一种面向用户多样化需求的区域目标卫星任务规划方法与流程

1.本发明涉及航天管控领域，特别是指一种面向用户多样化需求的区域目标卫星任务规划方法，可用于航天观测任务筹划、区域目标任务规划、航天观测任务快速响应等应用场景。


背景技术：

2.随着高分系列、资源系列等越来越多的卫星的投入使用，对地观测卫星在环境、气象、灾害监测等领域长期发挥着重要作用。为了完成空间任务，常常由多颗卫星组成一个空间系统，即卫星星座。在覆盖区域目标的对地观测任务中，多颗对地观测星协同的方式能够快速完成对区域目标的覆盖观测。
3.目前，国内外对于观测目标卫星任务规划问题已经开展了较多研究。jian等研究有云气象约束下的区域多星任务调度模型，将其转化成整数规划模型，采用分支剪枝算法求解，但此研究未涉及综合考虑有效覆盖面积、成像时效性等实际复杂约束。saeed等为了提高区域目标的观测收益，提出了4种“抢占”策略，使得区域中已经被观测的部分不再被重复观测，并利用一种基于启发式规则的遗传算法进行优化，有效提高了观测收益和优化效率，但其并没有对覆盖有效面积、观测资源使用效率等进行综合考虑，且其任务筹划阶段即时计算的模式导致算法计算时间过长。国内在区域目标卫星调度领域的研究虽然起步较晚，但发展十分迅速，例如：中国电子科技集团公司相关研究人员对多星协同任务规划算法开展了研究。哈尔滨工业大学、中国科学院大学等单位也从相关理论方法和关键技术方面对卫星任务规划问题开展了研究。杨文沉等提出针对卫星的区域目标非沿迹划分方法，该方法难以适应稍大或者形状复杂区域。huang等面向hxmt卫星区域目标任务规划问题，采取贪婪算法加遗传算法对问题进行了求解，该方法设计的目标函数未考虑综合观测效益，无法得出最优的任务规划解。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种面向用户多样化需求的区域目标卫星任务规划方法，其具有时间高效、组合灵活、规划准确等特点，适合用于区域目标任务规划等领域。
5.本发明采用的技术方案为：
6.一种面向用户多样化需求的区域目标卫星任务规划方法包括步骤：
7.（1）将地球按照空间经纬度进行网格划分，计算卫星与每个网格的可见性，获得全球可见性网格；计算区域目标覆盖的网格集合，并获取覆盖网格的可见性信息，获得覆盖区域目标的观测筹划方案集合；
8.（2）对观测筹划方案进行约束检查，去掉不符合约束的观测方案，获得符合观测约束的观测方案集合；
9.（3）设置模拟退火初始温度，降温系数，最低温度，并基于符合观
测约束的观测方案集合，采用二进制编码的方式随机生成观测方案解集，表示观测方案解集中的第个观测方案，为符合观测约束的观测方案个数，将作为模拟退火的初始状态；
10.（4）设置任务消耗电量、任务消耗存储、成像时效性三方面用户需求偏好的占比，其中；设置在覆盖有效面积、观测资源使用效益两方面用户需求偏好的占比，其中；设置在当前观测方案解集状态下覆盖有效面积、观测资源使用效益、任务消耗电量、任务消耗存储、成像时效性加权最优的能量函数，以作为状态下的能量；
11.（5）依据步骤（4）的能量函数，计算在状态下的能量；
12.（6）在中随机选择个二进制编码位置，其中，对于每个位置，若其为0，则置1，若其为1，则置0，生成新的状态，并按照步骤（4）计算状态下的能量；
13.（7）比较和的大小，若且，则令，，返回步骤（5）；若，且，且，则令，，返回步骤（5），其中为玻尔兹曼常数，为1.380649
ꢀ×ꢀ
10-23 ，表示取0到1之间的随机数；若，且，且，则令，返回步骤（5）；若均不满足以上条件，则结束迭代，以状态作为最终的观测方案解集。
14.其中，步骤（1）包括如下步骤：
15.（101）按照的规格将全球划分为网格集合，其中；
16.（102）导入可用卫星；利用卫星与目标可见性分析算法，计算每个卫星与每个网格的可见性信息；
17.（103）导入区域目标，计算区域目标覆盖的网格集合，其中，，并获取覆盖网格的可见性信息，获得覆盖区域目标的观测筹划方案集合。
18.其中，步骤（4）中设置在当前观测方案解集状态下覆盖有效面积、观测资源使用效益、任务消耗电量、任务消耗存储、成像时效性加权最优的能量函数，以作为状态下的能量，具体包括步骤：
19.（401）设观测方案解电量消耗为，其中表
示观测方案解集中观测方案的电量消耗，则观测方案解的电量消耗得分为：；
20.（402）设观测方案解存储消耗为，其中表示观测方案解集中观测方案的存储消耗，则观测方案解的存储消耗得分为：；
21.（403）设用户要求的观测开始时间为，用户要求的观测结束时间为，观测方案解中观测方案的成像开始时间，则观测方案的成像时效性为：
[0022][0023]
则观测方案解集的成像时效性为，则观测方案解集的成像时效性得分为：，如果，则，否则；
[0024]
（404）计算观测资源使用效益的得分：
[0025][0026]
（405）设区域目标的面积为，则覆盖有效面积与区域目标面积的占比的计算公式为：
[0027][0028]
则覆盖有效面积的得分计算公式为：
[0029][0030]
（406）任务消耗电量、任务消耗存储、成像时效性、观测资源使用效益、覆盖有效面积的加权最优能量为：
[0031]
。
[0032]
本发明与背景技术相比具有如下优点：
[0033]
1、本发明提出了一种面向用户多样化需求的区域目标卫星任务规划方法，将地球基于网格进行划分，并提前计算卫星与网格的可见性结果进行存储，在进行区域规划时可直接将可见性结果进行取出，克服了现有方法中需在线计算卫星与区域目标可见性的缺
点，极大节省了区域目标规划的时间，极大提升了区域目标任务规划的时效性。
[0034]
2、本发明在规划区域目标时，对模拟退火算法进行了改进，综合考虑了覆盖有效面积、观测资源使用效益、任务消耗电量、任务消耗存储、成像时效性等各方面的因素，用户可基于自己的需求偏好进行权重设置，从而实现面向用户多样化需求的规划，具备组合灵活、规划准确的特点。
附图说明
[0035]
图1是本发明流程示意图。
[0036]
图2是本发明二进制编码示意图。
[0037]
图3是本发明随机产生新状态的示意图。
具体实施方式
[0038]
一种面向用户多样化需求的区域目标卫星任务规划方法，如图1，包括以下步骤：
[0039]
（1）将地球按照空间经纬度进行网格划分，计算卫星与每个网格的可见性，获得全球可见性网格；计算区域目标覆盖的网格集合，并获取覆盖网格的可见性信息，获得覆盖区域目标的观测筹划方案集合；
[0040]
（2）对观测筹划方案进行约束检查，去掉不符合约束的观测方案，获得符合观测约束的观测方案集合；具体方式为，对观测筹划方案进行开关机时间长度约束、能量消耗约束、数据存储约束的约束检查，检查每个观测方案是否超过最大的开关机时间，检查每个观测方案的所执行卫星是否有足够的能量去执行该方案，检查每个观测方案的执行卫星是否具备足够的数据存储容量，去掉不符合约束的观测方案，获得符合观测约束的观测方案集合；
[0041]
（3）设置模拟退火初始温度，降温系数，最低温度，如图2所示，基于符合观测约束的观测方案集合，采用二进制编码的方式随机生成观测方案解集 ，表示观测方案解集中的第个观测方案，为符合观测约束的观测方案个数，将作为模拟退火的初始状态；
[0042]
（4）设置任务消耗电量、任务消耗存储、成像时效性三方面用户需求偏好的占比，其中；设置在覆盖有效面积、观测资源使用效益两方面用户需求偏好的占比，其中；设置在当前观测方案解集状态下覆盖有效面积、观测资源使用效益、任务消耗电量、任务消耗存储、成像时效性加权最优的能量函数，以作为状态下的能量；
[0043]
（5）依据步骤（4）的能量函数，计算在状态下的能量；
[0044]
（6）如图3所示，在中随机选择个二进制编码位置，其中，对于每个位置，若其为0，则置1，若其为1，则置0，生成新的状态，并按照步骤（4）计算状态下的能量；
[0045]
（7）比较和的大小，若且，则令，，返回步骤（5）；若，且，且，则令，，返回步骤（5），其中为玻尔兹曼常数，为1.380649
ꢀ×ꢀ
10-23 ，表示取0到1之间的随机数；若，且，且，则令，返回步骤（5）；若均不满足以上条件，则结束迭代，以状态作为最终的观测方案解集。
[0046]
其中，步骤（1）包括如下步骤：
[0047]
（101）按照的规格将全球划分为网格集合，其中；
[0048]
（102）导入可用卫星；利用卫星与目标可见性分析算法，计算每个卫星与每个网格的可见性信息；
[0049]
（103）导入区域目标，计算区域目标覆盖的网格集合，其中，，并获取覆盖网格的可见性信息，获得覆盖区域目标的观测筹划方案集合。
[0050]
其中，步骤（4）中设置在当前观测方案解集状态下覆盖有效面积、观测资源使用效益、任务消耗电量、任务消耗存储、成像时效性加权最优的能量函数，以作为状态下的能量，具体包括步骤：
[0051]
（401）设观测方案解电量消耗为，其中表示观测方案解集中观测方案的电量消耗，则观测方案解的电量消耗得分为：；
[0052]
（402）设观测方案解存储消耗为，其中表示观测方案解集中观测方案的存储消耗，则观测方案解的存储消耗得分为：；
[0053]
（403）设用户要求的观测开始时间为，用户要求的观测结束时间为，观测方案解中观测方案的成像开始时间，则观测方案的成像时效性为：
[0054]
[0055]
则观测方案解集的成像时效性为，则观测方案解集的成像时效性得分为：，如果，则，否则；
[0056]
（404）计算观测资源使用效益的得分：
[0057][0058]
（405）设区域目标的面积为，则覆盖有效面积与区域目标面积的占比的计算公式为：
[0059][0060]
则覆盖有效面积的得分计算公式为：
[0061][0062]
（406）任务消耗电量、任务消耗存储、成像时效性、观测资源使用效益、覆盖有效面积的加权最优能量为：
[0063]
。
[0064]
下面分别从规划时效性和规划效果两方面进行验证本发明的优势：
[0065]
规划时效性方面，本发明与传统的基于在线计算卫星与目标可见性的方法进行对比，在基于1000颗卫星的情况下，对a地区和b地区进行可见性分析的对比结果如下表所示：
[0066][0067]
可见，本发明在计算可见性方面耗时比传统方法快了近20倍。
[0068]
规划效果方面，将和设置为不同的值进行对比实验，结果如下表所示：
[0069][0070]
从任务消耗电量、任务消耗存储、成像时效性、覆盖有效面积、观测资源使用效率的得分来看，本发明的规划结果可有效呼应用户对于规划策略的多样化需求。
[0071]
总之，本发明首先将地球按照空间经纬度进行网格划分，提前计算网格可见性信息；然后取出区域目标覆盖网格的可见性信息并约束检查形成观测方案集合；最后，基于全球网格对观测方案集合进行二进制编码，采用模拟退火算法基于用户多样化需求的加权能量函数对最优观测方案进行搜索优化，形成最优的区域目标规划方案。本发明具有时间高效、组合灵活、规划准确等特点，适合用于航天观测任务规划等领域。

技术特征：
1.一种面向用户多样化需求的区域目标卫星任务规划方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将地球按照空间经纬度进行网格划分，计算卫星与每个网格的可见性，获得全球可见性网格；计算区域目标覆盖的网格集合，并获取覆盖网格的可见性信息，获得覆盖区域目标的观测筹划方案集合；（2）对观测筹划方案进行约束检查，去掉不符合约束的观测方案，获得符合观测约束的观测方案集合；（3）设置模拟退火初始温度，降温系数，最低温度，并基于符合观测约束的观测方案集合，采用二进制编码的方式随机生成观测方案解集，表示观测方案解集中的第个观测方案，为符合观测约束的观测方案个数，将作为模拟退火的初始状态；（4）设置任务消耗电量、任务消耗存储、成像时效性三方面用户需求偏好的占比，其中；设置在覆盖有效面积、观测资源使用效益两方面用户需求偏好的占比，其中；设置在当前观测方案解集状态下覆盖有效面积、观测资源使用效益、任务消耗电量、任务消耗存储、成像时效性加权最优的能量函数，以作为状态下的能量；（5）依据步骤（4）的能量函数，计算在状态下的能量；（6）在中随机选择个二进制编码位置，其中，对于每个位置，若其为0，则置1，若其为1，则置0，生成新的状态，并按照步骤（4）计算状态下的能量；（7）比较和的大小，若且，则令，，返回步骤（5）；若，且，且，则令，，返回步骤（5），其中为玻尔兹曼常数，为1.380649
ꢀ×ꢀ
10-23 ，表示取0到1之间的随机数；若，且，且，则令，返回步骤（5）；若均不满足以上条件，则结束迭代，以状态作为最终的观测方案解集。2.根据权利要求1所述的一种面向用户多样化需求的区域目标卫星任务规划方法，其特征在于，所述步骤（1）包括：（101）按照的规格将全球划分为网格集合，其中；（102）导入可用卫星，其中；利用卫星与目标可见
性分析算法，计算每个卫星与每个网格的可见性信息；（103）导入区域目标，计算区域目标覆盖的网格集合，其中，，并获取覆盖网格的可见性信息，获得覆盖区域目标的观测筹划方案集合。3.根据权利要求2所述的一种面向用户多样化需求的区域目标卫星任务规划方法，其特征在于，所述步骤（4）包括：（401）设观测方案解电量消耗为，其中表示观测方案解集中观测方案的电量消耗，则观测方案解的电量消耗得分为：；（402）设观测方案解存储消耗为，其中表示观测方案解集中观测方案的存储消耗，则观测方案解的存储消耗得分为：；（403）设用户要求的观测开始时间为，用户要求的观测结束时间为，观测方案解中观测方案的成像开始时间，则观测方案的成像时效性为：观测方案解集的成像时效性为，观测方案解集的成像时效性得分为：，h为区域目标覆盖的网格集合的元素个数，如果，则，否则；（404）计算观测资源使用效益的得分：（405）设区域目标的面积为，则覆盖有效面积与区域目标面积的占比的计算公式为：其中，sg
j
为区域目标覆盖的网格集合中的第j个元素；则覆盖有效面积的得分计算公式为：
（406）任务消耗电量、任务消耗存储、成像时效性、观测资源使用效益、覆盖有效面积的加权最优能量为：。

技术总结
本发明公开了一种面向用户多样化需求的区域目标卫星任务规划方法，它涉及航天管控领域中卫星观测任务需求筹划、卫星观测任务统筹规划等应用。它首先将地球按照空间经纬度进行网格划分，提前计算网格可见性信息；然后取出区域目标覆盖网格的可见性信息并约束检查形成观测方案集合；最后，基于全球网格对观测方案集合进行二进制编码，采用模拟退火算法基于用户多样化需求的加权能量函数对最优观测方案进行搜索优化，形成最优的区域目标规划方案。本发明具有时间高效、组合灵活、规划准确等特点，适合用于航天观测任务规划等领域。适合用于航天观测任务规划等领域。适合用于航天观测任务规划等领域。


技术研发人员：柴英特 王港 张超 林晓勇 朱进 楚博策 刘宇 朱光熙
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/8/14