本发明涉及卫星观测技术领域，尤其涉及一种多星联合成像下的大规模区域观测调度方法和系统。
背景技术：
当卫星对大规模区域进行观测时，受限于对地观测卫星视场角大小，卫星难以通过单次成像实现对区域目标的覆盖。因此，在成像任务规划前往往需要对区域目标进行分解以获取能够单次成像的条带任务。非敏捷卫星只具备侧摆的能力，在对区域目标的单次过境中只能够实现单次成像，也就是只能选择单个分解条带任务进行观测。对于大规模区域目标来说，多星联合协同成像成为必然的选择。
目前卫星对区域目标分解主要采用沿迹划分方法，该分解方法要求划分的条带任务必须平行于星下点地速方向。由于不同卫星的轨道存在差异，对同一目标带来不同的划分方向，同一卫星不同轨道下由于目标可见侧摆角的范围不同，划分出来的条带宽度存在差异。所以，对于同一目标的分解由于多星多轨的存在使得元任务的数量较多，而且这些元任务之间存在交叉覆盖现象。
目前，大多数有关卫星任务的调度仅考虑仅确保目标覆盖率的完成的情况，未考虑如何从众多交叉覆盖的分解条带中选择较少的条带以减少区域重复观测，节约卫星资源，并且提高观测效率。
技术实现要素：
针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种多星联合成像下的大规模区域观测调度方法和系统,以解决区域观测重复率高、卫星资源浪费的技术问题。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种多星联合成像下的大规模区域观测调度方法，包括以下步骤：
S1：将对区域目标可见的卫星分别对区域目标t进行条带划分，得到候选条带集合S＝{si,O,j|i＝1,2,3,...,n；j＝1,2,3,...,n}其中si,O,j表示卫星ri对区域目标t在第o圈的第j个条带。
S101获取在未来一段预设时段[ts,te]内可用于观测区域目标t的卫星集合R＝{r1,r2,r3,...,rn}和每颗卫星ri的一条瞬根，该瞬根的历元时间距离ts最近并且在ts之前；
S102对R中的卫星用对应的瞬根进行轨道预报，获得每颗卫星在[ts,te]对区域目标的可见时间窗口，排除没有可见时间窗口的卫星，剩余对于区域目标t可见的卫星集合定义为R'。[ts,te]通常在用户对完成任务的总时间段的要求以内。
S103根据图像的最低分辨率要求排除传感器的分辨率小于预设最低分辨率的卫星。这样，剩余的卫星的遥感器拍摄到的图像能达到分辨率要求。
S104用R'中的卫星分别对区域目标进行条带划分，得到候选条带集合S。
卫星在地面的投影点称为星下点，卫星运动和地球自转使星下点在地球表面移动形成星下点轨迹。卫星沿星下点轨迹方向对区域目标进行推扫，形成以卫星相机幅宽为宽度的依次并排设置的多条延伸方向与星下点轨迹的延伸方向相同的条带，实现条带划分。多颗卫星沿各自的星下点轨迹方向进行条带划分，得到多条方向、宽度不一的条带，构成候选条带集合。
S2：选择候选条带集合S中对区域目标t覆盖率最大的条带作为候选条带，将其加入已选条带集合S'中。覆盖率为条带区域与目标区域交集所占目标区域的比值。
S3：计算候选条带集合S中每个条带对已选条带集合S'中每个条带的覆盖率，这里称为交叉覆盖率；
S4：选择候选条带集合S中交叉覆盖率最小的条带，将其作为最优候选条带；
当交叉覆盖率相同时，选择候选条带集合S中对区域目标t覆盖率最大的候选条带作为最优候选条带；交叉覆盖率与覆盖率排序均相同时，选择候选条带集合S中任务完成时间最早的候选条带作为最优候选条带；
将最优候选条带存入已选条带集合S'中用于指示卫星执行观测任务。
S5：计算本次排序筛选出的最优候选条带对区域目标t的覆盖率与前一次加入已选条带集合S'的最优候选条带对区域目标t的覆盖率的差值，求得覆盖率增幅；判断求得覆盖率增幅是否大于设定阈值，若是即覆盖率增幅大于设定阈值，则删除条带sa,b,j,a＝i,b＝o，即删除与本次排序筛选出的最优候选条带具有相同卫星且相同圈次的候选条带集合中的候选条带，返回步骤S2，继续进行条带采集；否则进入步骤S6。
若覆盖率增幅大于设定阈值，则需要返回步骤S2，继续进行条带采集。但由于卫星只具备侧摆姿态机动能力，在对区域目标的单次过境中只能够实现单次成像，对于同一卫星，同一轨道圈次也就只能选择一个条带进行观测，因此再返回步骤S2之前，需要删除与最优候选条带具有相同卫星且相同圈次的候选条带集合中的候选条带。
若覆盖率增幅小于或等于设定阈值，优选地，步骤S5中所述的设定阈值为5％，此时加入新条带对整个区域目标的覆盖率影响已很小，考虑到任务完成时效性、卫星成本的控制等方面，停止继续采集条带。
S6:根据已选条带集合S'中的条带执行卫星观测调度。
作为本发明的进一步改进：
在步骤S102中，在R'中删除在预设时间[ts,te]内已经安排计划的卫星。
在步骤S104后，在候选条带集合S中，删除与全局任务规划中已安排任务相冲突的元任务所对应的候选条带。
步骤S3包括以下步骤：
S301：对区域目标t进行离散化处理，得到区域目标离散化的点集P；
S302：计算交叉覆盖率Cri,o,k：
其中，Pi,o,k表示卫星i在第o圈内对区域目标分解的第k个条带所覆盖的离散点集合，P表示区域目标离散化的点集，N(C)表示任意集合C的元素个数，Pcl表示已选条带集合中的第l个已选条带的离散化的点集，lc表示已选条带集合S'中的条带数目。
步骤S5中的设定阈值为5％。
作为总的技术构思，本发明还提供了一种多星联合成像下的大规模区域观测调度系统，包括：
划分模块，用于将对区域目标可见的卫星分别对区域目标进行条带划分，得到候选条带集合；
初始模块，用于选择候选条带中对区域目标覆盖率最大的一个条带存入已选条带集合；
计算模块，用于计算候选条带集合中的每一个候选条带与已选条带集合中的条带的交叉覆盖率；
选择模块，用于根据交叉覆盖率对条带进行排序，选择交叉覆盖率最小的条带作为最优候选条带；当交叉覆盖率相同时，选择候选条带对区域目标的覆盖率最大的条带作为最优候选条带；在交叉覆盖率与覆盖率排序均相同时，选择任务完成时间最早的条带作为最优候选条带，并将最优候选条带存入已选条带集合中；
判断模块，用于判断最优候选条带对区域目标的覆盖率增幅是否大于设定阈值，若是，则删除与最优候选条带具有相同卫星且相同圈次的候选条带集合中的候选条带，返回计算模块，否则进入执行模块；
执行模块，用于根据已选条带集合中的条带执行卫星观测调度。
作为本发明系统的进一步改进：
还包括筛选模块，用于划分模块划分之前，筛选出在未来一段预设时间内对区域目标可见的卫星。
还包括消冲模块，用于划分模块处理完后，在候选条带集合中，删除与全局任务规划中已安排任务相冲突的元任务所对应的条带。
计算模块包括：
离散单元：对区域目标进行离散化处理；
计算单元：计算交叉覆盖率Cri,o,k：
其中，Pi,o,k表示卫星i在第o圈内对区域目标分解的第k个条带所覆盖的离散点集合，P表示区域目标离散化的点集，N(C)表示任意集合C的元素个数，Pcl表示已选条带集合中的第l个已选条带的离散化的点集，lc表示已选条带集合S'中的条带数目。
判断模块中的阈值为5％。
本发明的有益效果如下：
1.本发明的一种多星联合成像下的大规模区域观测调度方法，对区域目标进行分解以获取能够单次成像的条带，对条带选择进行多目标组合优化，目标为最小化选择观测条带数目、最大化目标覆盖率和最小化任务完成时间，从而减少卫星对区域目标的重复观测，增强观测的时效性。
2.在优选方案中，对区域目标进行离散化处理后再进行交叉覆盖率的计算，避免了面积上的积分，大大地减少了计算量，节约计算时间。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的多星联合成像下的大规模区域观测调度方法的流程示意图；
图2是本发明优选实施例的区域目标离散化示意图；
图3是本发明优选实施例的区域目标条带交叉覆盖示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，为本发明一具体实施例的流程图，一种多星联合成像下的大规模区域观测调度方法，包括以下步骤：
S1：将对区域目标可见的卫星分别对区域目标进行条带划分，得到候选条带集合S＝{si,O,j|i＝1,2,3,...,n；j＝1,2,3,...,n}其中si,O,j表示卫星ri对区域目标t在第o圈的第j个条带。
S101获取在未来一段预设时段[ts,te]内可用于观测区域目标t的卫星集合R＝{r1,r2,r3,...,rn}和每颗卫星ri的一条瞬根，该瞬根的历元时间距离ts最近并且在ts之前；
S102对R中的卫星用对应的瞬根进行轨道预报，获得每颗卫星在[ts,te]对区域目标的可见时间窗口，排除没有可见时间窗口的卫星，剩余对于区域目标t可见的卫星集合定义为R'。[ts,te]通常在用户对完成任务的总时间段的要求以内。进一步地，在R'中删除在预设时间[ts,te]内已经安排计划的卫星。
S103根据图像的最低分辨率要求排除传感器的分辨率小于预设最低分辨率的卫星。这样，剩余的卫星的遥感器拍摄到的图像能达到分辨率要求。
S104用R'中的卫星分别对区域目标进行条带划分，得到候选条带集合S。进一步地，在候选条带集合S中，删除与全局任务规划中已安排任务相冲突的元任务所对应的候选条带。元任务为单颗卫星能能一次性完成观测的任务。当全局任务规划中单颗卫星在某时刻内已安排任务，则不能执行已选条带中的条带任务，因此需要删除与已安排任务相冲突的元任务所对应的条带。
卫星在地面的投影点称为星下点，卫星运动和地球自转使星下点在地球表面移动形成星下点轨迹。卫星沿星下点轨迹方向对区域目标进行推扫，形成以卫星相机幅宽为宽度的依次并排设置的多条延伸方向与星下点轨迹的延伸方向相同的条带，实现条带划分。多颗卫星沿各自的星下点轨迹方向进行条带划分，得到多条方向、宽度不一的条带，构成候选条带集合。
S2：选择候选条带集合S中对区域目标t覆盖率最大的条带作为候选条带，将其加入已选条带集合S'中。覆盖率为条带区域与目标区域交集所占目标区域的比值。
选择候选条带集合中所有候选条带中覆盖率最大的条带作为初始的已选条带，能够减少观测条带数目，提高观测效率。
S3：计算候选条带集合S中每个条带对已选条带集合S'中每个条带的覆盖率，这里称为交叉覆盖率。
S301：对区域目标t进行离散化处理，得到区域目标离散化的点集P；
参见图2，对区域目标进行离散化处理采用等距离离散取点的方法，用一系列的离散点来描述区域目标。计算精度可以通过离散点之间的距离来控制，离散点取得越密集，计算的精度越高，但计算的复杂度也增加。
S302：计算交叉覆盖率Cri,o,k：
其中，Pi,o,k表示卫星i在第o圈内对区域目标分解的第k个条带所覆盖的离散点集合，P表示区域目标离散化的点集，N(C)表示任意集合C的元素个数，Pcl表示已选条带集合中的第l个已选条带的离散化的点集，lc表示已选条带集合S'中的条带数目。
参见图3，已选条带集合中条带的面积取已选条带集合中条带的并集面积，对区域离散后的并集面积为集合的点数目，这样省去了求已选条带集合中条带重叠面积的步骤。并且，对区域目标进行离散化处理后再进行交叉覆盖率的计算，避免了面积上的积分，大大减少了计算量，节约了计算时间。
S4：选择候选条带集合S中交叉覆盖率最小的条带，将其作为最优候选条带。当交叉覆盖率相同时，选择候选条带集合S中对区域目标t覆盖率最大的候选条带作为最优候选条带；交叉覆盖率与覆盖率排序均相同时，选择候选条带集合S中任务完成时间最早的候选条带作为最优候选条带。
将最优候选条带存入已选条带集合S'中用于指示卫星执行观测任务。
根据S3步骤的计算公式，可以依次计算出候选条带集合中的每一个候选条带对已选条带集合中的条带的交叉覆盖率，按照交叉覆盖率对候选条带进行排序，选择交叉覆盖率最小的条带作为最优候选条带，存入已选条带集合中用于指示卫星执行观测任务。交叉覆盖率最小即为条带间的重叠最少，这是规划中考虑的非常重要的因素，这样能够减少卫星对区域目标的重复观测，从而使整个规划方案能够以最少的条带数目实现对区域目标的观测，节约卫星资源。
当交叉覆盖率排序相同时，选择候选条带对区域目标的覆盖率最大的条带作为最优候选条带，最大化目标覆盖率公式为：
其中ns为对区域目标可见的卫星数目，nb为未来一段预设时间内的轨道圈数，nk(i,o)为卫星i在第o圈内对区域目标分解的条带数目，Pi,o,k为卫星i在第o圈内对区域目标分解的第k个条带所覆盖的离散点集合。S(Pi,o,k)与C(Pi,o,k)分别由以下公式确定：
其中，xi,o,k为0-1的变量，表示卫星i在第o圈内对区域目标分解的第k个条带是否被选择观测，S(Pi,o,k)即代表着条带被选则与否。
其中，N(P)为任意集合P的元素个数，C(Pi,o,k)则是覆盖率。
当交叉覆盖率排序相同时，比如选取条带初期，与已选条带交叉覆盖率为零的条带会有很多条，这时可以根据上述公式，依次计算出候选条带集合中的每一个候选条带Pi,o,k对区域目标的覆盖率C(Pi,o,k)，按照覆盖率对候选条带进行排序，选择覆盖率最大的条带作为最优候选条带，存入已选条带集合中用于指示卫星执行观测任务，这样能够扩大对区域目标的观测范围，从而使整个规划方案能够以最少的条带实现对区域目标的最大覆盖。
当交叉覆盖率与覆盖率排序均相同时，选择任务完成时间最早的条带作为最优候选条带，最小化任务完成时间公式为：
min(xi,o,k(ti,o,k+cti,o,k))
其中，ti,o,k为卫星i在第o圈内对区域目标分解的第k个条带的开始观测时间，cti,o,k为卫星i在第o圈内对目标分解的第k个条带的持续观测时间。
根据上述公式，ti,o,k为开始观测时间，cti,o,k为持续观测时间，(ti,o,k+cti,o,k)则为卫星i在第o圈内对目标分解的第k个条带的结束时间，可以依次计算出候选条带集合中的每一个候选条带Pi,o,k任务完成时间。由于卫星只具备侧摆姿态机动能力，在对区域目标的单次过境中只能够实现单次成像，对于同一卫星，同一轨道圈次也就只能选择一个条带进行观测，此处选择卫星i在第o圈内对目标分解的条带中持续观测时间最长的条带，这样卫星在同轨道圈次能观测的范围更大，提高了观测效率。为选择条带最长的选择卫星i在第o圈内对分解的条带中结束时间最晚的条带，按照任务完成时间对候选条带进行排序，选择任务完成时间最小的条带作为最优候选条带，存入已选条带集合中用于指示卫星执行观测任务，这样能够减少完成区域目标观测的时间，从而使整个规划方案能够以最少的时间、最少的条带数目实现对区域目标的最大覆盖。
S5：判断最优候选条带对区域目标的覆盖率增幅是否大于设定阈值，若是，则删除与最优候选条带具有相同卫星且相同圈次的候选条带集合中的候选条带，返回步骤S2，否则进入步骤S6。
计算本次排序筛选出的最优候选条带对区域目标的覆盖率与前一次存入已选候选条带集合的最优候选条带对区域目标的覆盖率的差值，求得覆盖率增幅。
若覆盖率增幅大于设定阈值，则需要返回步骤S2，继续进行条带采集。但由于卫星只具备侧摆姿态机动能力，在对区域目标的单次过境中只能够实现单次成像，对于同一卫星，同一轨道圈次也就只能选择一个条带进行观测，因此再返回步骤S2之前，需要删除与最优候选条带具有相同卫星且相同圈次的候选条带集合中的候选条带。
若覆盖率增幅小于或等于设定阈值，优选地，步骤S5中所述的设定阈值为5％，此时加入新条带对整个区域目标的覆盖率影响已很小，考虑到任务完成时效性、卫星成本的控制等方面，停止继续采集条带。
S6:根据已选条带集合中的条带执行卫星观测调度。
输出已选条带集合中的条带，根据每个条带对应的元任务，规划出卫星观测调度方案，完成对区域目标的观测调度。
通过以上步骤，对区域目标进行分解以获取能够单次成像的条带，对条带选择进行多目标组合优化，目标为最小化选择观测条带数目、最大化目标覆盖率和最小化任务完成时间，从而减少卫星对区域目标的重复观测，增强观测的时效性。
在上述方法的同一原理基础上，本实施例的一种多星联合成像下的大规模区域观测调度系统，包括划分模块、初始模块、计算模块、选择模块、判断模块和执行模块。划分模块，用于将对区域目标可见的卫星分别对区域目标进行条带划分，得到候选条带集合；初始模块，用于选择候选条带中对区域目标覆盖率最大的一个条带存入已选条带集合；计算模块，用于计算候选条带集合中的每一个候选条带与已选条带集合中的条带的交叉覆盖率；选择模块，用于根据交叉覆盖率对条带进行排序，选择交叉覆盖率最小的条带作为最优候选条带；当交叉覆盖率相同时，选择候选条带对区域目标的覆盖率最大的条带作为最优候选条带；在交叉覆盖率与覆盖率排序均相同时，选择任务完成时间最早的条带作为最优候选条带，并将最优候选条带存入已选条带集合中；判断模块，用于判断最优候选条带对区域目标的覆盖率增幅是否大于设定阈值，若是，则删除与最优候选条带具有相同卫星且相同圈次的候选条带集合中的候选条带，返回计算模块，否则进入执行模块；执行模块，用于根据已选条带集合中的条带执行卫星观测调度。
系统还包括筛选模块，用于划分模块划分之前，筛选出在未来一段预设时间内对区域目标可见的卫星。
系统还包括消冲模块，用于划分模块处理完后，在候选条带集合中，删除与全局任务规划中已安排任务相冲突的元任务所对应的条带。
计算模块包括：
离散单元：对区域目标进行离散化处理，得到区域目标离散化的点集P；
计算单元：计算交叉覆盖率Cri,o,k：
其中，Pi,o,k表示卫星i在第o圈内对区域目标分解的第k个条带所覆盖的离散点集合，N(C)表示任意集合C的元素个数，Pcl表示已选条带集合中的第l个已选条带的离散化的点集，lc表示已选条带集合S'中的条带数目。
判断模块中的阈值为5％。
本实施例的多星联合成像下的大规模区域观测调度系统，减少卫星对区域目标的重复观测，增强观测的时效性。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。