[0034] (44)重复上述步骤将sub1,…,subn划分为多条带观测子任务集合Sstrip、区域观测子任务集合Sarea。
[0035] 所述的
[0036]
[0037] 其中， 表示卫星平台最大机动能力。
[0038] 所述的步骤(5)根据多条带观测子任务集生成多条带观测聚合任务，并进行推扫条带划分的方法为：
[0039] (51)对于subi∈Sstrip将其地面待观测目标聚合为条带的优化目标为约束条件包括点对点姿态机动能力、被动成像推
扫线速度平均值、主动成像匀地速
跟踪推扫
角速度平均值、指向地面待观测目标之前的成像提前时间tpre、指向地面待观测目标之后的成像延后时间tafter；
[0040] 其中，N为本次条带观测聚合
覆盖的目标观测点个数，pj为任务sj∈subi对应的优先级，若sj∈subi∈Sstrip时，λj＝1，否则λj＝0，Tman_add为相邻条带间姿态机动时间之和，由各相邻条带姿态机动时间Tman相加得到、Timage_add为各条带推扫时间之和，由每个条带推扫时间Timage相加得到，α1、α2为优化目标调节系数，α1、α2的取值范围为0-1；
[0041] (52)当聚合形成的条带为非沿迹方向时，成像前姿态预置过程所需时间Tman、成像过程所需时间Timage为
[0042] Tman＝α/ω1
[0043] Timage＝β/ω2
[0044] 其中， 为姿态预置前
滚转角，θs为俯仰角，ψs为
偏航角， 为姿态预置后滚转角，θe为俯仰角，ψe为偏航角；
[0045]
[0046] 为条带推扫前滚转角，θstr_s为俯仰角， 为条带推扫后滚转角，θstr_e为俯仰角；
[0047] 当聚合后形成的条带为沿迹方向时，成像前姿态预置过程所需时间Tman为卫星当前姿态与成像姿态间差值γ使用卫星点对点姿态机动能力θ1°/t1s、θ2°/t2s、θ3°/t3s插值计算得到，其中， 为卫星当前姿态滚转角，θnow为俯仰角，偏航角为ψnow，沿迹方向成像姿态滚转角为 俯仰角为θpas，偏航角为ψpas；
[0048] 成像过程所需时间Timgae为
[0049] 其中，偏置飞行成像起始点和结束点经纬度分别为longs、longe、lats、late；
[0050] (53)根据步骤(51)形成的推扫条带生成优化模型，生成满足约束条件且使得相邻条带间姿态机动时间之和最小、各条带推扫时间之和最小，且条带观测聚合覆盖的目标观测点个数N最大，对应的最优推扫条带，完成多条带观测聚合任务生成，并进行推扫条带划分。
[0051] 所述的根据多个区域观测子任务集合生成区域观测聚合任务，并进行推扫条带划分的方法为：
[0052] (61)对于subi∈Sarea，将穿过外接多边形且通过外接多边形几何中心的最长线段记为 将经过外接多边形几何中心、与 垂直且位于多边形内的最长线段记为
[0053] (62)以载荷相机幅宽b为条带宽度，以 为条带长度，计算相邻条带间σ％重合率，从subi的外接多边形一侧开始，沿着 的方向进行subi的外接多边形的条带划分，且从遥感卫星飞行经过subi区域的起始方向开始扫描；其中，条带覆盖大于subi的外接多边形部分，或者条带一端无地面待观测目标部分不进行推扫。
[0054] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0055] (1)本发明包括局部规划窗口范围内任务密集程度识别、密集任务子集合划分、密集子任务集合地面待观测目标的外接多边形计算、成像任务聚合类型判定、多条带观测模式任务生成及推扫条带划分、区域观测模式任务生成及推扫条带划分，将原本独立的密集地面待观测目标自主分类、合并为多条带观测任务或者区域观测任务，用于解决遥感卫星收到的来自多终端的对地观测任务在局部区域分布密集所造成的遥感卫星在单位时间任务效能不高的问题；
[0056] (2)本发明与现有技术相比，不仅基于敏捷遥感卫星沿飞行方向推扫，还考虑卫星非沿迹方向成像推扫，成像过程考虑了被动成像和主动成像两种成像模式，并且聚合规划结果输出可根据密集观测区域的地面观测点的分布均匀程度，分为多条带观测任务和区域目标观测任务，可为星上自主任务规划方法提供更加优化的输入，充分发挥敏捷遥感卫星姿态机动能力；
[0057] (3)本发明方法步骤清晰，便于设计人员和测试人员的操作和实施，本发明一种遥感卫星成像任务自主聚合方法已在地面试验和测试中成功应用，验证了方法的有效性和可行性。
附图说明
[0058] 图1为一种遥感卫星成像任务自主聚合方法
流程图；
[0059] 图2为局部时间窗口内地面待观测目标集合 示例；
[0060] 图3为sub1外接多边形示例；
[0061] 图4为sub2外接多边形示例；
[0062] 图5为sub1的多条带观测模式任务聚合结果示例；
[0063] 图6为sub2的区域观测模式任务聚合结果示例。
具体实施方式
[0064] 自主任务规划技术能够提高遥感卫星智能自主运行、任务快速响应能力，并通过遥感卫星的应用效能提升来获取更大经济收益，因此具有较强的市场需求。但是，来自多终端的对地观测任务未经地面统筹管理，如果在局部区域分布密集则将造成遥感卫星在单位时间任务效能不高，这对于星上自主任务规划的有效实现与高效运行提出了挑战。
[0065] 针对现有技术不能适用于复杂环境下局部密集任务的场景，本发明从工程化应用的角度出发，考虑到敏捷遥感卫星所具备的非沿迹轨迹动中成像能力、条带拼幅区域成像能力，提出了一种遥感卫星成像任务自主聚合方法，在遥感卫星收到多源输入的成像任务并完成当前规划窗口的任务筛选后，通过局部规划窗口范围内任务密集程度识别、密集任务子集合划分、密集子任务集合地面待观测目标的外接多边形计算、成像任务聚合类型判定、多条带观测模式任务生成及推扫条带划分、区域观测模式任务生成及推扫条带划分，将原本独立的密集地面待观测目标自主分类、合并为多条带观测任务或者区域观测任务，为星上自主任务规划
算法提供更加优化的任务输入，充分发挥敏捷遥感卫星所具备的复杂路径姿态机动能力，从而大幅提升遥感卫星单位时间内的任务执行效能。下面结合附图对本发明方法进行更详细的解释和说明。
[0066] 本发明一种遥感卫星成像任务自主聚合方法通过以下6个步骤于任务规划前，在星上自主的将密集地面待观测目标自主聚合为多条带观测任务或者区域观测任务，从而提升遥感卫星单位时间内的任务执行效能，6个步骤的流程如图1所示。
[0067] (1)局部规划窗口范围内任务密集程度识别
[0068] 在遥感卫星自主任务规划的短周期局部时间窗口(遥感卫星自主任务规划的短周期内包括多个局部时间窗口)精细规划过程中，针对每个局部时间窗口，例如(489060100s,489060200s)，根据遥感卫星的轨道外推信息，以及滚动、俯仰方向的最大机动能力，计算得到局部时间窗口对应的地面待观测目标可观测区域范围；根据星载任务池中各个地面待观测目标的经纬度、高程信息，筛选出地理
位置处于此区域范围内的所有地面待观测目标，形成待优化的候选待观测任务集合 其中si＝(longi,lati,alti)为
地面待观测目标i对应的经度longi、纬度lati、高程信息alti。在此基础上，基于候选待观测任务集合 中各地面待观测目标之间相对地理距离，识别该候选待观测任务集合是否需要进行任务自主聚合，基本方法如下：
[0069] 1)如果该区域范围内存在相邻地面待观测目标之间的距离小于ΔL，则识别出该区域范围内的存在可优化的地面待观测目标(地面待观测目标为任务需要进行观测的地面待观测目标)，启动任务集合 中任务的自主聚合；
[0070] 2)否则，则认为该区域范围内不存在可优化的地面待观测目标，不进行任务自主聚合，即当前局部时间窗口对应的待观测目标不需要进行任务聚合。
[0071] 其中ΔL的设定主要考虑相邻目标卫星过顶时刻偏差以及对其成像时卫星滚动角度偏差两个因素。其中卫星过顶时刻指的是以俯仰零姿态对目标进行成像的时刻。认为只有当相邻地面待观测目标的过顶时间之差较小且卫星对其成像的滚动角度相差较小时，对相邻待观测目标进行任务聚合才是有意义的。将ΔTv设定为卫星在相邻目标过顶时刻之差的
阈值， 设定为卫星对相邻目标成像姿态在滚动方向的角度偏差的阈值。将以上两方面因素转换为距离方面的表述，可以得到ΔL的计算方法：
[0072]
[0073] 其中η1、η2为调节因子，η1＝3，η2＝2，卫星星下点线速度模值v＝7.39km/s； 为卫星成像的最大滚动角度， 为卫星以最大滚动角度成像时，指向地面点与地面星下点之间的弧段长度； 其中轨道高度H＝500km，地球半径R＝6378.14km。假设 则 可设置为10°，ΔTv可设置为20s，因此
[0074] ΔL＝3·20·7.39+2·522.2·10/45＝675.4
[0075] 举例如图2所示，局部时间窗口范围内共有16个地面待观测目标，记为具体如下表所示
[0076] 表1地面待观测目标信息
[0077]
[0078]
[0079] 其中s1与s2之间的地理距离小于判断阈值ΔL，
[0080]
[0081] 满足如上所述的局部时间窗口内任务密集程度的判据，所以需要对任务集合进行自主任务聚合。此外，如果将s1,…,s16这16个目标点按照独立的地面待观测目标进行星上自主任务规划，则根据遥感卫星姿态机动能力给出的规划方案及预期执行情况如图2所示，只能规划和执行s1,s3,s5,s7,s9,s14六个地面待观测目标，其余十个地面待观测目标不具备执行条件，所以未规划成像任务。
[0082] (2)密集任务子集合划分
[0083] 如果步骤1识别出该局部区域任务密集，需要进行对地观测密集任务自主聚合，首先识别出该局部区域内满足地面待观测目标相对距离小于阈值的各处密集子区域，生成各处密集子区域对应的密集任务子集合。基于上一步筛选出的候选待观测任务集合 通过计算各个地面待观测目标地理位置之间的相对距离，进一步将 划分为若干个密集任务子集合sub1,…,subn。密集任务子集合划分的基本方法如下：
[0084] 1) 并且
[0085]
[0086] 其中函数d(sj,sk)定义为计算地球表面两个点之间的距离；公式(1)的含义为，将地面待观测目标sj归类于密集任务子集合subi中，当且仅当subi中存在与sj的地理距离小于阈值ΔL的地面待观测目标。由公式(1)可以得知subi中的地面待观测目标个数大于等于2。
[0087] 2)如果对于
[0088]
[0089] 即地面待观测目标sj与 的其它地面待观测目标之间的位置距离均大于阈值ΔL，则将sj保持为独立的观测任务，不进行聚合。
[0090] 按照上述方法遍历计算相邻地面待观测目标之间的距离与阈值ΔL比较，根据计算结果可以得到图2中所示的任务集合 的两个密集任务子集合sub1＝{s1,…,s5}、sub2＝{s6,…,s15}，地面待观测目标s16与其余地面待观测目标的地理距离均大于ΔL，则保持为独立的地面待观测目标观测任务。图2中
[0091] d1,2,d2,3,d3,4,d4,5≤ΔL，
[0092] d6,8,d8,9,d8,11,d7,10,d10,12,d9,10,d9,13,d13,14,d13,15≤ΔL
[0093] (3)密集子任务集合地面待观测目标的外接多边形计算
[0094] 对于sub1,…,subn，分别计算各个密集任务子集合subi内各地面待观测目标的外接多边形。计算方法为：
[0095] 1)首先计算subi内各地面待观测目标的几何中心；
[0096] 令密集任务子集合subi＝{s1,…,sk}有限个目标观测点的几何中心为ο，ο＝(longi,lati,alti)可根据各目标观测点的经纬度以及高程信息得到。
[0097] 2) 以几何中心ο为圆心，以几何中心ο至subi各地面待观测目标之间的最大距离为半径，形成subi中各地面待观测目标的外接圆；
[0098] 3)以subi内位于外接圆上的各地面待观测目标以及靠近外接圆的部分目标点为顶点，绘制凸多边形，使得凸多边形包括当前密集任务子集合中的所有地面待观测目标；
[0099] 4)考虑到遥感卫星载荷相机的幅宽为b，则在上步获得的凸多边形基础上，分别将各边平行外扩b/2获得相应的直线，各直线交点所围多边形即作为密集任务子集合subi的外接多边形。
[0100] 图2中给出示例中的sub1、sub2的外接多边形分别如图3和图4所示。图3中ο1为sub1内各地面待观测目标的几何中心，s1s2s3s4所围为sub1内各地面待观测目标的外接圆内凸多边形，r1r2r3r4r5r6r7r8所围为sub1的外接多边形。图4中ο2为sub2内各地面待观测目标的几何中心，s6s14s15s12s7所围为sub2内各地面待观测目标的外接圆内凸多边形，r9r10r11r12r13r14r15r16r17r18所围为sub2的外接多边形。
[0101] (4)成像任务聚合类型判定
[0102] 在上一步骤计算得到的各个密集任务子集合sub1,…,subn的外接多边形基础上，针对各个外接多边形，如subi的外接多边形，分别根据其中地面待观测目标的分布均匀程度ui确定subi中的任务聚合方式，具体方法为
[0103] 1)将subi其划分为ni个边长为载荷相机幅宽b的方形小格；
[0104] 2) 其中num(subi)为subi中的地面待观测目标个数；
[0105] 3)如果ui
[0106] 4)如果ui≥U，认为subi中的地面待观测目标在该子区域内分布均匀，则按照区域观测方式进行subi中各地面待观测目标观测任务的聚合。
[0107] 判断阈值0
[0108]
[0109] αj，j＝1,2,3为判断阈值参数， 表示卫星平台最大机动能力，即1秒钟最大机动
[0110] 上步骤可以将sub1,…,subn划分为多条带观测子任务集合Sstrip、区域观测子任务集合Sarea。
[0111] 假设U＝0.5，图3给出的sub1中地面待观测目标个数num(sub1)为5，边长为载荷相机幅宽b的方形小格n1为12，因此u1＝0.42U，则sub2的聚合任务类型为区域观测模式。
[0112] (5)多条带观测聚合任务生成及推扫条带划分
[0113] 对于subi∈Sstrip，通过优化求解的方式将其中的地面待观测目标聚合为条带目标，优化问题设置如下：
[0114] (2)优化目标
[0115] (3)约束条件
[0116] a)点对点姿态机动能力：典型角度指向调节的到位和稳定时间，例如θ1°/t1s＝5°/6s、θ2°/t2s＝10°/7.5s、θ3°/t3s＝20°/10s，其含义为卫星姿态机动θk°，姿态机动到位及稳定时间为tks，其中k＝1,2,3；
[0117] b)姿态预置角速度平均值ω1＝1°/s；
[0118] c)被动成像推扫线速度平均值v＝7.39km/s；
[0119] d)主动成像匀地速跟踪推扫角速度平均值ω2＝0.5°/s；
[0120] e)指向地面待观测目标之前的成像提前时间tpre＝1.5s、指向地面待观测目标之后的成像延后时间tafter＝1.5s。
[0121] 其中N为本次条带观测聚合覆盖的目标观测点个数，pj为任务sj∈subi对应的优先级，当任务sj被生成的推扫条带划分方案覆盖时(即sj∈subi∈Sstrip时)λj＝1，否则λj＝0，Tman_add为相邻条带间姿态机动时间之和，由各相邻条带姿态机动时间Tman相加得到、Timage_add为各条带推扫时间之和，由每个条带推扫时间Timage相加得到，，优化目标调节系数α1＝0.3、α2＝0.5。
[0122] 根据优化目标公式可以看出，优化指标J与条带观测聚合覆盖的目标观测点个数成正比，条带间姿态机动时间和条带推扫时间成反比，因此设计此优化目标的原则就是利用尽量少条带推扫时间，而覆盖尽可能多的地面成像任务。
[0123] 对于聚合后形成的条带为非沿迹方向情况，则成像前姿态预置过程所需时间Tman、成像过程所需时间Timgae，的计算方式为：
[0124] 令姿态预置前滚转角为 俯仰角为θs＝10.4°，偏航角为ψs＝-11.8°，姿态预置后滚转角为 俯仰角为θe＝7.6°，偏航角为ψe＝-5.6°，姿态预置角为
[0125]
[0126] 根据姿态预置角速度平均值，得到主动成像姿态预置时间Tman＝α/ω1＝11.0/1＝11.0s。
[0127] 令条带推扫前滚转角为 俯仰角为θstr_s＝7.6°，条带推扫后滚转角为俯仰角为θstr_e＝3.4°匀地速跟踪推扫机动角度为
[0128]
[0129] 主动成像匀地速跟踪成像时间为Timage＝βω2＝8.8/0.5＝17.6s；
[0130] 对于聚合后形成的条带为沿迹方向情况，则成像前姿态预置过程所需时间Tman、成像过程所需时间Timgae的计算方式为：
[0131] 令卫星当前姿态滚转角为 俯仰角为θnow＝3.4°，偏航角为ψnow＝-5.6°，沿迹方向成像姿态滚转角为 俯仰角为θpas＝1.2°，偏航角为ψpas＝-2.5°，姿态预置角度为
[0132]
[0133] 沿迹方向成像姿态机动时间可通过卫星当前姿态与成像姿态间差值γ，由卫星点对点姿态机动能力θ1°/t1s、θ2°/t2s、θ3°/t3s插值计算得到姿态机动时间Tman＝8.1s；
[0134] 偏置飞行成像起始点和结束点经纬度分别为longs＝31.82°、longe＝29.75°、lats＝31.52°、late＝29.63°，被动成像偏置飞行成像时间为
[0135]
[0136] 基于上述优化目标和约束条件所形成的推扫条带生成优化模型，当地面待观测目标点较多情形，属于NP-hard问题，因此需通过BP-神经网络这种智能
优化算法，生成满足约束条件且使得相邻条带间姿态机动时间之和Tman、各条带推扫时间之和Timgae最小，条带观测聚合覆盖的目标观测点个数N最大，得到最大的优化指标J的推扫条带，求解此最优化问题。
[0137] 按照以上方法对图2给出的示例中的密集任务子集合sub1中的5个地面待观测目标进行多条带观测任务聚合，得到3个条带str1、str2、str3，如图5中红色虚线框所示，各地面待观测目标对应的成像时间在所形成条带中的位置采用蓝色矩形标出。str2与遥感卫星星下线轨迹平行，str1、str3与遥感卫星星下线轨迹不平行。三个条带的宽度均等于载荷相机幅宽b，str1、str2、str3的长度分别为
[0138] ω2·(tpre+tafter)·πR/180°+d1,2＝0.5·(1.5+1.5)·π·500/180°+18.2＝31.3km、
[0139] v·(tpre+tafter)＝7.39·(1.5+1.5)＝22.17km、
[0140] ω2·(tpre+tafter)·πR/180°+d4,5＝0.5·(1.5+1.5)·π·500/180°+10.8＝23.9km。
[0141] (6)区域观测聚合任务生成及推扫条带划分
[0142] 对于subi∈Sarea，为减少卫星平台机动次数、减少载荷开始时间以及节约平台
能源，区域观测目标推扫条带划分策略采用覆盖给定区域内目标前提下，所分割条带最少、成像时间最短的策略，具体区域观测任务的条带划分方法如下：
[0143] 1)将穿过外接多边形且通过外接多边形几何中心的最长线段记为 将经过外接多边形几何中心、与 垂直且位于多边形内的最长线段记为
[0144] 2)以载荷相机幅宽b为条带宽度，以 为条带长度，考虑相邻条带间σ％重合率，从subi的外接多边形一侧开始，沿着 的方向进行subi的外接多边形的条带划分，从遥感卫星飞行经过subi区域的起始方向开始扫描；
[0145] 3)对于条带覆盖大于subi的外接多边形部分，或者条带一端无地面待观测目标部分，进行相应的裁剪，降低无效的推扫路径。
[0146] 按照以上方法对图2给出示例中的密集任务子集合sub2中的10个地面待观测目标进行区域观测任务聚合，得到的载荷相机区域推扫路径如图6中的5段红色虚线框所示，分别为str4、str5、str6、str7、str8，各地面待观测目标对应的成像时间在所形成条带中的位置采用蓝色矩形标出。
[0147] 对比(5)、(6)与(1)可知，采用成像任务自主聚合方法后，任务规划数及执行数由原有的6个地面待观测目标提升为15个地面待观测目标。
[0148] 综上所述，与现有的遥感卫星自主任务规划方法相比，本发明提出的一种遥感卫星成像任务自主聚合方法：针对具备自主任务规划能力的遥感卫星可能收到不同来源的对地观测任务，在未经地面统筹的情况下，可能存在任务在局部区域分布密集的特点，而现有遥感卫星自主任务规划方法一般将这些地面待观测目标均作为独立的待观测目标考虑，则所得任务规划方案无法充分发挥遥感卫星敏捷机动、动中成像能力的问题，创新性的提出了成像任务自主聚合方法，基于遥感卫星姿态机动能力实现密集地面待观测目标自主聚合为多条带观测任务或者区域观测任务，将为星上自主任务规划方法提供更加优化的输入，从而大幅提升遥感卫星单位时间内的任务执行效能；针对多源任务在局部区域密集分布的情况，根据遥感卫星姿态机动能力识别局部时间窗口内已有任务是否需要通过聚合进行优化；针对局部时间窗口内的任务集合，根据由姿态机动能力确定的距离阈值识别其内部的各个密集区域及对应的任务子集合，并针对各个子集合在后续分别进行任务聚合，从而提高任务聚合的效率；根据每一个密集任务集合中地面待观测目标地理上的分布均匀程度
选定任务聚合方式，在分布不均匀时采用多条带观测的任务聚合方式，在分布均匀时采用区域观测的任务聚合方式，能够降低遥感卫星无效推扫轨迹，提升单位时间内完成任务数量；在多条带观测、区域观测聚合任务生成及推扫条带划分过程中将覆盖地面目标的优先级最高、姿态机动时间及条带推扫时间最短作为优化目标，因此生成的任务及条带划分方案满足姿态机动方面的优化性，便于后续自主任务规划过程进一步优化。
[0149] 本发明方法面向工程化应用，针对具有自主任务规划能力的遥感卫星可能收到未经地面统筹的来自多终端的对地观测任务的实际情况，以及随之产生的星上自主规划、任务执行效能降低的显著问题，在充分考虑敏捷机动遥感卫星所具备的非沿迹轨迹动中成像能力、条带拼幅区域成像能力的基础上，通过识别规划窗口内任务密集程度、密集任务分类、密集任务覆盖区域计算、成像任务聚合类型判定四个步骤，确定密集任务合并为多条带观测或者区域观测，并进一步给出合并后的推扫条带划分方案，适用于具有自主任务规划能力敏捷遥感卫星，并即将在轨应用，也可为智能自主航天器的任务管理问题提供参考借鉴。
[0150] 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。
