[發明專利]基于機器學習的成像衛星自主任務規劃方法

在審

• 申請號: 201910034280.0
• 申請日: 2019-01-15
• 公開（公告）號: CN109767128A
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發明（設計）人: 王濤;宋彥杰;宋冰玉;陳英武;呂濟民;陳盈果;陳成;陳宇寧;劉曉路;邢立寧;姚鋒;賀仁杰;張忠山
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06Q10/06
• 分類號: G06Q10/06;G06N20/00
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 董惠文

本發明公開了一種基于機器學習的成像衛星自主任務規劃方法，包括步驟1：并將本軌元任務按照可見時間窗開始時間進行排序；步驟2：當當前時間為決策時間點時，將元任務設為當前元任務。步驟3：提取當前元任務的特征變量，通過基于機器學習的星上自主任務規劃模型判斷是否執行當前元任務，如果判斷為執行，則輸出當前元任務的觀測時間窗，在觀測時間窗開始時執行當前元任務，如果不能執行，則刪除當前元任務；步驟4：判斷是否已經規劃完本軌元任務，如果已經規劃完，則結束，否則返回步驟2。本發明所能達到的有益效果是：與傳統衛星任務規劃方法相比，規劃時間短，任務執行效率高，且能根據環境變化實時進行規劃。

技術領域

本發明屬于衛星任務規劃領域，尤其涉及一種基于機器學習的成像衛星自主任務規劃方法。

背景技術

傳統的衛星任務規劃管控模式是基于地面集中管控的，整個衛星對地觀測的流程是從用戶提交需求到用戶拿到產品的閉環流程，如圖1所示。①用戶首先向管控部門提交成像任務請求；②管控部門結合氣象信息對任務進行預處理，轉化為任務規劃的標準任務信息格式；③管控部門再結合衛星、地面站的信息進行任務規劃，生成最終的任務調度方案；④管控部門根據任務調度方案生成載荷控制計劃及跟蹤接收計劃發送給衛星測控部門；⑤衛星測控部門通過地面站與星地鏈路將載荷控制指令上注給衛星；⑥衛星進行任務觀測；⑦衛星將獲取的圖像數據通過星地鏈路與地面站傳輸給衛星測控部門；⑧測控部門將圖像數據發送給數據處理中心進行加工處理；⑨數據處理中心將加工后的圖像反饋給用戶。這樣就完成了整個衛星對地觀測的閉環流程。衛星任務規劃主要是指其中的步驟②、③、④，屬于衛星管控部門所負責的工作。

從圖1可以看出，這個觀測流程涉及用戶、衛星管控部門、衛星測控部門以及數據處理中心多個單位，每個單位業務不統一，交互不方便。任務規劃時依據的氣象信息和衛星、地面站信息并非實時信息，存在一定滯后性。而且我國地面站都建于國內，目前星間鏈路也不完善，而有限的測控資源在整個流程中起到了至關重要的作用，影響指令的上注和數據的回收。整體上說，傳統的衛星對地觀測流程可以完成衛星對部分目標的信息獲取，但已然是無法勝任新的需求與挑戰。傳統衛星對地觀測流程的弊端可總結如下：

(1)整個流程過于復雜繁瑣，用戶從提出需求到獲得圖像信息周期往往較長，無法滿足用戶對于時效性的要求；

(2)衛星任務規劃屬于離線作業，屬于靜態調度范疇，規劃方案不能與實時變化的環境相適應；

(3)對測控資源(星地鏈路、星間鏈路)過于依賴，星地之間無法實時通信；

(4)缺乏輔助分析手段，缺乏自動化處理流程，很多情況下需要對系統運行數據進行手工修改操作，應急調整流程復雜，人機交互操作繁多，極易出現錯誤操作。

我們可以看出衛星在整個過程中只是指令執行者，執行地面上注的姿態調整、成像、數傳等指令，不能對星上環境和狀態的變化做出實時響應，導致很多任務由于不滿足約束而無法完成，衛星實際運行效率比預計的要低。

以敏捷衛星為例，詳細分析傳統的任務規劃流程，如圖2所示。由于用戶方面對衛星軌道和參數等信息并不一定了解，通常用戶提出的需求信息往往只包含目標的地理位置信息(目標的經度、維度、高度)和其他需求信息(如最晚觀測時間、最低觀測質量、優先級、目標成像次數、成像模式、所用載荷類型等)，用戶提供的地理位置信息無法直接用于任務規劃，需要將位置信息與軌道預報、星歷預報、地影預報、測站預報等信息相結合，計算出任務的可見時間窗等信息，目的是將所有的需求信息轉化為衛星任務規劃的標準格式，這個過程稱為任務預處理過程。接著，衛星管控部門整合各類資源信息和任務預處理結果，生成任務規劃方案，進而形成衛星觀測計劃和數據回傳計劃。根據觀測計劃生成載荷控制指令，最后將指令發送給測控中心，數傳計劃發送給地面站^[47]。