基于变邻域搜索的多卫星区域观测规划方法

1.本发明属于卫星任务规划领域，具体的说是一种基于变邻域搜索的多卫星区域观测规划方法。


背景技术：

2.地球观测卫星(eos：earth observation satellite)，或称为成像卫星(以下简称为“卫星”)，其主要功能之一是通过星载传感器(如可见光相机、多光谱相机)对陆地、海洋、大气等进行观测。观测的需求由来自农业、林业、海洋、国土、环保、气象等各个领域、各个部门的用户提出，在卫星的地面管控中心汇总，管控中心根据观测需求，结合卫星资源使用情况，综合制定各个卫星的成像观测计划，并生成测控指令，经由地面测控站上传给卫星，卫星在接收到指令后作出相应的动作，对指定的区域进行成像，所成影像数据暂时保存在星载硬盘上，当行至与地面站可通信时，将影像数据下传至地面站。在该过程中，地面管控中心制定卫星成像计划的环节称为卫星任务规划，是整个卫星使用管理过程中的关键环节之一。
3.由于卫星的运行受轨道限制，单颗卫星一次过境只能拍摄一个有限长度和宽度的条带区域，如果待观测的区域较大，则单颗卫星多次过境也难以完整观测整个区域。在这种情况下，必须调动多颗卫星同时规划以提供协同观测。但卫星资源有限，为了更好的利用现有的卫星观测资源，应当制定一个合理的计划，需要根据目标区域信息和卫星的参数来规划卫星在运行到达目标区域上空时的观测姿态、观测的起始时间以及结束时间，使得多颗卫星的协同观测范围对目标区域的覆盖率尽可能大。这是一类典型的运筹优化问题，存在迫切的现实需求。
4.在多卫星区域观测问题的处理中，网格离散化方法是目前区域处理的常用手段。然而，网格离散法在使用中很难直接确定最佳网格粒度，关于网格粒度的确定，在大多数实际应用中都是凭借经验确定的。当网格划分的粒度较大时，在此基础上构造出的条带会比较稀疏，不利于方案的组合；当网格划分的粒度较小时，会产生数量较大的网格，随之产生的条带不仅数量较大，在位置上的排列也非常密集，会造成较大的计算负担和搜索负担。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于变邻域搜索的多卫星区域观测规划方法，以期能以合适的计算资源得到较好的多卫星协同观测方案，从而能在实际环境下充分利用卫星资源，提升卫星利用效率。
6.本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
7.本发明一种基于变邻域搜索的多卫星区域观测规划方法的特点在于，是应用于多颗卫星共同观测一个目标区域r的观测任务中，假设所有卫星的观测时间窗口集合为c＝{c1,c2,...,ci,...,cn}，ci表示第i个观测机会，n表示观测机会总数；用表示第i个观测
机会ci对应的局部区域；用k表示当前网格层级，用表示第i个观测机会ci在第k层网格上构成条带的集合，其中，表示第i个观测机会ci在第k层网格上构造出的第j个条带，表示第i个观测机会ci在第k层构造出的条带的数量；所述多卫星区域观测规划方法是按如下步骤进行：
8.步骤1、将目标区域r进行整体初始网格划分，得到第1层网格；
9.步骤2、在第1层网格上为第i个观测机会ci构造出对应的备选条带，从而得到第i个观测机会ci在第1层网格上的条带集合其中，表示第i个观测机会ci在第1层网格上构造出的第j个条带，i＝1,2,...,n；
10.步骤3、从每个观测机会的一层条带集合中分别随机选择一个条带，选出的条带构成初始解x0：
11.步骤3.1、令i＝1；
12.步骤3.2、从集合中随机选择一个条带作为第i个观测机会ci在第1层网格上的条带；
13.步骤3.3、令i 1赋值给i，重复步骤3.2，直到i＝n为止，从而得到初始解x0；
14.步骤4、设最优解xb＝x0，当前解x＝x0；
15.步骤5、令m＝1；
16.步骤6、若m＝1，则执行步骤6.1a-步骤6.6a；若m＝2，执行步骤6.1b-步骤6.6b；
17.步骤6.1a、从当前解x中随机选择一个观测机会ca，观测机会ca在x中对应的条带为sa；
18.步骤6.2a、用ka表示其对应条带sa的所在层级，即表示观测机会ca在ka层网格上构造的条带集合，且表示观测机会ca在ka层网格上构造的第j个条带，表示观测机会ca在ka层网格上构造的条带数量；
19.步骤6.3a、对观测机会ca对应的局部区域进行嵌套，构造观测机会ca在ka 1层网格上的条带集合表示观测机会ca在ka 1层网格上构造的第j个条带，表示观测机会ca在ka 1层网格上构造的条带数量；
20.步骤6.4a、用中的第一个条带替换x中的条带sa，并与x的其余条带构成解
21.步骤6.5a、重复次步骤6.4a，直到得到解
22.步骤6.6a、选出解集中覆盖面积最大的解，作为局部最优解x'；
23.步骤6.1b、从当前解x中随机选择两个观测机会ca和cb，且a≠b；
24.步骤6.2b、用ka表示其对应条带sa的所在层级，即用kb表示其对应条带sb的所在层级，即表示观测机会ca在ka层网格上构造的条带集合；且表示观测机会cb在kb层网格上构造的条带集合，表示观测机会ca在ka层网格上构造的第j个条带，表示观测机会ca在ka层网格上构造的条带数量；表示观测机会cb在kb层网格上构造的第j个条带，表示观测机会cb在kb层网格上构造的条带数量；
25.步骤6.3b、对观测机会ca对应的局部区域和观测机会cb对应的局部区域进行嵌套，分别构造新的条带集合和表示观测机会ca在ka 1层网格上构造的第j个条带；表示观测机会ca在ka 1层网格上构造的条带数量；表示观测机会cb在kb 1层网格上构造的第j个条带；表示观测机会cb在kb 1层网格上构造的条带数量；
26.步骤6.4b、用中的第一个条带替换x中条带sa，用中的第一个条带替换x中条带sb，与x的其余条带构成解
27.步骤6.5b、重复次步骤6.4b，直到得到解
28.步骤6.6b、选出解集中覆盖面积最大的解，作为局部最优解x'；
29.步骤7、如果x'优于xb，则更新xb＝x'，令m＝1；否则，将m 1赋给m；
30.步骤8、若m≤2，转步骤6；否则，输出最优解xb。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
32.本发明将局部区域和变邻域搜索算法结合起来，通过局部嵌套构造新的条带对当前解进行扰动；提出了两种邻域构造方式，来构造从不同层次选择的条带寻找当前解的邻域解，从而丰富了卫星区域观测条带，便于获得更好的覆盖观测方案，提高了卫星资源的利用效率。
附图说明
33.图1为本发明基于变邻域搜索的多卫星区域观测规划方法的流程图；
34.图2为本发明多卫星区域目标协同观测示意图。
具体实施方式
35.本实施例中，如图2所示，一种基于变邻域搜索的多卫星区域观测规划方法，是应用于多颗卫星共同观测一个目标区域r的观测任务中，假设所有卫星的观测时间窗口集合为c＝{c1,c2,...,ci,...,cn}，ci表示第i个观测机会，n表示观测机会总数；用表示第i个观测机会ci对应的局部区域；用k表示当前网格层级，用表示第
i个观测机会ci在第k层网格上构成条带的集合，其中，表示第i个观测机会ci在第k层构造出的第j个条带，表示第i个观测机会ci在第k层构造出的条带的数量；如图1所示，多卫星区域观测规划方法是按如下步骤进行：
36.步骤1、将目标区域r进行整体初始网格划分，得到第1层网格；
37.步骤2、在第1层网格上为第i个观测机会ci构造出对应的备选条带，从而得到第i个观测机会ci在第1层网格上的条带集合其中，表示第i个观测机会ci在第1层网格上构造出的第j个条带，i＝1,2,...,n；
38.步骤3、从每个观测机会的一层条带集合中分别随机选择一个条带，选出的条带构成初始解x0：
39.步骤3.1、令i＝1；
40.步骤3.2、从集合中随机选择一个条带作为第i个观测机会ci在第1层网格上的条带；
41.步骤3.3、令i 1赋值给i，重复步骤3.2，直到i＝n为止，从而得到初始解x0；
42.步骤4、设最优解xb＝x0，当前解x＝x0；
43.步骤5、令m＝1；
44.步骤6、若m＝1，则执行步骤6.1a-步骤6.6a；若m＝2，执行步骤6.1b-步骤6.6b；
45.步骤6.1a、从当前解x中随机选择一个观测机会ca，观测机会ca在x中对应的条带为sa；
46.步骤6.2a、用ka表示其对应条带sa的所在层级，即表示观测机会ca在ka层网格上构造的条带集合，且表示观测机会ca在ka层网格上构造的第j个条带，表示观测机会ca在ka层网格上构造的条带数量；
47.步骤6.3a、对观测机会ca对应的局部区域进行嵌套，构造观测机会ca在ka 1层网格上的条带集合表示观测机会ca在ka 1层网格上构造的第j个条带，表示观测机会ca在ka 1层网格上构造的条带数量；
48.步骤6.4a、用中的第一个条带替换x中的条带sa，并与x的其余条带构成解
49.步骤6.5a、重复次步骤6.4a，直到得到解
50.步骤6.6a、选出解集中覆盖面积最大的解，作为局部最优解x'；
51.步骤6.1b、从当前解x中随机选择两个观测机会ca和cb，且a≠b；
52.步骤6.2b、用ka表示其对应条带sa的所在层级，即用kb表示其对应条带sb的所在层级，即表示观测机会ca在ka层网格上构造的条带集合；且
表示观测机会cb在kb层网格上构造的条带集合，表示观测机会ca在ka层网格上构造的第j个条带，表示观测机会ca在ka层网格上构造的条带数量；表示观测机会cb在kb层网格上构造的第j个条带，表示观测机会cb在kb层网格上构造的条带数量；
53.步骤6.3b、对观测机会ca对应的局部区域和观测机会cb对应的局部区域进行嵌套，分别构造新的条带集合和表示观测机会ca在ka 1层网格上构造的第j个条带；表示观测机会ca在ka 1层网格上构造的条带数量；表示观测机会cb在kb 1层网格上构造的第j个条带；表示观测机会cb在kb 1层网格上构造的条带数量；
54.步骤6.4b、用中的第一个条带替换x中条带sa，用中的第一个条带替换x中条带sb，与x的其余条带构成解
55.步骤6.5b、重复次步骤6.4b，直到得到解
56.步骤6.6b、选出解集中覆盖面积最大的解，作为局部最优解x'；
57.步骤7、如果x'优于xb，则更新xb＝x'，令m＝1；否则，将m 1赋给m；
58.步骤8、若m≤2，转步骤6；否则，输出最优解xb。