一种最早完成区域目标覆盖的分区卫星任务规划方法技术

本发明专利技术公开了一种最早完成区域目标覆盖的分区卫星任务规划方法，其步骤包括：1.对所述待观测矩形区域进行分区；2.向不同区域分配观测资源并选用一定的覆盖机会与其覆盖模式以使形成的覆盖方案对应的完工时间尽可能地最小。本发明专利技术能以合适的计算资源得出以充足的观测资源尽可能早地完成对区域目标完全覆盖的满意方案，达到计算资源消耗与解的最优性之间的平衡，从而能在实际环境下充分利用卫星资源，对重要区域目标进行快速有效的覆盖搜索。

A task planning method for regional satellite with the earliest coverage of regional targets

【技术实现步骤摘要】
一种最早完成区域目标覆盖的分区卫星任务规划方法
本专利技术属于对地观测卫星区域目标任务规划领域，具体的说是一种最早完成区域目标覆盖的分区卫星任务规划方法。
技术介绍
地球观测卫星(EOS：EarthObservationSatellite)，或称为成像卫星(以下简称为“卫星”)，其主要功能之一是通过星载传感器(如可见光相机、多光谱相机)对陆地、海洋、大气等进行观测。观测的需求由来自各个领域、各个部门的用户提出，在卫星的地面管控中心汇总，管控中心根据观测需求，结合卫星资源使用情况，综合制定各个卫星的成像覆盖计划，并生成测控指令，经由地面测控站上注至卫星，卫星在接收到指令后作出相应的动作，对指定的区域进行成像，所成影像数据暂时保存在星载硬盘上，当行至与地面站可通信时，将影像数据下传至地面站。在该过程中，地面管控中心制定卫星成像计划的环节称为卫星任务规划，是整个卫星使用管理过程中的关键环节之一。在传统的卫星使用模式中，卫星单独制定计划，并单独执行成像任务，卫星与卫星之间不进行协同观测。而随着卫星数量的增多，使用多颗卫星协同对地进行成像观测已成为可能，且存在多星协同区域成像的现实需求。卫星一次过境只能拍摄一个有限长度和宽度的条带区域，如果待观测的区域较大，则卫星一次过境难以完整观测整个区域。如果用户急需该区域的影像数据，则可以使用多颗卫星多次过境机会进行协同成像。由于，每个卫星的星下点轨迹不一定平行，因此有可能导致成像条带之间的重叠。如果不进行合理地安排，继而有可能会导致条带间大量的重叠，使得部分区域被重复观测，而部分区域得不到观测，这样的情形十分不利于资源的合理利用。为了更好的利用现有的卫星覆盖资源，应当制定一个合理的计划，对卫星每次过境的行为动作(主要包括开关机时间和侧摆角度)进行安排，使得多颗卫星多个覆盖机会协同观测的效果尽可能的“好”。这是一类典型的运筹优化问题，存在迫切的现实需求。该类优化问题中还存在如下应用场景：在一定的时间区间内，用户部门需要某一个较大区域的完整影像数据，且可供调用的卫星数量充足，完全有能力将该区域完整地拍摄下来。在这种情形下，为了让用户能尽早取得数据，希望制定一个覆盖方案，使得其完工时间尽可能的早。我们将该问题称为覆盖资源充足情形下的最小完工时间问题。一般的区域目标规划方法在对面此问题中的较大待观测的区域时，可能会由于问题规模过大，问题复杂度过高而需要消耗大量的计算资源。这不利于方法在实际工程环境下的运用。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种最早完成区域目标覆盖的分区卫星任务规划方法，以期能以合适的计算资源得出以充足的观测资源尽可能早地完成对区域目标完全覆盖的满意方案，达到计算资源消耗与解的最优性之间的平衡，从而能在实际环境下充分利用卫星资源，对重要区域目标进行快速有效的覆盖搜索。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术一种最早完成区域目标覆盖的分区卫星任务规划方法的特点是应用于以充足的覆盖机会集合S对一个待观测区域R完全覆盖的覆盖机会选用和覆盖模式规划中，其优化目的是使完成时间尽可能早，其中，每个覆盖机会s∈S有自己属性，包括：星下点轨迹os、卫星距地高度hs、最大开机时间ms，且ms对应于一个覆盖模式的最大长度rs、最大可侧摆角度vs、相机视场角ws；同时，每个覆盖机会对于待观测区域R有一个覆盖时机的开始时间α(s)与结束时间β(s)；所述覆盖模式c是由卫星拍摄形成的矩形条带，并由一个覆盖机会选择一定的侧摆角度与开关机时间而确定；以所述待观测矩形区域R的任意一个顶点为原点o，以与所述原点相邻的两条边分别为x轴和y轴，从而建立坐标系o-xy；所述待观测矩形区域R的四个顶点坐标，分别记为左上角顶点LU(R)、左下角顶点LD(R)、右上角顶点RU(R)、右下角顶点RD(R)；所述分区规划方法是按如下步骤进行：步骤1：对所述待观测矩形区域R进行分区；步骤1.1：设定每个分区的长Lp与宽Wp；步骤1.2：根据待观测矩形区域R的四个顶点坐标计算所述待观测矩形区域R的长LR与宽WR；步骤1.3：用LR整除Lp得到分区的长分段数DL及余数RL，若余数则将DL+1赋值给DL；用WR整除Wp得到分区的宽分段数DW及余数RW，若余数则将DW+1赋值给DW；步骤1.4：用LR除以DL得到最终分区的长Lf，用WR除以DW得到最终分区的宽Wf；步骤1.5：根据最终分区的长Lf与宽Wf对待观测矩形区域R进行平均分区，从而得到各个分区的四个顶点坐标；步骤1.6：得到分区的集合N，且分区的总数为|N|＝DL×DW；步骤2：向不同区域分配观测资源并选用一定的覆盖机会与其覆盖模式以使形成的覆盖方案对应的完工时间尽可能地最小；步骤2.1：将覆盖机会随机分配至各个分区形成一个初始的当前分配方案其中，ys的取值代表覆盖机会s所分配的分区；步骤2.2：计算在当前分配方案Y下所选用的覆盖机会集合S*(Y)、较优覆盖模式集C*(Y)与相应的完工时间F(Y)；步骤2.3：设置最大迭代次数与初始退火温度T1，令当前外循环的迭代次数k＝1；步骤2.4：如果则转步骤2.9，否则执行步骤2.5；步骤2.5：使用插入算子和交换算子构造当前分配方案Y的若干邻居分配方案；步骤2.6：分别计算每个邻居分配方案下所选用的覆盖机会集合、较优覆盖模式集与相应的完工时间，选择其中完工时间最小的一个作为最优邻居分配方案步骤2.7：比较最优邻居分配方案与当前分配方案Y的完工时间，如果则将最优邻居分配方案赋值给当前分配方案Y后直接执行步骤2.8，否则先执行步骤2.7.1-步骤2.7.2后再执行步骤2.8；步骤2.7.1：计算第k次迭代的劣解接受率步骤2.7.2：第k次生成一个取值为0到1的随机数rk，若rk≤pk，则将最优邻居分配方案赋值给当前分配方案Y；步骤2.8：将k+1赋值给k，更新退火温度Tk＝Tk-1×λ，其中，λ为降温系数，并取小于1大于0的固定值，转至步骤2.4；步骤2.9：输出当前分配方案Y，以及在该分配方案下总体选用的覆盖机会集合S*(Y)、各覆盖机会的较优覆盖模式C*(Y)与其对应的完工时间F(Y)。本专利技术所述的分区规划方法的的也在于，所述步骤1.5是按如下过程进行：步骤1.5.1：令i＝1，以待观测矩形区域R的左上角坐标LU(R)作为第i个分区ni的左上角坐标LU(ni)；步骤1.5.2：将第i个分区ni的左上角坐标LU(ni)的横坐标值加上Lf得到其右上角坐标RU(ni)，将左上角坐标LU(ni)的纵坐标值加上Wf得到其左下角坐标LD(ni)，再将右上角坐标RU(ni)的纵坐标值加上Wf得到其右下坐标RD(ni)；步骤1.5.3：若第i个分区ni的右下角坐标RD(ni)等于待观测矩形区域R的右下角坐标RD(R)，则转至步骤1.5.6，否则执行步骤1.5.4；步骤1.5.4：若第i个分区ni的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种最早完成区域目标覆盖的分区卫星任务规划方法，其特征是应用于以充足的覆盖机会集合S对一个待观测区域R完全覆盖的覆盖机会选用和覆盖模式规划中，其优化目的是使完成时间尽可能早，其中，每个覆盖机会s∈S有自己属性，包括：星下点轨迹o

【技术特征摘要】
1.一种最早完成区域目标覆盖的分区卫星任务规划方法，其特征是应用于以充足的覆盖机会集合S对一个待观测区域R完全覆盖的覆盖机会选用和覆盖模式规划中，其优化目的是使完成时间尽可能早，其中，每个覆盖机会s∈S有自己属性，包括：星下点轨迹os、卫星距地高度hs、最大开机时间ms，且ms对应于一个覆盖模式的最大长度rs、最大可侧摆角度vs、相机视场角ws；同时，每个覆盖机会对于待观测区域R有一个覆盖时机的开始时间α(s)与结束时间β(s)；
所述覆盖模式c是由卫星拍摄形成的矩形条带，并由一个覆盖机会选择一定的侧摆角度与开关机时间而确定；
以所述待观测矩形区域R的任意一个顶点为原点o，以与所述原点相邻的两条边分别为x轴和y轴，从而建立坐标系o-xy；所述待观测矩形区域R的四个顶点坐标，分别记为左上角顶点LU(R)、左下角顶点LD(R)、右上角顶点RU(R)、右下角顶点RD(R)；所述分区规划方法是按如下步骤进行：
步骤1：对所述待观测矩形区域R进行分区；
步骤1.1：设定每个分区的长Lp与宽Wp；
步骤1.2：根据待观测矩形区域R的四个顶点坐标计算所述待观测矩形区域R的长LR与宽WR；
步骤1.3：用LR整除Lp得到分区的长分段数DL及余数RL，若余数则将DL+1赋值给DL；用WR整除Wp得到分区的宽分段数DW及余数RW，若余数则将DW+1赋值给DW；
步骤1.4：用LR除以DL得到最终分区的长Lf，用WR除以DW得到最终分区的宽Wf；
步骤1.5：根据最终分区的长Lf与宽Wf对待观测矩形区域R进行平均分区，从而得到各个分区的四个顶点坐标；
步骤1.6：得到分区的集合N，且分区的总数为|N|＝DL×DW；
步骤2：向不同区域分配观测资源并选用一定的覆盖机会与其覆盖模式以使形成的覆盖方案对应的完工时间尽可能地最小；
步骤2.1：将覆盖机会随机分配至各个分区形成一个初始的当前分配方案其中，ys的取值代表覆盖机会s所分配的分区；
步骤2.2：计算在当前分配方案Y下所选用的覆盖机会集合S*(Y)、较优覆盖模式集C*(Y)与相应的完工时间F(Y)；
步骤2.3：设置最大迭代次数与初始退火温度T1，令当前外循环的迭代次数k＝1；
步骤2.4：如果则转步骤2.9，否则执行步骤2.5；
步骤2.5：使用插入算子和交换算子构造当前分配方案Y的若干邻居分配方案；
步骤2.6：分别计算每个邻居分配方案下所选用的覆盖机会集合、较优覆盖模式集与相应的完工时间，选择其中完工时间最小的一个作为最优邻居分配方案
步骤2.7：比较最优邻居分配方案与当前分配方案Y的完工时间，如果则将最优邻居分配方案赋值给当前分配方案Y后直接执行步骤2.8，否则先执行步骤2.7.1-步骤2.7.2后再执行步骤2.8；
步骤2.7.1：计算第k次迭代的劣解接受率
步骤2.7.2：第k次生成一个取值为0到1的随机数rk，若rk≤pk，则将最优邻居分配方案赋值给当前分配方案Y；
步骤2.8：将k+1赋值给k，更新退火温度Tk＝Tk-1×λ，其中，λ为降温系数，并取小于1大于0的固定值，转至步骤2.4；
步骤2.9：输出当前分配方案Y，以及在该分配方案下总体选用的覆盖机会集合S*(Y)、各覆盖机会的较优覆盖模式C*(Y)与其对应的完工时间F(Y)。


2.根据权利要求1所述的分区规划方法，其特征是，所述步骤1.5是按如下过程进行：
步骤1.5.1：令i＝1，以待观测矩形区域R的左上角坐标LU(R)作为第i个分区ni的左上角坐标LU(ni)；
步骤1.5.2：将第i个分区ni的左上角坐标LU(ni)的横坐标值加上Lf得到其右上角坐标RU(ni)，将左上角坐标LU(ni)的纵坐标值加上Wf得到其左下角坐标LD(ni)，再将右上角坐标RU(ni)的纵坐标值加上Wf得到其右下坐标RD(ni)；
步骤1.5.3：若第i个分区ni的右下角坐标RD(ni)等于待观测矩形区域R的右下角坐标RD(R)，则转至步骤1.5.6，否则执行步骤1.5.4；
步骤1.5.4：若第i个分区ni的右上角坐标RU(ni)的横坐标值等于待观测矩形区域R的右上角坐标RU(R)的横坐标值，则令作为第i+1个分区ni+1的左上角坐标LU(ni+1)，否则，令第i个分区ni的右上角坐标RU(ni)作为第i+1个分区ni+1的左上角坐标LU(ni+1)；
步骤1.5.5：将i+1赋值给i后，转至步骤1.5.2用于构造下一个分区的四顶点坐标；
步骤1.5.6：结束分区，输出各个分区的四顶点坐标。


3.根据权利要求1所述的分区规划方法，其特征是，所述步骤2.5是按如下过程进行：
步骤2.5.1设置需要构造的邻居分配方案数量为令已构造的邻居分配方案数量为m，且m＝0；
步骤2.5.2使用插入算子构造邻居分配方案；
步骤2.5.2.1在当前分配方案Y下选用的覆盖机会集S*(Y)中寻找一个闲置覆盖机会所述闲置覆盖机会的结束时间小于总体的完工时间F(Y)，但大于闲置覆盖机会分配至的分区的完工时间若寻找不到闲置覆盖机会，则转至步骤2.5.2.4，否则执行步骤2.5.2.2；
步骤2.5.2.2将m+1赋值给m，在当前分配方案Y中将闲置覆盖机会随机分配给一个分区，且闲置覆盖机会的结束时间小于所分配的分区的完工时间，从而形成一个邻居分配方案
步骤2.5.2.3将闲置覆盖机会从覆盖机会集S*(Y)中去除，转步骤2.5.2.1；
步骤2.5.2.4输出所有使用插入算子得到的邻居分配方案；
步骤2.5.3使用交换算子构造邻居分配方案；
步骤2.5.3.1若则转步骤2.5.3.3，否则，执行步骤2.5.3.2；
步骤2.5.3.2将m+1赋值给m，随机在分区集合N中选择两个分区ni与nj，随机在分配给分区ni的覆盖机会集合{s|ys＝ni}中选择一个覆盖机会si，随机在分配给分区nj的覆盖机会集合{s|ys＝nj}中选择一个覆盖机会sj，在当前分配方案Y中将si与sj互相交换，即将nj赋值给将ni赋值给从而形成一个邻居覆盖方案转至步骤2.5.3.1；
步骤2.5.3.3输出所有使用交换算子得到的邻居分配方案。


4.根据权利要求1所述的分区规划方法，其特征是，所述步骤2.2和步骤2.6中的，在给定分配方案的情况下计算选用的覆盖机会集合、各覆盖机会选择的较优覆盖模式集与相应的完工时间是按如下步骤进行：
步骤a：以各个不同的分区以及分配给不同分区的覆盖机会的集合为输入，构造网格并使用两阶段启发式算法，计算不同分区局部选用的覆盖机会集合及较优覆盖方案与相应的完工时间；
步骤a.1：将第i个分区ni划分为多个大小一致的正方形单元格，得到单元格集合Ji；
步骤a.2：根据所划分出的单元格集合Ji，为分配给第i个分区ni的覆盖机会集Si生成最长基本覆盖模式，并组成其可选覆盖模式的总集合Ci；
所述最长基本覆盖模式是指：长度等于最大长度rs，且存在如下两个单元格：
①被覆盖模式完全覆盖，即四个顶点都在覆盖模式所覆盖面积内；
②其中一个单元格有顶点位于覆盖模式的左边界上，并命名为左单元格，另一个单元格有顶点位于覆盖模式的上边界上，并命名为上单元格，其中，左单元格与上单元格可以重合；
步骤a.3：以第i个分区ni划分出的单元格集合Ji以及分配给第i个分区ni的覆盖盖机会集合Si＝{s|ys＝ni,s∈S}与可选覆盖模式集合Ci为输入，以两阶段启发式算法确定第i个分区ni选用的覆盖机会子集并选定各个覆盖机会的覆盖模式，从而得到较优覆盖模式集合并同时得出其完工时间Fi；
步骤b：将所有分区选用的覆盖机会集合合并，从而得到总体选用的覆盖机会集合S*，将所有分区的覆盖方案合并，从而得到对待观测矩形区域R总体的覆盖方案C*，并将所有分区的覆盖方案对应的完工时间{Fi|i＝1,2,…,|N|}中的最大值作为对待观测矩形区域R总体的完工时间F。


5.根据权利要求4所述的分区规划方法，其特征是，所述步骤a.2中的，根...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡笑旋，高天旸，王云辉，孙海权，马华伟，王国强，伍艺，朱外明，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34