[发明专利]卫星一轨内成像任务优化方法

说明书

卫星一轨内成像任务优化方法，属于卫星成像任务规划领域。相比于传统卫星，敏捷卫星可沿滚动、俯仰、偏航三轴进行快速机动，可以实现对地表任意走向的条带目标的成像，典型的三类扫描成像方式是被动式扫描、俯仰匀速主动扫描与均匀地速主动扫描。对于一轨内多个任意走向的条带目标，何时成像会造成成像过程中侧摆角的差异，进而影响成像时能量的消耗，本发明建立了可适用于敏捷卫星三类扫描成像方式的成像起始时刻规划模型，采用序列二次规划方法进行求解，使成像时卫星的侧摆角尽可能小，能够有效降低成像时能量的消耗，满足目前卫星使用需求。

技术领域

本发明涉及卫星一轨内成像任务优化方法，属于卫星成像任务规划领域。

背景技术

随着技术水平的发展，卫星的机动能力越来越强，卫星可以沿滚转、俯仰和偏航3个轴向进行姿态机动，能够在能力允许的范围内对任意走向的地面目标进行观测。由于可以在俯仰方向进行转动，当卫星位于目标前方、上方、后方时，均可对目标进行观测，可用观测时间较长，可以在较长的时间窗口内较自由地选取其中任一时段对目标进行观测，提高了观测的灵活性。但是，较长的可见时间窗口使得观测时间的解空间增大，不同观测时间对应不同观测摆角，观测时间的选取会对任务间卫星姿态调整时间产生影响等等，这都给卫星的成像任务规划问题带来了难度。

卫星一轨内成像任务优化规划方法的研究状况如下：

Lemaitre与Verfaillie针对Pleiades卫星的轨道选择与成像任务规划问题，使用了贪婪算法、动态规划算法、约束规划算法与局部搜索算法等四种方法进行求解，并比较了四种算法的优劣，其结果表明，约束规划与局部搜索算法可以考虑所有约束，局部搜索算法的求解效果更好。Habet提出了禁忌搜索算法来解决该问题，该算法的主要特征一是采用一致饱和思想构造搜索区间，二是使用局部枚举来解决部分决策问题。Mancel采用列生成算法对Pleiades卫星的轨道选择与成像任务规划问题进行了求解，其结果表明，数据规模较小时，该算法的效果与Lemaitre近似；数据规模较大时，效果较差。Dilkina采用了排列搜索与约束传播相结合的算法来解决卫星的规划问题，排列搜索可以获得较大的邻域，约束传播算法具有较好的灵活性，且在成像任务动态增加时，该算法仍可得到较好的效果。

李玉庆比较了遗传算法与模拟退火算法相结合的算法以及模拟退火算法在卫星规划问题上的效果，其结果表明混合遗传算法在求解效率及效果上都优于模拟退火算法。贺仁杰针对成像卫星的调度问题，建立了多种调度模型，并给出了相应的模型求解算法。另外，郝会成、郭浩、孙凯等也对卫星的成像任务规划模型与求解算法进行了研究。

以上算法均是针对传统的被动式扫描成像任务开展的任务规划研究，不适用新型的均匀地速、匀角速度主动推扫成像综合成像任务的复杂任务规划，且上述算法中建立的优化模型的原则不尽相同，建立的约束也不相同，不具有针对性，不满足目前卫星使用需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供卫星一轨内成像任务优化方法。

本发明的技术解决方案是：卫星一轨内成像任务优化方法，步骤如下：

(1)建立卫星一轨内成像任务的优化模型：

其中x为条带目标的起始成像时刻向量，为待优化变量，x₀、x_i、x_n-1分别为第0个、第i个、第n-1个条带目标的起始成像时刻，f(x)为所有条带目标起始侧摆角平方和与结束侧摆角平方和的和函数；

t为上一次成像的结束时间与本次成像起始时间的最小间隔，即两次扫描切换的最小时长；

c(x)≤0为非线性约束条件，具体约束如下：

成像准备时刻-成像起始时刻＝0；

可见起始时刻-成像起始时刻＝0；