面向海洋观测的成像卫星任务规划方法

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1、72中国空间科学技术2011年4月垦垒!里竺兰竺墨旦垒竺竺墨!i呈里!竺垒翌皇!竺竺坠翌旦!旦墨z箜!塑面向海洋观测的成像卫星任务规划方法经飞王钧李军景宁(国防科学技术大学电子科学与工程学院，长沙410073)摘要面向海洋观测的成像卫星是一种轨道较高的可见光对地观测卫星，主要用于探测海上船舶活动以及监测海洋环境参数等。对地观测卫星任务规划问题是一个复杂的组合优化问题，通过分析面向海洋观测的成像卫星工作特点及约束条件，建立了一种考虑多数传模式共存的数学模型，提出了一种基于最大收益损失比的卫星任务规划算法。试验结果表明该方法能够有效解决面向海洋观测的成像卫星任务规划问题。关键词数传模式收益损失比

2、任务规划海洋观测卫星D()I：10．3780／j．issn．1000—758X．2011．02．0121引言目前，能够检索到的国内外对普通可见光、SAR及电磁探测卫星任务规划的工作相对较多，但是面向海洋观测的成像卫星(ImageSatellite0riented0ceanSurvey，IS()S)任务规划工作还比较少。同时，现有任务规划研究中大多没有考虑卫星数据传输模式的调度。在模型建立方面，Ben—sana等针对SP()T系列卫星，建立了值约束满足模型¨一；Gabrel等针对通用卫星规划问题建立了无圈有向图模型L2。；Frank等针对NASA的多颗卫星建立了CBIP(ContraintBa

3、sedInterralPlan—ning)模型L3]。上述模型都没有考虑地面站的数据接收，同时任务规划模型也不能直接适用于ISOS任务规划问题。在算法方面，由于对地观测卫星任务规划问题是一个复杂的组合优化问题，任务规划算法多采用启发式方法。也有学者使用进化算法对可见光卫星进行任务规划，算法优化性高，但计算时间较长[4。5]。而拉格朗日松弛方法则要求原问题具有线性优化特性，适用范围有限【6’7]。郭玉华等使用迭代修复策略求解多颗可见光卫星联合任务规划问题，但是算法没有考虑多种数传模式的调度-引。DeFlorio等针对SAR卫星多星规划问题提出了两种贪婪算法，考虑了动作切换、能量、传输及存储等约

4、束，但没有给出数学模型凹]。陈浩采用遗传算法对电磁探测卫星进行规划，算法计算时问较长J0‘。由于IS()S存在宽视场角，立体成像和多种数传模式等特点，现有的对地观测卫星任务规划研究成果难以有效解决Isos任务规划问题。本文研究的IS()S任务规划问题综合考虑了任务执行过程优化和数传资源调度两部分。任务规划的目的是使卫星拍摄尽可能多、尽可能重要的目标，并选择合适的数传模式下传至地面站。成像卫星任务规划问题属于过度订购问题的范畴，即卫星资源远不能满足各部门对卫星遥感数据需求的情况。国家自然科学基金(No．60604035)．国家863计划(2007AAl2020203)资助项目收稿口期：2010

5、—07—13。收修改稿口期：2010—lo—0920li年4月中国空间科学技术2ISOS任务规划模型2．1场景描述本文将ISOS任务规划问题的条件要素以场景的概念进行组织。每个场景包含以下元素：1)任务规划时段：T。。。。洲。一[f。。。，￡刊]。其中，t。。。，。是任务规划起始时间；￡。。a是任务规划结束时间。2)卫星资源：s一{△Ts，△丁、c。。l，△Tcrel。y，△Tc。。d，△Tcirle，RLR，RuD，△T。。。，△丁。i。，Ncs，C}。△Ts表示卫星成像时间间隔；△T。删表示单圈最长实传时间；△R一。，表示单圈最长回放时间；△丁c。。a表示单圈最长记录时间；△T。“。表示

6、单圈时间长度；R．，R表示卫星传感器左右侧摆范围；RuD表示卫星传感器前后俯仰范围；△T。。。表示一次开机最长时间；△T。，。表示一次开机最短时间；Ncs表示单圈卫星最大侧摆次数；C表示卫星固存容量。3)观测任务集合T，VJ∈T可以表示为(t叫，￡。f，口，，幽，M，，‘)。其中￡。，表示任务j的开始时间；￡。，i表示任务j的结束时间；n，表示任务j的观测角度；5f!j表示任务j的综合评价值；M表示任务j的成像模式，包括一般成像立体成像及特别指定的实传加记录模式；而是观测任务的决策变量，zj=1表示安排拍摄，z，=O表示不安排。综合考虑任务的观测类型优先级、任务等级优先级以及成像效果，采用加

7、和归一化的方法来定义任务的综合规划优先级，该优先级定义为任务的综合评价值。为此，首先给出这三个因素的规划优先级计算方法[11

8、。观测类型规划优先级P，：PA=1．25×105，P?一2．5×104，Pc=5×103，PP=1×103；任务等级规划优先级：G，一45_邑，其中g。表示成像任务对应的重要程度，g。∈{1，2，3，4，5)，数值越小，重要性越高；成像效果评价值：F一似／∑鼽，其中似为任务T。的角度评