衛星一軌內成像任務優化方法技術

衛星一軌內成像任務優化方法，屬于衛星成像任務規劃領域。相比于傳統衛星，敏捷衛星可沿滾動、俯仰、偏航三軸進行快速機動，可以實現對地表任意走向的條帶目標的成像，典型的三類掃描成像方式是被動式掃描、俯仰勻速主動掃描與均勻地速主動掃描。對于一軌內多個任意走向的條帶目標，何時成像會造成成像過程中側擺角的差異，進而影響成像時能量的消耗，本發明專利技術建立了可適用于敏捷衛星三類掃描成像方式的成像起始時刻規劃模型，采用序列二次規劃方法進行求解，使成像時衛星的側擺角盡可能小，能夠有效降低成像時能量的消耗，滿足目前衛星使用需求。

Optimization method of satellite one orbit imaging mission

The invention relates to a satellite one orbit imaging mission optimization method, belonging to the field of satellite imaging mission planning. Compared with the traditional satellite, agile satellite along the roll pitch and yaw axis three fast maneuver, can be achieved on an arbitrary surface to strip target imaging, three scanning imaging is a typical passive, active scanning and scanning pitch uniform uniform active scanning speed. For a rail to a plurality of arbitrary bands, when imaging will cause differences in the imaging process of lateral swing angle, thereby affecting the energy consumption of the imaging, the invention establishes the starting time of imaging programming model can be applied to three kinds of agile satellite imaging methods, the sequence of two quadratic programming method to solve it. The imaging satellite side angle as small as possible, can effectively reduce the energy consumption of the satellite imaging, to meet the current needs.

【技術實現步驟摘要】
衛星一軌內成像任務優化方法
本專利技術涉及衛星一軌內成像任務優化方法，屬于衛星成像任務規劃領域。
技術介紹
隨著技術水平的發展，衛星的機動能力越來越強，衛星可以沿滾轉、俯仰和偏航3個軸向進行姿態機動，能夠在能力允許的范圍內對任意走向的地面目標進行觀測。由于可以在俯仰方向進行轉動，當衛星位于目標前方、上方、后方時，均可對目標進行觀測，可用觀測時間較長，可以在較長的時間窗口內較自由地選取其中任一時段對目標進行觀測，提高了觀測的靈活性。但是，較長的可見時間窗口使得觀測時間的解空間增大，不同觀測時間對應不同觀測擺角，觀測時間的選取會對任務間衛星姿態調整時間產生影響等等，這都給衛星的成像任務規劃問題帶來了難度。衛星一軌內成像任務優化規劃方法的研究狀況如下：Lemaitre與Verfaillie針對Pleiades衛星的軌道選擇與成像任務規劃問題，使用了貪婪算法、動態規劃算法、約束規劃算法與局部搜索算法等四種方法進行求解，并比較了四種算法的優劣，其結果表明，約束規劃與局部搜索算法可以考慮所有約束，局部搜索算法的求解效果更好。Habet提出了禁忌搜索算法來解決該問題，該算法的主要特征一是采用一致飽和思想構造搜索區間，二是使用局部枚舉來解決部分決策問題。Mancel采用列生成算法對Pleiades衛星的軌道選擇與成像任務規劃問題進行了求解，其結果表明，數據規模較小時，該算法的效果與Lemaitre近似；數據規模較大時，效果較差。Dilkina采用了排列搜索與約束傳播相結合的算法來解決衛星的規劃問題，排列搜索可以獲得較大的鄰域，約束傳播算法具有較好的靈活性，且在成像任務動態增加時，該算法仍可得到較好的效果。李玉慶比較了遺傳算法與模擬退火算法相結合的算法以及模擬退火算法在衛星規劃問題上的效果，其結果表明混合遺傳算法在求解效率及效果上都優于模擬退火算法。賀仁杰針對成像衛星的調度問題，建立了多種調度模型，并給出了相應的模型求解算法。另外，郝會成、郭浩、孫凱等也對衛星的成像任務規劃模型與求解算法進行了研究。以上算法均是針對傳統的被動式掃描成像任務開展的任務規劃研究，不適用新型的均勻地速、勻角速度主動推掃成像綜合成像任務的復雜任務規劃，且上述算法中建立的優化模型的原則不盡相同，建立的約束也不相同，不具有針對性，不滿足目前衛星使用需求。
技術實現思路
本專利技術的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供衛星一軌內成像任務優化方法。本專利技術的技術解決方案是：衛星一軌內成像任務優化方法，步驟如下：(1)建立衛星一軌內成像任務的優化模型：其中x為條帶目標的起始成像時刻向量，為待優化變量，x0、xi、xn-1分別為第0個、第i個、第n-1個條帶目標的起始成像時刻，f(x)為所有條帶目標起始側擺角平方和與結束側擺角平方和的和函數；t為上一次成像的結束時間與本次成像起始時間的最小間隔，即兩次掃描切換的最小時長；c(x)≤0為非線性約束條件，具體約束如下：成像準備時刻-成像起始時刻<＝0；可見起始時刻-成像起始時刻<＝0；成像結束時刻-可見結束時刻<＝0；(2)對于每個條帶目標來說，選取可見起始時刻與可見結束時刻之間的中間時刻作為優化求解的初值，分以下三種情況：如果第i個條帶的成像方式是被動式掃描，且xi+1<xi+Li/v+t1，則調整第i+1個條帶的初值為xi+Li/v+t1，其中xi+1為第i+1個條帶的成像起始時刻初值，xi為第i個條帶的成像起始時刻初值，Li為第i個條帶長度，v為被動式掃描地速，t1為被動式掃描與被動式掃描切換的最小時長；如果第i個條帶的成像方式是俯仰勻速掃描，則調整第i+1個條帶的初值為xi+t2，t2為俯仰勻速掃描與其他兩類掃描切換的最小時長；如果第i個條帶的成像方式是均勻地速掃描，且xi+1<xi+Li/v+t3，則調整第i+1個條帶的初值為xi+Li/v+t3，t3為均勻地速掃描與其他兩類掃描切換的最小時長；(3)利用各個條帶目標信息、衛星對每個條帶目標的可見時段和衛星軌道數據，求解每一條帶目標的起始側擺角平方和與結束側擺角平方和；(4)根據每一條帶目標的起始側擺角平方和與結束側擺角平方和，對步驟(1)的優化模型進行求解，得到優化變量x，x對應的每個條帶目標的成像起始時刻使得所有條帶目標起始側擺角平方和與結束側擺角平方和最小。如果第i個條帶目標的成像方式是被動式掃描或俯仰勻速主動掃描，則步驟(3)中求解第i個條帶目標的起始側擺角平方和與結束側擺角平方和的實現方法為：(2.1)根據第i個條帶目標的起始時刻、起始點經緯度及條帶長度計算結束時刻和結束點經緯度；(2.2)計算衛星對第i個條帶目標起始點的滾動角、俯仰角與偏航角，由滾動角與俯仰角計算衛星對第i個條帶目標起始點的側擺角；(2.3)計算衛星對第i個條帶目標結束點的滾動角、俯仰角與偏航角，由滾動角與俯仰角計算衛星對第i個條帶目標結束點的側擺角；(2.4)根據第i-1個條帶結束點的姿態角與第i個條帶起始點的姿態角計算機動角度；(2.5)根據機動角度插值計算機動時間，根據機動時間確定第i次成像的準備時刻,第i次成像的準備時刻＝第i次成像的結束時刻+機動時間；(2.6)當第i次成像的準備時刻-第i次成像的起始時刻<＝0時，計算衛星對第i個條帶目標起始點的側擺角平方和與結束點的側擺角平方和。當第i個條帶目標的成像方式是被動式掃描時，所述步驟(2.1)的實現方法為：(3.1)計算衛星對第i個條帶目標起始點的滾動角、俯仰角與地速；(3.2)在被動式掃描過程中，地速保持不變，由條帶長度與地速計算得到第i個條帶目標的成像結束時刻；(3.3)根據衛星對第i個條帶目標起始點的滾動角、俯仰角以及結束時刻，計算得到衛星此刻成像的地面點的經緯度。當第i個條帶目標的成像方式是俯仰勻速主動掃描時，所述步驟(2.1)的實現方法為：(4.1)假設結束時刻為tsolve，根據第i個條帶目標的起始時刻、起始點經緯度計算衛星對起始點的滾動角與俯仰角；(4.2)利用公式結束時刻的俯仰角＝成像時刻俯仰角+俯仰角速度*成像時間計算第i個條帶目標結束時刻tsolve的俯仰角；(4.3)利用成像結束時刻tsolve、結束時刻tsolve的俯仰角和滾動角、軌道信息，求解出結束時刻tsolve的經緯度；(4.4)利用成像起始時刻經緯度、結束時刻tsolve經緯度，求得成像條帶長度；(4.5)利用計算得到的條帶長度與已知的條帶長度相等，建立非線性方程，求得成像結束時刻tsolve，為最終的結束時刻。所述步驟(2.4)的實現方法為：衛星對第i-1個條帶成像結束時刻，由本體系到軌道系的轉換矩陣Bi--11為：其中，(θe)i-1、(ψe)i-1為第i-1個條帶成像結束點的滾動角、俯仰角、偏航角，衛星對第i個條帶成像起始時刻，由軌道系到本體系的轉換矩陣Bi為：其中，(ψs)i、(θs)i、為第i個條帶成像起始點的滾動角、俯仰角、偏航角；計算衛星從第i-1次成像到第i次成像在本體系下的轉換矩陣B為：計算衛星從第i-1次成像到第i次成像的機動角度α為：如果第i個條帶目標的成像方式是均勻地速主動掃描，則步驟(3)中求解第i個條帶目標的起始側擺角平方和與結束側擺角平方和的實現方法為：(6.1)根本文檔來自技高網...

【技術保護點】
衛星一軌內成像任務優化方法，其特征在于步驟如下：(1)建立衛星一軌內成像任務的優化模型：

【技術特征摘要】
1.衛星一軌內成像任務優化方法，其特征在于步驟如下：(1)建立衛星一軌內成像任務的優化模型：其中x為條帶目標的起始成像時刻向量，為待優化變量，x0、xi、xn-1分別為第0個、第i個、第n-1個條帶目標的起始成像時刻，f(x)為所有條帶目標起始側擺角平方和與結束側擺角平方和的和函數；t為上一次成像的結束時間與本次成像起始時間的最小間隔，即兩次掃描切換的最小時長；c(x)≤0為非線性約束條件，具體約束如下：成像準備時刻-成像起始時刻<＝0；可見起始時刻-成像起始時刻<＝0；成像結束時刻-可見結束時刻<＝0；(2)對于每個條帶目標來說，選取可見起始時刻與可見結束時刻之間的中間時刻作為優化求解的初值，分以下三種情況：如果第i個條帶的成像方式是被動式掃描，且xi+1<xi+Li/v+t1，則調整第i+1個條帶的初值為xi+Li/v+t1，其中xi+1為第i+1個條帶的成像起始時刻初值，xi為第i個條帶的成像起始時刻初值，Li為第i個條帶長度，v為被動式掃描地速，t1為被動式掃描與被動式掃描切換的最小時長；如果第i個條帶的成像方式是俯仰勻速掃描，則調整第i+1個條帶的初值為xi+t2，t2為俯仰勻速掃描與其他兩類掃描切換的最小時長；如果第i個條帶的成像方式是均勻地速掃描，且xi+1<xi+Li/v+t3，則調整第i+1個條帶的初值為xi+Li/v+t3，t3為均勻地速掃描與其他兩類掃描切換的最小時長；(3)利用各個條帶目標信息、衛星對每個條帶目標的可見時段和衛星軌道數據，求解每一條帶目標的起始側擺角平方和與結束側擺角平方和；(4)根據每一條帶目標的起始側擺角平方和與結束側擺角平方和，對步驟(1)的優化模型進行求解，得到優化變量x，x對應的每個條帶目標的成像起始時刻使得所有條帶目標起始側擺角平方和與結束側擺角平方和最小。2.根據權利要求1所述的衛星一軌內成像任務優化方法，其特征在于：如果第i個條帶目標的成像方式是被動式掃描或俯仰勻速主動掃描，則步驟(3)中求解第i個條帶目標的起始側擺角平方和與結束側擺角平方和的實現方法為：(2.1)根據第i個條帶目標的起始時刻、起始點經緯度及條帶長度計算結束時刻和結束點經緯度；(2.2)計算衛星對第i個條帶目標起始點的滾動角、俯仰角與偏航角，由滾動角與俯仰角計算衛星對第i個條帶目標起始點的側擺角；(2.3)計算衛星對第i個條帶目標結束點的滾動角、俯仰角與偏航角，由滾動角與俯仰角計算衛星對第i個條帶目標結束點的側擺角；(2.4)根據第i-1個條帶結束點的姿態角與第i個條帶起始點的姿態角計算機動角度；(2.5)根據機動角度插值計算機動時間，根據機動時間確定第i次成像的準備時刻,第i次成像的準備時刻＝第i次成像的結束時刻+機動時間；(2.6)當第i次成像的準備時刻-第i次成像的起始時刻<＝0時，計算衛星對第i個條帶目標起始點的側擺角平方和與結束點的側擺角平方和。3.根據權利要求2所述的衛星一軌內成像任務優化方法，其特征在于：當第i個條帶目標的成像方式是被動式掃描時，所述步驟(2.1)的實現方法為：(3.1)計算衛星對第i個條帶目標起始點的滾動角、俯仰角與地速；(3.2)在被動式掃描過程中，地速保持不變，由條帶長度與地速計算得到第i個條帶目標的成像結束時刻；(3.3)根據衛星對第i個條帶目標起始點的滾動角、俯仰角以及結束時刻，計算得到衛星此刻成像的地面點的經緯度。4.根據權利要求2所述的衛星一軌內成像任務優化方法，其特征在于：當第i個條帶目標的成像方式是俯仰勻速主動掃描時，所述步驟(2.1)的實現方法為：(4.1)假設結束時刻為tsolve，根據第i個條帶目標的起始時刻、起始點經緯度計算衛星對起始點的滾動角與俯...

【專利技術屬性】
技術研發人員：姜洋，于龍江，楊文濤，張國斌，王躍，李少輝，余婧，汪精華，程侃，范立佳，高陽，
申請(專利權)人：北京空間飛行器總體設計部，
類型：發明
國別省市：北京,11