面向資源利用率的成像衛(wèi)星任務規(guī)劃績效評估方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及地觀測技術領域，具體涉及一種面向資源利用率的成像衛(wèi)星任務規(guī)劃 績效評估方法。
【背景技術】
[0002] 對地觀測即在地球表面之外，利用空間飛行器（通常為成像衛(wèi)星）距離地面高的 位置優(yōu)勢，對地球表面進行觀測并獲取其詳細數據的活動。由于對地觀測活動具有地面觀 測所無法取代的優(yōu)勢，其在經濟、社會和軍事層面均具有十分重要的意義，并因此受到了科 研領域極大的重視。近年來，成像衛(wèi)星相關技術發(fā)展極為迅速。星上載荷增加、多軸姿態(tài)控 制技術、非延跡推掃技術、多星編隊組網飛行等技術的發(fā)展給成像衛(wèi)星完成對地觀測任務 的能力帶來了極大的提升。
[0003] 成像衛(wèi)星任務規(guī)劃技術作為指導成像衛(wèi)星執(zhí)行對地觀測任務的唯一手段，其效能 的優(yōu)劣對于對地觀測活動的結果具有極大的影響。因此，成像衛(wèi)星相關技術的發(fā)展同樣給 成像衛(wèi)星任務規(guī)劃技術提出了極大的挑戰(zhàn)。一方面，熱點科學問題的實時追蹤、多傳感器網 絡協同以及大容量圖像數據的傳輸等問題對于新的星地網絡數據傳輸設計提出了更高的 要求；另一方面，現有成像衛(wèi)星數據存儲和數據傳輸系統的能力也制約著由成像衛(wèi)星上的 傳感器產生的海量數據下行到地面的能力。2005年，Steve Chien等在ASE (Autonomous Sciencecraft Experiment)的一篇階段性總結[[i]]中既提出，使用自主規(guī)劃軟件使單 顆成像衛(wèi)星的觀測需求發(fā)生了變化，而這些改變的觀測需求使成像衛(wèi)星的數傳需求顯著上 升。我國學者張兵同樣指出，雖然目前的智能成像衛(wèi)星已經具備了一定的實時任務響應能 力和結合長期和短期天氣預報來進行數據采集的能力，大大提高了成像衛(wèi)星遙感數據的利 用效率，但是面對未來用戶對于成像衛(wèi)星數據的靈活需求，更加靈活的星上數據處理和傳 輸程序仍舊是智能成像衛(wèi)星系統所面對的一大挑戰(zhàn)。同時，由于地面規(guī)劃中采用的成像衛(wèi) 星資源預測模型的不準確性，導致地面規(guī)劃不必要的限制成像衛(wèi)星使用效能的弊端也逐漸 顯現出來。為了應對這些任務規(guī)劃領域的新問題，部分專家學者嘗試將多目標優(yōu)化機制引 入成像衛(wèi)星任務規(guī)劃領域，如C. Pralet、G. Verfaillie等嘗試在現有任務調度方法基礎 上考慮任務數據的有效性，對于星上任務的規(guī)劃方法進行優(yōu)化，并取得了一定的成果。而與 此相對的，對于一種能夠綜合衡量衛(wèi)星資源的使用效率的成像衛(wèi)星任務規(guī)劃績效評估體系 的需求，也越來越迫切。
[0004] 傳統的成像衛(wèi)星任務規(guī)劃算法通常從如下的幾個方面來評價規(guī)劃的整體表現：1、 完成任務的總收益；2、任務的完成率（或任務目標的完成個數）；3、全局任務的最小完成時 間。部分規(guī)劃算法在以上的評價指標基礎上加入了如：1、任務的成像質量；2、任務規(guī)劃的 魯棒性（用可重新安排的任務收益最大表示）；3、較短的規(guī)劃時間；4、規(guī)劃容錯能力等。然 而，這些評價指標基本都是從單純的任務收益出發(fā)，將其他的指標作為對于任務收益的調 整參數進行評估。
[0005] 由于成像衛(wèi)星任務執(zhí)行環(huán)境的復雜化，傳統的成像衛(wèi)星任務規(guī)劃評價方法已經越 來越無法滿足未來的敏捷成像衛(wèi)星任務規(guī)劃系統對于更加全面并且具有綜合性的任務收 益評價體系的需求。Gregory Beaumet提出，敏捷成像衛(wèi)星在進行任務規(guī)劃時，必須考慮成 像衛(wèi)星星上資源以及任務區(qū)域的云層覆蓋率等不確定性環(huán)境對于任務規(guī)劃過程和最終收 益的影響。我國學者張正強、譚躍進同樣指出，對于未來的成像衛(wèi)星自主規(guī)劃系統，星地通 信時間、觀測條件變化、空間傳輸時長等因素是其設計時必須納入考量的問題。同時，傳統 的基于任務總收益或者任務完成率的規(guī)劃評價方法雖然能夠一定程度上比較規(guī)劃算法的 效能，但是卻無法揭示進一步提升算法效果所需要著重考慮的因素。因此，一種能夠從多個 角度對于成像衛(wèi)星績效進行評估的方法，是十分必要的。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對現有技術的缺陷和不足，提供一種面向資源利用率的成像 衛(wèi)星任務規(guī)劃績效評估方法。
[0007] 為了解決【背景技術】所存在的問題，本發(fā)明的面向資源利用率的成像衛(wèi)星任務規(guī)劃 績效評估方法，它的評估方法為：
[0008] (1)、績效評估方法：
[0009] (1. 1)、成像質量的任務總收益：
[0010] 任務總收益P的計算公式如下：
[0012] 其中，MCN代表規(guī)劃實際完成的任務數,P1代表第i個任務的收益，CR i代表第i個 任務上空的云量系數,D1為第i個任務的成像清晰系數，由成像時間偏離觀測時間窗中心點 的程度表示；
[0013] D1的具體計算方法如下：
[0015] 其中，OET1為第i個任務的觀測窗開始時間，OST i為第i個任務的觀測窗結束時 間，MST1為第i個任務的任務開始時間，MET i為第i個任務的任務結束時間；
[0016] (1. 2)、上傳資源剩余可用率；
[0017] (1.3)、觀測資源利用率；
[0018] (1. 4)、回傳資源剩余可用率；
[0019] (2)、評估實例：（2. 1)、成像衛(wèi)星任務規(guī)劃方法；
[0020] (2. I. 1)、地面批處理任務規(guī)劃方法；
[0021] (2. 1. 2)、天氣預報的地面批處理任務規(guī)劃方法；
[0022] (2. 1. 3)、實時氣象條件的星上自主任務規(guī)劃方法；
[0023] (2. 2)、實驗場景設計；
[0024] (2. 3)、仿真實驗結果；并對實驗結果進行分析。
[0025] 本發(fā)明有益效果為：便于快速進行數據上傳，操作簡便，使用方便，同時節(jié)省時間， 效率高。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明中地面批處理任務規(guī)劃基本流程圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明中考慮天氣預報的地面批處理任務規(guī)劃基本流程圖；
[0028] 圖3為本發(fā)明中考慮實時氣象條件的星上自主任務基本流程圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0030] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及具體實施 方式，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的【具體實施方式】僅用以解釋本 發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0031] 本【具體實施方式】采用如下技術方案：它的評估方法為：
[0032] 1、績效評估方法：
[0033] 在充分考慮實際任務需求以及實際數據的可獲得性能力的前提下，設置了以下四 個主要指標：
[0034] 1. 1、成像質量的任務總收益：
[0035] 單個衛(wèi)星成像任務的收益除了取決于任務數據本身的價值之外，還受到任務區(qū)域 上空的氣象條件以及拍攝時衛(wèi)星載荷與目標物之間夾角的影響。其中，氣象條件的影響主 要指任務區(qū)域上空的云層對于任務區(qū)域的遮擋導致任務數據的價值下降；拍攝角度則主要 影響任務數據的圖像清晰度（當成像衛(wèi)星位于目標物正上方時成像的清晰度最高）。在考 慮以上兩個因素的基礎上，定義任務總收益P的計算公式如下：
[0037] 其中，MCN代表規(guī)劃實際完成的任務數,P1代表第i個任務的收益，CR i代表第i個 任務上空的云量系數，D1為第i個任務的成像清晰系數，由成像時間偏離觀測時間窗中心 點的程度表示；
[0038] D1的具體計算方法如下：
[0040] 其中，OET1為第i個任務的觀測窗開始時間，OST i為第i個任務的觀測窗結束時 間，MST1為第i個任務的任務開始時間，MET i為第i個任務的任務結束時間。
[0041] 1.2、上傳資源剩余可用率：
[0042] 隨著成像衛(wèi)星星上硬件資源（如電池容量，固存容量，姿態(tài)轉換器效率等）的增 加，成像衛(wèi)星執(zhí)行任務的能力越來越強。而與此相對的，衛(wèi)星與地面站的通訊時間和任務數 據量的大小則限制了成像衛(wèi)星能夠接收到的任務的數量。因此，選擇何種數據上傳手段將 任務信息上注至成像衛(wèi)星，顯著的限制了成像衛(wèi)星收益的上限。定義上傳資源剩余可用率 來衡量任務規(guī)劃方法的這一屬性。在任務整體收益不下降且地面站狀態(tài)不變的情況下，該 項指標的值越高，代表成像衛(wèi)星的使用收益在未來的可提升空間越大。為了定義上傳資源 剩余可用率UP，首先定義第i個任務的上傳時間uti:
[0044] 其中，ML1為第i個任務的信息總量，DUR為地面站上傳任務信息的速度。根據以 上條件定義上傳資源空閑負載率UP如下：
[0046] 其中，UWS為上傳窗開始時間，UWE為上傳窗結束時間。
[0047] 1.3、觀測資源利用率：
[0048] 每個觀測任務的收益和觀測任務區(qū)域上空的云量有直接的關系。當任務區(qū)域上空 的云量超過一定的上限時，觀測數據將完全失去效果。如將無效數據寫入成像衛(wèi)星固存，不 但會占據有效數據的存儲空間，還可能覆蓋原本存在的有效數據，從而削減成像衛(wèi)星的使 用收益。因此，合理分配成像衛(wèi)星固存容量，盡量減少成像衛(wèi)星固存中無效數據的比例，對 于成像衛(wèi)星任務規(guī)劃具有重要意義。為了定義觀測資源利用率0WR，首先定義第i個任務的 有效觀測時間EOT1:
[0050] 其中，DT1為第i個任務的持續(xù)時間，cr為預設的保證成像衛(wèi)星任務數據有效的任 務區(qū)域云量上限。因此，觀測資源利用率OWR被定義為有效觀測時間和任務總觀測時間的 比值：
[0052] 1. 4、回傳資源剩余可用率：
[0053] 在自主成像衛(wèi)星的任務數據回傳規(guī)劃中，任務數據回傳規(guī)模和執(zhí)行任務時任務區(qū) 域上空的云量有關；而非自主成像衛(wèi)星在傳輸數據時不考慮數據的有效性，因此全部任務 數據都作為有效數據下傳。下傳大量的無效數據會擠占有限的