回傳資源，從而限制有效數(shù) 據(jù)下傳的能力，并因此限制了成像衛(wèi)星的效能。同時(shí)，由于許多任務(wù)信息具有時(shí)效性限制， 下傳無效數(shù)據(jù)可能會(huì)導(dǎo)致有效數(shù)據(jù)回傳的延后，從而使有效數(shù)據(jù)的收益降低?；貍髻Y源剩 余可用率即為衡量在衛(wèi)星數(shù)據(jù)回傳資源有限的條件下，成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法能否合理分 配回傳資源的指標(biāo)。為定義回傳資源剩余可用率BWR，首先定義第i個(gè)任務(wù)的有效任務(wù)數(shù)據(jù) 回傳時(shí)間EBT1:
[0055] 其中，DPR為星上載荷任務(wù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率，DDR為成像衛(wèi)星任務(wù)數(shù)據(jù)下傳速率。因 此，回傳資源剩余可用率的定義如下：
[0057] 其中，BWEb為第b個(gè)回傳窗的結(jié)束時(shí)間，BWS b為第b個(gè)回傳窗的開始時(shí)間，BW為回 傳時(shí)間窗總數(shù)。
[0058] 2、評(píng)估實(shí)例：
[0059] 2. 1、成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法：
[0060] 2. I. 1地面批處理任務(wù)規(guī)劃方法：
[0061] 如圖1所示，該方法為最早實(shí)現(xiàn)的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法，也是目前較為普遍使 用的一種方法。該方法將成像衛(wèi)星的觀測(cè)任務(wù)映射為一系列相應(yīng)衛(wèi)星軌道上的觀測(cè)時(shí)間窗 和回傳時(shí)間窗，通過一些預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)星上資源（如電量和存儲(chǔ)器容量）在某一時(shí)刻的具 體狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)地面規(guī)劃成像衛(wèi)星任務(wù)的方法。完成后的任務(wù)規(guī)劃被翻譯成一系列對(duì)應(yīng) 的指令上傳至成像衛(wèi)星，由成像衛(wèi)星根據(jù)上注的指令進(jìn)行任務(wù)目標(biāo)的觀測(cè)。成像衛(wèi)星不具 備對(duì)規(guī)劃的實(shí)時(shí)調(diào)整功能或僅具有少量基于衛(wèi)星當(dāng)前資源約束檢查的規(guī)劃調(diào)整流程。該規(guī) 劃方法通常能夠保證較高收益的任務(wù)的執(zhí)行率。然而由于不考慮任務(wù)的動(dòng)態(tài)性特征（如氣 象因素的影響或預(yù)測(cè)模型的不準(zhǔn)確性等），最終可能導(dǎo)致規(guī)劃結(jié)果的執(zhí)行收益無法達(dá)到預(yù) 期水平。
[0062] 2. 1. 2、天氣預(yù)報(bào)的地面批處理任務(wù)規(guī)劃方法：
[0063] 如2所示，為了改善地面批處理任務(wù)規(guī)劃方法中存在的一些不足而提出的一種新 的任務(wù)規(guī)劃方法。該方法在地面批處理任務(wù)規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上，把任務(wù)區(qū)域上空的天氣預(yù) 測(cè)信息納入考量范圍，從而部分改善了地面批處理任務(wù)規(guī)劃方法對(duì)于任務(wù)的動(dòng)態(tài)性特征 (主要是天氣影響）考慮不足的問題。同時(shí)，引入一些全局性的特征量也有利于規(guī)劃方法在 一定程度上對(duì)待規(guī)劃任務(wù)隊(duì)列的安排進(jìn)行全局性的分析和優(yōu)化。然而，考慮天氣預(yù)報(bào)的地 面批處理任務(wù)規(guī)劃方法的規(guī)劃結(jié)果也容易受到天氣預(yù)報(bào)信息的不準(zhǔn)確性的影響。
[0064] 2. 1. 3、實(shí)時(shí)氣象條件的星上自主任務(wù)規(guī)劃方法：
[0065] 如圖3所示，該方法僅上傳任務(wù)所需的基本信息（即使命級(jí)任務(wù)信息，如觀測(cè)時(shí)間 窗、目標(biāo)位置的三維坐標(biāo)、成像的載荷需求等）至成像衛(wèi)星，由成像衛(wèi)星的星上任務(wù)規(guī)劃軟 件結(jié)合實(shí)時(shí)獲取的任務(wù)區(qū)域動(dòng)態(tài)性信息（如任務(wù)區(qū)域的氣象信息，成像衛(wèi)星當(dāng)前資源狀態(tài) 信息等）對(duì)任務(wù)的觀測(cè)、數(shù)據(jù)的記錄和回傳進(jìn)行安排，其主要目的是為了改善成像衛(wèi)星對(duì) 于任務(wù)的動(dòng)態(tài)性因素的響應(yīng)能力。由于成像衛(wèi)星獲取任務(wù)區(qū)域動(dòng)態(tài)性信息的能力有限，因 此該方法通常采用基于預(yù)設(shè)規(guī)則的滾動(dòng)規(guī)劃流程。
[0066] 2. 2、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)：
[0067] 實(shí)驗(yàn)用SKTlO仿真環(huán)境按照不同任務(wù)分布密度、不同天氣狀態(tài)以及不同衛(wèi)星屬性 建立了三個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，每個(gè)場(chǎng)景中共有30個(gè)點(diǎn)目標(biāo)任務(wù)。場(chǎng)景中的目標(biāo)屬性舉例如 下：
[0068]
CN 105184038 A 說明書 7/10 頁
[0072] 仿真場(chǎng)景均只對(duì)單顆成像衛(wèi)星進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃仿真，場(chǎng)景中所用到的模擬成像衛(wèi) 星的具體參數(shù)如下（為簡化計(jì)算，星上固存容量、載荷數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率及任務(wù)回傳速率均取 預(yù)設(shè)常數(shù)值）：
[0073] CN 105184038 A 說明書 8/10 頁
[0074] 2.3、仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
[0075] 實(shí)驗(yàn)所采用的任務(wù)規(guī)劃方法統(tǒng)一在Microsoft Visual Studio 2010環(huán)境下用C 語言進(jìn)行編寫，并分別對(duì)不同場(chǎng)景進(jìn)行了任務(wù)規(guī)劃。然后將規(guī)劃結(jié)果利用描述的任務(wù)規(guī)劃 評(píng)價(jià)體系進(jìn)行分析，最終分別得到了在不同場(chǎng)景下的任務(wù)規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)。各場(chǎng)景仿真實(shí)驗(yàn) 結(jié)果及最終匯總結(jié)果如下：
[0076] 2. 3. 1、場(chǎng)景1仿真結(jié)果：
[0079] 2. 3. 2、場(chǎng)景2仿真結(jié)果：
[0080] CN 105184038 A 說明書 9/10 頁
[0083] 2· 3· 4仿真結(jié)果匯總：
[0084] 根據(jù)以上三個(gè)仿真場(chǎng)景的規(guī)劃評(píng)價(jià)結(jié)果，最終得到的總體仿真結(jié)果如下：
[0086] 根據(jù)以上結(jié)果，對(duì)于三個(gè)仿真場(chǎng)景中三種不同的任務(wù)規(guī)劃方法在描述的面向資源 利用率的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃評(píng)價(jià)方法下的指標(biāo)情況進(jìn)行匯總；
[0087] 2. 4、仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：
[0088] 通過仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得出如下結(jié)論：
[0089] (1)、考慮實(shí)時(shí)氣象條件的星上自主任務(wù)規(guī)劃方法整體上具有最優(yōu)性能，主要原因 是星上自主規(guī)劃軟件能夠?qū)θ蝿?wù)區(qū)域的實(shí)時(shí)氣象信息進(jìn)行檢測(cè)并根據(jù)任務(wù)區(qū)域的氣象特 點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)規(guī)劃序列，從而減少了觀測(cè)資源和回傳資源的浪費(fèi)，同時(shí)提高了規(guī)劃的收 益。
[0090] (2)、考慮氣象預(yù)報(bào)信息的地面批處理任務(wù)規(guī)劃具有次優(yōu)性能，并且在某些特定場(chǎng) 景下在觀測(cè)資源的利用率方面具有超過考慮星上自主任務(wù)規(guī)劃方法的表現(xiàn)。造成這種結(jié)果 的主要原因是星上自主任務(wù)規(guī)劃只能夠獲得一定時(shí)間內(nèi)的實(shí)時(shí)氣象信息，因此在某一較大 的任務(wù)區(qū)域整體氣象條件較差時(shí)安排的任務(wù)絕大多數(shù)都只能采集無效數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致觀測(cè) 資源利用率有所下降。而考慮氣象預(yù)報(bào)的任務(wù)規(guī)劃方法在一定程度上能夠獲得待執(zhí)行任務(wù) 序列的全局信息，從而能夠盡量避開氣象條件較差的任務(wù)區(qū)域，將有限的成像衛(wèi)星資源盡 量分配給氣象狀況較好的任務(wù)區(qū)域，因而能夠在特定環(huán)境下獲得較高的觀測(cè)資源利用率。
[0091] (3)、地面批處理任務(wù)規(guī)劃整體表現(xiàn)最差。
[0092] (4)、采取星上自主任務(wù)規(guī)劃相比于地面的批處理任務(wù)規(guī)劃，最顯著的提升在于在 保證其他三個(gè)指標(biāo)不下降的前提下，能夠大幅度提升衛(wèi)星上傳資源的剩余可用率。該結(jié)果 主要得益于星上自主任務(wù)規(guī)劃采取使命級(jí)任務(wù)信息上傳的形式。該方式相對(duì)于傳統(tǒng)的指令 級(jí)任務(wù)信息上傳的方式，具有任務(wù)信息規(guī)模小，信息密度高的特點(diǎn)。成像衛(wèi)星在進(jìn)行基于使 命級(jí)任務(wù)信息的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃后，由星上自主任務(wù)調(diào)度軟件完成對(duì)于使命級(jí)任務(wù)信息 的翻譯，從而能夠有效避免數(shù)據(jù)上傳能力對(duì)于成像衛(wèi)星最大使用效能的限制。同時(shí)，相比于 批處理規(guī)劃采用僅上傳處于需執(zhí)行任務(wù)隊(duì)列中的任務(wù)的指令級(jí)信息，星上自主任務(wù)規(guī)劃方 法可以將全部任務(wù)的使命級(jí)任務(wù)信息全部上傳至成像衛(wèi)星，因此也有利于成像衛(wèi)星根據(jù) 全局任務(wù)信息和實(shí)時(shí)氣象信息對(duì)當(dāng)前規(guī)劃隊(duì)列進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。
[0093] 根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析可以得出：考慮實(shí)施氣象信息的星上自主任務(wù)規(guī)劃方法 在最大化成像衛(wèi)星使用效能方面具有最好的前景。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也暴露出考慮實(shí)時(shí)氣象 條件的成像衛(wèi)星自主任務(wù)規(guī)劃由于成像衛(wèi)星獲取實(shí)時(shí)任務(wù)信息的能力限制而導(dǎo)致的"短 視"問題。因此，如何能夠?qū)⒒陬A(yù)測(cè)的調(diào)整邏輯引入星上自主任務(wù)規(guī)劃方法中，提高星上 自主任務(wù)規(guī)劃對(duì)于任務(wù)序列優(yōu)化的全局性，將是未來改進(jìn)星上自主任務(wù)規(guī)劃方法的一個(gè)重 要問題。
[0094] 以上所述，僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā) 明的技術(shù)方案所做的其它修改或者等同替換，只要不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍， 均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.面向資源利用率的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃績效評(píng)估方法，其特征在于：它的評(píng)估方法 為： (1) 、績效評(píng)估方法： (1. 1)、成像質(zhì)量的任務(wù)總收益： 任務(wù)總收益P的計(jì)算公式如下：其中，MCN代表規(guī)劃實(shí)際完成的任務(wù)數(shù),P1代表第i個(gè)任務(wù)的收益，CR1代表第i個(gè)任務(wù) 上空的云量系數(shù)，D1為第i個(gè)任務(wù)的成像清晰系數(shù)，由成像時(shí)間偏離觀測(cè)時(shí)間窗中心點(diǎn)的程 度表示； D1的具體計(jì)算方法如下：其中，OET1為第i個(gè)任務(wù)的觀測(cè)窗開始時(shí)間，OST i為第i個(gè)任務(wù)的觀測(cè)窗結(jié)束時(shí)間，MST i 為第i個(gè)任務(wù)的任務(wù)開始時(shí)間，MET1為第i個(gè)任務(wù)的任務(wù)結(jié)束時(shí)間； (1.2) 、上傳資源剩余可用率； (1.3) 、觀測(cè)資源利用率； (1.4) 、回傳資源剩余可用率； (2) 、評(píng)估實(shí)例：(2. 1)、成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法； (2. I. 1)、地面批處理任務(wù)規(guī)劃方法； (2. 1. 2)、天氣預(yù)報(bào)的地面批處理任務(wù)規(guī)劃方法； (2. 1. 3)、實(shí)時(shí)氣象條件的星上自主任務(wù)規(guī)劃方法； (2. 2)、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)； (2. 3)、仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果；并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。
【專利摘要】本發(fā)明公開了面向資源利用率的成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃績效評(píng)估方法，它涉及地觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域；它的評(píng)估方法為：(1)績效評(píng)估方法：(1.1)成像質(zhì)量的任務(wù)總收益；(1.2)上傳資源剩余可用率；(1.3)觀測(cè)資源利用率；(1.4)回傳資源剩余可用率；(2)評(píng)估實(shí)例：(2.1)成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃方法：(2.1.1)地面批處理任務(wù)規(guī)劃方法；(2.1.2)天氣預(yù)報(bào)的地面批處理任務(wù)規(guī)劃方法；(2.1.3)實(shí)時(shí)氣象條件的星上自主任務(wù)規(guī)劃方法；(2.2)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)；(2.3)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果；并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析；本發(fā)明便于快速進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，操作簡便，使用方便，同時(shí)節(jié)省時(shí)間，效率高。
【IPC分類】G06F19/00
【公開號(hào)】CN105184038
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510332795
【發(fā)明人】陳英武, 邢立寧, 袁駔, 何永明, 王原, 張釗, 賀仁杰, 姚鋒, 李菊芳, 王沛, 陳成, 陳盈果, 劉曉路, 何磊
【申請(qǐng)人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年6月15日