专利名称：一种对实传任务的预处理方法
技术领域：
本发明属于卫星任务规划与调度领域，涉及一种卫星任务规划过程中对实时传输任务的预处理方法。
背景技术：
快速姿态机动成像卫星借助快速姿态机动能力，可实现多种复杂成像模式。与采用星下点成像的传统对地观测卫星相比，快速姿态机动能力大大增加了卫星对目标的观测机会，因而具有更强的观测能力。快速姿态机动成像卫星的每一种成像模式都伴随着多个姿态机动、相机开关机等操作，这些操作形成一个前后连贯的控制指令序列。由于指令繁多，无法保证指令编排和上注的可靠性和指令执行的实时性问题，因此必须建立一套任务规划与调度系统，完成大批量观测任务的自动化分析与处理。实传任务是卫星对地观测任务中比较特殊的一类任务，需要在成像的同时下传图像，对实传任务的预处理是快速姿态机动成像卫星任务规划的关键环节。现有的任务规划方法中很少提及对实传任务的预处理，并且在时间窗口的计算上存在一定缺陷，如刘雄在 2006年第23卷7期《计算机仿真》上发表的《卫星全球普查任务规划系统预处理模块的开发》，李曦在其硕士毕业论文《多星区域观测任务的效率优化方法研究》，以及李菊芳在其博士毕业论文《航天侦察多星多地面站任务规划问题研究》中，都提到了采用STK软件计算可见时间窗口的方法，其基本步骤为在STK软件中构造仿真场景，建立卫星、地面目标和传感器等仿真实体，设置卫星轨道、传感器视场等参数，即可通过传感器与目标数据。这种方法实现简单，在卫星任务规划方法研究和软件产品中得到了广泛应用，但是，基于STK软件进行任务预处理，会使得最终的优化结果受到STK软件的影响，STK软件的误差也不可避免的会带入到最终的优化结果中，并且这种方法没有考虑不同观测条件下图像质量的变化，如卫星侧摆角或俯仰角过大时图像的分辨率下降等问题。快速姿态机动成像卫星由于具备大角度姿态机动能力，在同一段可见时间区间采用不同姿态角对同一目标进行观测时成像质量存在很大差异，因此该方法对快速姿态机动成像卫星不适用。此外，在任务规划系统中，希望对实传任务进行一定的预处理，消除其特殊性，使之与其他任务能采用同样的处理流程，以简化程序，而不需要另外考虑是否能实传等问题，现有技术已无法满足这类需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种通用性强的对实传任务的预处理方法。本发明的技术解决方案是一种对实传任务的预处理方法，步骤如下(1)根据相机幅宽将任务区域条带划分；(2)根据卫星的最大俯仰角和最大滚动角以及任务条带信息确定卫星对各条带的可见时间区间[t/，tn']，剔除无可见时间窗口及时间窗口在地影区的任务；每个条带的可见时间区间[t/，tn']由卫星对该条带四个顶点的可见时间区间[t1; t2]k，k = 1，2， 3，4求交集并剔除在地影区的时间区间后得到；卫星对条带单个顶点的可见时间区间由卫星的最大俯仰角和最大滚动角确定；(3)根据地面站位置与卫星轨道参数，计算地面站与卫星的可通信时间区间[td(l，
tdn]；(4)根据步骤⑶得到的可通信时间区间[td(l，tdn]对可见时间区间[t' 0,t' J 进行裁减，确定卫星对任务可进行实传的时间区间[、，tn]，剔除不存在可实传区间的任务； (5)将调制传递函数MTF、推扫方向的几何分辨率、线阵方向的几何分辨率、信噪比和幅宽作为影响图像质量的主要因素，在步骤⑷确定的可通信时间区间[t^tj内将图像质量表示为时间的一元函数R (t)， R(t) = η mtfRmtF+ rI GSDxRGSDx (t) + rI GSDyRGSDy (t) +
snrRsnr ω+
breath^breath
(t)，式中 n up+ η GSDx+ η GSDy+ η snr+ η breath = l, Rmtf, Rgsdx (t)，RGSDy (t)，Rsnr (t)，Rbreath (t) 分别为调制传递函数MTF、推扫方向的几何分辨率、线阵方向的几何分辨率、信噪比和幅宽与时间的一元函数关系；(6)采用步骤(5)得到的一元函数表达式分别计算在步骤中确定的可实传时间区间[、，tn]的两个端点、和tn以及区间成像质量最高时刻点tm的图像质量Rtl = R(t0)， Rn = R (tn), Rmax = R (tm)；(7)记最低许可成像质量为Rp，将艮与步骤(6)得到的R。，Rn, Rfflax进行比较，确定任务满足成像质量要求的可实传区间[t1; t2]，剔除不满足成像质量要求的任务；(8)采用弦截法计算每个任务条带的观测持续时间Tlast，Tlast为从该条带最先观测的顶点开始到该条带最后观测的顶点结束所持续的时间；当任务条带的观测持续时间Tlast 小于步骤(7)的任务观测窗口时间区间长度时，该任务为可执行任务，将所有可执行任务提交给任务规划系统进行任务规划与调度。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明根据地面站与卫星的可通信时间及用户的成像质量要求，对实传任务进行了初步筛选，剔除了 “无可见时间窗口”、“不满足成像质量要求”、“时间窗口在地影区”、“不存在可实传区间”、“不满足观测持续时间，，的任务，达到了削减任务规划问题的决策数量及可行域的目的，降低了问题的复杂度，并且消除了实传任务的特殊性，使之与其他任务能采用同样的任务规划处理流程；(2)传统任务规划问题中，都将目标简化为点目标，设定统一的、较小的观测持续时间以保证能获取指定的地面目标图像；快速姿态机动成像卫星由于具备多种复杂成像模式，面临的目标大小存在很大差异，并且任务之间姿态机动频繁，耗费的时间各不相同，设定统一的观测持续时间，将影响快速姿态机动成像卫星发挥其高效能的优势。本发明方法根据观测目标的具体位置，通过确定实传任务对应星下点的时间，得到任务的观测开始时间和结束时间，计算出较精确的观测持续时间，以满足快速姿态机动成像卫星任务规划的需要；(3)本发明将成像质量作为时间窗口计算的依据，对影响图像质量的主要动态指标进行了综合考虑，对于不同地表属性和观测需求，能够通过调整权重、地表反射率等参数，将不同观测目标区别对待，适应不同观测目标时间窗口裁剪要求多样化的需求，能够满足快速姿态机动成像卫星任务规划的需要，并且成像质量计算函数与时间窗口裁剪方法解耦，具有良好的通用性和灵活性； (4)本发明方法采用弦截法作为求解任务的观测持续时间及最低许可成像质量方程的核心算法，不仅能够得到任意精度的数值解，而且迭代次数较少，计算速度快，能够满足大规模优化问题对于算法时间复杂度的约束。
图1为本发明方法的流程框图；图2为本发明可见时间窗口计算流程图；图3为本发明幅宽计算公式推导示意内观测俯仰角的变化情况示内观测滚动角的变化情况示内太阳高度角的变化情况示内成像质量的变化情况示意图4为本发明实施例中任务2在可实传区间[、，tn] 意图；图5为本发明实施例中任务2在可实传区间[、，tn] 意图；图6为本发明实施例中任务2在可实传区间[、，tn] 意图；图7为本发明实施例中任务2在可实传区间[、，tn]
具体实施例方式如图1所示，本发明快速姿态机动成像卫星时传观测任务的预处理方法的流程包括1.任务区域条带划分；2.计算卫星的位置及速度；3.计算卫星对每个任务条带的可见时间区间；4.计算地面站与卫星的可通信时间区间；5.计算卫星对任务可进行实传的时间区间；6.构造成像质量确定函数；7.判断时间窗口的存在性；8.采用弦截法裁剪时间窗口 ；9.确定观测持续时间；10.输出对各实传任务的预处理信息。下面分别进行详细介绍一、任务区域条带划分通常，观测任务区域通过多个顶点的经纬度描述，将这些顶点依次连接即得到任务区域。本发明中，采用如下的方法将任务区域划分为平行于卫星轨道的条带，便于卫星实施观测1.从卫星星下线出发，以星下点相机幅宽(卫星侧摆角为0时的相机幅宽)为宽度，做星下线的平行线，直至覆盖任务区域；星下线即星下点(卫星位置点在地球表面上的垂直投影点)的集合；2.从任务区域的每个顶点做卫星星下线的垂线，并计算垂足之间的距离，记垂足之间距离最长的两个垂足分别为Ll和L2，与Ll对应的任务区域顶点为D1，与L2对应的任务区域顶点为D2 ；3.分别连接Ll和D1，L2和D2，得到与步骤1中星下线平行线的交点，构成四边形的4个交点即组成一个任务条带，由此对任务区域进行划分；4.选择能够完全覆盖任务区域的一个或多个任务条带，作为任务规划与调度的基本单元。二、计算卫星的位置及速度采用对轨道动力学方程数值积分求解的方法预报限定时间段内卫星在J2000惯性坐标系下的轨道位置和速度。根据卫星的轨道根数，能够推算出任务规划初始时刻J2000惯性坐标系下的轨道位置I^sat和速度Vsat，再采用Cowell方法求解轨道动力学方程(选用高斯型摄动运动方程)，得到限定时间段内卫星在J2000惯性坐标系下的轨道位置Rsat和速度Vsat。高斯型摄动运动方程及Cowell方法在国防工业出版社出版的《航天器轨道理论》(刘林著，2000年) 一书中有详细的说明。J2000惯性坐标系定义见参考文献“地球卫星运动中坐标系附加摄动与参考系选择问题”(《空间科学学报》2008年第观卷第2期，作者刘林、汤靖师)。三、计算卫星对每个任务条带的可见时间区间对每个条带，根据上述第二部分得到的轨道位置Rsat和速度Vsat，计算各离散时刻点卫星指向各条带顶点的姿态角，再根据卫星姿态机动范围对各离散时刻点进行遍历，得到各条带的可见时间窗口，最后根据目标太阳高度角的计算结果，剔除在地影区的观测窗口。下面以一个条带的计算为例进行说明。 1.根据J2000坐标系下的轨道位置Iisat和速度Vsat，计算限定时间段内各时刻点卫星指向条带各顶点的姿态角。下面仅以一个点的计算为例进行说明。已知卫星的轨道位置Iisat、速度Vsat，地面目标点的大地经纬度[七,妁；I及协调世界时UTC时间t。首先根据目标点的大地经纬度，计算出t时刻目标点在J2000惯性坐标系下的位置矢量RT,f (t)，然后根据RT,f (t)与卫星t时刻的位置矢量Iisat，得到t时刻卫星指向该目标点的姿态角。具体步骤如下将地面目标点大地经纬度转化为地心经纬度[毛,代；I，计算公式为λ c = λ Λ, Cpc= arctan[(l 一 /)2 tan φ ]其中
权利要求
1. 一种对实传任务的预处理方法，其特征在于步骤如下(1)根据相机幅宽将任务区域条带划分；(2)根据卫星的最大俯仰角和最大滚动角以及任务条带信息确定卫星对各条带的可见时间区间[t/，tn']，剔除无可见时间窗口及时间窗口在地影区的任务；每个条带的可见时间区间[V，tn']由卫星对该条带四个顶点的可见时间区间[ti;t2]k,k= 1，2，3，4求交集并剔除在地影区的时间区间后得到；卫星对条带单个顶点的可见时间区间由卫星的最大俯仰角和最大滚动角确定；(3)根据地面站位置与卫星轨道参数，计算地面站与卫星的可通信时间区间[td(l，tdn]；(4)根据步骤⑶得到的可通信时间区间[td(l，tj对可见时间区间[t'0,t' J进行裁减，确定卫星对任务可进行实传的时间区间[、，tn]，剔除不存在可实传区间的任务；(5)将调制传递函数MTF、推扫方向的几何分辨率、线阵方向的几何分辨率、信噪比和幅宽作为影响图像质量的主要因素，在步骤⑷确定的可实传区间[tytj内将图像质量表示为时间的一元函数R(t)，R (t) 一 rI ItfRmtf+ rI GSDx^GSDx (t) + rI GSDy^GSDy (t) + rI snr^snr (t) + 1I breath^breath (t)，式中 rIMTF+ rI GSDx+ rI GSDy+ rUnr+ ^ breath =丄，RmTF，RqSDx (^)，^GSDy (^)，RSnr(t)，Rbreath (^)分另1J为调制传递函数MTF、推扫方向的几何分辨率、线阵方向的几何分辨率、信噪比和幅宽与时间的一元函数关系；(6)采用步骤( 得到的一元函数表达式分别计算在步骤中确定的可实传时间区间[t0, tn]的两个端点t0和tn以及区间成像质量最高时刻点tm的图像质量R0 = R(t0)，Rn =R (tn), Rmax = R (tm)；(7)记最低许可成像质量为Rp，将&与步骤(6)得到的Rtl，Rn,Rfflax进行比较，确定任务满足成像质量要求的可实传区间[t1; t2]，剔除不满足成像质量要求的任务；(8)采用弦截法计算每个任务条带的观测持续时间Tlast，Tlast为从该条带最先观测的顶点开始到该条带最后观测的顶点结束所持续的时间；当任务条带的观测持续时间Tlast小于步骤(7)的任务观测窗口时间区间长度时，该任务为可执行任务，将所有可执行任务提交给任务规划系统进行任务规划与调度。
全文摘要
一种对实传任务的预处理方法，首先计算卫星对地面目标的可见时间区间，剔除无可见时间窗口及时间窗口在地影区的任务。然后确定地面站与卫星的可通信时间区间，并以此确定卫星对任务可进行实传的时间区间，剔除不存在可实传区间的任务。随后确定影响图像质量的因素，构造成像质量确定函数，剔除不满足成像质量要求的任务。对于剩余的每一个任务，对可实传时间区间进行裁剪，得到任务的满足成像质量要求的执行时间窗口，同时根据任务执行过程中各时间点卫星指向目标的姿态角计算任务的观测持续时间。当任务的观测持续时间在任务执行时间窗口之内时，该任务为可执行任务，所有可执行的任务将会提交给卫星任务规划系统进行任务规划与调度。
文档编号G01C11/00GK102322849SQ20111012932
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者李国军, 王抒雁, 谢松, 阎诚, 霍德聪 申请人:航天东方红卫星有限公司