[發明專利]一種針對敏捷衛星的在線調度方法

有效

• 申請號: 201710515825.0
• 申請日: 2017-06-29
• 公開（公告）號: CN107290961B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 陳宇寧;褚驍庚;陳英武;賀仁杰;姚鋒;邢立寧;劉曉路;陳成;陳盈果;王濤;呂濟民;張忠山;常忠祥
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京匯智勝知識產權代理事務所(普通合伙) 11346
• 代理人: 石輝

1.一種針對敏捷衛星的在線調度方法，其特征在于，包括：

Step1，設置由一個低分辨率目標發現星和一個敏捷高分辨率目標識別星組成的星簇，目標發現星在目標識別星的前端飛行；

Step2，目標發現星在飛行過程中利用其寬幅相機和星上圖像處理軟件發現目標，獲取目標的低分辨率圖像，并從低分辨率圖像中提取目標坐標以及根據目標的形狀、尺寸確定目標收益；

Step3，目標發現星將目標坐標和目標收益傳送給目標識別星；

Step4，目標識別星接收目標坐標和目標收益，并觀測目標，以獲取目標的高分辨率圖像，同時根據目標坐標和目標收益，以目標總收益最大化為優化目標，在線生成一個滿足時序約束條件的觀測調度方案，該觀測調度方案具體生成步驟如下：

Step41，針對敏捷衛星調度問題建立由可視時間窗和姿態機動時間約束組成的時序約束模型，通過將所有目標均處理成平行于星下線的條帶目標，同時假設有側擺角造成的分辨率降低不會影響目標的識別以及目標的發現順序與目標的時間窗中點的順序一致，每個目標只有一個可視時間窗；Step41中，時序約束模型為：

目標函數：

決策變量：

約束條件：

x₀＝1； (8)

x_NT+1＝1； (9)

x_i∈{0,1},y_ij∈{0,1}，i,j＝1,…,NT； (14)

式中，

p_i為目標i的收益；

ws_i為目標i的可視時間窗的開始時間；

we_i為目標i的可視時間窗的結束時間；

dur_i為目標i的成像時長需求；

st_i為目標i的觀測開始時間；

et_i為目標i的觀測結束時間；

atis_i為衛星開始觀測目標i時對應的觀測姿態，包括俯仰角、側擺角和偏航角；

atie_i為衛星結束觀測目標i時對應的觀測姿態，包括俯仰角、側擺角和偏航角；

dmin(.,.)為兩個姿態間的最小機動時間；

NT為場景內的總目標數目；

S為所有目標的所有可能子集；

式(1)表示優化目標為最大化所有觀測目標的收益總和；

式(2)和式(3)表示模型的決策變量，其中，x_i表示目標i是否被觀測，當目標i被觀測時x_i＝1，否則x_i＝0；y_ij表示目標j是否在目標i后被觀測，如果目標j在目標i后被觀測則y_ij＝1，否則y_ij＝0；

式(4)至式(11)表示敏捷衛星調度問題的約束條件；

式(4)表示任一觀測目標的開始觀測時刻和觀測結束時刻都應在對應的時間窗范圍內；

式(5)表示任一觀測目標的觀測結束時刻等于其觀測開始時刻加上觀測時長；

式(6)表示后續目標的觀測開始時刻應該大于前一觀測目標的觀測結束時刻加上兩個觀測姿態間的轉換時間；

式(7)表示對于任意目標y_ii＝0；

式(8)和式(9)表示場景中有一個虛擬開始目標和虛擬結束目標，二者的觀測開始時刻和觀測時長都為0；

式(10)和式子(11)表示任一觀測目標有且只有一個前繼目標和一個后續目標；

式(12)是經典的DFJ子回路消除約束；

式(13)表示如果目標i在目標j后被觀測，則說明兩個目標都被觀測；

式(14)表示變量的取值范圍；和

Step42，根據目標發現星提供的目標信息，利用分支定界算法在當前目標觀測完畢前決策出下一個要觀測的目標，分支定界算法的計算時間小于當前目標的觀測時長，以在任意時刻返回一個有效的觀測調度方案，并隨著計算時間的延長不斷優化該觀測調度方案；“分支定界算法”具體包括：

Step4231，采用先到先服務原則，初始化分支定界算法的全局下界；

Step4232，從搜索樹的根部開始搜索，對每個節點進行逐一排查，并利用深度優先的策略計算搜索樹的每個節點對應的觀測調度方案的收益，如果計算出來的觀測調度方案的收益大于全局下界，則將計算出來的收益最大對應的觀測調度方案更新為當前的最優觀測調度方案，并將更新后的觀測調度方案的收益更新為全局下界；其中的搜索樹中的每個節點代表一個目標觀測調度方案，搜索樹根據目標的可視時間窗升序逐一展開；

Step4233，根據以下三個條件判斷當前節點是否需要進行剪枝操作，若該節點滿足以下任何一個條件，則對該節點的后續搜索樹進行剪枝操作，否則繼續擴展該節點；擴展節點的方法是：對每個節點進行擴展時，最先擴展尚未被考慮安排的目標中時間窗開始時刻最小的目標；

1)節點是否滿足對稱性消除剪枝條件；

2)節點是否滿足支配剪枝條件；

3)節點的上界是否小于全局下界，“節點的上界”為已安排的觀測目標收益和加上仍有觀測機會的目標收益和；

Step4234，判斷分支定界算法的計算時間是否到達指定的時間上界，如果是，則進入Step4236；

Step4235，判斷是否搜索到了全局最優解，如果是，則進入Step4236，否則進入Step4232；

Step4236，分支定界算法計算結束；

Step5，當觀測完當前目標，目標識別星根據Step4生成的觀測調度方案，目標識別星姿態機動到下一個目標的開始觀測姿態。