一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法与流程

本发明涉及一种适用于敏捷型低轨遥感卫星针对基于目标清单进行敏捷任务星上自主规划的方法，属于航天。

背景技术：

1、敏捷型卫星是指具备大角度快速机动并稳定的姿态控制能力的一类卫星。相比于非敏捷类遥感卫星，敏捷星可配合主载荷完成点目标成像、条带目标成像、区域目标成像等多种成像工作模式。在现有敏捷卫星执行敏捷任务过程中，用户需先将任务需求交付卫星地面管理部门，有地面管理部门相关人员使用地面规划系统进行任务可行性及执行窗口的规划，随后将可执行任务按照任务模板要求的格式进行信息填充，并在任务开始时刻以前的特定地面弧段将任务上注给卫星，卫星只负责任务格式的判断和执行。由于敏捷成像工作模式的任务规划、姿态机动、成像过程更加灵活、复杂，使用时需要综合考虑目标特性、机动能力、任务冲突等多个方面，地面规划的周期长、人因影响因素较多、星地一致性较差，使得规划工作成为限制敏捷卫星应用效率的主要因素。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法，解决当前敏捷卫星成像任务规划完全依赖地面，导致卫星使用难度大、成像效率低的问题。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法，包括：

4、步骤(1)：按照任务序号依次判断各个任务的任务类型，如果任务类型为点目标任务，则进入步骤(2)；如果任务类型为条带目标任务，则进入步骤(3)；如果任务类型为区域目标任务，则进入步骤(4)；

5、步骤(2)：进行点目标任务预处理：根据轨道信息、点目标中心位置、成像时长和机动范围进行任务窗口的初步规划，之后进入步骤(5)；

6、步骤(3)：进行条带目标任务预处理：根据轨道信息、条带目标起止中点位置、推扫速度和机动范围进行任务窗口的初步规划，之后进入步骤(5)；

7、步骤(4)：进行区域目标任务预处理：根据轨道信息、区域各顶点位置、推扫速度和机动范围进行条带的分割和各条带任务窗口的初步规划，之后进入步骤(5)；

8、步骤(5)：进行任务时序寻优，即根据卫星的预报轨道和每个任务的理论成像窗口及时序边界，对任务进行排序，并将冲突的任务进行时间窗口的优化，优化后仍然冲突的任务则进行任务剔除，得到可执行的时序明确的任务序列，之后进入步骤(6)：

9、步骤(6)：根据步骤(5)得到的任务序列，按照时间先后顺序依次计算任务执行过程和任务切换过程中的姿态信息，如果为任务执行过程且任务目标类型为点目标，则进入步骤(7)；如果为任务执行过程且任务目标类型为条带目标或区域目标，则进入步骤(8)；如果为任务切换过程，则进入步骤(9)；

10、步骤(7)：进行被动推扫姿态规划：根据任务实际中间时刻、点目标中心位置计算得到点目标推扫成像时的姿态信息；

11、步骤(8)：进行主动推扫姿态规划：根据任务实际成像窗口、条带起点、条带终点计算得到条带目标和区域目标推扫成像时的姿态信息；

12、步骤(9)：进行任务切换姿态规划：根据相邻任务间上一任务结束及下一任务开始时的姿态要求，完成初始任务预置、任务间姿态切换和任务结束后姿态恢复过程中的姿态信息计算。

13、进一步的，所述目标清单是指任务关键信息形成的清单，包括用户指定任务的任务序号、目标类型、目标位置信息、推扫速度、成像时长以及载荷参数信息。

14、进一步的，所述进行点目标任务预处理，具体包括如下步骤：

15、步骤2-1：将弧段内的卫星轨道参数转化为地固系坐标rf；

16、步骤2-2：将点目标中心位置从经纬度转化为点目标中心的地固系坐标pf；

17、步骤2-3：将卫星地固系坐标rf与点目标中心地固系坐标pf做差，求距离最小值所对应的卫星位置和时刻，作为点目标的理论中间时刻；

18、步骤2-4：将理论中间时刻分别向前和向后平移成像时长的一半，得到理论开始时刻和理论结束时刻；

19、步骤2-5：基于卫星位置和姿态计算摄影点位置，即当卫星俯仰角为最大值、侧摆角与偏航角为0时，计算整个弧段的摄影点位置；

20、步骤2-6：计算卫星当三轴姿态角均为0，理论开始时刻的星下点位置；

21、步骤2-7：将目标理论开始时刻的星下点位置与整个弧段最大俯仰角的摄影点位置做差，求出误差最小的值对应的卫星时刻，作为最早可见时刻；

22、步骤2-8：计算卫星当俯仰角为最小值，侧摆角与偏航角为0时，整个弧段的摄影点位置；

23、步骤2-9：计算卫星当三轴姿态角均为0，理论结束时刻的星下点位置；

24、步骤2-10：将目标理论结束时刻的星下点位置与整个弧段最小俯仰角的摄影点位置做差，求出误差最小的值对应的卫星时刻，作为最晚可见时刻；

25、步骤2-11：计算目标理论中间时刻，卫星指向目标中心位置的卫星姿态；

26、步骤2-12：判断步骤2-11计算出的姿态是否超出卫星机动范围，若超出，则判断任务不可执行，否则判断任务可执行。

27、进一步的，步骤2-5中基于卫星位置和姿态计算摄影点位置的数学模型为：

28、ro＝fi2o(ri,a,e,ω,ω,i,t)

29、(zb)b＝[0,0,1]

30、

31、

32、

33、

34、(hs)o＝(zb)o×hs

35、(hs)i＝fo2i((hs)o,a,e,ω,ω,i,t)

36、(hs)f＝fi2f((hs)i,jdt)

37、(lon,lat)＝ff2l((hs)f)

38、式中，fi2o()指将惯性系坐标转化为轨道系坐标的函数；ro指卫星的轨道系位置；(zb)b指卫星+z轴在本体系的坐标；是卫星滚动角；θ是卫星俯仰角；ψ是卫星偏航角；(zb)o指卫星+z轴在轨道系的坐标；fb2o()指将本体系坐标转化为轨道系坐标的函数；acos()指反余弦函数；φ指卫星+z轴与卫星位置矢量的夹角；asin()指反正弦函数；β指卫星摄影点与地心连线质量与卫星位置矢量的夹角；hs指卫星位置到摄影点位置的距离；(hs)o指摄影点到卫星位置形成的矢量在轨道系的坐标；fo2i()指将轨道系坐标转化为惯性系坐标的函数；(hs)i指摄影点到卫星位置形成的矢量在惯性系的坐标；ff2l()值将地固系坐标转化为经纬度的函数；lon指经度，lat指纬度；pf为目标的地固系坐标，fi2f()指惯性系坐标转为地固系坐标的函数；re是地球半径；

39、将上述数学模型表达为简化模型，即

40、

41、式中，fp()表示基于卫星姿态和位置计算摄影点的函数。

42、进一步的，所述步骤(3)进行条带目标任务预处理，具体为：

43、步骤3-1：将弧段内的卫星轨道参数转化为地固系坐标；

44、步骤3-2：将条带目标起止位置从经纬度转化为地固系坐标；

45、步骤3-3：将卫星地固系坐标与条带目标起点地固系坐标做差，求距离最小值所对应的时刻；将卫星地固系坐标与条带目标终点地固系坐标做差，求距离最小值所对应的时刻；求两个时刻的平均值为理论中间时刻；

46、步骤3-4：根据条带目标的起点和终点位置，计算条带的长度，并除以推扫速度得到成像时长δt；

47、步骤3-5：将理论中间时刻分别向前和向后平移成像时长的一半，得到理论开始时刻和理论结束时刻；

48、步骤3-6：计算卫星当俯仰角为最大值，侧摆角与偏航角为0时，整个弧段的摄影点位置；

49、步骤3-7：计算卫星当三轴姿态角均为0，理论开始时刻的星下点位置；

50、步骤3-8：将目标理论开始时刻的星下点位置与整个弧段最大俯仰角的摄影点位置做差，求出误差最小的值对应的卫星时刻，作为最早可见时刻；

51、步骤3-9：计算卫星当俯仰角为最小值，侧摆角与偏航角为0时，整个弧段的摄影点位置；

52、步骤3-10：计算卫星当三轴姿态角均为0，理论结束时刻的星下点位置；

53、步骤3-11：将目标理论结束时刻的星下点位置与整个弧段最小俯仰角的摄影点位置做差，求出误差最小的值对应的卫星时刻，作为最晚可见时刻；

54、步骤3-12：计算目标理论起始时刻，卫星指向目标起点位置的卫星姿态；计算目标理论结束时刻，卫星指向目标终点位置的卫星姿态；

55、步骤3-13：判断步骤3-12计算出的两个姿态是否均在机动范围内，若是，则任务可行，进入步骤3-14，否则任务不可行；

56、步骤3-14：计算目标的成像时间是否超过卫星的理论最晚可见时间与理论最早可见时间的差，若超出，则认为任务不可执行，否则认为任务可执行。

57、进一步的，所述步骤(4)进行区域目标任务预处理，具体为：

58、步骤4-1：将弧段内的卫星轨道参数转化为地固系坐标；

59、步骤4-2：将区域目标各顶点位置从经纬度转化为地固系坐标；

60、步骤4-3：将卫星地固系坐标与区域目标各个顶点地固系坐标做差，求距离最小值所对应的时刻，求所有时刻的平均值为理论中间时刻；

61、步骤4-4：计算目标理论中间时刻，卫星指向目标各顶点位置的卫星姿态的侧摆角；

62、步骤4-5：求步骤4-4侧摆角中的最大侧摆角和最小侧摆角的差值，通过该差值和等效视场角的向上整除得到条带数；

63、步骤4-6：依次按照等效视场角，在理论中间时刻，找个区域各个条带的中点和两端位置；

64、步骤4-7：在各个条带中间点和端点上沿飞行方向和反方向分别进行延伸，得到条带起点和终点，使得在条带两端平行线范围内的区域目标顶点以及条带两端平行线与区域边界线的交点的最外围恰好被条带所涵盖；

65、步骤4-8：分别计算每个条带的长度，并除以推扫速度得到每个条带的成像时长；

66、步骤4-9：在理论中间时刻，使得卫星依次将摄影点指向相邻条带中上一条带的终点和下一条带的起点，分别计算得到姿态，计算两个姿态矢量的夹角，再由点对点机动方式计算得到相邻条带的机动时间；

67、步骤4-10：计算所有条带所需成像时间以及相邻条带所需机动时间的总和，作为整个区域目标的成像时间，在理论中间时刻的基础上分别向前和向后平移成像时长的一半，得到区域目标的理论开始时刻和理论结束时刻；

68、步骤4-11：若条带数为偶数，则将接近区域顶点位置平均值的两个条带间切换的中间时刻置为区域目标理论中间时刻，否则将中间条带的成像中间时刻置为区域目标理论中间时刻；在此时刻基础上，结合各条带的成像时长和条带间的切换时长，得到每个条带的理论开始时刻、理论结束时刻和理论中间时刻；

69、步骤4-12：计算卫星当俯仰角为最大值，侧摆角与偏航角为0时，整个弧段的摄影点位置；

70、步骤4-13：计算卫星当三轴姿态角均为0，理论开始时刻的星下点位置；

71、步骤4-14：将目标理论开始时刻的星下点位置与整个弧段最大俯仰角的摄影点位置做差，求出误差最小的值对应的卫星时刻，作为最早可见时刻；

72、步骤4-15：计算卫星当俯仰角为最小值，侧摆角与偏航角为0时，整个弧段的摄影点位置；

73、步骤4-16：计算卫星当三轴姿态角均为0，理论结束时刻的星下点位置；

74、步骤4-17：将目标理论结束时刻的星下点位置与整个弧段最小俯仰角的摄影点位置做差，求出误差最小的值对应的卫星时刻，作为最晚可见时刻；

75、步骤4-18：分别在各个条带的理论开始时刻和理论结束时刻，使卫星指向条带的起点和终点，计算此时的姿态，判断姿态是否超出机动范围，若超出，则认为任务不可执行，否则认为任务可执行，进入步骤4-19；

76、步骤4-19：计算目标的成像时间是否超过卫星的理论最晚可见时间与理论最早可见时间的差，若超出，则认为任务不可执行，否则认为任务可执行。

77、进一步的，条带的中点指卫星在区域目标理论中间时刻，仅侧摆方向机动，其摄影点移动方向与条带较长的中心线的交点；条带的两端指卫星在区域目标理论中间时刻，仅侧摆方向机动，其摄影点移动方向与条带较长的两个边的交点。

78、进一步的，所述步骤(5)进行任务时序寻优，具体包括如下步骤：

79、步骤5-1：将所有可执行的任务按照理论中间时刻进行排序，然后将每个任务的实际起始时刻置为该任务的理论起始时刻，实际结束时刻置为该任务的理论结束时刻，实际中间时刻置为该任务的理论中间时刻，实际最早可见时刻置为理论最早可见时刻，实际最晚可见时刻置为理论最晚可见时刻，并使得当前任务为最早的一个任务；

80、步骤5-2：将上一任务实际结束时刻与上一任务和当前任务的任务切换时间相加，并与当前任务的理论最早可见时刻做比较，取其中较大的值作为当前任务的实际最早可见时刻；将下一任务实际开始时刻与下一任务和当前任务的任务切换时间相减，并与当前任务的理论最晚可见时刻做比较，取其中较小的值作为当前任务的实际最晚可见时刻；

81、若当前任务为第一个任务，则当前任务实际最早可见时刻等于理论最早可见时刻；若当期那任务为最后一个任务，则当前任务实际最晚可见时刻为理论最晚可见时刻；

82、步骤5-3：计算当前任务与下一相邻任务的任务切换所需的时长；

83、步骤5-4：若机动时间超出任务间隔则进入步骤5-5，否则将判断下一任务是否为最后一个任务，若是则计算结束，否则将下一任务看作当前任务，返回步骤5-3；

84、步骤5-5：求当前任务实际开始时刻与实际最早可见时刻的差，称为当前任务前移需求；求下一任务实际最晚可见时刻与实际结束时刻的差，称为后一任务后移需求；将二者的和作为可调整的时间窗口的大小；

85、步骤5-6：将下一任务实际开始时间与上一任务实际结束时间的差再加上相邻任务的任务切换时间，得到需调整时间窗口，比较可调整时间窗口与需调整时间窗口的大小；若可调时间窗口更大，则进入步骤5-7，否则进入步骤5-8；

86、步骤5-7：按照当前任务前移需求和后一任务后移需求的大小去平移当前任务和后一任务，随后将上上一个任务认为当前任务，返回步骤5-3；

87、步骤5-8：认为当前任务为不可执行任务，随后所有可执行的任务按照理论中间时刻进行排序，然后将每个任务的实际起始时刻置为该任务的理论起始时刻，实际结束时刻置为该任务的理论结束时刻，实际中间时刻置为该任务的理论中间时刻，实际最早可见时刻置为理论最早可见时刻，实际最晚可见时刻置为理论最晚可见时刻，并使得当前任务为最早的一个任务，返回步骤5-2。

88、进一步的，所述步骤(7)进行被动推扫姿态规划，具体为：

89、步骤7-1：在实际中间时刻，使卫星指向点目标中心位置，计算此时的滚动角、俯仰角；

90、步骤7-2：被动推扫过程中滚动、俯仰角不变，整个过程中的滚动角和俯仰角速度均为0，滚动角、俯仰角维持为实际中间时刻的角度；

91、步骤7-3：根据整个成像过程中的卫星位置和姿态，计算每一控制周期的偏流角的大小；

92、其数学模型为：

93、

94、其中，表示在惯性坐标系下计算的摄影点相对于卫星的相对速度矢量，表示地球自转角速度矢量，表示地心到摄影点的矢量，表示轨道角速度矢量，是卫星绝对速度的径向分量矢量，ψ是偏流角，lbo是轨道系到本体系的转移矩阵，loi是惯性系到轨道系的转移矩阵，表示在本体系下的表达式，vyb、vxb分别为的y轴和x轴分量；

95、步骤7-4：通过数值微分法计算每一控制周期的偏航姿态角速度；

96、其数学模型为：

97、

98、其中，t1、t2、t3为相邻三个控制周期的时刻，且t1<t2<t3，t为t1～t3内的任意时刻。

99、进一步的，所述步骤(8)进行主动推扫姿态规划具体为：

100、步骤8-1：建立过条带起点、终点的地球大圆劣弧，根据卫星一个控制周期的推扫距离将该大圆劣弧进行等间距分割，得到每个控制周期的摄影点位置；

101、其数学模型为

102、(pb)f＝fb((ps)f,(pe)f,v)

103、式中fb()指摄影点分割函数，pb为主动推扫过程中摄影点的位置，(pb)f表示摄影点pb在地固系的表达式、(ps)f表示条带起点ps在地固系的表达、(pe)f表示条带终点pe在地固系的表达、v是卫星推扫速度；

104、步骤8-2：根据卫星实际成像开始、结束时间和控制周期，使卫星在相应控制周期中看向对应的摄影点，并求此时的卫星滚动角、偏航角；

105、步骤8-3：利用数值微分法，计算每个控制周期的滚动、俯仰角速度；

106、步骤8-4：根据整个成像过程中的卫星位置和姿态，计算每一控制周期的偏流角的大小。

107、具体的，其数学模型为

108、

109、式中，表示卫星姿态角速度矢量，表示从卫星到摄影点的矢量；

110、步骤8-5：通过数值微分法计算每一控制周期的偏航姿态角速度。

111、进一步的，所述步骤(9)进行任务切换姿态规划具体为：

112、步骤9-1：记录相邻任务中当前任务的结束姿态、时刻以及下一任务的起始姿态和时刻；

113、若下一任务为第一个任务，则使卫星在第一个任务实际开始时刻分别使姿态为零姿态和任务开始姿态，求两个姿态矢量的切换时长，在第一个任务实际开始时刻的基础上减去该切换时长作为当前任务的实际结束时刻，而当前任务的结束姿态为零姿态；

114、若当前任务为最后一个任务，则使卫星在最后一个任务实际结束时刻分别使姿态为零姿态和任务结束姿态，求两个姿态矢量的切换时长，在最后一个任务实际结束时刻的基础上加上该切换时长作为下一任务的实际开始时刻，而下一任务的开始姿态为零姿态；

115、步骤9-2，按照多项式姿态规划算法，依次规划每个相邻任务的姿态切换过程曲线；

116、其数学模型为：

117、x＝a0t5+a1t4+a2t3+a3t2+a4t+a5,t∈[ts,te]

118、

119、式中，x表示角度；表示角速度；a0～a5为系数；t为时间；ts为机动开始时刻；te为机动结束时刻。

120、本发明与现有技术相比的有益效果是：

121、(1)本发明提供一种基于目标清单的卫星敏捷成像任务自主规划方法，提升卫星敏捷成像灵活性和使用效能，降低对地面规划工作的依赖。

122、(2)本发明设计了目标清单的内容要素，提供了一种适用于敏捷任务星上自主规划的最小化星地接口形式。

123、(3)本发明给出了任务规划过程中成像窗口的详细定义，使得星上任务规划过程的设计描述合理规范。

技术特征：

1.一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法，其特征在于包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法，其特征在于：所述目标清单是指任务关键信息形成的清单，包括用户指定任务的任务序号、目标类型、目标位置信息、推扫速度、成像时长以及载荷参数信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法，其特征在于：所述进行点目标任务预处理，具体包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法，其特征在于：步骤2-5中基于卫星位置和姿态计算摄影点位置的数学模型为：

5.根据权利要求1所述的一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法，其特征在于：所述步骤(3)进行条带目标任务预处理，具体为：

6.根据权利要求5所述的一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法，其特征在于：所述步骤(4)进行区域目标任务预处理，具体为：

7.根据权利要求6所述的一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法，其特征在于：条带的中点指卫星在区域目标理论中间时刻，仅侧摆方向机动，其摄影点移动方向与条带较长的中心线的交点；条带的两端指卫星在区域目标理论中间时刻，仅侧摆方向机动，其摄影点移动方向与条带较长的两个边的交点。

8.根据权利要求1所述的一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法，其特征在于：所述步骤(5)进行任务时序寻优，具体包括如下步骤：

9.根据权利要求1所述的一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法，其特征在于：所述步骤(7)进行被动推扫姿态规划，具体为：

10.根据权利要求9所述的一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法，其特征在于：所述步骤(8)进行主动推扫姿态规划具体为：

11.根据权利要求10所述的一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法，其特征在于：所述步骤(9)进行任务切换姿态规划具体为：

技术总结
本发明涉及一种基于目标清单的敏捷任务星上自主规划方法，包括：按照任务序号依次判断各个任务的任务类型，如果任务类型为点目标任务，则进行点目标任务预处理：根据轨道信息、点目标中心位置、成像时长和机动范围进行任务窗口的初步规划；如果任务类型为条带目标任务，则进行条带目标任务预处理：根据轨道信息、条带目标起止中点位置、推扫速度和机动范围进行任务窗口的初步规划；如果任务类型为区域目标任务，则进行区域目标任务预处理：根据轨道信息、区域各顶点位置、推扫速度和机动范围进行条带的分割和各条带任务窗口的初步规划；进行任务时序寻优；依次计算任务执行过程和任务切换过程中的姿态信息，进行被动推扫姿态规划、主动推扫姿态规划或者任务切换姿态规划。本发明解决当前敏捷卫星成像任务规划完全依赖地面，导致卫星使用难度大、成像效率低的问题。

技术研发人员：张少雄,张新伟,黄缙,莫凡,史浚青,姚鑫雨,毛一岚,贺涛,李雨廷,殷延鹤,张涛,张津,邱心怡,陆栋宁,阳焱,修义
受保护的技术使用者：中国空间技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23