CN109901232B - 空间碎片天基光学观测任务的生成方法、存储介质及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间碎片天基光学观测任务的生成方法，包括：得到姿态机动角和开机持续时间集；将不满足观测星姿态机动限制约束和环境约束条件的元素从对姿态机动角和开机持续时间集中删除；构成一个元素组合集；根据观测总效能、任务总时间和总资源消耗目标函数，得到所述元素组合集中每个元素组合所对应的观测总效能、任务总时间及总资源消耗；对每个元素组合所对应的观测总效能、任务总时间及总资源消耗进行加权求和，得到各个元素组合对应的目标值并将最大的目标值所对应的元素组合作为姿态协同下的GEO碎片天基光学观测任务。本发明还公开了一种存储介质和系统。本发明填补GEO碎片天基光学观测任务规划的空白。

Description

空间碎片天基光学观测任务的生成方法、存储介质及系统

技术领域

本发明涉及天基光学观测技术领域，具体涉及一种空间碎片天基光学观测任务的生成方法、存储介质及系统。

背景技术

随着航天活动日益频繁，空间碎片数量快速增加，对空间安全造成了严重威胁。了解和掌握空间碎片可以为空间态势感知、空间资源开发、在轨服务等提供支持。天基光学观测手段在碎片观测中因为其受地球大气影响小、观测范围大、观测时效性高、观测精度高等优势，在国内外被广泛应用。

任务规划模型决定了观测方案的合理性。已有的航天器任务规划研究大多针对导航定位卫星、遥感卫星、对地侦察卫星开展，很少见天基碎片观测的任务规划的相关研究。

发明内容

本发明的目的之一，在于提供一种GEO碎片天基光学观测任务的生成方法，以填补GEO碎片天基光学观测任务规划的空白。

本发明的目的之二，在于提供一种存储介质。

本发明的目的之三，在于提供一种GEO碎片天基光学观测任务的生成系统。

为了达到上述目的之一，本发明采用技术方案实现：

一种GEO碎片天基光学观测任务的生成方法，所述生成方法包括如下步骤：

获取每个时间点所对应的观测星能够观测到每个碎片时的姿态机动角和开机持续时间，进而得到姿态机动角和开机持续时间集；

将不满足观测星姿态机动限制约束和环境约束条件的元素从所述对姿态机动角和开机持续时间集中删除，得到删除后的姿态机动角和开机持续时间集；

从删除后的姿态机动角和开机持续时间集中找出满足观测星每次观测一个碎片且满足相邻两次姿态机动时间间隔约束时所有元素组合，构成一个元素组合集；

根据观测总效能、任务总时间和总资源消耗目标函数，得到所述元素组合集中每个元素组合所对应的观测总效能、任务总时间及总资源消耗；

对每个元素组合所对应的观测总效能、任务总时间及总资源消耗进行加权求和，得到各个元素组合对应的目标值并将最大的目标值所对应的元素组合作为姿态协同下的GEO碎片天基光学观测任务。

进一步的，所述姿态机动角和开机持续时间集的每个元素包括开机时间、碎片、姿态机动角和开机持续时间。

进一步的，所述观测星姿态机动限制约束为：

其中，

和

分别为第i次观测第j个GEO碎片沿x、y和z轴机动的角度；θ^x_min、θ^y_min和θ^z_min分别为观测星沿x、y和z轴机动角度的下限；θ^x_max、θ^y_max和θ^z_max分别为观测星沿x、y和z轴机动角度的上限；θ_i,j为第i次观测第j个GEO碎片的合成调姿角度θ^max为观测星的合成调姿角度上限。进一步的，所述环境约束条件包括SAA区域约束、地气光约束、太阳光约束、月光约束、反射角约束和地影约束。

进一步的，所述观测总效能采用如下公式获取：

其中，V为观测总效能；V_j为第j个GEO碎片的观测效能；η_j和SNR_j分别为第j个GEO碎片的价值和观测信噪比；τ₁为碎片的价值与观测信噪比的权重比；

和

分别为第j个GEO碎片一个周期内的观测次数、观测总弧长和观测弧段总间隔；τ₂、τ₃和τ₄别为碎片一个周期内的观测次数、观测总弧长和观测弧段总间隔所对应的权重系数。

进一步的，所述任务总时间采用如下公式获取：

其中，ΔT为任务总时间，I为观测次数；

和

分别为最后一次观测相机开机时间、观测相机开机持续时间和第一次观测相机开机时间。

进一步的，所述总消耗资源采用如下公式获取：

其中，ΔE为总消耗资源；

和

分别为第i次观测第j个GEO碎片时沿x轴、y轴、和z轴机动的角度；Δe^g_att为每机动1°消耗的资源；

为了达到上述目的之二，本发明采用技术方案实现：

一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序指令，通过执行所述计算机程序指令，实现上述所述的生成方法。

为了达到上述目的之三，本发明采用技术方案实现：

一种GEO(地球静止轨道)碎片天基光学观测任务的生成系统，所述生成系统包括获取模块、删除模块、元素组合集构成模块、目标函数模块和加权求和模块；

所述获取模块，用于获取获取每个时间点所对应的观测星能够观测到每个碎片时的姿态机动角和开机持续时间，进而得到姿态机动角和开机持续时间集给所述删除模块；

所述删除模块，将不满足观测星姿态机动限制约束和环境约束条件的元素从所述对姿态机动角和开机持续时间集中删除，得到删除后的姿态机动角和开机持续时间集给所述元素组合集构成模块；

所述元素组合集构成模块，用于从删除后的姿态机动角和开机持续时间集中找出满足观测星每次观测一个碎片且满足相邻两次姿态机动时间间隔约束时所有元素组合，构成一个元素组合集给所述目标函数模块；

所述目标函数模块，用于根据观测总效能、任务总时间和总资源消耗目标函数，得到所述元素组合集中每个元素组合所对应的观测总效能、任务总时间及总资源消耗所述加权求和模块；

所述加权求和模块，用于对每个元素组合所对应的观测总效能、任务总时间及总资源消耗进行加权求和，得到各个元素组合对应的目标值并将最大的目标值所对应的元素组合作为姿态协同下的GEO碎片天基光学观测任务。

进一步的，所述观测星姿态机动限制约束为：

其中，

和

分别为第i次观测第j个GEO碎片沿x、y和z轴机动的角度；θ^x_min、θ^y_min和θ^z_min分别为观测星沿x、y和z轴机动角度的下限；θ^x_max、θ^y_max和θ^z_max分别为观测星沿x、y和z轴机动角度的上限；θ_i,j为第i次观测第j个GEO碎片的合成调姿角度θ^max为观测星的合成调姿角度上限；

所述环境约束条件包括SAA区域约束、地气光约束、太阳光约束、月光约束、反射角约束和地影约束。

本发明的有益效果：

1、本发明考虑了影响天基光学观测的多种约束，以观测效能较优、任务总时间较短、消耗资源较少为优化目标，以每次观测的GEO碎片、观测星的姿态调整角度、观测相机的开机时间以及持续时间为决策变量，实现了姿态协同下的GEO碎片天基光学观测任务的设计。

2、本发明考虑了观测活动约束、资源使用约束、时间窗口约束和环境约束等约束条件，基本涵盖了GEO碎片天基光学观测试验设计需要考虑的所有约束，较为全面。

附图说明

图1为姿态协同下的GEO碎片天基光学观测任务的生成方法流程示意图。

具体实施方式

下面根据附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细的解释和说明。

本实施例根据目标函数(包括观测总效能、任务总时间和总资源消耗)最优化，即使观测总效能较优、任务总时间较短和总消耗资源较少，结合约束条件观测活动约束、资源使用约束、时间窗口约束及环境约束，得到决策变量

θ_i,j表示第i次观测第j个GEO碎片时观测星需要对姿态进行机动的角度，包括

其中，

为沿x轴机动的角度，

为沿y轴机动的角度，

为沿z轴机动的角度；

和

分别为第i次观测第j个GEO碎片时观测相机的开机时间和开机持续时间，即为GEO碎片天基光学观测任务，参考图1，该生成方法包括如下步骤：

步骤一、获取每个时间点所对应的观测星能够观测到每个碎片时的姿态机动角和开机持续时间，进而得到姿态机动角和开机持续时间集。

本实施例的姿态机动角和开机持续时间集的每个元素包括开机时间、碎片、姿态机动角和开机持续时间。

步骤二、将不满足观测星姿态机动限制约束和环境约束条件的元素从所述对姿态机动角和开机持续时间集中删除，得到删除后的姿态机动角和开机持续时间集。

本实施例的观测星姿态机动限制约束为：

其中，

和

分别为第i次观测第j个GEO碎片沿x、y和z轴机动的角度；θ^x_min、θ^y_min和θ^z_min分别为观测星沿x、y和z轴机动角度的下限；θ^x_max、θ^y_max和θ^z_max分别为观测星沿x、y和z轴机动角度的上限；θ_i,j为第i次观测第j个GEO碎片的合成调姿角度θ^max为观测星的合成调姿角度上限。

通常情况下，观测星不同时对三轴进行机动，设可以进行机动的轴的组合为X、Y、Z、XZ，则：

本实施例的环境约束条件包括SAA区域约束、地气光约束、太阳光约束、月光约束、反射角约束和地影约束。

1、SAA区域约束

SAA区域对仪器及观测结果有很大影响，观测相机在执行观测任务期间，进入SAA区域时应处于关机断电状态。即：

其中，

分别为第i次观测时观测星的星下点经、纬度，{SAA^area}为SAA区域。

2、地气光约束

星下点地表光照情况和相机离轴角对观测结果有很大影响，应尽量在星下点地表暗的情况开展，且离轴角(相机光轴与一定高度大气临边的夹角)应大于一定值。即：

其中，

分别为第i次观测时观测星的星下点经、纬度，

为第i次观测时观测相机离轴角，γ^min为不受杂光影响的最小离轴角。

3、太阳光约束

需充分考虑太阳光的约束条件。即：

其中，

为第i次观测时观测相机光轴与太阳光之间的夹角，α^sun_min为可以不受太阳光影响的最小的观测相机光轴与太阳之间的夹角。

4、月光约束

需充分考虑月光的约束条件。即：

其中，

为第i次观测时观测相机光轴与月光之间的夹角，α^moon_min为可以不受月光影响的最小的观测相机光轴与月球之间的夹角。

5、反射角约束

反射角(太阳-GEO碎片与GEO碎片-相机之间的夹角)是观测GEO碎片亮度的主要决定因素，随着卫星的运行，反射角实时变化且变化范围很大(0°～180°)，在试验设计时，需充分考虑反射角的约束条件。即：

其中，

为第i次观测时观测星对第j个GEO碎片的反射角，α^echo_max为能够符合观测亮度要求的最大反射角。

6、地影约束

地球本影、半影对试验影响较大，在试验设计时，需充分考虑地影的约束条件。

其中，

为第j个GEO碎片位置，{umbra,penumbra}为地球本影及半影区域。

步骤三、从删除后的姿态机动角和开机持续时间集中找出满足观测星每次观测一个碎片且满足相邻两次姿态机动时间间隔约束时所有元素组合，构成一个元素组合集。

本实施例的观测星每次观测一个碎片为：

s.t.姿态机动θ_i,j时，第j个GEO碎片能够进入相机视场。

考虑观测星的姿态调整能力，对相邻两次姿态机动时间间隔做如下约束：

其中，

和

分别为第i和i-1次观测的观测相机开机时间，近似为两次姿态机动的时间，t^a_min为相邻两次姿态机动最小时间间隔。

考虑观测星的姿态调整能力，对姿态机动保持时间做如下约束：

其中，

为第i次观测第j个GEO碎片时观测相机的开机持续时间，近似为姿态机动保持时间，θ_i,j为第i次观测第j个GEO碎片时需要对姿态机动的角度，t^ar_max表示单位角度能够支持的最大机动保持时间。

步骤四、根据观测总效能、任务总时间和总资源消耗目标函数，得到所述元素组合集中每个元素组合所对应的观测总效能、任务总时间及总资源消耗。

本实施例采用如下公式得到观测总效能：

其中，V为观测总效能；V_j为第j个GEO碎片的观测效能；η_j和SNR_j分别为第j个GEO碎片的价值和观测信噪比；τ₁为碎片的价值与观测信噪比的权重比；

和

分别为第j个GEO碎片一个周期内的观测次数、观测总弧长和观测弧段总间隔；τ₂、τ₃和τ₄别为碎片一个周期内的观测次数、观测总弧长和观测弧段总间隔所对应的权重系数。

任务总时间采用如下公式获取：

其中，ΔT为任务总时间；I为观测次数；

和

分别为最后一次观测相机开机时间、观测相机开机持续时间和第一次观测相机开机时间。

总资源消耗采用如下公式获取：

其中，ΔE为总资源消耗；

和

分别为第i次观测第j个GEO碎片时沿x轴、y轴、和z轴机动的角度；Δe^g_att为每机动1°消耗的资源。

步骤五、对每个元素组合所对应的观测总效能、任务总时间及总资源消耗进行加权求和，得到各个元素组合对应的目标值并将最大的目标值所对应的元素组合作为姿态协同下的GEO碎片天基光学观测任务。

根据偏重程度对上述各个参数所对应的权值进行设定，如偏重观测效能，则对应的权值偏大，反之，则相对偏小。

本实施例考虑了影响天基光学观测的多种约束，以观测效能较优、任务总时间较短、消耗资源较少为优化目标，以每次观测的GEO碎片、观测星的姿态调整角度、观测相机的开机时间以及持续时间为决策变量，实现了姿态协同下的GEO碎片天基光学观测任务的设计；考虑了观测活动约束、资源使用约束、时间窗口约束和环境约束等约束条件，基本涵盖了GEO碎片天基光学观测试验设计需要考虑的所有约束，较为全面。

另一实施例给出了一种存储介质，该存储介质存储有计算机程序指令，通过执行所述计算机程序指令，实现上述实施例给出的生成方法。

又一实施例给出了一种GEO碎片天基光学观测任务的生成系统，该生成系统包括获取模块、删除模块、元素组合集构成模块、目标函数模块和加权求和模块。获取模块，用于获取获取每个时间点所对应的观测星能够观测到每个碎片时的姿态机动角和开机持续时间，进而得到姿态机动角和开机持续时间集给删除模块；删除模块，将不满足观测星姿态机动限制约束和环境约束条件的元素从所述对姿态机动角和开机持续时间集中删除，得到删除后的姿态机动角和开机持续时间集给元素组合集构成模块；元素组合集构成模块，用于从删除后的姿态机动角和开机持续时间集中找出满足观测星每次观测一个碎片且满足相邻两次姿态机动时间间隔约束时所有元素组合，构成一个元素组合集给目标函数模块。目标函数模块，用于根据观测总效能、任务总时间和总资源消耗目标函数，得到所述元素组合集中每个元素组合所对应的观测总效能、任务总时间及总资源消耗加权求和模块；加权求和模块，用于对每个元素组合所对应的观测总效能、任务总时间及总资源消耗进行加权求和，得到各个元素组合对应的目标值并将最大的目标值所对应的元素组合作为姿态协同下的GEO碎片天基光学观测任务。本实施例的观测星姿态机动限制约束为：

其中，

和

分别为第i次观测第j个GEO碎片沿x、y和z轴机动的角度；θ^x_min、θ^y_min和θ^z_min分别为观测星沿x、y和z轴机动角度的下限；θ^x_max、θ^y_max和θ^z_max分别为观测星沿x、y和z轴机动角度的上限；θ_i,j为第i次观测第j个GEO碎片的合成调姿角度θ^max为观测星的合成调姿角度上限。

环境约束条件包括SAA区域约束、地气光约束、太阳光约束、月光约束、反射角约束和地影约束。

上述实例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照最佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种空间碎片天基光学观测任务的生成方法，其特征在于，所述生成方法包括如下步骤：

获取每个时间点所对应的观测星能够观测到每个碎片时的姿态机动角和开机持续时间，进而得到姿态机动角和开机持续时间集；

将不满足观测星姿态机动限制约束和环境约束条件的元素从所述姿态机动角和开机持续时间集中删除，得到删除后的姿态机动角和开机持续时间集；

从删除后的姿态机动角和开机持续时间集中找出满足观测星每次观测一个碎片且满足相邻两次姿态机动时间间隔约束时所有元素组合，构成一个元素组合集；

根据观测总效能、任务总时间和总资源消耗目标函数，得到所述元素组合集中每个元素组合所对应的观测总效能、任务总时间及总资源消耗；

对每个元素组合所对应的观测总效能、任务总时间及总资源消耗进行加权求和，得到各个元素组合对应的目标值并将最大的目标值所对应的元素组合作为姿态协同下的GEO碎片天基光学观测任务。

2.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述姿态机动角和开机持续时间集的每个元素包括开机时间、碎片、姿态机动角和开机持续时间。

3.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述观测星姿态机动限制约束为：

其中，

和

分别为第i次观测第j个GEO碎片沿x、y和z轴机动的角度；θ^x_min、θ^y_min和θ^z_min分别为观测星沿x、y和z轴机动角度的下限；θ^x_max、θ^y_max和θ^z_max分别为观测星沿x、y和z轴机动角度的上限；θ_i,j为第i次观测第j个GEO碎片的合成调姿角度θ^max为观测星的合成调姿角度上限。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的生成方法，其特征在于，所述环境约束条件包括SAA区域约束、地气光约束、太阳光约束、月光约束、反射角约束和地影约束。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的生成方法，其特征在于，所述观测总效能采用如下公式获取：

其中，V为观测总效能；V_j为第j个GEO碎片的观测效能；η_j和SNR_j分别为第j个GEO碎片的价值和观测信噪比；τ₁为碎片的价值与观测信噪比的权重比；

和

分别为第j个GEO碎片一个周期内的观测次数、观测总弧长和观测弧段总间隔；τ₂、τ₃和τ₄别为碎片一个周期内的观测次数、观测总弧长和观测弧段总间隔所对应的权重系数。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述的生成方法，其特征在于，所述任务总时间采用如下公式获取：

其中，ΔT为任务总时间；I为观测次数；

和

分别为最后一次观测相机开机时间、观测相机开机持续时间和第一次观测相机开机时间。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述的生成方法，其特征在于，所述总资源消耗采用如下公式获取：

其中，ΔE为总资源消耗；

和

分别为第i次观测第j个GEO碎片时沿x轴、y轴、和z轴机动的角度；Δe^g_att为每机动1°消耗的资源。

8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序指令，通过执行所述计算机程序指令，实现权利要求1～7任意一项所述的生成方法。

9.一种空间碎片天基光学观测任务的生成系统，其特征在于，所述生成系统包括获取模块、删除模块、元素组合集构成模块、目标函数模块和加权求和模块；

所述获取模块，用于获取获取每个时间点所对应的观测星能够观测到每个碎片时的姿态机动角和开机持续时间，进而得到姿态机动角和开机持续时间集给所述删除模块；

所述删除模块，将不满足观测星姿态机动限制约束和环境约束条件的元素从所述姿态机动角和开机持续时间集中删除，得到删除后的姿态机动角和开机持续时间集给所述元素组合集构成模块；

所述元素组合集构成模块，用于从删除后的姿态机动角和开机持续时间集中找出满足观测星每次观测一个碎片且满足相邻两次姿态机动时间间隔约束时所有元素组合，构成一个元素组合集给所述目标函数模块；

所述目标函数模块，用于根据观测总效能、任务总时间和总资源消耗目标函数，得到所述元素组合集中每个元素组合所对应的观测总效能、任务总时间及总资源消耗所述加权求和模块；

所述加权求和模块，用于对每个元素组合所对应的观测总效能、任务总时间及总资源消耗进行加权求和，得到各个元素组合对应的目标值并将最大的目标值所对应的元素组合作为姿态协同下的GEO碎片天基光学观测任务。

10.根据权利要求9所述的生成系统，其特征在于，所述观测星姿态机动限制约束为：

其中，

和

分别为第i次观测第j个GEO碎片沿x、y和z轴机动的角度；θ^x_min、θ^y_min和θ^z_min分别为观测星沿x、y和z轴机动角度的下限；θ^x_max、θ^y_max和θ^z_max分别为观测星沿x、y和z轴机动角度的上限；θ_i,j为第i次观测第j个GEO碎片的合成调姿角度θ^max为观测星的合成调姿角度上限；

所述环境约束条件包括SAA区域约束、地气光约束、太阳光约束、月光约束、反射角约束和地影约束。

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