用于可见光遥感航天器的摄影任务自动规划系统和方法

摘要

本发明公开了一种用于可见光遥感航天器的摄影任务自动规划方法，设定一个时间单元，在每个时间单元内基于用户提出的摄影区域要求，根据测控系统提供的轨道数据、气象局提供的气象信息、星载存储器剩余容量和相机使用约束，进行该时间单元内的摄影规划，生成摄影开关机指令；在时间单元内，当气象信息变化时，重新进行摄影规划；时间单元的设定范围小于或等于24小时。本发明还提供了一种摄影任务自动规划系统。本发明使用最新的轨道数据做摄影规划，克服了按照理论轨道计算摄影指令造成的摄影区域偏差较大的缺陷，最大限度的减少星载存储资源和地面接收站资源浪费，提高航天器观测效率。

说明书

技术领域

本发明属于航天器在轨运行管理技术领域，具体涉及一种摄影任务自动规划系统和方法，适用于可见光遥感航天器的在轨运行管理。

背景技术

光学遥感航天器是一类从太空中获取地面图像信息的对地观测卫星，在军事、灾害防治，环境保护等领域发挥了重要作用。随着遥感航天器数量增多，成像任务需求也呈现出多样化、复杂化和快速增长趋势，根据摄影任务需要和现有航天器资源能力，制定优化的成像方案，是提高航天器观测效率，充分发挥航天器系统整体效能的有效技术途径。

现有光学遥感航天器，主要以耗费航天器资源和损失实时性为代价实现预定的观测任务，主要体现在：云层气象信息考虑有限，带来较多的星载存储资源浪费和数传时间浪费，导致重访周期内关键目标成像机会丧失；光学遥感一般采用近地轨道以提高分辨率指标，航天器过境时间短，对于成像目标变化频繁，气象信息短期变化快，遥感器工作参数需要经常调整的特点，现有技术实时应变能力有限，对于某些高实时性要求的观测目标，无法做出及时调整和响应。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种摄影任务自动规划方法和系统，使用最新的轨道数据做摄影规划，克服了按照理论轨道计算摄影指令造成的摄影区域偏差较大的缺陷，最大限度的减少星载存储资源和地面接收站资源浪费，提高航天器观测效率。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种摄影任务自动规划方法，设定一个时间单元，在每个时间单元内基于用户提出的摄影区域要求，根据测控系统提供的轨道数据、气象局提供的气象信息、星载存储器剩余容量和相机使用约束，进行该时间单元内的摄影规划，生成摄影开关机指令；在时间单元内，当气象信息变化时，重新进行摄影规划；时间单元的设定范围小于或等于24小时。

优选地，所述摄影规划包括：

步骤1、根据轨道数据、本次规划起止时间，计算每秒的航天器轨道位置和太阳位置；

步骤2、根据每一时刻的航天器轨道位置、摄影区域和相机使用约束，计算星下点是否进入摄影区域，以及进入和离开摄影区域的时间和经纬度，然后根据当地太阳高度角，得出满足光照条件的摄影区域、相机开关机时间、数据量；

步骤3、根据摄影区域重要级别确定步骤2得出的满足光照条件的摄影区域的优先级；

步骤4、进行摄影指令有效性判别：根据云层情况，去除覆盖过厚的云层区域不进行摄影；并且根据星载存储器剩余容量，去除不满足星载存储器容量限制的低优先级摄影区域，得到最终的摄影开关机指令。

优选地，进一步根据由轨道数据计算出的摄影星下点的太阳高度，实时调整摄影的曝光时间。

优选地，所述曝光时间t的计算方式为：

其中，K₁为常数，B为地面景物平均视亮度，δ为成像面照度衰减系数；

地面景物平均视亮度的计算方式为：

其中，E为地面照度，是太阳高度角h_θ的函数；r为地面景物反射率；T_air为大气透过率；I为大气亮度，也是太阳高度角h_θ的函数。

优选地，地面照度E和大气亮度I与太阳高度角h_θ的函数关系分别为：

E＝0.00012493h_θ⁴-0.0546319h_θ³+4.80427h_θ²+45.6507h_θ+105.286

I＝-0.0000493688h_θ⁴+0.0141825h_θ³-1.38802h_θ²+47.5287h_θ+209.63。

优选地，该方法进一步包括步骤5，对每个摄影区域的任务完成情况进行统计，给出已完成的摄影区域及其覆盖情况，包括摄影重叠率、覆盖面积、覆盖次数，并给出未拍摄的区域。

优选地，所述相机使用约束的约束条件是根据摄影分系统约束条件和热控分系统约束条件确定的，包括：

1)在航天器在轨飞行寿命期间，相机累计开关机次数的约束；

2)每半天摄影规划中相机累计开关机次数的约束；

3)每一天摄影规划中相机累计开关机次数的约束；

4)一次照相开始与照相停止之间的时间间隔T_ON-OFF的约束；

5)本次照相停止与下次照相开始之间的时间间隔T_OFF-ON的约束；

6)设每一次照相开始时刻T_ON，连续判断后续所有照相停止与下次照相开始之间的时间间隔T_OFF-ON，直到T_OFF-ON大于设定上限，记录此次的关机时刻T_OFF，则要求T_OFF－T_ON小于一个约束值；

7)设一个摄影弧段内所有照相开始与照相停止之间的时间累加和为T_TOTAL，一个摄影弧段内开关机控制满足下述情况1的次数为N_CON1，满足情况2的次数为N_CON2，满足情况3的次数为N_CON3，设第I次照相停止与第I+1次照相开始之间的时间间隔为T_(OFF-ON)I，则

其中，所述情况1～3分别为：

情况1：本次照相停止时间与下次照相开始时间之间时间间隔在范围A之间；

情况2：本次照相停止时间与下次照相开始时间之间时间间隔在范围B之间；

情况3：本次照相停止时间与下次照相开始时间之间时间间隔在范围B的上限以上；

上式左边第一项为总摄影时间；第二项为摄影间隔在范围A的累计热门开启时间；第三项为摄影间隔在范围B的累计热门开启时间；第四项为摄影间隔大于范围B上限的累计热门开启时间；总和为在一圈内总的热门开启时间。

本发明还提供了一种摄影任务自动规划系统，包括通信接口模块，以及与通信接口模块相连的摄影任务自动规划模块、轨道计算模块和曝光量计算模块；

通信接口模块，完成本系统与外部的数据交互；

摄影任务自动规划模块，根据设定的时间单元，在每个时间单元内基于用户提出的摄影区域要求，根据测控系统提供的轨道数据、气象局提供的气象信息、星载存储器剩余容量和相机使用约束，进行该时间单元内的摄影规划，生成摄影开关机指令；在时间单元内，当气象信息变化时，重新进行摄影规划；时间单元的设定范围小于或等于24小时；

轨道计算模块，用于根据地面测控系统提供的轨道根数，计算航天器任一时刻的轨道数据和太阳位置，提供给摄影任务自动规划模块和曝光量计算模块；

曝光量计算模块，用于根据所述轨道数据计算摄影星下点的太阳高度，实时计算航天器飞过摄影区域应采用的曝光时间码，作为摄影任务规划的一部分。

优选地，所述摄影任务自动规划模块包括规划模块、优先级确定模块和有效性判别模块；

规划模块，用于根据每一时刻的航天器轨道位置、摄影区域和相机使用约束，计算星下点是否进入摄影区域，以及进入和离开摄影区域的时间和经纬度，然后根据当地太阳高度角，得出满足光照条件的摄影区域、相机开关机时间、数据量；

优先级确定模块，用于根据摄影区域重要级别确定满足光照条件的摄影区域的优先级；

有效性判别模块，用于进行摄影指令有效性判别：根据云层情况，去除覆盖过厚的云层区域不进行摄影，并且根据星载存储器剩余容量，去除不满足星载存储器容量限制的低优先级摄影区域，得到最终的摄影开关机指令。

优选地，该系统进一步包括完成情况统计模块，对每个摄影区域的任务完成情况进行统计，给出已完成的摄影区域及其覆盖情况，包括摄影重叠率、覆盖面积、覆盖次数，并给出未拍摄的区域。

有益效果：

(1)根据每天用户提出的摄影区域要求及测控系统提供的轨道数据和气象局提供的气象信息自动生成摄影程控指令；每天使用最新的轨道数据做摄影规划，克服了按照理论轨道计算摄影指令造成的摄影区域偏差较大的缺陷。

(2)充分利用气象局提供的气象预报，根据云层的实际分布情况进行选择性摄影，最大限度的减少星载存储资源和地面接收站资源浪费。

(3)根据云层参数、剩余存储资源和下传窗口及时对目标优先级进行优化调整，提高航天器观测效率。

(4)根据航天器运行轨道、摄影星下点的太阳高度等影响曝光的各种因素实时调整曝光时间，克服固定曝光不灵活、光度计测光易受干扰的缺陷。

附图说明

图1为本发明的方案示意图。

图2为曝光量优化计算方法。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种摄影任务自动规划方案，其基本思想是，设定一个时间单元，为了保证实时性，时间单元的设定范围小于或等于24小时，例如设定为24小时；在每个时间单元内基于用户提出的摄影区域要求，根据测控系统提供的轨道数据、气象局提供的气象信息、星载存储器剩余容量和相机使用约束，进行该时间单元内的摄影规划，生成摄影开关机指令。在时间单元内，当气象信息变化时，重新进行摄影规划。

可见，该方案每个时间单元均使用最新的轨道数据做该时间单元的摄影规划，克服了按照理论轨道计算摄影指令造成的摄影区域偏差较大的缺陷。充分利用气象局提供的实时气象预报，根据云层的实际分布情况进行选择性摄影，最大限度的减少星载存储资源和地面接收站资源浪费。根据星载存储器剩余容量及时对摄影规划进行优化，提高航天器观测效率。

基于上述核心思想，本发明提供了一种摄影任务自动规划方法，包括如下步骤：

步骤1、根据轨道参数、本次规划起止时间，计算每秒的航天器轨道位置和太阳位置。本实施例将时间单元设定为24小时，还可以设定为12小时或者8小时，或者用户根据需要自行设置。

步骤2、根据每一时刻的航天器轨道位置、摄影区域和相机使用约束，计算星下点是否进入摄影区域，以及进入和离开摄影区域的时间和经纬度，然后根据当地太阳高度角(光照条件)，得出满足光照条件的摄影区域、相机开关机时间、数据量。

步骤3、根据摄影区域重要级别确定步骤2得出的满足光照条件的摄影区域的优先级。一般来说，摄影区域重要级别由外部指定。

步骤4、进行摄影指令有效性判别：根据云层情况，去除覆盖过厚的云层区域不进行摄影；并且根据星载存储器剩余容量，去除不满足星载存储器容量限制的低优先级摄影区域，得到最终的摄影开关机指令。

本步骤中，根据云层情况，识别覆盖n级(任务前已确定)以上云层的地区不进行摄影；并且根据摄影指令判别星载存储器存储容量是否满足存储数据量要求，若满足则将全部摄影区域；若不满足则根据可用容量大小将优先级较低的摄影区删除。最后得到最终的有效摄影程控指令，并记录下没有摄影的时间段，提供给航天器用户，作为下次制定摄影区域的参考。

步骤5、根据摄影星下点的太阳高度，实时调整摄影的曝光时间。

本步骤利用轨道计算模块得到太阳高度角，根据指定景物的反射率计算得到指定景物的地面亮度，最后根据大气透过率、成像面照度衰减系数及相机参数，通过曝光时间计算算法得到拍摄时刻应采用的曝光码。

步骤6、统计任务完成情况。

根据摄影程控指令历史记录，统计每张胶片的摄影时间、摄影高度、摄影云层情况，给出已完成的摄影区域及其覆盖情况，以及未拍摄的区域。其中覆盖情况包括摄影重叠率、覆盖面积、覆盖次数等，还可以进一步提供摄影高度云层情况、摄影时间等信息，用于评价摄影任务完成情况。

其中，覆盖面积根据经纬度数据容易得到；

覆盖率＝摄影覆盖的面积/该摄影区域总面积；

覆盖次数为进入该摄影区的次数。

下面对相机使用约束和曝光时间计算进行详细描述。

相机使用约束

摄影指令主要指相机开机指令、相机关机指令。通常航天器星下点进入某一摄影区域则相机开机，离开某一区域则相机关机，但由于相机自身的使用约束及星上其它分系统的约束，导致不能仅按照以上简单计算相机开关机时间，需要根据各种约束条件，综合考虑并规划摄影指令。以某遥感航天器为例，摄影规划约束条件如下：

(1)摄影分系统约束条件

摄影分系统对摄影规划的约束条件包括以下几点：

●在轨运行期间开关机次数不大于2000次；

●一次开机工作最长持续时间不大于240s；

●一次开机工作的最短持续时间大于10s；

●在两次开机工作之间的最短间隔大于10s；

●在90分钟内摄影的最长持续时间小于480s；

●热门开启完成后，60s开始摄影。

(2)热控分系统约束条件

一个轨道周期内热门总开启时间小于480s。

(3)综合(1)和(2)的总约束条件

根据航天器使用约束，将一个摄影弧段内所有的开关机控制分为以下三种情况：

情况1、本次照相停止时间与下次照相开始时间之间时间间隔在10s～30s之间；

情况2、本次照相停止时间与下次照相开始时间之间时间间隔在30s～120s之间；

情况3、本次照相停止时间与下次照相开始时间之间时间间隔大于120s；则根据摄影、热控分系统的约束条件，对摄影规划的综合约束条件为：

●在航天器在轨飞行寿命期间，相机累计开关机次数小于2000次；

●每半天摄影规划中相机累计开关机次数小于50次；

●每一天摄影规划中相机累计开关机次数小于100次；

●设一次照相开始与照相停止之间的时间间隔为T_ON-OFF，则T_ON-OFF>10s；

●设本次照相停止与下次照相开始之间的时间间隔为T_OFF-ON，则T_OFF-ON>10s；

●设每一次照相开始时刻T_ON，连续判断后续所有照相停止与下次照相开始之间的时间间隔T_OFF-ON，直到T_OFF-ON大于30s，记录此次的关机时刻

T_OFF，要求T_OFF－TON<220s；

●设一个摄影弧段内所有照相开始与照相停止之间的时间累加和为T_TOTAL，一个摄影弧段内开关机控制满足上述情况1的次数为N_CON1，满足上述情况2的次数为N_CON2，满足上述情况3的次数为N_CON3，设第I次照相停止与第I+1次照相开始之间的时间间隔为T_(OFF-ON)I，则

上式左边第一项为总摄影时间；

第二项为摄影间隔在10s～30s的累计热门开启时间；

第三项为摄影间隔在30s～120s的累计热门开启时间；

第四项为摄影间隔大于120s的累计热门开启时间；

总和为在一圈内总的热门开启时间。

根据以上约束条件，编制软件代码实现摄影指令规划。

曝光时间计算

根据光学成像原理，曝光时间是由以下方程确定的：

其中，T：为相机系统的光学透过率；

δ：成像面照度衰减系数；

η：相机快门效率；

f/N₀：相机的光圈数；

F:相机的滤光因子；

H:像面上的曝光量；

B:地面景物平均视亮度；

t：相机曝光时间；

曝光时间t可以由公式(1)变形后求出：

对于已经选定的相机和胶片，上式中除B和δ外均为定值，故公式(2)可化简为：

K₁为常数，B为地面景物平均视亮度，δ为成像面照度衰减系数，这两个参数的具体获取方式如下。

(1)B地面景物平均视亮度的计算方式为：

其中，E：地面照度；

r：地面景物反射率；

T_air：大气透过率；

I:大气亮度；

●地面照度E

地面照度E是太阳高度角h_θ的函数，根据经验，拟合公式为：

E＝0.00012493h_θ⁴-0.0546319h_θ³+4.80427h_θ²+45.6507h_θ+105.286…(5)

●大气亮度I

大气亮度I是太阳高度角h_θ的函数，根据经验，拟合公式为：

I＝-0.0000493688h_θ⁴+0.0141825h_θ³-1.38802h_θ²+47.5287h_θ+209.63……(6)

以上方法经实践证明是有效的方法。

●大气透过率T_air

大气透过率是和地区云量、天气等有关的参数，对于晴朗天气一般取大气透过率T_air＝0.65。

●地面景物反射率r

从太空中看到地球上大量的有代表性的物体如水域、植被等的景物反射率是已知的。特别说明，对于复杂大幅面相机，应当以某个反射率值作为整幅像面上的平均反射率。计算和仿真表明，取r＝0.15是比较合适的。

(2)成像面照度衰减系数的计算方式为：

面向测绘需求的航天遥感相机通常具有较大的视场和成像画幅，每次成像的地表覆盖面积通常可达上万平方公里，根据有关光学理论可知，对于大视场、大幅面相机，成像画幅不同位置上的光照度会有很大差异，正是由于存在这种照度分布差异，在计算成像面照度衰减系数时，需要在像面上优选某个位置作为基准点，以该点获得期望曝量为原则进行选取。

在实际中，也可以预先进行整体摄影任务规划，以此为先验信息对每天的规划结果进行验证、限制等处理。整体摄影任务规划为：

1)根据初始轨道参数、起止时间以秒为步长计算每秒的轨道位置、太阳高度角；

2)根据每一时刻的航天器轨道位置、摄影区域及摄影综合约束，计算星下点是否进入摄影区域及进入和离开摄影区域的时间及经纬度，然后根据当地太阳高度角(获得光照条件)，得出满足光照条件的摄影区域、相机开关机时间、全程数据量；

3)根据摄影重叠率、及上一步得出的摄影区域和开关机时间，确定在航天器的飞行过程中是否能够对每一摄影区域完全覆盖以及覆盖的次数。

为了实现上述方法，本发明还提供了一种摄影任务自动规划系统，如图1所示，其包括通信接口模块、摄影任务自动规划模块、轨道计算模块和曝光量计算模块。

通信接口模块，完成本系统与外部的数据交互。

摄影任务自动规划模块，基于用户每天提出的摄影区域要求，根据测控系统提供的轨道数据、气象局提供的气象信息、星载存储器剩余容量和相机使用约束，进行24小时的摄影规划，生成摄影开关机指令。

轨道计算模块，用于根据地面测控系统提供的轨道根数计算航天器任一时刻的轨道数据和太阳位置，提供给摄影任务自动规划模块和曝光量计算模块。

曝光量计算模块，用于根据所述轨道数据计算摄影星下点的太阳高度，实时计算航天器飞过摄影区域应采用的曝光时间码，作为摄影任务规划的一部分。

较佳地，该系统还包括完成情况统计模块，对每个摄影区域的任务完成情况进行统计，给出已完成的摄影区域及其覆盖情况，包括摄影重叠率、覆盖面积、覆盖次数，并给出未拍摄的区域。

其中，如图2所示，所述摄影任务自动规划模块包括规划模块、优先级确定模块和有效性判别模块。其中，

规划模块，用于根据每一时刻的航天器轨道位置、摄影区域和相机使用约束，计算星下点是否进入摄影区域，以及进入和离开摄影区域的时间和经纬度，然后根据当地太阳高度角，得出满足光照条件的摄影区域、相机开关机时间、数据量。

优先级确定模块，用于根据摄影区域重要级别确定满足光照条件的摄影区域的优先级。

有效性判别模块，用于进行摄影指令有效性判别：根据星载存储器剩余容量，去除不满足星载存储器容量限制的低优先级摄影区域；根据云层情况，去除覆盖过厚的云层区域不进行摄影，得到最终的摄影开关机指令。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。