面向动态环境的成像卫星自主任务规划方法
【专利说明】
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技术领域： 本发明涉及国防建设技术领域，具体涉及一种面向动态环境的成像卫星自主任务规划 方法。
[0002]
【背景技术】： 对地观测技术是国防建设的重要组成部分，它可以方便地进行全球侦查、导弹试验跟 踪、打击毁伤评估等工作，对于维护我国陆海空天电权益起着重要作用；同时对国民经济和 社会的发展也发挥着积极的作用，在环境保护、国土普查、抗震减灾等方面得到广泛应用， 已成为国家综合实力的重要标志。
[0003] 成像卫星作为对地观测的一种重要工具，通过对精确制导武器的跟踪观测，获取 了丰富的飞行和毁伤效果数据，在新时期精确制导武器的研发试验过程中发挥积极作用。 然而面对复杂战场环境，如何获取更有效的观测数据以提高成像卫星的使用效益，是需要 深入研究的问题，其中任务规划技术是解决问题的关键环节，其目的主要是解决成像卫星 安排任务过程中的资源利用和任务冲突问题，优化卫星的使用效益。传统卫星使用过程中， 其在轨执行的任务都是由地面管控中心事先做好计划方案，每一步动作的指令都是通过测 控中心统一上注给卫星，而后再由卫星顺序执行。卫星处于一个复杂的环境，完全依靠地面 测控中心对卫星进行管理，要求星地之间有足够的通信时间以及相对稳定的运行环境，由 于星地交互频繁，这种方式的运行维护成本较高。
[0004] 随着面对难以预料的复杂环境(如观测目标上空的云层、卫星故障等）以及各种复 杂的观测需求(如需求的应急增加、取消和改变等）的提出，仍然完全依赖地面管控中心控 制卫星的方式越来越不适应未来成像卫星的发展需求。Liu、Wang等人提出了一些面向应 急任务的规划算法，对应急需求有了更快的响应，在地质灾害、森林火灾、洪水爆发等灾害 监测与救援活动中发挥了积极作用，但是在目前的地基任务规划与资源调度系统中，仍然 不能实时对动态环境下卫星的规划方案进行调整和上注，导致很多应急观测任务无法及时 完成。而且目前包括云在内的气象信息很难准确预测，卫星无法自主规避不利的气象条件 进行拍摄，导致地面规划的任务中难以避免会受到未来气象的影响，据专业部门统计我国 六成以上的卫星影像受云层影响而满足不了观测需求，卫星观测资源受到了严重浪费。
[0005] 然而随着空间通信链路的完善和星载计算机处理能力与传感器探测技术的提高， 卫星能够及时地获取任务信息、卫星状态信息、外部环境及其他信息，使其自主决策规划完 成任务成为可能。因此，有必要探索改进传统的卫星管控模式，研究星载自主规划系统。
[0006] 自1999年第一颗自主卫星深空一号（Deep Space One)成功完成自主试验以 来，各国竞相推动航天器自主规划调度技术的研究。美国航空航天局在航天器自主规划 领域有着十余年的成功经验，其研发了 ASPEN (Automated Planning and Scheduling Environment)、 CASPER (Continuous Activity Scheduling Planning Execution and Re_planning)、APGEN (Activity Plan Generator)等多套自主规划调度系统；欧洲也有其 自己自主的欧空局提出的星载自主项目PROBA (PRoject for On-Board Autonomy)以及法 国空间局的SPOT系列卫星。
[0007] 我国在航天器自主规划方面的研究起步较晚，现有的自主技术主要集中在自主导 航、定姿定位、交会对接与故障诊断等方面的研究，关于自主任务规划的研究较少。代树武 等人较早地对自主技术和智能卫星进行了理论研究，哈尔滨工业大学的陈洪波、徐文明等 人深空探测器自主任务规划进行研究，国防科学技术大学的戴金海、张正强等人对航天器 自主规划问题进行了深入的建模和求解，然而这些研究主要集中在问题建模与系统框架层 面，很少一个较为可靠的自主任务规划模式，并且考虑实际云层等复杂自然环境的研究几 乎空白。
[0008]
【发明内容】
： 本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种面向动态环境的成像卫星自 主任务规划方法。
[0009] 为了解决【背景技术】所存在的问题，本发明的一种面向动态环境的成像卫星自主任 务规划方法，它的方法为： 步骤一：卫星自主任务规划问题： (1. 1)、问题描述与分析： 成像卫星在特定近地轨道围绕地球飞行，当卫星飞入与地面测控站可通信范围开始接 收动作指令；当飞过地球表面目标区域时，根据指令执行与成像相关的一系列动作进行观 测，等卫星飞入与地面接收站可通信范围内进行与数据下传相关的一系列动作将观测数据 回传； (1.2) 、云层覆盖时间窗计算： (1.2. 1)、给定目标经、炜度及高程，计算任务的可见时间窗及卫星在各个时间点的坐 标； (1. 2. 2)、分别将任务的经炜度坐标与卫星的坐标转换到惯性坐标系下； (1. 2. 3)、依据卫星坐标点与地面目标坐标点的连线及云量的球面方程，判断该连线是 否与云层相交。如果相交，表示在该时刻点无法对地面目标进行有效观测。
[0010] (1. 2. 4)、通过变步长搜索机制，获得云层覆盖时间窗口的范围； (1.3) 、符号说明与建模： (1. 3. 1 )、模型参数及变量定义； (1.3. 2 )、决策变量； (1.3.3) 、目标函数； (1.3.4 )、约束条件； 步骤二：自主任务规划方法：卫星自主任务规划求解算法基本流程如下： 步骤1 :选定前瞻时间步长为T，前瞻1个时间步长，并更新前瞻时间步长内的任务信 息； 步骤2 :对前瞻步长内的任务安排观测；在安排观测序列过程中，本文设计了多种排序 规则，以提高解的多样性；同时，考虑时间约束，并且充分利用存在冲突的时间窗； 步骤3 :判断前瞻步长内是否有待安排任务，如果不存在，则执行原有方案中"锁定时 间段"之内的任务，并返回步骤1 ;如果存在，转入步骤4 ; 步骤4 :判断新加入的任务中包含的应急任务是否满足重规划阈值，如果满足，转到步 骤7 ;如果不满足，则转入步骤5 ; 步骤5 :动态调整，将新加入的任务安排至当前前瞻步长内的规划方案中；调整时，前 瞻步长的"锁定时间"内任务不变，在该"锁定时间"之后即新的前瞻步长内进行任务的插 入、删除或者邻域搜索等过程； 步骤6 :判断当前前瞻步长内的任务完成率是否满足重规划阈值，如果满足，则该时间 段内的任务进行重规划；如果不满足，说明动态调整之后的任务序列为有效序列，不需要进 行重规划，转到步骤8; 步骤7 :重新安排当前前瞻步长内的观测； 步骤8 :安排任务回传；根据不同的回传策略，得到综合回传序列，当前时间窗未安排 的任务保留到后面的回传时间窗进行安排； 步骤9 :对当前的规划结果进行评价； 步骤10 :判断是否满足终止条件，如果满足，则输出最优序列。
[0011] 本发明有益效果为：首先对卫星自主任务规划问题进行描述、分析与建模，针对自 主任务规划的需求，充分考虑了卫星的资源约束、动态环境变化及其它约束条件，进而提出 了面向动态环境的成像卫星自主任务规划方法，制定了任务规划优化策略，合理安排卫星 资源，以期最大限度地发挥卫星效能，最后建立不同规模的问题算例进行重复实验，能够在 保证成像数量的情况下，有效利用卫星资源。
[0012]
【附图说明】： 图1为本发明中卫星的工作流程图； 图2为本发明中卫星自主任务规划流程图； 图3为本发明中前瞻过程示意图； 图4为本发明中卫星自主任务规划求解算法流程图； 图5a为本【具体实施方式】中任务模数为22的任务完成率示意图； 图5b为本【具体实施方式】中任务模数为46的任务完成率示意图； 图5c为本【具体实施方式】中任务模数为98的任务完成率示意图； 图5d为本【具体实施方式】中任务模数为130的任务完成率示意图； 图6a为本【具体实施方式】中任务模数为46的运行时间示意图； 图6b为本【具体实施方式】中任务模数为77的运行时间示意图； 图6c为本【具体实施方式】中任务模数为98的运行时间示意图； 图6d为本【具体实施方式】中任务模数为130的运行时间示意图； 图7a为本【具体实施方式】中任务模数为22的综合收益示意图； 图7b为本【具体实施方式