CN109214564A - 一种具有多种规划模式的对地遥感卫星自主任务规划方法 - Google Patents

Abstract

一种具有多种规划模式的对地遥感卫星自主任务规划方法，首先筛选待规划的对地观测目标，得到待规划任务集，并对待规划任务集包括的对地观测目标进行预处理，然后根据预处理后的待规划任务集，进行长周期预先粗任务规划，得到长周期预先粗任务规划方案序列，最后根据实时更新的环境信息、卫星机动能力对长周期预先粗任务规划方案序列进行短周期局部窗口滚动规划，根据高优先级地面应急观测任务进行应急任务动态规划。

Description

一种具有多种规划模式的对地遥感卫星自主任务规划方法

技术领域

本发明涉及适用于具有在星上自主完成成像、数传任务规划需求的遥感卫星，通过多种规划模式的协同配合能够在不同的时间尺度下自主的完成遥感卫星多源任务输入的规划排布，是一种具有多种规划模式的对地遥感卫星自主任务规划方法。

背景技术

自主任务规划技术服务于对任务规划排布的自主性、实时性、准确性、便利性有极高要求的卫星，如对地观测遥感卫星、空间在轨服务航天器、深空探测巡视器等。遥感卫星自主任务规划技术通过其中的卫星成像辅助信息预报、任务预处理、任务规划等环节自主的生成成像任务、数传任务的可执行规划方案，从而实现遥感卫星在应急任务快速响应、端到端的使用模式、应用效能等方面的大幅提升。

遥感卫星自主任务规划技术在接收到地面注入的成像或数传任务后，通过卫星成像辅助信息预报、任务预处理、任务规划三个环节自主的生成各个任务的规划方案。在卫星成像辅助信息预报环节，首先基于遥感卫星在滚动方向的姿态机动能力，通过卫星轨道预报方法计算出遥感卫星在未来一段时间内所能观测的地面区域范围，接着根据输入的成像任务目标位置是否位于遥感卫星能够观测的区域范围及其优先级，遥感卫星的能源与固存状态预估信息是否能够满足成像任务需求，在输入的任务中筛选出未来一段时间可规划的任务列表。在任务预处理环节，首先基于遥感卫星在滚动和俯仰方向的最大姿态机动能力，并根据遥感卫星轨道预估信息、任务列表中成像任务目标地理位置，以及每项任务要求的指定观测时间、太阳高度角、成像分辨率等，来计算每个成像任务目标可被观测的所有时间窗口。最终，在任务规划环节，根据任务列表中各项任务的可观测时间窗口、优先级，以遥感卫星控制能力为模型，以载荷相机开关机时序、数传天线开关机时序、能源状态、固存状态等作为约束条件，计算各项任务的开始时间、结束时间，并作为任务规划方案。

近年来公开发表的文献中对遥感卫星任务规划方法的研究比较多。但上述已有方法存在的缺点主要体现在：(1)现有遥感卫星自主任务规划方法没有考虑不同来源任务对于规划方法实时性和优化目标提出的不同要求，一般只采用某一种方法进行任务排布，因此对于存在多源任务输入、卫星和环境变化的贴近工程化应用的任务规划问题的解决效果不佳；(2)现有遥感卫星自主任务规划方法一般按照在地面实现的方式进行设计，没有考虑星上计算资源约束对于自主任务规划方法实现和运行的限制，工程化应用性一般。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种具有多种规划模式的对地遥感卫星自主任务规划方法，通过三种规划模式的机制设计、协同方式设计、调度方法设计实现了遥感卫星多源任务输入的自主规划，可直接用于工程实践；提出方法中的长周期预先规划机制可以解决日常任务或星上预存任务的预先排布问题，平衡卫星资源与任务收益，实现全局范围内的任务规划问题优化；提出方法中的短周期动态滚动重规划机制基于卫星能力状态估计、环境信息感知，可以对局部窗口内的已有规划方案校验、重规划，能够大幅提升规划方案的可执行性；提出方法中的事件驱动的应急任务***规划机制在高优先级应急任务及时***的同时对已规划任务影响最低，显著提升遥感卫星的快速响应能力；提出的方法通过融合调度在不同任务规划机制下合理分配任务规划的计算复杂度，在星上计算资源约束下确保任务规划的高效运行。如图1所示为多种模式的自主任务规划方法中的长周期预先规划、短周期局部窗口滚动规划、事件驱动的应急任务动态规划的调度流程图。

本发明的技术解决方案是：一种具有多种规划模式的对地遥感卫星自主任务规划方法，包括如下步骤：

(1)根据对地遥感卫星的长周期规划窗口、卫星轨道位置、太阳入射角、观察目标信息、用户实际需求、卫星当前状态、卫星控制模型筛选待规划的对地观测目标，得到待规划任务集；

(2)根据待规划任务集包括的对地观测目标对应的地理信息、观测窗口，卫星控制能力，卫星状态，对待规划任务集包括的对地观测目标进行预处理；

(3)根据预处理后的待规划任务集，结合观测目标优先级、最早开始时间、最晚结束时间、相邻任务最短间隔时间进行长周期预先粗任务规划，得到长周期预先粗任务规划方案序列；

(4)根据实时更新的环境信息、卫星机动能力对长周期预先粗任务规划方案序列进行短周期局部窗口滚动规划；

(5)根据高优先级地面应急观测任务与已规划任务间的时间冲突关系进行应急任务动态规划。

所述的根据长周期规划时间窗口、卫星当前轨道位置、观测目标地理信息及太阳入射角、用户实际需求、卫星当前状态、卫星控制模型筛选待规划的对地观测目标，得到待规划任务集的方法包括如下步骤：

(1)设定对地遥感卫星的轨道周期为ΔT，长周期规划窗口为N₁·ΔT，在每个长周期规划窗口内，地面指定一次对地遥感卫星固存数据数传任务，将每个长周期规划窗口的前一个轨道周期的阴影区开始时刻记为星时T₀，在该星时对长周期规划窗口(T_start,T_end)进行任务规划，其中T_start＝T₀+ΔT/2为下一个轨道周期的阳照区起始时刻，T_end＝T₀+ΔT/2+N₁·ΔT为规划窗口结束时刻，N₁为正整数；

(2)根据长周期规划窗口(T_start,T_end)对对地遥感卫星进行轨道外推，获得(T_start,T_end)时间范围内遥感卫星载荷可观测区域范围，根据遥感卫星星上任务池中各个地面目标的经度、纬度、高程信息，从任务池中筛选出在下一个长周期规划窗口内具备观测条件的所有地面目标，组成初步候选任务集根据预估的对地遥感卫星在星时T_start的能源与固存状态、对地遥感卫星充电与功耗模型、固存容量消耗模型、姿态机动与载荷成像时间模型、对地遥感卫星每次进入阴影区之前的蓄电池电量不低于C_min A·H、长周期规划窗口结束前固存余量不低于D_min TB，从候选任务集R₂中筛选出n_select个地面目标，组成待规划任务集

n_select＝min(n_power,n_data)

其中，为蓄电池电量余量，为固存余量，C_charge为单个轨道周期阳照区期间对地遥感卫星通过帆板上的太阳能电池片充电模型，P_earth为遥感卫星在阴影区采用正常对地模式的功耗模型，P_man为遥感卫星执行对地成像任务前后进行载荷相机指向调节的姿态机动模式的功耗模型，P_image为遥感卫星执行对地成像载荷开机时的功耗模型，d_image为载荷相机成像过程生成数据在固存中的存储速率，为遥感卫星在对地单目标成像任务前后进行载荷相机指向调节的平均时间，t_image为遥感卫星对地单目标成像任务的载荷开机时间，P_solar为对地遥感卫星在阳照区非任务时段采用正常对日巡航模式的功耗模型，U为对地遥感卫星母线一次电压。

所述的根据待规划任务集，待规划任务集包括对地观测目标对应的地理信息、观测窗口，卫星控制能力，卫星状态，对待规划任务集包括的对地观测目标进行预处理的方法包括如下步骤：

对待规划任务集包括的第i个对地观测目标任务根据经度、纬度、高程信息、对地遥感卫星轨道位置，计算对地遥感卫星以俯仰方向零姿态指向地面目标过顶对应的星时对地遥感卫星以最大俯仰正角度指向该目标的最早观测星时对地遥感卫星以最小俯仰负角度指向该目标的最晚观测星时

其中，h为对地遥感卫星轨道高度，v为对地遥感卫星轨道线速度，得到对地观测目标任务的初始可观测时间窗口根据待规划任务集中的第i个地面目标对应的任务要求的最早成像时刻、最晚成像时刻、太阳高度角要求、成像分辨率要求，对初始可观测时间窗口进行裁剪，获得满足任务要求的可观测时间窗口更新待规划任务集

所述的根据预处理后的待规划任务集，结合观测目标优先级、开始结束时间、相邻任务最短间隔时间进行长周期预先任务规划的方法包括如下步骤：

(1)根据待规划任务集中任意相邻地面目标的地理位置分别与对地遥感卫星轨道位置的相对关系，计算载荷相机对任意相邻地面目标的指向角度在对地遥感卫星轨道系滚动轴的角度调节量、俯仰轴的角度调节量，并根据载荷相机角度指向调节的到位稳定时间，采用线性插值法分别确定任意相邻地面目标成像任务间的最短时间间隔；

(2)根据各相邻目标间的成像任务最短时间间隔，采用启发式任务规划方法，对待规划任务集包括的第i个对地观测目标任务按照任务优先级从高至低依次，确定对地遥感卫星载荷相机对各个地面目标的开始成像时间结束成像时间 进而得到待规划任务集的长周期预先粗任务规划方案序列，

所述的根据实时更新的环境信息、卫星机动能力对长周期预先粗任务规划方案序列进行短周期局部窗口滚动规划的方法包括如下步骤：

(1)对地遥感卫星在每个轨道周期的阳照区执行对地面目标的观测任务阶段，将整个阳照区阶段的时间均分为N₂个短周期局部窗口，每个短周期局部窗口长度为Δt＝ΔT/2N₂，假设阳照区的起始时间为t₀，则在每个局部时间窗口的开始时刻t∈{t₀,t₀+Δt,…,t₀+(N₂-1)·Δt}，基于星上数据更新遥感卫星的姿态机动能力，根据地面天气预报信息或遥感卫星具备的环境感知能力，估计得到成像时间在[t+Δt,t+2·Δt)范围内的地面目标上方的云层覆盖情况；

(2)在t时刻，针对局部时间窗口[t+Δt,t+2·Δt)的长周期预先粗规划方案序列根据云层覆盖情况裁剪位于局部时间窗口[t+Δt,t+2·Δt)内的第i个地面目标的可观测时间窗口得到第i个地面目标未受云层遮挡影响的k_i个有效观测时间窗口集合其中对地遥感卫星位于时间范围内时可以有效成像，进而更新局部时间窗口[t+Δt,t+2·Δt)内的第i个地面目标的有效观测时间窗口；

d)如果且则对地遥感卫星无法在局部时间窗口[t+Δt,t+2·Δt)对地面目标有效成像，放弃该地面目标的观测任务，将的规划方案从长周期预先粗规划方案序列中移除，并将退回至任务池

e)如果将第i个地面目标重规划标志RP_i设置为0；

f)如果且且 则将第i个地面目标重规划标志RP_i设置为1；

(3)建立局部时间窗口[t+Δt,t+2·Δt)对应的地面目标成像任务的两个子任务列表，成像路径云层未遮挡任务列表成像路径云层遮挡任务列表其中，

如果中所有任务的优先级之和大于则保留中任务预先规划方案，根据t时刻载荷相机角度指向调节的到位稳定时间模型对任务列表中的所有地面目标观测任务进行重规划；

如果中所有任务的优先级之和小于等于则根据t时刻载荷相机角度指向调节的到位稳定时间对任务列表及中的所有地面目标观测任务进行重规划。

所述的根据高优先级地面应急观测任务与已规划任务间的时间冲突关系进行应急任务动态规划的方法为：

(1)在星时t，当收到地面注入的高优先级的地面目标应急观测任务，或者遥感卫星自主感知发现、生成了高优先级任务时，将该任务记为M^u，采用任务预处理的方法计算地面目标观测任务M^u的满足用户要求的可观测时间窗口如果则放弃该应急观测任务，如果则启动应急任务动态规划；

(2)将所在的局部时间窗口记为[t₁,t₁+Δt)，如果应急观测任务M^u所在的局部时间窗口已完成短周期的滚动规划，t≥t₁-Δt，则在星时t立即开始应急任务M^u的动态规划，并根据局部时间窗口[t₁,t₁+Δt)对应的云层覆盖情况，按照权利要求4的方式裁剪任务M^u的可观测时间窗口，得到未受云层遮挡影响的可观测时间窗口集合如果中不存在满足用户观测时长要求的连续窗口，则放弃任务M^u，如果中存在大于等于一个满足用户观测时长要求的连续窗口，则按照窗口时间长度由小至大依次计算在这些连续窗口中***任务M^u与局部窗口[t₁,t₁+Δt)内已规划方案在时间上的重叠，选择重叠量最小的连续窗口***任务M^u，得到规划方案，并将局部窗口[t₁,t₁+Δt)内已规划方案中与任务M^u的成像方案存在时间冲突的规划方案删除，将删除的地面目标观测任务退回至任务池中；

(3)如果所在的局部时间窗口[t₁,t₁+Δt)还未完成短周期的滚动规划，t≤t₁-Δt，则在星时t₁-Δt采用权利要求4中的短周期局部窗口滚动规划方式，对应急任务M^u与局部时间窗口[t₁,t₁+Δt)内已规划的任务一起进行动态规划。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明创新性的提出了多模式任务规划机制，通过其中的长周期预先规划机制解决以日常任务的预先排布问题，起到了卫星资源与任务收益的平衡的作用，带来任务规划问题全局范围内优化的效果，完成粗规划；基于卫星能力状态估计、环境信息感知，通过短周期动态滚动重规划机制起到了局部窗口内的已有规划方案校验、重规划的作用，带来了规划方案可执行性大幅提升的效果，实现精规划；通过事件驱动的应急任务***规划机制起到了高优先级应急任务的及时***、对已规划任务影响最低的作用，带来遥感卫星的快速响应能力显著提升的效果；

(2)本发明在多模式任务规划机制的基础上，创新性的通过融合调度方法来合理分配任务规划的计算复杂度，即在时间充裕的长周期预先规划期间采用智能优化算法完成全局范围内的寻优解算，在时间敏感性强的短周期动态滚动重规划或应急任务***规划期间采用时间响应特性好的启发式算法快速求解，起到了将任务规划问题的计算复杂度在不同任务规划机制下有效分解的作用，带来在星上计算资源约束下的任务规划高效运行效果；

总之，本发明已在遥感卫星自主任务规划***原理样机的多次地面试验和测试中成功应用，验证了方法的可行性和有效性，工程技术易实现，因此具有实用性。

附图说明

图1为自主任务规划调度流程图；

图2为自主任务规划时序调度图；

图3为相邻任务间存在重叠可观测时间窗口示意图。

具体实施方式

一颗具有自主任务规划能力的对地观测遥感卫星，其自主任务规划方法具有本发明所述的多种规划模式，考虑该遥感卫星一个轨道周期的自主任务规划问题，分别给出多种规划模式的自主任务规划方法中待规划对地观测目标筛选、待规划对地观测目标预处理、长周期预先任务规划、短周期局部窗口滚动规划、应急任务动态规划过程的实施方式和数值示例。如图1所示为自主任务规划调度流程图，如图2所示为具体实施方式中的多种规划模式的自主任务规划方法的时序调度图。

遥感卫星控制、固存、电源等的能力如下所述：

a)轨道周期ΔT＝5400s，轨道高度h＝500km，遥感卫星轨道线速度为v＝7.42km/s；

b)载荷相机滚动轴方向、俯仰轴方向的指向调节范围均为±45度，指向调节典型角度的到位和稳定时间模型为10°/15s、25°/20s、40°/25s、55°/30s、70°/35s、85°/40s、100°/45s；

c)载荷相机成像过程生成数据在固存中的存储速率为为d_image＝14GB/s；

d)阳照区期间遥感卫星通过帆板上的太阳能电池片能够充电电量为C_charge＝30A·H，阳照区期间遥感卫星处于正常对日巡航工作状态以及阴影区期间遥感卫星处于对地定向工作状态的功耗均为P_solar＝P_earth＝408W、遥感卫星执行对地成像任务前后进行载荷相机指向调节的姿态机动模式的功耗为P_man＝889W、对地成像工作状态的功耗为P_image＝989W；

e)遥感卫星在对地单目标成像任务前后进行载荷相机指向调节的平均时间为遥感卫星对地单目标成像任务的载荷开机时间为t_image＝5s；

f)为保证遥感卫星能源安全以及具有充足的固存空间应对可能发生的应急任务，要求遥感卫星进入阴影区之前的蓄电池电量不低于C_min＝84A·H(放电深度α％＝15％)，固存余量不低于D_min＝0.5TB；

g)遥感卫星一次目标电压为42V。

遥感卫星当前的控制、固存、电源、任务状态如下所述：

a)当前处于阴影区，姿态对地三轴稳定，星时为T₀＝489060100s；

b)固存余量为

c)预估的进入阳照区的蓄电池内的电源余量为

d)由地面上注的26个地面点目标对地观测任务组成的初始星上任务池如表1所述，对应任务号为500-525，其中任务优先级5表示最低、优先级1表示最高。

表1初始星上任务池

采用本发明所述的多种规划模式的自主任务规划方法的步骤如下：

(1)待规划对地观测目标筛选：

遥感卫星长周期规划窗口为5400s，遥感卫星在每个轨道周期的阴影区开始时刻对下一个轨道周期的任务进行长周期预先规划。在阴影区开始时刻，即星时T₀＝489060100s，开始针对下一个长周期规划窗口，即下一个轨道周期的阳照区(489062800,489065500)进行任务规划。首先进行待规划对地观测目标筛选。

针对长周期规划窗口(489062800,489065500)对遥感卫星进行轨道外推，获得(489062800,489065500)范围内的遥感卫星载荷可观测区域范围，即5400s范围内每秒对应的遥感卫星星下点经纬度、按照滚动方向±45度的两个对地指向点的经纬度。从初始星上任务池中筛选出地理位置位于遥感卫星载荷可观测区域范围内的地面目标，组成候选任务集。在此基础上，根据预估的遥感卫星进入阳照区时的蓄电池电量余量76A·H、固存余量2TB，遥感卫星任务功耗与固存存储模型，遥感卫星电源安全、固存安全要求，按照以下两个公式计算，一个轨道周期的阳照区能够完成的对地观测任务总数量应不超过21个。

因此遥感卫星具备在下一个轨道周期的阳照区对表1中所述的26个地面目标任务中的21个进行观测的电源和固存能力，考虑到任务编号为502、506、514、515、520这五个地面目标的观测优先级为5，其它地面目标的观测优先级为4，所有优先规划高优先级的21个任务。因此，从星上初始任务池中移除任务502、506、514、515、520，得到待规划任务集如表2所述。

表2目标筛选后的待规划任务集

常规任务序号	经度	纬度	优先级
				500	-34.3125	-71.617	4
501	-52.6875	-86.3617	4
				503	-78.9375	-78.1277	4
504	-109.125	-87.3191	4
				505	-140.438	-76.5957	4
507	-168.562	-75.0638	4
				508	-166.5	-61.8511	4
509	176.062	-56.2979	4
				510	179.25	-36.1915	4
511	172.125	-30.4468	4
				512	176.25	-18.9574	4
513	166.5	-13.0213	4
				516	171.532	-3.25532	4
517	165	0.574468	4
				518	168.938	10.9149	4
519	161.25	14.5532	4
				521	167.625	21.6383	4
522	157.312	30.0638	4
				523	162.562	37.5319	4
524	154.125	41.1702	4
				525	158.625	50.7447	4

(2)待规划对地观测目标预处理

对于表2中所示的待规划任务集中的地面目标任务，根据其地理位置与遥感卫星轨道位置，分别计算遥感卫星以俯仰方向零姿态指向地面目标时对应的遥感卫星过顶目标对应的星时，接着在此基础上计算遥感卫星以最大俯仰角+45度指向该目标的最早观测星时，即过顶星时减少以及以最小俯仰角-45度指向该目标的最晚观测星时，即过顶星时增加最终得到表2中所示的待规划任务集中的各个地面目标任务的可观测时间窗口，如表3所述，即在下一个轨道周期最早可观测时间、最晚可观测时间。

表2预处理后的待规划任务集

(3)长周期预先任务规划

从成像任务总收益最大化及卫星能源、固存安全的目标出发，基于表3中所示的各个地面目标的可观测时间窗口，以遥感卫星姿态控制能力为模型，实现下一个轨道周期阳照区时间范围内地面目标成像任务的预先粗排布。

以对地面目标成像分辨率尽可能高为目标(即遥感卫星与地面目标之间的方向矢量的俯仰角尽可能小)，采用启发式任务规划方法，对于待规划任务集中的各个地面目标，依次确定各个任务的遥感卫星载荷相机对于各个地面目标的开始成像时间、结束成像时间。相邻任务之间的时间间隔，即一个任务的结束成像时刻至其下一个任务的开始成像时刻间的时间间隔，应在遥感卫星指向调节典型角度的到位和稳定时间模型的能力范围内。

以任务500为例，由于该任务的可观测时间窗口与其它任务的可观测时间窗口均不冲突，所以可以立即得到该任务的最佳分辨率成像方案为遥感卫星指向地面目标点的俯仰角为0对应的时刻，即任务500的成像开始时间为星时489062943、成像结束时间为星时489062948。

以任务501、503、504为例，这三个任务之间存在可观测时间窗口上的重叠，如图3所示。按照纬度排序从大到小排序为503、501、504。暂定以最佳分辨率成像方式作为任务503、501、504的成像方案，即遥感卫星：

a)在星时489063140至489063145以滚动角+10.82度、俯仰角0度指向任务503对应的地面目标；

b)在星时489063186至489063191以滚动角-35.63度、俯仰角0度指向任务501对应的地面目标；

c)在星时489063213至489063218以滚动角-10.88度、俯仰角0度指向任务504对应的地面目标。

按照以上暂定成像方案，遥感卫星载荷相机在任务503与501之间的指向调节范围为滚动方向46.45度，在任务501与504之间的指向调节范围为滚动方向24.75度，按照遥感卫星指向调节典型角度的到位和稳定时间模型为10°/15s、25°/20s、40°/25s、55°/30s、70°/35s、85°/40s、100°/45s进行线性插值计算，则46.45度对应的指向调节时间为27.15s，24.75度对应的指向调节时间为19.9s。以上暂定方案中任务503成像结束时刻与任务501的成像开始时刻之间间隔为41s，任务501成像结束时刻与任务504的成像开始时刻之间间隔为22s，均分别大于指向调节所需时间27.15s、19.9s，因此按照最佳分辨率成像方式计算的任务501、503、504成像方案可执行。

最终生成待规划任务集的长周期预先粗规划方案序列，如表4。

表4长周期预先粗规划方案序列

(4)短周期局部窗口滚动规划

针对卫星能力状态以及云等气象环境信息，首先完成局部窗口内已有任务方案的优化性、可行性校验；在以上检验未通过时，以卫星能力状态的实时估计、云等气象环境信息的实时感知作为约束条件，进行局部窗口内的重任务排布，并将重规划为不可执行的成像任务退回至任务池中。

遥感卫星在每个轨道周期的阳照区执行对地面目标的观测任务阶段，将整个阳照区阶段的时间2700s均分为5个局部时间窗口，对应的已规划任务分别为：

a)[489062800,489063340)，500、503、501、504；

b)[489063340,489063880)，507、508；

c)[489063880,489064420)，510、511、512

d)[489064420,489064960)，513、516、517、518、519

e)[489064960,489065500)，523、524、525

对于以上五个局部时间窗口，分别提前540s，根据地面天气预报信息或遥感卫星具备的环境感知能力，估计局部时间窗口范围内各任务对应的地面目标上方的云层覆盖情况。假设只在局部时间窗口[489064420,489064960)内存在任务对应的地面目标上方有云层遮挡情况，其余四个时间窗口均无云层遮挡，则需要对局部时间窗口[489064420,489064960)的任务进行滚动规划，其余四个时间窗口的任务保持为原有规划方案。任务513、516、517、518、519对应地面目标上方的云层遮挡情况如表5所述：

表5局部窗口内地面目标上方的云层遮挡情况

a)任务513、519对应地面目标上方的云层遮挡未覆盖已规划的成像时间，所以保持原有规划方案；

b)任务517对应地面目标上方的云层遮挡完全覆盖地面目标的可观测时间窗口，所以任务517不可执行，将其从规划方案序列中删除，将任务517重新返回星上任务池；

c)任务516、518对应地面目标上方的云层遮挡均覆盖已规划的成像时间，但是均未完全覆盖地面目标的可观测时间窗口，所以需要对任务516、518进行重规划。

考虑云层遮挡情况，任务516、518的有效可观测时间窗口分别为(489064621,489064673)、(489064770,489064819)，由于任务516的有效可观测时间窗口起始时刻与任务513的成像结束时刻间隔163s、任务516的有效可观测时间窗口结束时刻与任务518的有效可观测时间窗口起始时刻间隔97s、任务518的有效可观测时间窗口结束时刻与任务519的成像起始时刻间隔87s，都非常充裕，遥感卫星的指向调节典型角度的到位和稳定时间模型可以满足任务516、518的最佳分辨率成像方案，如表6所述。

表6局部时间窗口重规划结果(删除任务517的成像方案)

(5)应急任务动态规划

通过事件驱动的快速响应机制，立即执行地面上注的应急任务与星上自主生成任务的***进程，并对***后与局部窗口内已有成像方案的执行时间、数传方案的地面站资源占用等方面存在的冲突进行自主识别；

对于***的高优先级任务，在满足任务执行要求的前提下选择对于已规划方案影响最小的***位置，提前或推迟已规划任务的执行时间保证仍能执行，将不再具备执行能力的已规划任务退回至任务池中。

在星时489063360s，遥感卫星收到地面注入的高优先级的地面目标应急观测任务，经度为173.25、纬度为-40.7872，将该任务记为526，优先级设置为1(最高)。则首先采用步骤(2)中的任务预处理方法计算地面目标观测任务526的满足用户要求的如下可观测时间窗口(489064049s、489064182s)，该可观测时间窗口位于步骤(4)中的局部规划时间窗口[489063880,489064420)中，由于在489063360s已完成[489063880,489064420)内已规划任务510、511、512的滚动规划，所以在星时489063360s立即启动任务526的动态规划。

局部规划时间窗口[489063880,489064420)未受云层遮挡影响，所以(489064049s、489064182s)为任务526的有效观测时间窗口，与任务510的成像方案(489064067s、489064072s)、任务511的成像方案(489064174s、489064179s)存在重叠，所以为了尽可能降低任务526***对于任务510成像方案的影响，将任务526的可观测时间窗口裁剪为(489064073s、489064173s)。以最佳分辨率在星时(489064113、489064118)对任务526成像时，遥感卫星载荷相机从指向任务510对应的目标点至指向任务526对应的目标点需要姿态机动45.88度，从指向任务526对应的目标点至指向任务511对应的目标点需要姿态机动12.17度，分别需要耗费的姿态机动时间为26.96<489064113-489064072＝41、15.72<489064174-489064118＝56,即以最佳分辨率对任务526进行成像时，与前后任务间的时间间隔满足姿态机动的时间要求，成像方案具有可行性。

表7应急任务526动态规划方案序列(局部窗口)

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种具有多种规划模式的对地遥感卫星自主任务规划方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据对地遥感卫星的长周期规划窗口、卫星轨道位置、太阳入射角、观察目标信息、用户实际需求、卫星当前状态、卫星控制模型筛选待规划的对地观测目标，得到待规划任务集；

(2)根据待规划任务集包括的对地观测目标对应的地理信息、观测窗口，卫星控制能力，卫星状态，对待规划任务集包括的对地观测目标进行预处理；

(3)根据预处理后的待规划任务集，结合观测目标优先级、最早开始时间、最晚结束时间、相邻任务最短间隔时间进行长周期预先粗任务规划，得到长周期预先粗任务规划方案序列；

(4)根据实时更新的环境信息、卫星机动能力对长周期预先粗任务规划方案序列进行短周期局部窗口滚动规划；

(5)根据高优先级地面应急观测任务与已规划任务间的时间冲突关系进行应急任务动态规划。

2.根据权利要求1所述的一种具有多种规划模式的对地遥感卫星自主任务规划方法，其特征在于：所述的根据长周期规划时间窗口、卫星当前轨道位置、观测目标地理信息及太阳入射角、用户实际需求、卫星当前状态、卫星控制模型筛选待规划的对地观测目标，得到待规划任务集的方法包括如下步骤：

(1)设定对地遥感卫星的轨道周期为ΔT，长周期规划窗口为N₁·ΔT，在每个长周期规划窗口内，地面指定一次对地遥感卫星固存数据数传任务，将每个长周期规划窗口的前一个轨道周期的阴影区开始时刻记为星时T₀，在该星时对长周期规划窗口(T_start,T_end)进行任务规划，其中T_start＝T₀+ΔT/2为下一个轨道周期的阳照区起始时刻，T_end＝T₀+ΔT/2+N₁·ΔT为规划窗口结束时刻，N₁为正整数；

(2)根据长周期规划窗口(T_start,T_end)对对地遥感卫星进行轨道外推，获得(T_start,T_end)时间范围内遥感卫星载荷可观测区域范围，根据遥感卫星星上任务池中各个地面目标的经度、纬度、高程信息，从任务池中筛选出在下一个长周期规划窗口内具备观测条件的所有地面目标，组成初步候选任务集根据预估的对地遥感卫星在星时T_start的能源与固存状态、对地遥感卫星充电与功耗模型、固存容量消耗模型、姿态机动与载荷成像时间模型、对地遥感卫星每次进入阴影区之前的蓄电池电量不低于C_min A·H、长周期规划窗口结束前固存余量不低于D_min TB，从候选任务集R₂中筛选出n_select个地面目标，组成待规划任务集

n_select＝min(n_power,n_data)

其中，U为对地遥感卫星母线一次电压，为蓄电池电量余量，为固存余量，C_charge为单个轨道周期阳照区期间对地遥感卫星通过帆板上的太阳能电池片充电模型，P_earth为遥感卫星在阴影区采用正常对地模式的功耗模型，P_man为遥感卫星执行对地成像任务前后进行载荷相机指向调节的姿态机动模式的功耗模型，P_image为遥感卫星执行对地成像载荷开机时的功耗模型，d_image为载荷相机成像过程生成数据在固存中的存储速率，为遥感卫星在对地单目标成像任务前后进行载荷相机指向调节的平均时间，t_image为遥感卫星对地单目标成像任务的载荷开机时间，P_solar为对地遥感卫星在阳照区非任务时段采用正常对日巡航模式的功耗模型。

3.根据权利要求2所述的一种具有多种规划模式的对地遥感卫星自主任务规划方法，其特征在于：所述的根据待规划任务集，待规划任务集包括对地观测目标对应的地理信息、观测窗口，卫星控制能力，卫星状态，对待规划任务集包括的对地观测目标进行预处理的方法包括如下步骤：

对待规划任务集包括的第i个对地观测目标任务根据经度、纬度、高程信息、对地遥感卫星轨道位置，计算对地遥感卫星以俯仰方向零姿态指向地面目标过顶对应的星时对地遥感卫星以最大俯仰正角度指向该目标的最早观测星时对地遥感卫星以最小俯仰负角度指向该目标的最晚观测星时

其中，h为对地遥感卫星轨道高度，v为对地遥感卫星轨道线速度，得到对地观测目标任务的初始可观测时间窗口根据待规划任务集中的第i个地面目标对应的任务要求的最早成像时刻、最晚成像时刻、太阳高度角要求、成像分辨率要求，对初始可观测时间窗口进行裁剪，获得满足任务要求的可观测时间窗口更新待规划任务集

4.根据权利要求3所述的一种具有多种规划模式的对地遥感卫星自主任务规划方法，其特征在于：所述的根据预处理后的待规划任务集，结合观测目标优先级、开始结束时间、相邻任务最短间隔时间进行长周期预先任务规划的方法包括如下步骤：

(1)根据待规划任务集中任意相邻地面目标的地理位置分别与对地遥感卫星轨道位置的相对关系，计算载荷相机对任意相邻地面目标的指向角度在对地遥感卫星轨道系滚动轴的角度调节量、俯仰轴的角度调节量，并根据载荷相机角度指向调节的到位稳定时间，采用线性插值法分别确定任意相邻地面目标成像任务间的最短时间间隔；

(2)根据各相邻目标间的成像任务最短时间间隔，采用启发式任务规划方法，对待规划任务集包括的第i个对地观测目标任务按照任务优先级从高至低依次，确定对地遥感卫星载荷相机对各个地面目标的开始成像时间结束成像时间进而得到待规划任务集的长周期预先粗任务规划方案序列，

5.根据权利要求4所述的一种具有多种规划模式的对地遥感卫星自主任务规划方法，其特征在于：所述的根据实时更新的环境信息、卫星机动能力对长周期预先粗任务规划方案序列进行短周期局部窗口滚动规划的方法包括如下步骤：

(1)对地遥感卫星在每个轨道周期的阳照区执行对地面目标的观测任务阶段，将整个阳照区阶段的时间均分为N₂个短周期局部窗口，每个短周期局部窗口长度为Δt＝ΔT/2N₂，假设阳照区的起始时间为t₀，则在每个局部时间窗口的开始时刻t∈{t₀,t₀+Δt,…,t₀+(N₂-1)·Δt}，基于星上数据更新遥感卫星的姿态机动能力，根据地面天气预报信息或遥感卫星具备的环境感知能力，估计得到成像时间在[t+Δt,t+2·Δt)范围内的地面目标上方的云层覆盖情况；

(2)在t时刻，针对局部时间窗口[t+Δt,t+2·Δt)的长周期预先粗规划方案序列根据云层覆盖情况裁剪位于局部时间窗口[t+Δt,t+2·Δt)内的第i个地面目标的可观测时间窗口得到第i个地面目标未受云层遮挡影响的k_i个有效观测时间窗口集合其中对地遥感卫星位于时间范围内时可以有效成像，进而更新局部时间窗口[t+Δt,t+2·Δt)内的第i个地面目标的有效观测时间窗口；

a)如果且则对地遥感卫星无法在局部时间窗口[t+Δt,t+2·Δt)对地面目标有效成像，放弃该地面目标的观测任务，将的规划方案从长周期预先粗规划方案序列中移除，并将退回至任务池

b)如果将第i个地面目标重规划标志RP_i设置为0；

c)如果且且 则将第i个地面目标重规划标志RP_i设置为1；

(3)建立局部时间窗口[t+Δt,t+2·Δt)对应的地面目标成像任务的两个子任务列表，成像路径云层未遮挡任务列表成像路径云层遮挡任务列表其中，

如果中所有任务的优先级之和大于则保留中任务预先规划方案，根据t时刻载荷相机角度指向调节的到位稳定时间模型对任务列表中的所有地面目标观测任务进行重规划；

如果中所有任务的优先级之和小于等于则根据t时刻载荷相机角度指向调节的到位稳定时间对任务列表及中的所有地面目标观测任务进行重规划。

6.根据权利要求5所述的一种具有多种规划模式的对地遥感卫星自主任务规划方法，其特征在于：根据高优先级地面应急观测任务与已规划任务间的时间冲突关系进行应急任务动态规划的方法为：

(1)在星时t，当收到地面注入的高优先级的地面目标应急观测任务，或者遥感卫星自主感知发现、生成了高优先级任务时，将该任务记为M^u，采用任务预处理的方法计算地面目标观测任务M^u的满足用户要求的可观测时间窗口如果则放弃该应急观测任务，如果则启动应急任务动态规划；

(2)将所在的局部时间窗口记为[t₁,t₁+Δt)，如果应急观测任务M^u所在的局部时间窗口已完成短周期的滚动规划，t≥t₁-Δt，则在星时t立即开始应急任务M^u的动态规划，并根据局部时间窗口[t₁,t₁+Δt)对应的云层覆盖情况，按照权利要求4的方式裁剪任务M^u的可观测时间窗口，得到未受云层遮挡影响的可观测时间窗口集合如果中不存在满足用户观测时长要求的连续窗口，则放弃任务M^u，如果中存在大于等于一个满足用户观测时长要求的连续窗口，则按照窗口时间长度由小至大依次计算在这些连续窗口中***任务M^u与局部窗口[t₁,t₁+Δt)内已规划方案在时间上的重叠，选择重叠量最小的连续窗口***任务M^u，得到规划方案，并将局部窗口[t₁,t₁+Δt)内已规划方案中与任务M^u的成像方案存在时间冲突的规划方案删除，将删除的地面目标观测任务退回至任务池中；

(3)如果所在的局部时间窗口[t₁,t₁+Δt)还未完成短周期的滚动规划，t≤t₁-Δt，则在星时t₁-Δt采用权利要求4中的短周期局部窗口滚动规划方式，对应急任务M^u与局部时间窗口[t₁,t₁+Δt)内已规划的任务一起进行动态规划。