面向區(qū)域目標(biāo)的敏捷成像衛(wèi)星單軌調(diào)度方法

北京市遙感信息研究所 宋金運 劉翔春 馮寧 劉光輝

隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，我國政府部門愈發(fā)提高對衛(wèi)星調(diào)度工作的重視程度，針對衛(wèi)星調(diào)度情況提出各種相關(guān)規(guī)范，保證衛(wèi)星調(diào)度工作能達到預(yù)期效果。但從目前衛(wèi)星調(diào)度情況來看，其在調(diào)度中很容易受到各種外在因素影響，傳統(tǒng)衛(wèi)星調(diào)度方法很難滿足應(yīng)急觀測強時效性要求，甚至?xí)o整個調(diào)度效果帶來嚴重影響。基于此，本文提出一種面向區(qū)域目標(biāo)的敏捷成像衛(wèi)星單軌調(diào)度方法，通過準確計算出敏捷衛(wèi)星觀測角度、持續(xù)時間、幅寬等數(shù)據(jù)，再利用平行條帶隔離區(qū)域目標(biāo)，從而得到最低姿態(tài)調(diào)整時間，然后采用等步長搜索算法確定區(qū)域目標(biāo)的最佳觀測點，構(gòu)建四顆敏捷成像衛(wèi)星的STK 仿真環(huán)境。經(jīng)過仿真數(shù)據(jù)顯示，這種方法不僅能提升觀測目標(biāo)覆蓋率，且還能降低接收影像的時間。

本文提出敏捷成像衛(wèi)星單軌調(diào)度模型概念，結(jié)合實際情況創(chuàng)新區(qū)域目標(biāo)靜態(tài)分解法，制定全新的動態(tài)分解法，提高衛(wèi)星區(qū)域目標(biāo)數(shù)據(jù)收集效率和質(zhì)量，結(jié)合收集數(shù)據(jù)內(nèi)容計算出搜索最佳方案和觀察區(qū)域目標(biāo)的最佳點[1]。

1 面向區(qū)域目標(biāo)的敏捷成像衛(wèi)星單軌調(diào)度問題

在敏捷成像衛(wèi)星單軌調(diào)度過程中，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)單次過境情況時，工作人員要提高目標(biāo)圖像采集質(zhì)量，合理設(shè)計敏捷衛(wèi)星成像任務(wù)，控制任務(wù)實施時間、開始時間，保證每次成像質(zhì)量能達到衛(wèi)星觀測要求。

1.1 問題描述

（1）衛(wèi)星單軌調(diào)度。成型衛(wèi)星調(diào)度是以天作為調(diào)度周期，所以工作人員在應(yīng)用中要將單軌為調(diào)度周期，讓衛(wèi)星每天環(huán)繞地球飛行，每天調(diào)度能轉(zhuǎn)為無數(shù)個單軌吊度問題；站在時效性角度考慮問題，以單軌為主調(diào)度周期時效性高于以天為調(diào)度單位的周期。

（2）區(qū)域目標(biāo)細化。結(jié)合衛(wèi)星幅寬將區(qū)域目標(biāo)細化為無數(shù)個平行條帶，這些平行條帶能被衛(wèi)星一次推掃成像。而區(qū)域目標(biāo)分解作為單軌調(diào)度的重要環(huán)節(jié)，細化后的成像條帶會給衛(wèi)星覆蓋區(qū)域目標(biāo)范圍帶來不同程度的影響。

（3）衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整時間。衛(wèi)星在相鄰條帶間的姿態(tài)調(diào)整需要應(yīng)用大量時間，并非短時間能夠做到，其涉及到復(fù)雜的衛(wèi)星動力學(xué)知識，在調(diào)度中要合理優(yōu)化其計算步驟。

1.2 問題形式化

基于衛(wèi)星監(jiān)測滿足行業(yè)要求的基礎(chǔ)上，以面向區(qū)域目標(biāo)為基礎(chǔ)，建立健全敏捷成像衛(wèi)星單軌調(diào)度模型。

（1）基本假設(shè)。在成像窗口中衛(wèi)星符合光照、圖像類型等方面要求，擁有大量儲存容量和能量，忽略大幅度姿態(tài)機動和立體圖像獲取任務(wù)給衛(wèi)星圖像幾何處理帶來的影響。

（2）符號和變量。LT 和ET 作為衛(wèi)星對目標(biāo)的最晚觀察時間和最早觀測時間，Max Yaw、Max Roll、Max Pitch分別表示最大偏航角、最大滾動角、最大俯仰角；Angles表示衛(wèi)星觀測擺動總和，每個觀測角用時間Ti、俯仰角Pitchi、偏航角Yaw、滾動角Roll 表示；Swathi 表示衛(wèi)星觀測擺角為i時衛(wèi)星幅寬；Strips 表示成像條帶集合，每個成像條帶用Point1 和Point2 兩個端點、Widthj 條帶寬度、STj 條帶開始時間、Length 條帶長度、Reso-lution 分辨率等進行表示，其中j+1 表示和j相近的下個條帶。

1.3 模型

敏捷成像衛(wèi)星單軌調(diào)度模型如式（1）-式（6）所示:

在上述模型中，公式（1）和公式（2）屬于目標(biāo)函數(shù)，主要目的是讓衛(wèi)星能用最快速度掌握目標(biāo)覆蓋率；公式（3）和公式（4）為約束條件，保證敏捷成像衛(wèi)星單軌調(diào)度中要滿足行業(yè)規(guī)范要求，如衛(wèi)星觀測區(qū)域目標(biāo)在成像窗口內(nèi)、衛(wèi)星觀測擺角必須小于行業(yè)要求、成像條帶寬度高低于衛(wèi)星幅寬、相鄰成像條帶間小于衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整時間要求[2]。

2 區(qū)域目標(biāo)動態(tài)分解

區(qū)域目標(biāo)分解問題和衛(wèi)星觀測擺角選擇有直接聯(lián)系，一旦該環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，很容易給衛(wèi)星成像條帶位置、寬度造成不同程度的影響。因此，工作人員要根據(jù)不同時間段的衛(wèi)星觀測擺角，描述出多個相鄰不重疊的成像條帶，從而實現(xiàn)分解區(qū)域目標(biāo)的目的。同時，敏捷衛(wèi)星在單軌觀測區(qū)域目標(biāo)時，要保證地面成像方位角和衛(wèi)星運動方向的一致性，合理控制區(qū)域目標(biāo)分割方向，確保其和衛(wèi)星軌道方向處于平行，避免區(qū)域目標(biāo)分割單元寬度和衛(wèi)星幅寬兩者差異性較大[3]。

2.1 動態(tài)幅寬

動態(tài)幅寬是指衛(wèi)星幅寬在衛(wèi)星觀測擺角變化過程中所產(chǎn)生的規(guī)律。以Pleiades-1A 衛(wèi)星為例，衛(wèi)星滾動和俯仰會影響到衛(wèi)星幅寬（如表1 所示）。

表1 滾動和俯仰對Pleiades-1A 衛(wèi)星幅寬的影響Tab.1 Effect of roll and pitch on Pleiades-1A satellite width

通過表1 里的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星正視幅寬為20km。當(dāng)滾動角保持不變時，衛(wèi)星幅寬和滾動角變化成正比，從數(shù)據(jù)變化情況來看，滾動角會給衛(wèi)星幅寬帶來嚴重影響；當(dāng)俯仰角和滾動角均低于20°時，衛(wèi)星幅度小于24.9km，和正視幅寬相比，衛(wèi)星幅寬提升范圍低于20%，工作人員可忽略其對區(qū)域目標(biāo)細化的影響；如果超過上述范圍，要將該因素納入其中[4]。

2.2 衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整時間

調(diào)整衛(wèi)星在相鄰條帶之間的姿態(tài)作為目前最常用的方法，其不會影響到衛(wèi)星滾動角，所以衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整計算和條帶俯仰角有直接聯(lián)系（如圖1 所示）。通過分析圖1，點Pj和Pj+1 分別代表條帶j的結(jié)束端點和條帶j+1開始端點在衛(wèi)星下地面軌跡的投影；O、Q是在t衛(wèi)星實際位置和星下點。假如衛(wèi)星擺動角速率為w單位為°/s，Dmin（s）為最低轉(zhuǎn)換時間，衛(wèi)星在某時刻中從條帶結(jié)束端移動到開始端點的姿態(tài)調(diào)整時間如式（7）所示:

圖1 衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整時間計算模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of satellite attitude adjustment time calculation model

2.3 動態(tài)分解法

本文通過靜態(tài)分解法優(yōu)化固定寬度的平行條帶劃分區(qū)域目標(biāo)，提出一種全新的動態(tài)分解法，以動態(tài)幅寬為主體的平臺條帶分割區(qū)域目標(biāo)。目前，動態(tài)分解法作為最常用的分析方法，將目標(biāo)觀測時間為初級分割點，衛(wèi)星幅寬為分割單元速度，衛(wèi)星軌道方向為分割方向，從西向東分割區(qū)域目標(biāo)，分割中實時計算衛(wèi)星各方面數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星姿態(tài)擺角、衛(wèi)星幅寬、分辨率、調(diào)整時間、成像條帶持續(xù)時間等。動態(tài)分解法的偽代碼如下:

算法1:Area Cut Into Strips（T0）

輸入:觀測點T0，且ET ≤T0 ≤LT

輸出:Angles，Strips，TotalTime

（1）初始化Area Cut Into StripsUnCutArea，Total Time；

（2）通過STK 計算出在t時間段衛(wèi)星對未分割區(qū)域目標(biāo)頂點的觀測擺角；

（3）采用STK 得到衛(wèi)星幅寬和分辨率；

（4）結(jié)合衛(wèi)星幅寬往東按軌道方向分割未分割區(qū)域，從而取得成像條帶Strip；

（5）計算條帶實際面積和持續(xù)時間；

（6）利用衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整時間方法計算出衛(wèi)星從開始端點到結(jié)束端點中的具體時間；

（7）實時更新Angles，t，Steips；TotalTime；

（8）當(dāng)t＞LT 時，返回；反之，要回到步驟2 進行重復(fù)計算。

3 等步長搜索算法

在區(qū)域目標(biāo)動態(tài)分析法日常運行過程中，工作人員要提高對觀測點的重視程度，將其作為輸入?yún)?shù)，再利用搜索算法分析觀測點實際情況，結(jié)合等時間步長方面的數(shù)據(jù)規(guī)范出最好觀測點，能有效提升區(qū)域目標(biāo)覆蓋率，降低衛(wèi)星日常消耗量。

等步長搜索算法偽代碼如下:算法2:StepSearch（Δt）

輸入:時間步長Δt，通常選擇1s

輸出:最優(yōu)成像條帶集合Optimal Strips，最大區(qū)域目標(biāo)覆蓋率MxaCou，衛(wèi)星觀測擺角集合Optimal Angles

（1）初始化Optimal Angles、MxaCou、Optimal Strips；

（2）采用算法1Area Cut Into Strips（T）；

（3）計算區(qū)域目標(biāo)覆蓋率，并詳細記錄下來；

（4）更新數(shù)據(jù)t，當(dāng)t＞LT時，返回；反之，要回到步驟2 進行重復(fù)計算；

（5）當(dāng)覆蓋率最高且總耗費時間最低時，方案效果最佳。

4 實驗分析

本文仿真實驗是以海上搜救為實驗背景，選擇中國海岸兩個極具代表性的區(qū)域作為研究對象，所使用的衛(wèi)星是新型高分辨率敏捷衛(wèi)星，最常用Pleiades-1A、WorldView-2、SPOT-6、GeoEye-1 等衛(wèi)星，檢測數(shù)據(jù)如表2 所示，試驗消耗時間為86min，通過采用四顆敏捷衛(wèi)星檢測一次區(qū)域目標(biāo)。

表2 敏捷衛(wèi)星主要參數(shù)Tab.2 Main parameters for agile satellites

根據(jù)上述算法，有利于研究人員確定兩個區(qū)域目標(biāo)的最佳觀測點，結(jié)合實際觀察情況制定健全的分割方案，保證衛(wèi)星觀測擺角點能滿足行業(yè)要求。例如，在Pleiades-1A 衛(wèi)星檢測過程中，通過上述方法能計算出衛(wèi)星觀測擺角數(shù)據(jù)（如表3 所示）。

表3 Pleiades-1A 最優(yōu)觀測擺角集合Tab.3 Pleiades-1A set of optimal observed swing angles

通過利用STK 覆蓋分析功能分析衛(wèi)星檢測區(qū)域目標(biāo)范圍，計算出其姿態(tài)調(diào)整時間，選擇不同幅寬的四顆衛(wèi)星為目標(biāo)，如11km、70km、60km、60km。通過對比實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在分辨率方面和傳統(tǒng)方法方面基本相同，在平均姿態(tài)調(diào)整時間和覆蓋率方面要高于傳統(tǒng)方法。但對于目標(biāo)1 來說，本文所使用的方法在覆蓋率方面要超出傳統(tǒng)方法的17.6%，平均姿態(tài)調(diào)整時間降低22.9%；針對目標(biāo)2 來說，本文方法在覆蓋率方面增加48.4%，平均姿態(tài)調(diào)整時間減少27.5%（如表4 所示）。

表4 覆蓋率、分辨率、平均姿態(tài)調(diào)整時間對比Tab.4 Coverage,resolution,average attitude adjustment time comparison

5 總結(jié)

綜上所述，通過分析面向區(qū)域目標(biāo)的敏捷衛(wèi)星單軌調(diào)度情況來看，建立相應(yīng)模型對提高高分圖像采集能力有重要意義。因此，工作人員要提高對其的重視程度，結(jié)合現(xiàn)場實際情況建立相關(guān)模型，全面采集區(qū)域目標(biāo)數(shù)據(jù)，利用靜態(tài)分析法研究平行條帶分化區(qū)域目標(biāo)，有效解決敏捷衛(wèi)星單軌調(diào)度數(shù)據(jù)收集中存在的問題。