[发明专利]敏捷卫星单轨动中成像多条带拼接任务规划方法及系统

权利要求书

1.一种敏捷卫星单轨动中成像多条带拼接任务规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，针对成像任务区域，先基于旋转卡壳的原理建立区域的外接矩形，再按照幅宽要求对外接矩形矩形分割，得到若干条带；

步骤S2，求出步骤S1中每一个条带所对应的覆盖率；

步骤S3，求出步骤S1中得到的条带的起始边和终止边的中点坐标，计算每个条带起始、终止端点的成像时间窗口；

步骤S4，对将卫星姿态运动约化为相机指向点的平面运动，构建多条带拼接成像过程中卫星相机指向点的平面运动约束，确定多条带拼接成像任务规划数学模型的约束条件；

步骤S5，对步骤S3中求出的成像时间窗口进行裁剪和成像时刻归一化操作，确定多条带拼接任务规划数学模型的决策变量；

步骤S5中，对成像时间窗口进行裁剪操作如下，

裁剪操作需要对所有条带起始边、终止边终点的成像时间窗口的起始时刻和终止时刻进行处理，令两个连续点i、i+1成像时间窗口分别为[T_{i_s},T_{i_e}]和[T_{i+1_s},T_{i+1_e}],其中T_{i_s}表示第i个点成像时间窗口的起始时刻，T_{i_e}表示第i个点成像时间窗口的终止时刻，T_{i+1_s}表示第i+1个成像时间窗口的起始时刻，T_{i+1_e}表示第i+1个成像时间窗口的终止时刻；

首先进行第一类裁剪操作，基于裁剪相邻时间窗口的起始时刻进行，顺序从第一个点开始，比较相邻两个点成像时间窗口的起始时刻，若存在T_{i_s}T_{i+1_s}，则令T_{i_s}＝T_{i+1_s}，直至顺序完成对所有点成像时间窗口起始时刻的操作；然后进行第二类裁剪操作，再对相邻时间窗口的终止时刻进行裁剪，逆序从最后一个点开始，若存在T_{i_e}T_{i+1_e}，则令T_{i_e}＝T_{i+1_e}，直至逆序完成对所有点成像时间窗口终止时刻的裁剪；

步骤S5中，在成像时间窗口裁剪的基础上，根据观测点的顺序和相邻点的成像时间窗口起始时刻，将每个点的成像时刻压缩到[0,1]区间内，成为归一化时间系数，在保持点的观测时序的基础上，实现对无效搜索空间的排除；

相应进行成像时刻归一化操作实现如下，

1)根据第一个点成像时刻对应的归一化系数s₁，采用下式恢复s₁对应的成像时刻t₁：

t₁＝s₁*(T_{1_e}-T_{1_s})

2)根据计算出的t₁与第二个点成像时间窗口起始时刻T_{2_s}的先后顺序，恢复出t₂：

若t₁≤T_{2_s}，则令t₂＝T_{2_s}+s₂*(T_{2_e}-T_{2_s})；

若t₁T_{2_s}，则令t₂＝T_{2_s}+s₂*(T_{2_e}-t₁)；

3)依次类推，重复执行上一个子步骤2)，通过比较第i个点的成像时刻t_i与第i+1个点成像时间窗口的起始时刻T_{i+1_s}的先后顺序，恢复出i+1成像时刻t_i+1，直至完成所有点成像时刻的恢复；

其中，T_i-s表示第i个成像时间窗口的起始时刻，T_i-e表示第i个成像时间窗口的终止时刻，t_i为第i段成像时间窗口随机的时刻，s_i是第i段时间窗口对应的归一化系数，范围是0到1；

步骤S6，构建敏捷卫星单轨动中成像多条带拼接任务规划数学模型，确定模型决策变量与目标函数、约束条件的定量关系；

步骤S6中，构建起以每个条带的起始、终止观测时刻对应的成像时刻归一化系数为决策变量，以卫星姿态机动能力，覆盖率和成像完成时间为目标函数的数学模型，设n为区域进行分解后的条带数量，每个条带有2个端点，数学模型形式化表达为：

Maximize：f(s₁,s₂,s₃,......,s_2n)

Define：IFcov(s₁,s₂,s₃,......,s_2n)＞cov(s₁′,s₂′,s₃′,......,s_2n′)

THEN f(s₁,s₂,s₃,......,s_2n)＞f(s₁′,s₂′,s₃′,......,s_2n′)

ELSE IFcov(s₁,s₂,s₃,......,s_2n)＝cov(s₁′,s₂′,s₃′,......,s_2n′)

time(s₁,s₂,s₃,......,s_2n)＜time(s₁′,s₂′,s₃′,......,s_2n′)

THENf(s₁,s₂,s₃,......,s_2n)＞f(s₁′,s₂′,s₃′,......,s_2n′)

Subjectto：T_O-begin≥t_O-begin

v_instrip-m≤v_max m＝1，2，3……n

T_outstrip-p≥t_outstrip-p p＝1，2，3……n-1

s_i∈[0,1]，i＝1,2,......,2n

其中，Maximize表示最大值，第一行指的是目标函数需要取得最大值，后续判断中，Define表示“定义”，IF表示“如果”，THEN表示“那么”，ELSE IF表示“否则如果”，Subjectto表示“受限于”；

模型的目标函数抽象为逻辑表达式f(s₁,s₂,s₃,......,s_2n)，其涵盖两个指标：覆盖率指标cov(s₁,s₂,s₃,......,s_2n)和成像任务完成时间time(s₁,s₂,s₃,......,s_2n)；其中，相应归一化时间系数记为s₁,s₂,s₃,......,s_2n，目标函数需要取得最大值，s₁′,s₂′,s₃′,......,s_2n′是n个点目标相应的2n个相应归一化时间系数另一方案；

约束条件满足姿态约束关系判断，将起始段、条带内推扫、条带间切换的姿态机动能力转换为三组约束，一是起始段，通过判断T_O-begin≥t_O-begin是否成立，确定卫星从初始状态到推扫第一端点的姿态机动过程是否满足姿态机动能力约束；二是条带内推扫段，通过判断每个条带m的推扫速度v_instrip-m是否满足v_instrip-m≤v_max，确定能否实现对第m个条带的推扫；三是条带切换段，通过判断T_outstrip-p≥t_outstrip-p，确定能否实现从完成第p个条带推扫后，继续推扫第p+1个条带；

其中，源点到第一个条带起始点随机出的消耗时间为T_O-begin，最短时间为t_O-begin，第p个条带间切换随机出的消耗时间为T_outstrip-p，最短时间为t_outstrip-p，v_max为最大速度；

步骤S7，采用PSO优化算法进行求解，得到成像多条带拼接任务规划方案，实现对成像任务区域的最大覆盖。