基本流程圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0030] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實施 方式，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的【具體實施方式】僅用以解釋本 發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0031] 本【具體實施方式】采用如下技術(shù)方案：它的評估方法為：
[0032] 1、績效評估方法：
[0033] 在充分考慮實際任務(wù)需求以及實際數(shù)據(jù)的可獲得性能力的前提下，設(shè)置了以下四 個主要指標(biāo)：
[0034] 1. 1、成像質(zhì)量的任務(wù)總收益：
[0035] 單個衛(wèi)星成像任務(wù)的收益除了取決于任務(wù)數(shù)據(jù)本身的價值之外，還受到任務(wù)區(qū)域 上空的氣象條件以及拍攝時衛(wèi)星載荷與目標(biāo)物之間夾角的影響。其中，氣象條件的影響主 要指任務(wù)區(qū)域上空的云層對于任務(wù)區(qū)域的遮擋導(dǎo)致任務(wù)數(shù)據(jù)的價值下降；拍攝角度則主要 影響任務(wù)數(shù)據(jù)的圖像清晰度（當(dāng)成像衛(wèi)星位于目標(biāo)物正上方時成像的清晰度最高）。在考 慮以上兩個因素的基礎(chǔ)上，定義任務(wù)總收益P的計算公式如下：
[0037] 其中，MCN代表規(guī)劃實際完成的任務(wù)數(shù),P1代表第i個任務(wù)的收益，CR i代表第i個 任務(wù)上空的云量系數(shù)，D1為第i個任務(wù)的成像清晰系數(shù)，由成像時間偏離觀測時間窗中心 點的程度表示；
[0038] D1的具體計算方法如下：
[0040] 其中，OET1為第i個任務(wù)的觀測窗開始時間，OST i為第i個任務(wù)的觀測窗結(jié)束時 間，MST1為第i個任務(wù)的任務(wù)開始時間，MET i為第i個任務(wù)的任務(wù)結(jié)束時間。
[0041] 1.2、上傳資源剩余可用率：
[0042] 隨著成像衛(wèi)星星上硬件資源（如電池容量，固存容量，姿態(tài)轉(zhuǎn)換器效率等）的增 加，成像衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)的能力越來越強(qiáng)。而與此相對的，衛(wèi)星與地面站的通訊時間和任務(wù)數(shù) 據(jù)量的大小則限制了成像衛(wèi)星能夠接收到的任務(wù)的數(shù)量。因此，選擇何種數(shù)據(jù)上傳手段將 任務(wù)信息上注至成像衛(wèi)星，顯著的限制了成像衛(wèi)星收益的上限。定義上傳資源剩余可用率 來衡量任務(wù)規(guī)劃方法的這一屬性。在任務(wù)整體收益不下降且地面站狀態(tài)不變的情況下，該 項指標(biāo)的值越高，代表成像衛(wèi)星的使用收益在未來的可提升空間越大。為了定義上傳資源 剩余可用率UP，首先定義第i個任務(wù)的上傳時間uti:
[0044] 其中，ML1為第i個任務(wù)的信息總量，DUR為地面站上傳任務(wù)信息的速度。根據(jù)以 上條件定義上傳資源空閑負(fù)載率UP如下：
[0046] 其中，UWS為上傳窗開始時間，UWE為上傳窗結(jié)束時間。
[0047] 1.3、觀測資源利用率：
[0048] 每個觀測任務(wù)的收益和觀測任務(wù)區(qū)域上空的云量有直接的關(guān)系。當(dāng)任務(wù)區(qū)域上空 的云量超過一定的上限時，觀測數(shù)據(jù)將完全失去效果。如將無效數(shù)據(jù)寫入成像衛(wèi)星固存，不 但會占據(jù)有效數(shù)據(jù)的存儲空間，還可能覆蓋原本存在的有效數(shù)據(jù)，從而削減成像衛(wèi)星的使 用收益。因此，合理分配成像衛(wèi)星固存容量，盡量減少成像衛(wèi)星固存中無效數(shù)據(jù)的比例，對 于成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃具有重要意義。為了定義觀測資源利用率0WR，首先定義第i個任務(wù)的 有效觀測時間EOT1:
[0050] 其中，DT1為第i個任務(wù)的持續(xù)時間，cr為預(yù)設(shè)的保證成像衛(wèi)星任務(wù)數(shù)據(jù)有效的任 務(wù)區(qū)域云量上限。因此，觀測資源利用率OWR被定義為有效觀測時間和任務(wù)總觀測時間的 比值：
[0052] 1. 4、回傳資源剩余可用率：
[0053] 在自主成像衛(wèi)星的任務(wù)數(shù)據(jù)回傳規(guī)劃中，任務(wù)數(shù)據(jù)回傳規(guī)模和執(zhí)行任務(wù)時任務(wù)區(qū) 域上空的云量有關(guān)；而非自主成像衛(wèi)星在傳輸數(shù)據(jù)時不考慮數(shù)據(jù)的有效性，因此全部任務(wù) 數(shù)據(jù)都作為有效數(shù)據(jù)下傳。下傳大量的無效數(shù)據(jù)會擠占有限的