面向大规模应急场景下的卫星与无人机协同观测方法

本发明涉及协同观测，具体涉及一种面向大规模应急场景下的卫星与无人机协同观测方法、系统、存储介质和电子设备。

背景技术：

1、在出现大规模紧急任务的场景下，单独使用卫星可以利用其通常距离地面100km以上的特点进行全方位观测，但同时存在由于观测区域较大，导致图像分辨率较低、观测内容不够准确的问题。而单独使用无人机进行观测则可能导致观测范围过小，无法在短时间了解全貌。两者互为补充，则可以实现在较短时间内对大范围应急场景下重点观测目标信息的完整度和准确率的提升。

2、卫星与无人机协同观测是指综合利用卫星与无人机，对同一观测任务进行统一的规划及执行。然而在现有研究中，综合利用卫星与无人机协同观测来处理应急任务较少，并且在研究过程中通常将应急任务观测收益设为固定值，未考虑到应急任务的完成时间与重要程度对观测收益的影响，进而无法满足应急任务观测的时效性与综合收益最大的目标。

3、鉴于此，有必要提供一种面向大规模应急场景下的卫星与无人机协同观测方案。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种面向大规模应急场景下的卫星与无人机协同观测方法、系统、存储介质和电子设备，解决了在较短时间内未能充分利用多种观测资源的技术问题。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、一种面向大规模应急场景下的卫星与无人机协同观测方法，包括：

6、s1、执行任务选择，获取应急任务集合；

7、s2、根据卫星的可见时间窗口与已有任务约束，结合每一应急任务的完成时间窗要求，执行任务调度，获取卫星与无人机协同观测方案；

8、s3、重复执行s2，获取多个卫星与无人机协同观测方案；

9、s4、考虑综合观测收益值最大化，在所述多个卫星与无人机协同观测方案中评优输出最优方案。

10、优选的，所述s1包括：

11、s11、将规定时间切分为固定时长的时间段，组成集合其中y为时间段数量，为第i个时间段内的应急任务集合，iy为第i个时间段内的应急任务数量；

12、s12、在不同时间段应急任务集合te中随机选择两个集合

13、s13、分别从中按照时间先后顺序找出，最先能够被执行的应急任务若都能找到，转入s14；若否，则结束任务选择；

14、s14、比较两个应急任务本身已知的收益值ri大小，选择其中收益值ri大的作为待调度任务；

15、s15、将未被选择的应急任务放回该任务集，并对所有应急任务进行更新，转入s12直至在规定时间内只剩最后一个任务则自动选择执行或到达规定时间时则自动停止选择，任务选择迭代终止并输出所述应急任务集合。

16、优选的，所述s2包括：

17、s21、在应急任务集合中随机选择应急任务计算其完成时间窗是否存在满足卫星执行观测的可用时间窗集若存在，则转入s22；若不存在，则转入s27；其中，为应急任务最早执行时间，为应急任务最迟结束时间；

18、s22、更新可用时间窗集将的当前所有可用时间窗按照时间先后顺序依次放入并按照排序选择可用时间窗；

19、s23、将应急任务插入到当前可用时间窗，若未与相邻的任务发生冲突，则选择直接插入并更新调度序列，转入s25；若发生冲突，则转入s24；

20、s24、判断与应急任务发生冲突的任务类型；若为常规任务，则选择将调度序列中的该常规任务剔除，并替换为应急任务转入s25；若为应急任务，则选择删除该可用时间窗，转入s22；

21、s25、计算卫星将获取的图像下传到地面站，再判断由无人机对任务执行观测的所需最短时间，是否满足在时间窗内完成；若满足，转入s26；若不满足，则应急任务由卫星独立完成，在应急任务集合删除应急任务并判断应急任务集合是否为空集，若是，则任务调度结束并输出所述卫星与无人机协同观测方案，否则转入s22；

22、s26、应急任务在卫星观测完成后立即下传，再由无人机根据卫星获取的信息再次进行高精度观测，在应急任务集合删除应急任务并判断应急任务集合是否为空集，若是，则任务调度结束并输出所述卫星与无人机协同观测方案，否则转入s22；

23、s27、选择无人机对该任务进行观测，在应急任务集合删除应急任务并判断应急任务集合是否为空集，若是，则任务调度结束并输出所述卫星与无人机协同观测方案，否则转入s22。

24、优选的，所述s4中根据预先构建的协同观测模型，对所述多个卫星与无人机协同观测方案进行评优；其中所述协同观测模型包括目标函数：

25、

26、

27、

28、

29、

30、

31、其中，i为应急任务索引，为应急任务集合，m为任务数量；j为卫星执行观测的可用时间窗的索引，n为可见时间窗数量；k为无人机的索引，o为无人机数量；

32、f为最大化综合观测收益目标；

33、对应为卫星与无人机协同观测、卫星独立观测、无人机独立观测的综合收益值；

34、对应为应急任务由卫星与无人机协同观测、卫星独立观测、无人机独立观测的收益值，且

35、均为决策变量。

36、优选的，所述协同观测模型还包括约束条件：

37、

38、

39、

40、

41、

42、

43、

44、其中，为应急任务最早执行时间；为应急任务最迟结束时间；

45、为卫星对应急任务的可见时间窗集合；

46、为应急任务在被卫星观测时的持续时间；duriue为应急任务的在被无人机观测时的持续时间；为应急任务的在被协同观测时的持续时间；

47、为卫星对于应急任务的观测时间窗最早开始时间；为卫星对于应急任务的观测时间窗最迟结束时间；

48、为卫星将观测到的应急任务信息成功下传并使得无人机获取所花费的时间；

49、公式(7)(8)(9)表示应急任务执行的时间约束；公式(10)表示任务是不可分且非抢占的，一个任务最多被观测一次；公式(11)表示应急任务不能与其他正在执行的应急任务冲突；公式(12)(13)表示应急任务的执行时需要在卫星对该任务的可见时间窗内，在被卫星观测下传后该应急任务被无人机观测也需要保证在应急任务截止期前完成。

50、一种面向大规模应急场景下的卫星与无人机协同观测系统，包括：

51、任务选择模块，用于执行s1、执行任务选择，获取应急任务集合；

52、任务调度模块，用于执行s2、根据卫星的可见时间窗口与已有任务约束，结合每一应急任务的完成时间窗要求，执行任务调度，获取卫星与无人机协同观测方案；

53、重复执行模块，用于执行s3、重复执行s2，获取多个卫星与无人机协同观测方案；

54、方案评优模块，用于执行s4、考虑综合观测收益值最大化，在所述多个卫星与无人机协同观测方案中评优输出最优方案。

55、一种存储介质，其存储有用于面向大规模应急场景下的卫星与无人机协同观测的计算机程序，其中，所述计算机程序使得计算机执行如上所述的卫星与无人机协同观测方法。

56、一种电子设备，包括：

57、一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行如上所述的卫星与无人机协同观测方法。

58、(三)有益效果

59、本发明提供了一种面向大规模应急场景下的卫星与无人机协同观测方法、系统、存储介质和电子设备。与现有技术相比，具备以下有益效果：

60、本发明根据面向大规模应急这一特定观测背景，规定观测资源在执行任务时，需要以任务的完成度优先，其次考虑任务执行的准确度。此外，在卫星与无人机执行任务规划与调度时，需要考虑到任务与任务之间、任务与时间窗之间的冲突。在该前提下，加入应急观测，则是更加强调了任务的动态性和时效性特征。应急观测任务增加了完成时间的约束，因此在执行过程中考虑应急任务的插入与替换。面向大规模应急场景下的卫星与无人机协同观测，是在考虑任务时间紧迫性的前提下，以预期观测任务收益最高为目标，综合利用卫星及无人机进行观测。