面向资源利用率的成像卫星任务规划绩效评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地观测技术领域，具体涉及一种面向资源利用率的成像卫星任务规划 绩效评估方法。
【背景技术】
[0002] 对地观测即在地球表面之外，利用空间飞行器（通常为成像卫星）距离地面高的 位置优势，对地球表面进行观测并获取其详细数据的活动。由于对地观测活动具有地面观 测所无法取代的优势，其在经济、社会和军事层面均具有十分重要的意义，并因此受到了科 研领域极大的重视。近年来，成像卫星相关技术发展极为迅速。星上载荷增加、多轴姿态控 制技术、非延迹推扫技术、多星编队组网飞行等技术的发展给成像卫星完成对地观测任务 的能力带来了极大的提升。
[0003] 成像卫星任务规划技术作为指导成像卫星执行对地观测任务的唯一手段，其效能 的优劣对于对地观测活动的结果具有极大的影响。因此，成像卫星相关技术的发展同样给 成像卫星任务规划技术提出了极大的挑战。一方面，热点科学问题的实时追踪、多传感器网 络协同以及大容量图像数据的传输等问题对于新的星地网络数据传输设计提出了更高的 要求；另一方面，现有成像卫星数据存储和数据传输系统的能力也制约着由成像卫星上的 传感器产生的海量数据下行到地面的能力。2005年，Steve Chien等在ASE (Autonomous Sciencecraft Experiment)的一篇阶段性总结[[i]]中既提出，使用自主规划软件使单 颗成像卫星的观测需求发生了变化，而这些改变的观测需求使成像卫星的数传需求显著上 升。我国学者张兵同样指出，虽然目前的智能成像卫星已经具备了一定的实时任务响应能 力和结合长期和短期天气预报来进行数据采集的能力，大大提高了成像卫星遥感数据的利 用效率，但是面对未来用户对于成像卫星数据的灵活需求，更加灵活的星上数据处理和传 输程序仍旧是智能成像卫星系统所面对的一大挑战。同时，由于地面规划中采用的成像卫 星资源预测模型的不准确性，导致地面规划不必要的限制成像卫星使用效能的弊端也逐渐 显现出来。为了应对这些任务规划领域的新问题，部分专家学者尝试将多目标优化机制引 入成像卫星任务规划领域，如C. Pralet、G. Verfaillie等尝试在现有任务调度方法基础 上考虑任务数据的有效性，对于星上任务的规划方法进行优化，并取得了一定的成果。而与 此相对的，对于一种能够综合衡量卫星资源的使用效率的成像卫星任务规划绩效评估体系 的需求，也越来越迫切。
[0004] 传统的成像卫星任务规划算法通常从如下的几个方面来评价规划的整体表现：1、 完成任务的总收益；2、任务的完成率（或任务目标的完成个数）；3、全局任务的最小完成时 间。部分规划算法在以上的评价指标基础上加入了如：1、任务的成像质量；2、任务规划的 鲁棒性（用可重新安排的任务收益最大表示）；3、较短的规划时间；4、规划容错能力等。然 而，这些评价指标基本都是从单纯的任务收益出发，将其他的指标作为对于任务收益的调 整参数进行评估。
[0005] 由于成像卫星任务执行环境的复杂化，传统的成像卫星任务规划评价方法已经越 来越无法满足未来的敏捷成像卫星任务规划系统对于更加全面并且具有综合性的任务收 益评价体系的需求。Gregory Beaumet提出，敏捷成像卫星在进行任务规划时，必须考虑成 像卫星星上资源以及任务区域的云层覆盖率等不确定性环境对于任务规划过程和最终收 益的影响。我国学者张正强、谭跃进同样指出，对于未来的成像卫星自主规划系统，星地通 信时间、观测条件变化、空间传输时长等因素是其设计时必须纳入考量的问题。同时，传统 的基于任务总收益或者任务完成率的规划评价方法虽然能够一定程度上比较规划算法的 效能，但是却无法揭示进一步提升算法效果所需要着重考虑的因素。因此，一种能够从多个 角度对于成像卫星绩效进行评估的方法，是十分必要的。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种面向资源利用率的成像 卫星任务规划绩效评估方法。
[0007] 为了解决【背景技术】所存在的问题，本发明的面向资源利用率的成像卫星任务规划 绩效评估方法，它的评估方法为：
[0008] (1)、绩效评估方法：
[0009] (1. 1)、成像质量的任务总收益：
[0010] 任务总收益P的计算公式如下：
[0012] 其中，MCN代表规划实际完成的任务数,P1代表第i个任务的收益，CR i代表第i个 任务上空的云量系数,D1为第i个任务的成像清晰系数，由成像时间偏离观测时间窗中心点 的程度表示；
[0013] D1的具体计算方法如下：
[0015] 其中，OET1为第i个任务的观测窗开始时间，OST i为第i个任务的观测窗结束时 间，MST1为第i个任务的任务开始时间，MET i为第i个任务的任务结束时间；
[0016] (1. 2)、上传资源剩余可用率；
[0017] (1.3)、观测资源利用率；
[0018] (1. 4)、回传资源剩余可用率；
[0019] (2)、评估实例：（2. 1)、成像卫星任务规划方法；
[0020] (2. I. 1)、地面批处理任务规划方法；
[0021] (2. 1. 2)、天气预报的地面批处理任务规划方法；
[0022] (2. 1. 3)、实时气象条件的星上自主任务规划方法；
[0023] (2. 2)、实验场景设计；
[0024] (2. 3)、仿真实验结果；并对实验结果进行分析。
[0025] 本发明有益效果为：便于快速进行数据上传，操作简便，使用方便，同时节省时间， 效率高。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明中地面批处理任务规划基本流程图；
[0027] 图2为本发明中考虑天气预报的地面批处理任务规划基本流程图；
[0028] 图3为本发明中考虑实时气象条件的星上自主任务基本流程图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施 方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的【具体实施方式】仅用以解释本 发明，并不用于限定本发明。
[0031] 本【具体实施方式】采用如下技术方案：它的评估方法为：
[0032] 1、绩效评估方法：
[0033] 在充分考虑实际任务需求以及实际数据的可获得性能力的前提下，设置了以下四 个主要指标：
[0034] 1. 1、成像质量的任务总收益：
[0035] 单个卫星成像任务的收益除了取决于任务数据本身的价值之外，还受到任务区域 上空的气象条件以及拍摄时卫星载荷与目标物之间夹角的影响。其中，气象条件的影响主 要指任务区域上空的云层对于任务区域的遮挡导致任务数据的价值下降；拍摄角度则主要 影响任务数据的图像清晰度（当成像卫星位于目标物正上方时成像的清晰度最高）。在考 虑以上两个因素的基础上，定义任务总收益P的计算公式如下：
[0037] 其中，MCN代表规划实际完成的任务数,P1代表第i个任务的收益，CR i代表第i个 任务上空的云量系数，D1为第i个任务的成像清晰系数，由成像时间偏离观测时间窗中心 点的程度表示；
[0038] D1的具体计算方法如下：
[0040] 其中，OET1为第i个任务的观测窗开始时间，OST i为第i个任务的观测窗结束时 间，MST1为第i个任务的任务开始时间，MET i为第i个任务的任务结束时间。
[0041] 1.2、上传资源剩余可用率：
[0042] 随着成像卫星星上硬件资源（如电池容量，固存容量，姿态转换器效率等）的增 加，成像卫星执行任务的能力越来越强。而与此相对的，卫星与地面站的通讯时间和任务数 据量的大小则限制了成像卫星能够接收到的任务的数量。因此，选择何种数据上传手段将 任务信息上注至成像卫星，显著的限制了成像卫星收益的上限。定义上传资源剩余可用率 来衡量任务规划方法的这一属性。在任务整体收益不下降且地面站状态不变的情况下，该 项指标的值越高，代表成像卫星的使用收益在未来的可提升空间越大。为了定义上传资源 剩余可用率UP，首先定义第i个任务的上传时间uti:
[0044] 其中，ML1为第i个任务的信息总量，DUR为地面站上传任务信息的速度。根据以 上条件定义上传资源空闲负载率UP如下：
[0046] 其中，UWS为上传窗开始时间，UWE为上传窗结束时间。
[0047] 1.3、观测资源利用率：
[0048] 每个观测任务的收益和观测任务区域上空的云量有直接的关系。当任务区域上空 的云量超过一定的上限时，观测数据将完全失去效果。如将无效数据写入成像卫星固存，不 但会占据有效数据的存储空间，还可能覆盖原本存在的有效数据，从而削减成像卫星的使 用收益。因此，合理分配成像卫星固存容量，尽量减少成像卫星固存中无效数据的比例，对 于成像卫星任务规划具有重要意义。为了定义观测资源利用率0WR，首先定义第i个任务的 有效观测时间EOT1:
[0050] 其中，DT1为第i个任务的持续时间，cr为预设的保证成像卫星任务数据有效的任 务区域云量上限。因此，观测资源利用率OWR被定义为有效观测时间和任务总观测时间的 比值：
[0052] 1. 4、回传资源剩余可用率：
[0053] 在自主成像卫星的任务数据回传规划中，任务数据回传规模和执行任务时任务区 域上空的云量有关；而非自主成像卫星在传输数据时不考虑数据的有效性，因此全部任务 数据都作为有效数据下传。下传大量的无效数据会挤占有限的