面向行业需求的多星组网协同观测方法与流程

本发明涉及卫星观测技术领域，具体涉及一种面向行业需求的多星组网协同观测方法。

背景技术：

传统的卫星遥感任务分析与数据获取，以单颗卫星、单个载荷的任务分析与数据获取为主，不同卫星的遥感任务相互孤立、不同载荷的遥感数据获取相互脱节，导致卫星遥感任务分析无法体现多源卫星的协同互补优势，遥感数据应用无法发挥多源数据的综合应用效能。

随着航天技术的发展，我国在轨遥感卫星数量越来越多，有效载荷不断丰富，针对日益丰富的业务应用需求，传统的以单星、单载荷与单纯覆盖特性约束为主要特点的卫星遥感任务分析与数据获取方式愈来愈难以适应天地一体对地观测体系发展和多样化遥感应用发展的需要。为此迫切需要面向国土、农业、海洋、测绘等多样化应用主题，针对多星、多载荷、多模式遥感卫星系统深入开展面向行业需求的多源遥感卫星协调观测方法。

因此，亟需要一种面向行业需求的多星组网协同观测方法。

技术实现要素：

技术问题

有鉴于此，本发明实施例提供面向行业需求的多星组网协同观测方法，以提升遥感卫星系统协同观测模式下的任务分析与数据获取能力。

根据本发明的一个方面，公开了一种面向行业需求的多星组网协同观测方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立典型应用主题的多样化需求模型；

建立多源卫星观测能力模型；

建立多源卫星协同观测策略模型；

根据所述多源卫星协同观测策略模型对多样化需求模型与多源卫星观测能力模型进行关联分析。

在其中一个实施例中，所述典型应用主题包括海上台风监测、海上溢油监测以及森林火灾监测。

在其中一个实施例中，所述建立多源卫星观测能力模型包括如下步骤：

确定观测能力共性要素；

构建所述观测能力构建要素的描述模型；

确定所述描述模型的参数；

选定卫星；

对选定的卫星的模型参数进行量化。

在其中一个实施例中，所述观测能力共性要素包括轨道、状态、载荷视场、成像质量、响应时效性、信息获取能力。

在其中一个实施例中，所述建立多源卫星协同观测策略模型包括如下步骤：

确定协同观测策略类型；

筛选协同观测卫星及其载荷资源；

定义多源卫星及其载荷观测时序；

定义多次观测的间隔时间要求；

量化描述单词观测的特定观测条件。

在其中一个实施例中，多源卫星协同观测策略包括：引导协同策略、互补协同策略、覆盖协同策略、接力协同策略、融合协同策略、多视角协同策略。

在其中一个实施例中，所述根据所述多源卫星协同观测策略模型对多样化需求模型与多源卫星观测能力模型进行关联分析包括如下步骤：

获取所述典型应用主题的多样化需求模型的模型参数集；

获取多源卫星观测能力模型的模型参数集；

将所述多样化需求模型的模型参数与多源卫星观测能力模型的模型参数进行关联与转化；

卫星及载荷资源筛选；

获取多源卫星协同观测策略模型参数集；

将协同观测策略分解为多源卫星协同观测策略时序事件；

将多源卫星协同观测策略时序事件与多源卫星观测能力模型的模型参数集进行关联与转化；

进行目标访问计算，获取满足应用需求与卫星观测能力要求的观测任务序列。

在其中一个实施例中，所述将协同观测策略分解为多源卫星协同观测策略时序事件包括如下步骤：将设置的多源卫星协同观测策略y按照策略中定义的事件的时间序列分解，构建时序事件y(t)，将协同观测策略用一系列卫星动作事件的时间序列来表示。

在其中一个实施例中，所述将多源卫星协同观测策略时序事件与多源卫星观测能力模型的模型参数集进行关联与转化包括如下步骤：

将多源卫星协同观测策略时序事件y(t)与经过卫星与载荷资源筛选的多源卫星观测能力模型的模型参数集q进行关联，根据策略时序事件y(t)，分别为每一步时序事件设置对应的卫星观测能力模型参数。

在其中一个实施例中，所述进行目标访问计算，获取满足应用需求与卫星观测能力要求的观测任务序列为基于卫星轨道模型进行目标访问计算，得到满足应用需求与卫星观测能力要求的观测任务序列。

采用上述技术方案，提升了遥感卫星系统协同观测模式下的任务分析与数据获取能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例面向行业需求的多星组网协同观测方法流程图；

图2是图1所示实施例步骤s120的流程图；

图3是图1所示实施例步骤s140的流程图；

图4是图1所示实施例步骤s160的流程图。

贯穿附图，应该注意的是，相似的标号用于描绘相同或相似的元件、特征和结构。

具体实施方式

提供以下参照附图的描述来帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本公开的各种实施例。以下描述包括帮助理解的各种具体细节，但是这些细节将被视为仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可对本文所述的各种实施例进行各种改变和修改。另外，为了清晰和简洁，公知功能和构造的描述可被省略。

以下描述和权利要求书中所使用的术语和词汇不限于文献含义，而是仅由发明人用来使本公开能够被清晰和一致地理解。因此，对于本领域技术人员而言应该明显的是，提供以下对本公开的各种实施例的描述仅是为了示例性目的，而非限制由所附权利要求及其等同物限定的本公开的目的。

应该理解，除非上下文明确另外指示，否则单数形式也包括复数指代。因此，例如，对“组件表面”的引用包括对一个或更多个这样的表面的引用。

随着航天技术的发展，我国在轨遥感卫星数量越来越多，有效载荷不断丰富，针对日益丰富的业务应用需求，传统的以单星、单载荷与单纯覆盖特性约束为主要特点的卫星遥感任务分析与数据获取方式愈来愈难以适应天地一体对地观测体系发展和多样化遥感应用发展的需要。为此迫切需要面向国土、农业、海洋、测绘等多样化应用主题，针对多星、多载荷、多模式遥感卫星系统深入开展面向行业需求的多源遥感卫星协调观测方法。随着可用卫星数目越来越多，面向特定区域快速拍摄的卫星协同分析与规划的难度也越来越大。本专利开展面向区域行业应用的多星组网协同观测方法，针对具体行业具体应用场景，从重访周期要求、拍摄范围要求、信息提取要求等方面进行约束分析，确定向“谁”的“那颗卫星”申请数据，解决空间数据共享服务平台数据接入的瓶颈问题，通过需求建模、轨道推演及覆盖分析，分析高分卫星资源(兼顾各行业其它卫星资源)与区域行业应用需求的匹配度，制定卫星组网策略，利用多颗卫星协同工作，提供满足行业应用需求的全部卫星数据集，实现数据需求阶段的多星综合分析应用。

下面依据附图1-4对本发明实施例作具体阐述说明。

图1是本发明一实施例面向行业需求的多星组网协同观测方法流程图。

图2是图1所示实施例步骤s120的流程图。

图3是图1所示实施例步骤s140的流程图。

图4是图1所示实施例步骤s160的流程图。

参考图1，本实施例所述的一种面向行业需求的多星组网协同观测方法100，该方法100包括如下步骤：

步骤s120：建立典型应用主题的多样化需求模型。

步骤s140：建立多源卫星观测能力模型。

步骤s160：建立多源卫星协同观测策略模型。

步骤s180：根据所述多源卫星协同观测策略模型对多样化需求模型与多源卫星观测能力模型进行关联分析。

该面向行业需求的多星组网协同观测方法提升了遥感卫星系统协同观测模式下的任务分析与数据获取能力。

本专利面向行业需求的多星组网协同观测方法目的在于针对具体行业具体应用场景，从重访周期要求、拍摄范围要求、信息提取要求等方面进行约束分析，确定向“谁”的“那颗卫星”申请数据，解决空间数据共享服务平台数据接入的瓶颈问题，通过需求建模、轨道推演及覆盖分析，分析高分卫星资源(兼顾各行业其它卫星资源)与区域行业应用需求的匹配度，制定卫星组网策略，利用多颗卫星协同工作，提供满足行业应用需求的全部卫星数据集，实现数据需求阶段的多星综合分析应用。

其中，典型应用主题包括海上台风监测、海上溢油监测以及森林火灾监测等常见的应用主题。

参考图2，步骤s140建立多源卫星观测能力模型包括如下步骤：

步骤s141：确定观测能力共性要素。

根据给定的应用主题a，以及给定可用的多源遥感卫星w1，w2……wr(r为卫星数量)，识别出卫星及其载荷观测能力的共性要素，例如轨道、姿态、成像质量、信息获取能力等，记为p1，p2……pm，m为共性要素数量。

其中，所述观测能力共性要素包括轨道、状态、载荷视场、成像质量、响应时效性、信息获取能力。

步骤s142：构建所述观测能力构建要素的描述模型。

针对要素pi(i＝1，2……m)，按照不同观测能力要素的特点，分别用不同方法构建要素pi的描述模型，例如：对于轨道要素可用二体运动模型、j2模型、两行根数模型等进行公式化的描述，对于姿态要素可用姿态参数序列等进行序列化的描述，对于成像质量要素可用包含空间分辨率、光谱谱段、视场角、信噪比等参量进行指数化的描述，对于信息获取能力可用是否具备立体观测能力、是否具备全天候观测能力等进行模板化的描述。

步骤s143：确定所述描述模型的参数。

针对要素pi(i＝1，2……m)的描述模型，确定其模型参数，记为q1，q2……qn，n为模型参数数量，从而使得要素pi的模型可用函数g(q1，q2……qn)表示，例如：对于轨道模型中的二体模型可用轨道六根数作为模型参数，对于姿态模型可用滚动、俯仰、偏航三轴姿态角的时序参数作为模型参数。

步骤s144：选定卫星。

从全部给定可用卫星中，选定卫星wj(j＝1，2……r)，其中若一颗卫星有多个载荷，因不同载荷的观测能力存在差异，可将同一卫星的不同载荷也等同于多个卫星。

步骤s145：对选定的卫星的模型参数进行量化。

对选定的卫星wj(j＝1，2……r)的模型参数q1，q2……qn进行量化，具体参数量化值可来自于卫星设计参数、地面测试参数或在轨运行监测参数。

上述步骤即是多源卫星观测能力建模方法的基本流程，完成这一过程即为多源卫星需求建模和协同任务规划提供了基本约束条件。

参考图3，步骤s160建立多源卫星协同观测策略模型包括如下步骤：

步骤s161：确定协同观测策略类型。

其中，多源卫星协同观测策略包括：引导协同策略、互补协同策略、覆盖协同策略、接力协同策略、融合协同策略、多视角协同策略等。

引导协同策略：指的是以某一颗或某一类遥感卫星的观测结果，作为其它遥感卫星进行观测的引导信息，从而实现不同遥感卫星间的信息引导观测。例如：在森林火灾监测这一典型应用主题中，首先使用大幅宽但是空间、光谱分辨率较低卫星进行大范围的区域普查，发现疑似火点信息，然后再引导高光谱、高空间分辨率的卫星进行精细识别，从而实现森林火灾等目标的快速感知与精细识别的统一，提高卫星用于应急响应的应用能力。

互补协同策略：指的是具备不同观测能力的多颗、多类遥感卫星，根据不同的观测条件，选择满足观测条件最优的卫星进行观测，从而实现不同遥感卫星信息获取手段上的互补，提高观测可靠性与有效性。例如：在海上船只识别这一典型应用主题中，当观测时段为白天、天气条件良好的情况下优先选用光学遥感卫星进行观测，而当观测时段为黑夜或天气条件恶劣的情况下则优先选用sar遥感卫星进行观测，从而实现光学和sar两种类型遥感卫星间的互补协同，最终实现对海上船只的全天候观测能力。

覆盖协同策略：指的是多颗遥感卫星针对大范围区域目标，为各颗卫星分别指定不同观测区域，从而实现多颗遥感卫星对大范围区域的快速观测，减少或避免无效的重复观测，缩短整体观测周期，提升信息获取时效性。

接力协同策略：指的是对同一目标，通过多个卫星在短时间内依次过境进行多次观测，延长对同一目标的整体观测时长，实现对同一目标特别是固定时敏目标或位置移动目标的连续观测能力。例如：在海上船只监测这一典型应用主题中，可以通过多颗卫星在短时间内连续通过目标区，实现十余分钟至数十分钟的连续监视，从而实现对海上船只运动过程、运动状态的观测。

融合协同策略：指的是对同一目标，通过多种不同类型卫星或载荷分别进行观测，获取不同类型观测信息，对这些观测信息进行像素、特征或决策等不同尺度的信息融合处理，实现多种信息源的融合应用。例如：全色卫星载荷与多光谱卫星载荷融合便是典型的融合协同观测，可以实现对同一目标的高空间分辨率与高光谱分辨率信息融合应用。

多视角协同策略：指的是对同一目标，通过多颗遥感卫星从多个角度同时或在较短时间内进行多次观测，从而不仅可以获取目标各个方向、各个角度的信息，更可以通过摄影测量处理获取目标的三维立体信息。

步骤s161确定协同观测策略类型：基于给定的典型应用主题a，从上述协同观测策略或更多的协同观测策略中，选取一种或多种多源遥感卫星协同观测策略类型，记为c。

步骤s162：筛选协同观测卫星及其载荷资源。

筛选协同观测卫星及其载荷资源：在给定的协同观测策略类型c条件下，从给定可用的多源遥感卫星w1，w2……wr(r为卫星数量)中，选取若干遥感卫星及其载荷作为参与协同观测的卫星资源，记为k1，k2……k1(1为参与协同观测的卫星数量)。

步骤s163：定义多源卫星及其载荷观测时序。

定义多源卫星及其载荷观测时序：根据协同观测策略类型c，以及应用主题a和参与协同观测的卫星资源k1，k2……k1等条件，同时考虑不同卫星及其载荷间的数据特征依赖关系，定义多颗遥感卫星协同观测的时序，包括一般意义上的时间顺序，也包括逻辑上的前后承接关系，例如：假设ki为大幅宽、中低分辨率卫星资源，kj为小幅宽、高分辨率卫星资源，在观测时ki卫星首先进行大范围普查观测，kj卫星然后进行小区域精细观测，则上述两颗卫星观测的时序可记为ki→kj。

步骤s164：定义多次观测的间隔时间要求。

定义多源卫星及其载荷多次观测的间隔时间要求：在确定多源卫星及其载荷观测时序后，进一步定义相邻时序的前序卫星资源观测事件与后续卫星资源观测事件的间隔时间要求，包括最小间隔时间和最大间隔时间，例如：对于卫星观测时序ki→kj，其最小间隔时间记为δtmin，最大间隔时间记为δtmax。

步骤s165：量化描述单词观测的特定观测条件。

量化描述单次观测的特定观测条件：对于任意一次观测事件ki，对其特定的观测条件，例如：卫星观测指向角、单次连续观测时长、是否要求立体成像等用量化指标进行描述，可以是指数型参数，也可以是状态型参数，记为y1，y2……yh。其中，h为单次观测的特点观测条件参数数量。

通过上述步骤，即完成了多源卫星协同观测策略建模，为多源卫星需求建模和协同任务规划提供了协同观测约束条件。

参考图4，步骤s180根据所述多源卫星协同观测策略模型对多样化需求模型与多源卫星观测能力模型进行关联分析包括如下步骤：

步骤s181：获取所述典型应用主题的多样化需求模型的模型参数集。其中，模型参数主要指需求模型特征参数x。

步骤s182：获取多源卫星观测能力模型的模型参数集。这里的模型参数主要指卫星及载荷观测能力指标参数q。

步骤s183：将所述多样化需求模型的模型参数与多源卫星观测能力模型的模型参数进行关联与转化。

构建典型应用主题的多样化需求模型的模型参数集x与多源卫星观测能力模型的模型参数集q两者间的同类型模型参数间的映射关系，例如：应用需求模型的空间分辨率参数为xi，卫星观测能力模型的某卫星资源空间分辨率指标参数为qj，则建立xi到qj的映射。

步骤s184：卫星及载荷资源筛选。根据需求与观测能力模型参数的关联关系，通过模型参数比对分析，计算卫星观测能力参数是否满足应用需求参数的要求，筛选出满足要求的卫星及载荷资源。

步骤s185：获取多源卫星协同观测策略模型参数集。其中，模型参数主要指策略条件参数y。

步骤s186：将协同观测策略分解为多源卫星协同观测策略时序事件。

将设置的多源卫星协同观测策略y按照策略中定义的事件的时间序列分解，构建时序事件y(t)，将协同观测策略用一系列卫星动作事件的时间序列来表示。

步骤s187：将多源卫星协同观测策略时序事件与多源卫星观测能力模型的模型参数集进行关联与转化。

将策略时序事件关联与转化指的是，将多源卫星协同观测策略时序事件y(t)与经过卫星与载荷资源筛选的多源卫星观测能力模型的模型参数集q进行关联，根据策略时序事件y(t)，分别为每一步时序事件设置对应的卫星观测能力模型参数。

步骤s188：进行目标访问计算，获取满足应用需求与卫星观测能力要求的观测任务序列。

在上述模型参数关联分析的基础上，基于卫星轨道模型进行目标访问计算，得到满足应用需求与卫星观测能力要求的观测任务序列。

在典型应用主题的多样化需求建模、多源卫星观测能力建模和多源卫星协同观测策略建模完成后，以同类模型参数为纽带，构建典型应用主题的多样化需求模型的需求指标参数与多源卫星观测能力模型的卫星及载荷能力指标参数间的映射关系，实现“应用任务需求参数——卫星及载荷能力参数”的关联与转化；同时以卫星轨道运动模型为基础，将多源卫星协同观测策略模型的相关策略参数转化为时间序列事件，并引入卫星轨道运动时间序列中，从而实现将多源卫星协同观测策略模型参数转化为多源卫星观测能力模型附有时间条件的约束参数；最终基于卫星轨道运动模型及目标访问计算进行任务规划，得到满足给定应用需求与卫星观测能力的可用任务集。

上述步骤完成后，即完成了整个的面向应用主题的多源遥感卫星协同观测结果，从而将用户的观测应用需求，转化为符合卫星及载荷观测能力约束条件，并通过任务规划得到满足应用需求的观测任务，从而为卫星观测任务计划制定提供依据。

随着可用卫星数目越来越多，面向特定区域快速拍摄的卫星协同分析与规划的难度也越来越大。本专利开展面向区域行业应用的多星组网协同观测方法，针对具体行业具体应用场景，从重访周期要求、拍摄范围要求、信息提取要求等方面进行约束分析，确定向“谁”的“那颗卫星”申请数据，解决空间数据共享服务平台数据接入的瓶颈问题，通过需求建模、轨道推演及覆盖分析，分析高分卫星资源(兼顾各行业其它卫星资源)与区域行业应用需求的匹配度，制定卫星组网策略，利用多颗卫星协同工作，提供满足行业应用需求的全部卫星数据集，实现数据需求阶段的多星综合分析应用。

本专利一种面向行业需求的多星组网协同观测方法，主要内容包括：多源卫星综合管理与可视化、面向应用主体的多源卫星需求建模、多星协同任务规划等技术，完成多源卫星协同数据获取方案制定，实现多源卫星协同工作，提高多源卫星使用效率。用于解决对于多类型遥感卫星数据如gf1-5号以及资源、环境、天绘系列、委内瑞拉遥感卫星进行存储、共享并进行组网分析，同时分析卫星种类不少于10颗。该技术方法可有效地解决遥感数据的应用范围问题，其实现对多源遥感卫星资源进行管理，能够按照分辨率、过境时间、类型对卫星进行分类，实现卫星信息的添加、修改或删除；实现多源遥感卫星可视化，提供二三维可视化协同数据，获取分析环境，结合国内外多源卫星两行数据、瞬根数据，实现多源卫星的轨迹跟踪展示模型(支持侧摆机动)；面向应用主体的多源卫星需求建模，梳理应用主体，建立具体的应用与平台主要技术指标的关联关系，建立面向应用主体的多源卫星需求模型，为分析推演建模筛选可用卫星数据；多星协同任务规划，基于面向应用主体的多源卫星需求模型，筛选出针对特定应用主体的可用的多源卫星，结合特定区域快速拍摄任务开展多星协同任务规划。

应该注意的是，如上所述的本公开的各种实施例通常在一定程度上涉及输入数据的处理和输出数据的生成。此输入数据处理和输出数据生成可在硬件或者与硬件结合的软件中实现。例如，可在移动装置或者相似或相关的电路中采用特定电子组件以用于实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。另选地，依据所存储的指令来操作的一个或更多个处理器可实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。如果是这样，则这些指令可被存储在一个或更多个非暂时性处理器可读介质上，这是在本公开的范围内。处理器可读介质的示例包括只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、cd-rom、磁带、软盘和光学数据存储装置。另外，用于实现本公开的功能计算机程序、指令和指令段可由本公开所属领域的程序员容易地解释。

尽管已参照本公开的各种实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可对其进行形式和细节上的各种改变。