敏捷光學衛(wèi)星密集區(qū)域推掃成像任務(wù)規(guī)劃方法

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1、６２中國空間科學技術(shù)２０１４年４月ChineseSpaceScienceandTechnology第２期敏捷光學衛(wèi)星密集區(qū)域推掃成像任務(wù)規(guī)劃方法１１，２１林曉輝潘小彤張錦繡（１哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱１５０００１）（２上海微小衛(wèi)星工程中心，上海２０１２０３）摘要敏捷成像衛(wèi)星可以實現(xiàn)利用三軸姿態(tài)機動所形成的推掃成像模式，同時可以在機動過程中同步成像。在敏捷衛(wèi)星成像任務(wù)的基礎(chǔ)上，建立考慮推掃成像模式的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃模型。通過高斯投影建立球面直線掃描條帶的數(shù)學生成模型，并利用Matlab現(xiàn)有函數(shù)進行優(yōu)化解算；由于模型解算的復雜性，將整體規(guī)劃問題分為兩層子問題分別進行處理，在條帶

2、任務(wù)分配中，設(shè)計了適用于計算機計算的含有條帶分配策略的解算算法；在上層規(guī)劃中，基于推掃成像的雙向掃描特性，設(shè)計了基于啟發(fā)式規(guī)則的敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃算法；之后，將不可規(guī)劃條帶拆作孤立點目標進行處理，最后通過再合成處理完成整體規(guī)劃。仿真結(jié)果表明，文章所設(shè)計的算法可以有效處理實際情況下的敏捷衛(wèi)星推掃成像任務(wù)規(guī)劃問題。關(guān)鍵詞敏捷衛(wèi)星；任務(wù)規(guī)劃；掃描條帶；啟發(fā)式規(guī)則DOI：１０暢３７８０／j暢issn暢１０００‐７５８X暢２０１４暢０２暢００８１引言很多國家和地區(qū)都在大力發(fā)展成像衛(wèi)星技術(shù)，以加強在軍事、社會、國民發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)等方［１］［２‐５］面的突出作用。當今成像衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃研究

3、，主要集中在非敏捷衛(wèi)星（只能實現(xiàn)側(cè)視成像）和［６‐８］傳統(tǒng)敏捷衛(wèi)星成像（可以兩軸姿態(tài)機動，實現(xiàn)前視、后視）領(lǐng)域。但當今國際領(lǐng)先的敏捷成像衛(wèi)［９］［１０］星已經(jīng)可以進行三軸姿態(tài)機動，在實現(xiàn)多向推掃成像的同時，可以實現(xiàn)機動與成像并行。目前，針對點目標成像規(guī)劃的研究主要分為兩種：一是將點目標看作單獨孤立目標進行規(guī)劃；二是在衛(wèi)星側(cè)視的條件下利用條帶寬度進行點目標合成，條帶方向平行星下點軌跡。本文綜合敏捷衛(wèi)星的前視、側(cè)視、后視成像能力，考慮點目標間可以合成多種方向的掃描條帶，在實現(xiàn)機動與成像并行的情況下，建立敏捷衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃約束滿足模型，包含條帶內(nèi)部約束、整體約束，將整體模型分層處

4、理，利用Matlab現(xiàn)有算法處理條帶生成問題，設(shè)計包含條帶分配規(guī)則的子問題的處理方法，并利用啟發(fā)式規(guī)則進行整體規(guī)劃和處理條帶掃描方向選取問題。２約束滿足模型約束滿足模型分為兩部分，第一部分約束為“條帶內(nèi)部約束”，構(gòu)成內(nèi)部的約束滿足模型，實現(xiàn)點目標間條帶的形成；第二部分為“條帶外部約束”，構(gòu)成條帶目標和剩余點目標的規(guī)劃約束滿足模型。２暢１條帶內(nèi)部約束的約束滿足模型在處理含有許多點目標的密集區(qū)域的規(guī)劃時，傳統(tǒng)規(guī)劃問題只能將點目標進行孤立處理，點間合成關(guān)系不明確，在此將建立可構(gòu)成一次性掃描的條帶目標的點目標間約束。收稿日期：２０１３‐０７‐０４。收修改稿日期：２０１３‐０９‐３

5、０２０１４年４月中國空間科學技術(shù)６３（１）線型約束直線掃描條帶，即形成一條掃描直線，和以其作為中心線、寬度為成像幅寬的條帶，在此固定該寬度為定值，即地面最小成像寬度。原目標點被投影到中心上，成像光軸沿投影點進行機動，對應衛(wèi)星偏航機動，在投影點處相機線陣方向與“原目標點和投影點”構(gòu)成的直線垂直，完成成像，直線掃描條帶如圖１所示。點目標組合p＝｛o１，o２，o３，?，on｝，采用高斯投影處理掃描條帶的線型問題，其高斯投影橫縱坐標為（xi，yi），構(gòu)成寬度為d的掃描條帶y＝ax＋b的線型約束用公式（１）表示：n≥３axi－yi＋bd（１）i＝δ≤２２a＋１為保證線型的優(yōu)化性能，

6、設(shè)定優(yōu)化指標：圖１直線掃描條帶nFig暢１Linescanstripef＝min∑i（２）δi＝１采用Matlab中現(xiàn)有Fmincon函數(shù)可以直接處理該線型約束。（２）條帶嚴格開始時間窗口約束［４］當點目標構(gòu)成掃描條帶時，條帶內(nèi)目標必須一次性完成觀測掃描，必須存在某一時間段，在此時間段內(nèi)開始對條帶執(zhí)行觀測，條帶內(nèi)部其余所有目標點的觀測時刻在滿足過渡時間約束的情況下，都必須在其可見時間窗口內(nèi)，為節(jié)省規(guī)劃時間鏈，在此嚴格規(guī)定條帶內(nèi)部其余所有目標點的觀測時刻大于其可見時間窗口最早時刻。含有n個目標點（o１，o２，o３，?，on）的條帶目標p，其嚴格開始時間窗口為［Ts，Te］，

7、點目標oi的可見時間窗口［Si，Ei］，觀測時刻為ti，則條帶嚴格開始時間窗口約束為橙tp∈［Ts，Te］，oi、oj∈pti∈（Si，Ei］（３）ti－tj≥dij式中tp表示條帶p開始觀測時間；dij表示點目標oi與oj的觀測姿態(tài)轉(zhuǎn)換時間。嚴格時間窗口確定方法：步驟１：已知起始任務(wù)時間窗口（Ts，Te）。步驟２：取步長δt，得到時刻序列（t０，t１，t２，?，tn－１，tn）。步驟３：依次計算對應后續(xù)目標點觀測時刻。步驟４：可得到４個時刻tm，tm＋１，tw，tw＋１，其中w＞m＋１，且在tm和tw＋１時刻不滿足約束要求，