一种基于多目标NSGA-III算法的InSAR卫星任务规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多目标NSGA

A mission planning method for InSAR satellite based on multi-target nsga-iii algorithm

【技术实现步骤摘要】
一种基于多目标NSGA
‑
III算法的InSAR卫星任务规划方法


[0001]本专利技术属于卫星任务规划领域。

技术介绍

[0002]干涉合成孔径雷达(InSAR)是获取高精度地面高程模型的重要遥感手段。随着星载InSAR技术的飞速发展，成像任务的数量不断增加和更加复杂多样，然而造价高昂的InSAR卫星以及有限的成像资源等问题依然存在。因此如何优化成像效率，高效利用卫星资源，提高InSAR卫星使用效能成为亟需重点开展研究的方向。在制定和生成卫星成像计划时，必须要考虑任务的需求多样性以及卫星在成像时各种能源约束等，以确保卫星能够安全的运行和成像任务的高效实施。
[0003]现有的对InSAR卫星任务规划的研究中考虑的约束条件较为理想，没有考虑实际工程中的约束条件，因而无法运用到实际工程当中。InSAR卫星智能任务规划的研究中大多数多目标进化算法在求解目标维数较低的问题时较为有效，但当面对高维目标优化问题，很多方法效果会变得不理想。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于多目标NSGA
‑
III算法的InSAR卫星任务规划方法。
[0005]技术方案：本专利技术提供一种基于多目标NSGA
‑
III算法的InSAR卫星任务规划方法，具体包括如下步骤：
[0006]步骤1：根据卫星轨道信息和卫星载荷信息以及全球陆地先验信息，生成卫星载荷可视陆地栅格化矩阵其中w
ir/>表示第i个时刻能够开机的波位序号集合，一个时刻对应一个观测任务，i＝1,2,
…
,N
task
；其中N
task
表示一个轨道上的观测任务的总数，并对卫星载荷可视陆地栅格化矩阵进行预处理；
[0007]步骤2：将卫星作为染色体，观测任务作为染色体上的基因位，根据卫星载荷可视陆地栅格化矩阵中的能够开机的波位序号为基因位赋值，从而随机生成m串染色体，形成初始种群；
[0008]步骤3：对初始种群进行冲突任务消解，得到更新后的种群和卫星观测任务指令，将更新后的种群作为上一代种群；所述得到卫星观测任务指令的具体方式为：若更新后的种群中某个基因位的前后基因位的波位序号均为0，则将该基因位作为一个任务段，该基因位对应的时间作为该任务段的开始和结束时间；
[0009]将一个染色体中连续的且波位序号不为0的基因位组成一段任务段，将该任务段中第一个基因位对应的时间作为该任务段的起始时间，最后一个基因位对应的时间作为任务段的结束时间；
[0010]将每个任务段按照起始时间由小到达排列，得到任务段序列；在任务段序列中将每个任务段中的开始时间，结束时间，基因位的个数，基因位对应的卫星，以及第一个基因
位上的波位序号值相结合作为该任务段的卫星观测任务指令，得到卫星观测任务指令集合order；
[0011]步骤4：建立目标函数，计算更新后的种群中每个染色体的目标函数值；
[0012]步骤5：在上一代种群中，通过锦标赛选择法产生新的种群；
[0013]步骤6：对步骤5中新的种群依次进行交叉变异，每个卫星观测任务指令扩充以及冲突任务消解，得到更新后的种群和卫星观测任务指令；
[0014]步骤7：将步骤6中更新后的种群和上一代种群合并，基于目标函数采用多目标NSGA
‑
III算法在合并后的种群中选择个体，生成选择后的种群；
[0015]步骤8：判断当前迭代次数是否大于最大迭代次数，若是则停止计算，输出最终的卫星观测任务指令；否则转步骤9；
[0016]步骤9：将步骤7中生成的选择后的种群作为上一代种群，迭代次数加1并转步骤5。
[0017]进一步的，所述步骤1具体为：
[0018]步骤a：在STK仿真环境中设置InSAR卫星主星轨道六要素及其载荷波位，建立InSAR卫星STK仿真环境；
[0019]步骤b：通过matlab和STK进行互联，以天为单位记录卫星载荷波位可视区域的经纬度；
[0020]步骤c：遍历载荷波位可视区域经纬度，根据卫星可视区域纬度跨越赤道和南北极最远端时刻，生成南纬升轨、南纬降轨、北纬升轨和北纬降轨时段；遍历轨道，通过matlab和STK互联在每个轨道周期对北纬升轨段和南纬降轨段进行递推，并记录卫星载荷的开关机时刻，根据SRTM全球陆地先验数据判断成像栅格内是否有观测任务并统计记录需要进行观测的区域，最终输出栅格矩阵。
[0021]进一步的，所述步骤2中，对某个染色体中第i个基因位赋值时，在w
i
中随机选择一个波位序号赋值给该某个染色体的第i个基因位。
[0022]进一步的，所述步骤5中交叉采用单点交叉，变异采用的是单点变异。
[0023]进一步的，所述单点交叉具体为：随机选择两个父代个体，选择这两个父代染色体中波位序号为0的基因位，得到集合T1和T2，从T1和T2的交集中随机选取一个基因位作为交叉点，若T1和T2的交集为空，则从两个父代染色体中随机选择一个作为子代个体。
[0024]进一步的，所述单点变异具体为：选择子代个体的中波位序号为0的基因位，得到任务集合T3，在W中选择不为空集的任务得到任务集合T4，从T3和T4的交集中随机选择一个基因位作为变异点找到对应的染色体，判断该染色体中的后一个基因位和前一个基因位的波位序号是否都为0，若是则在矩阵W中选择对应的任务w
mpoint
，在w
mpoint
中随机选择一个波位序号赋值给如果和的中存在一个波位序号不为0，且不为0的波位序号属于集合w
mpoint
中，则将不为0的波位序号赋值给如果和的波位序号均不为0且都属于集合w
mpoint
中，则在和中随机选择一个波位序号赋值给
[0025]进一步的，所述步骤6中的卫星观测任务指令扩充具体为：针对第sat个染色体上
的第a个任务段，判断该任务段的时间长度是否满足第sat个卫星的单次开机时长约束，sat＝1,2,
…
,m，如果满足，则在矩阵W中找到该任务段的开始时刻的前一秒t
strat
‑
1对应的能够开机的波位集合在矩阵W中找到该任务段的结束时刻的后一秒t
end
+1对应的能够开机的波位集合机的波位集合如果不为空集，且该第a个任务段的起始时间对应的基因位上的波位序号属于则将上的波位序号赋值给将对应的时间作为第a个任务段的起始时间，为第sat个染色体上的前一个基因位；如果不为空集，且该第a个任务段的结束时间对应的基因位上的波位序号属于则将上的波位序号赋值给将对应的时间作为第a个任务段的结束时间，为第sat个染色体上的后一个基因位。
[0026]进一步的，所述步骤4和步骤7中的目标函数为：
[0027][0028]其中f1表示常规区域任务时长目标函数，f2表示重点区域任本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多目标NSGA
‑
III算法的InSAR卫星任务规划方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤1：根据卫星轨道信息和卫星载荷信息以及全球陆地先验信息，生成卫星载荷可视陆地栅格化矩阵其中w
i
表示第i个时刻能够开机的波位序号集合，一个时刻对应一个观测任务，i＝1,2,
…
,N
task
；其中N
task
表示一个轨道上的观测任务的总数，并对卫星载荷可视陆地栅格化矩阵进行预处理；步骤2：将卫星作为染色体，观测任务作为染色体上的基因位，根据卫星载荷可视陆地栅格化矩阵中的能够开机的波位序号为基因位赋值，从而随机生成m串染色体，形成初始种群；步骤3：对初始种群进行冲突任务消解，得到更新后的种群和卫星观测任务指令，将更新后的种群作为上一代种群；所述得到卫星观测任务指令的具体方式为：若更新后的种群中某个基因位的前后基因位的波位序号均为0，则将该基因位作为一个任务段，该基因位对应的时间作为该任务段的起始和结束时间；将一个染色体中连续的且波位序号不为0的基因位组成一段任务段，将该任务段中第一个基因位对应的时间作为该任务段的起始时间，最后一个基因位对应的时间作为任务段的结束时间；将每个任务段按照起始时间由小到达排列，得到任务段序列；在任务段序列中将每个任务段中的开始时间，结束时间，基因位的个数，基因位对应的卫星，以及第一个基因位上的波位序号值相结合作为该任务段的卫星观测任务指令，得到卫星观测任务指令集合order；步骤4：建立目标函数，计算更新后的种群中每个染色体的目标函数值；步骤5：在上一代种群中，通过锦标赛选择法产生新的种群；步骤6：对步骤5中新的种群依次进行交叉变异，卫星观测任务指令扩充以及冲突任务消解，得到更新后的种群和卫星观测任务指令；步骤7：将步骤6中更新后的种群和上一代种群合并，基于目标函数值和多目标NSGA
‑
III算法在合并后的种群中选择个体，生成选择后的种群；步骤8：判断当前迭代次数是否大于最大迭代次数，若是则停止计算，输出最终的卫星观测任务指令；否则转步骤9；步骤9：将步骤7中生成的选择后的种群作为上一代种群，迭代次数加1并转步骤5。2.根据权利要求1所述的一种基于多目标NSGA
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III算法的InSAR卫星任务规划方法，其特征在于：所述步骤1具体为：步骤a：在STK仿真环境中设置InSAR卫星主星轨道六要素及其载荷波位，建立InSAR卫星STK仿真环境；步骤b：通过matlab和STK进行互联，以天为单位记录卫星载荷波位可视区域的经纬度；步骤c：遍历载荷波位可视区域经纬度，根据卫星可视区域纬度跨越赤道和南北极最远端时刻，生成南纬升轨、南纬降轨、北纬升轨和北纬降轨时段；在每轨对北纬升轨段和南纬降轨段进行轨道递推，根据SRTM全球陆地先验数据判断成像栅格内是否有观测任务并统计记录需要进行观测的区域，最终输出栅格矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种基于多目标NSGA
‑
III算法的InSAR卫星任务规划方法，其特征在于：所述步骤2中，对某个染色体中第i个基因位赋值时，在w
i
中随机选择一个波位序号赋值给该某个染色体的第i个基因位。4.根据权利要求1所述的一种基于多目标NSGA
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III算法的InSAR卫星任务规划方法，其特征在于：所述步骤5中交叉采用单点交叉，变异采用的是单点变异。5.根据权利要求4所述的一种基于多目标NSGA
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III算法的InSAR卫星任务规划方法，其特征在于：所述单点交叉具体为：随机选择两个父代个体，选择这两个父代染色体中波位序号为0的基因位，得到集合T1和T2，从T1和T2的交集中随机选取一个基因位作为交叉点，若T1和T2的交集为空，则从两个父代染色体中随机选择一个作为子代个体。6.根据权利要求4所述的一种基于多目标NSGA
‑
III算法的InSAR卫星任务规划方法，其特征在于：所述单点变异具体为：选择子代个体的中波位序号为0的基因位，得到任务集合T3，在W中选择不为空集的任务得到任务集合T4，从T3和T4的交集中随机选择一个基因位作为变异点找到对应的染色体，判断该染色体中的后一个基因位和前一个基因位的波位序号是否都为0，若是则在矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾庆贤，练维城，桂玉乐，于丹，吴云华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：