一种基于有效覆盖率的多系统联合规划方法及系统

专利名称：一种基于有效覆盖率的多系统联合规划方法及系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210729541.2

专利申请（专利权）人：上海交通大学
权利人地址：上海市闵行区东川路800号

专利发明（设计）人：王角,张德新,刘婉,傅江良,付伟,曹勇,刘济恺

专利摘要：本发明公开一种基于有效覆盖率的多系统联合规划方法及系统，包括：基于给定的观测区域，得到观测区域底图；基于观测区域底图，得到所有卫星系统的覆盖面积最大任务条带；基于观测区域底图和覆盖面积最大任务条带，得到更新后的观测区域底图；计算更新后的观测区域底图的观测覆盖率，基于观测覆盖率，得到有效覆盖率增长最快的任务集合。解决了不同卫星系统任务条带难以评估有效覆盖率的问题，解决了卫星系统缺少动态调整能力的问题，实现了不同用户需求下的任务动态调整的能力，解决了任务执行情况无法准确评估的问题，实现了任务区域覆盖情况的实时更新。

主权利要求：
1.一种基于有效覆盖率的多系统联合规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，基于给定的观测区域，得到观测区域底图；
所述S1包括：
基于给定的观测区域，设置坐标点，得到封闭区域边界；
设置所述封闭区域边界起点，并寻找包含所述封闭区域边界起点的底图格子，得到起点底图格子；
基于所述起点底图格子，沿所述封闭区域边界方向，依次寻找包含所述封闭区域边界所有边界点的底图格子，得到边界底图格子；
基于所述边界底图格子，得到所述观测区域的内部底图格子，进一步得到观测区域底图；
基于边界反衍的观测区域底图提取的具体算法描述如下：其中，边界点数为M；当前正在处理的边界点为第i个边界点，表示为P(i)(i＝1,2,…M)；对应的底图格子为G(i)(i＝1,
2,…M)：
(1)i＝1,寻找包含边界点P(1)的底图格子G(1)；
(2)沿着边界点P(i)逆时针方向找到边界点P(i+1)，判断底图格子G(i)是否包含边界点P(i+1)；如果包含边界点P(i+1)，则G(i+1)＝G(i)，否则在底图格子G(i)相邻格子寻找包含边界点P(i+1)的底图格子G(i+1)；之后，i＝i+1；
(3)重复上一步的步骤，直至i＝M+1则执行下一步骤；
(4)基于封闭区域与直线相交，其交点为偶数的准则，完成边界内栅格的标识处理；
所述底图是一张分别率为2km*2km的等距离划分的全球先验地图，即将全球区域按照4平方公里的大小的格子进行划分；
S2，基于所述观测区域底图，得到所有卫星系统的覆盖面积最大任务条带；
所述S2包括：
设置每个卫星系统的任务规划；设不同卫星系统的任务规划结果为P1,P2,...,PN，其中N代表参与协同规划的卫星系统总数，每个卫星系统的轨道回归周期分别为O1,O2,…,ON；
基于所述任务规划，依次抽取每个卫星系统在同一轨道号下不同回归周期的任务条带；初始化轨道参数，Sat＝1，Orb＝1，其中Sat＝{1,2,…,N}表示被抽取的卫星系统，Orb＝{1,2,…,OSat}为被抽取的轨道号；其中，从第一个卫星系统的第一轨开始进行抽取；
从任务规划结果PSat中抽取所有卫星系统在不同回归周期下轨道号为Orb的任务条带AOrb＝{aOrb,1,aOrb,2,…,aOrb,n}，其中任务条带集合中下标Orb为轨道号，{1,2,…N}代表不同的回归周期；aOrb,1包括多条任务条带；
基于所述观测区域底图，计算每个卫星系统在每个所述回归周期下所述任务条带的有效覆盖面积；以观测区域的底图为依据，依次计算AOrb＝{aOrb,1,aOrb,2,…,aOrb,n}中任务条带在每个回归周期下的有效覆盖面积Cov＝{c1,c2,…,cn}；有效覆盖面积指的是将任务条带与观测区域底图进行比对，通过统计同一轨道下不同回归周期的任务条带中所包含的未被观测的面积，即为有效覆盖面积；
对所述有效覆盖面积进行排序，得到所有卫星系统的覆盖面积最大任务条带；将上述任务条带的有效覆盖面积按照从小到大的顺序进行排列，选取有效覆盖面积最大的任务条带作为该卫星系统该轨的任务aOrb,α，其中α表示回归周期；
S3，基于所述观测区域底图和所述覆盖面积最大任务条带，得到更新后的所述观测区域底图；
S4，计算更新后的所述观测区域底图的观测覆盖率，基于所述观测覆盖率，得到有效覆盖率增长最快的任务集合。
2.根据权利要求1所述的基于有效覆盖率的多系统联合规划方法，其特征在于，所述S3包括：将所述覆盖面积最大任务条带与所述观测区域底图相重叠的底图格子标记为已观测，得到更新后的所述观测区域底图。
3.一种基于有效覆盖率的多系统联合规划系统，其特征在于，包括：底图模块、任务条带模块、更新模块和计算模块；
所述底图模块用于基于给定的观测区域，得到观测区域底图；
所述底图模块包括：封闭区域边界单元、起点底图格子单元、边界底图格子单元和内部底图格子单元；
所述封闭区域边界单元用于基于给定的观测区域，设置坐标点，得到封闭区域边界；
所述起点底图格子单元用于设置所述封闭区域边界起点，并寻找包含所述封闭区域边界起点的底图格子，得到起点底图格子；
所述边界底图格子单元用于基于所述起点底图格子，沿所述封闭区域边界方向，依次寻找包含所述封闭区域边界所有边界点的底图格子，得到边界底图格子；
所述内部底图格子单元用于基于所述边界底图格子，得到所述观测区域的内部底图格子，进一步得到观测区域底图；
基于边界反衍的观测区域底图提取的具体算法描述如下：其中，边界点数为M；当前正在处理的边界点为第i个边界点，表示为P(i)(i＝1,2,…M)；对应的底图格子为G(i)(i＝1,
2,…M)：
(1)i＝1,寻找包含边界点P(1)的底图格子G(1)；
(2)沿着边界点P(i)逆时针方向找到边界点P(i+1)，判断底图格子G(i)是否包含边界点P(i+1)；如果包含边界点P(i+1)，则G(i+1)＝G(i)，否则在底图格子G(i)相邻格子寻找包含边界点P(i+1)的底图格子G(i+1)；之后，i＝i+1；
(3)重复上一步的步骤，直至i＝M+1则执行下一步骤；
(4)基于封闭区域与直线相交，其交点为偶数的准则，完成边界内栅格的标识处理；
所述底图是一张分别率为2km*2km的等距离划分的全球先验地图，即将全球区域按照4平方公里的大小的格子进行划分；
所述任务条带模块用于基于所述观测区域底图，得到所有卫星系统的覆盖面积最大任务条带；
所述任务条带模块包括：任务规划单元、抽取单元、有效覆盖面积计算单元和排序单元；
所述任务规划单元用于设置每个卫星系统的任务规划；
设不同卫星系统的任务规划结果为P1,P2,...,PN，其中N代表参与协同规划的卫星系统总数，每个卫星系统的轨道回归周期分别为O1,O2,…,ON；
所述抽取单元用于基于所述任务规划，依次抽取每个卫星系统在同一轨道号下不同回归周期的任务条带；
初始化轨道参数，Sat＝1，Orb＝1，其中Sat＝{1,2,…,N}表示被抽取的卫星系统，Orb＝{1,2,…,OSat}为被抽取的轨道号；其中，从第一个卫星系统的第一轨开始进行抽取；
从任务规划结果PSat中抽取所有卫星系统在不同回归周期下轨道号为Orb的任务条带AOrb＝{aOrb,1,aOrb,2,…,aOrb,n}，其中任务条带集合中下标Orb为轨道号，{1,2,…N}代表不同的回归周期；aOrb,1中包括多条任务条带；
所述有效覆盖面积计算单元用于基于所述观测区域底图，计算每个卫星系统在每个所述回归周期下所述任务条带的有效覆盖面积；
以观测区域的底图为依据，依次计算AOrb＝{aOrb,1,aOrb,2,…,aOrb,n}中任务条带在每个回归周期下的有效覆盖面积Cov＝{c1,c2,…,cn}；有效覆盖面积指的是将任务条带与观测区域底图进行比对，通过统计同一轨道下不同回归周期的任务条带中所包含的未被观测的面积，即为有效覆盖面积；
所述排序单元用于基于所述观测区域底图，计算每个卫星系统在每个所述回归周期下所述任务条带的有效覆盖面积；
将上述任务条带的有效覆盖面积按照从小到大的顺序进行排列，选取有效覆盖面积最大的任务条带作为该卫星系统该轨的任务aOrb,α，其中α表示回归周期；
所述更新模块用于基于所述观测区域底图和所述覆盖面积最大任务条带，得到更新后的所述观测区域底图；
所述计算模块用于计算更新后的所述观测区域底图的观测覆盖率，基于所述观测覆盖率，得到有效覆盖率增长最快的任务集合。
4.根据权利要求3所述的基于有效覆盖率的多系统联合规划系统，其特征在于，所述更新模块将所述覆盖面积最大任务条带与所述观测区域底图相重叠的底图格子标记为已观测，得到更新后的所述观测区域底图。 说明书 : 一种基于有效覆盖率的多系统联合规划方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及多星系统联合规划领域，特别涉及一种基于有效覆盖率的多系统联合规划方法及系统。背景技术[0002] 目前，在多星系统联合规划领域，针对的是相同观测模式下的卫星系统的协同规划，没有考虑不同观测模式下卫星系统的协同规划(参见申请号为201611081100.7的中国专利,授权了“一种基于超启发式算法的多星对地观测任务规划调度方法”)；在对任务区域进行规划时，采用的是基于卫星轨道的任务区域分解，没有涉及如何考虑在任务执行过程中对某个区域重复观测的需求(参见申请号为201811649537.5的中国专利，公开了“一种协同执行复杂任务的多卫星资源规划方法”)。发明内容[0003] 为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种基于有效覆盖率的多系统联合规划方法及系统，通过构建观测区域底图，计算同一轨道下不同回归周期的有效覆盖面积，选取有效覆盖面积最大的任务条带作为该轨任务，得到了有效覆盖率增长最快的多星规划任务集。解决了不同卫星系统任务条带难以评估有效覆盖率的问题，解决了卫星系统缺少动态调整能力的问题，实现了不同用户需求下的任务动态调整的能力，解决了任务执行情况无法准确评估的问题，实现了任务区域覆盖情况的实时更新。[0004] 为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于有效覆盖率的多系统联合规划方法，包括以下步骤：[0005] S1，基于给定的观测区域，得到观测区域底图；[0006] S2，基于所述观测区域底图，得到所有卫星系统的覆盖面积最大任务条带；[0007] S3，基于所述观测区域底图和所述覆盖面积最大任务条带，得到更新后的所述观测区域底图；[0008] S4，计算更新后的所述观测区域底图的观测覆盖率，基于所述观测覆盖率，得到有效覆盖率增长最快的任务集合。[0009] 可选地，所述S1包括：[0010] 基于给定的观测区域，设置坐标点，得到封闭区域边界；[0011] 设置所述封闭区域边界起点，并寻找包含所述封闭区域边界起点的底图格子，得到起点底图格子；[0012] 基于所述起点底图格子，沿所述封闭区域边界方向，依次寻找包含所述封闭区域边界所有边界点的底图格子，得到边界底图格子；[0013] 基于所述边界底图格子，得到所述观测区域的内部底图格子，进一步得到观测区域底图。[0014] 可选地，所述S2包括：[0015] 设置每个卫星系统的任务规划；[0016] 基于所述任务规划，依次抽取每个卫星系统在同一轨道号下不同回归周期的任务条带；[0017] 基于所述观测区域底图，计算每个卫星系统在每个所述回归周期下所述任务条带的有效覆盖面积；[0018] 对所述有效覆盖面积进行排序，得到所有卫星系统的覆盖面积最大任务条带。[0019] 可选地，所述S3包括：[0020] 将所述覆盖面积最大任务条带与所述观测区域底图相重叠的底图格子标记为已观测，得到更新后的所述观测区域底图。[0021] 本发明还公开了一种基于有效覆盖率的多系统联合规划系统，包括：底图模块、任务条带模块、更新模块和计算模块；[0022] 所述底图模块用于基于给定的观测区域，得到观测区域底图；[0023] 所述任务条带模块用于基于所述观测区域底图，得到所有卫星系统的覆盖面积最大任务条带；[0024] 所述更新模块用于基于所述观测区域底图和所述覆盖面积最大任务条带，得到更新后的所述观测区域底图；[0025] 所述计算模块用于计算更新后的所述观测区域底图的观测覆盖率，基于所述观测覆盖率，得到有效覆盖率增长最快的任务集合。[0026] 可选地，所述底图模块包括：封闭区域边界单元、起点底图格子单元、边界底图格子单元和内部底图格子单元；[0027] 所述封闭区域边界单元用于基于给定的观测区域，设置坐标点，得到封闭区域边界；[0028] 所述起点底图格子单元用于设置所述封闭区域边界起点，并寻找包含所述封闭区域边界起点的底图格子，得到起点底图格子；[0029] 所述边界底图格子单元用于基于所述起点底图格子，沿所述封闭区域边界方向，依次寻找包含所述封闭区域边界所有边界点的底图格子，得到边界底图格子；[0030] 所述内部底图格子单元用于基于所述边界底图格子，得到所述观测区域的内部底图格子，进一步得到观测区域底图。[0031] 可选地，所述任务条带模块包括：任务规划单元、抽取单元、有效覆盖面积计算单元和排序单元；[0032] 所述任务规划单元用于设置每个卫星系统的任务规划；[0033] 所述抽取单元用于基于所述任务规划，依次抽取每个卫星系统在同一轨道号下不同回归周期的任务条带；[0034] 所述有效覆盖面积计算单元用于基于所述观测区域底图，计算每个卫星系统在每个所述回归周期下所述任务条带的有效覆盖面积；[0035] 所述排序单元用于基于所述观测区域底图，计算每个卫星系统在每个所述回归周期下所述任务条带的有效覆盖面积。[0036] 可选地，所述更新模块将所述覆盖面积最大任务条带与所述观测区域底图相重叠的底图格子标记为已观测，得到更新后的所述观测区域底图。[0037] 本发明具有如下技术效果：[0038] 通过构建观测区域底图，计算同一轨道下不同回归周期的有效覆盖面积，选取有效覆盖面积最大的任务条带作为该轨任务，得到了有效覆盖率增长最快的多星规划任务集。解决了不同卫星系统任务条带难以评估有效覆盖率的问题，解决了卫星系统缺少动态调整能力的问题，实现了不同用户需求下的任务动态调整的能力，解决了任务执行情况无法准确评估的问题，实现了任务区域覆盖情况的实时更新。附图说明[0039] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0040] 图1为本发明实施例一基于有效覆盖率的多系统联合规划方法的流程框图；[0041] 图2为本发明实施例一中的观测区域底图示意图。具体实施方式[0042] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0043] 实施例一[0044] 如图1所示，本发明公开一种基于有效覆盖率的多系统联合规划方法，包括：[0045] S1，基于给定的观测区域，得到观测区域底图；[0046] S11，通常情况下，给定的任务区域为不规则区域，基于给定的观测区域，设置坐标点，得到封闭区域边界。[0047] S12，设置封闭区域边界起点，并寻找包含封闭区域边界起点的底图格子，得到起点底图格子。[0048] S13，基于起点底图格子，沿封闭区域边界方向，依次寻找包含封闭区域边界所有边界点的底图格子，得到边界底图格子。[0049] S14，基于边界底图格子，通过底图反衍获得观测任务区域内部格子信息，得到观测区域底图。构建的观测区域底图如图2所示。[0050] 基于边界反衍的观测区域底图提取的具体算法描述如下：其中，边界点数为M；当前正在处理的边界点为第i个边界点，表示为P(i)(i＝1,2,…M)；对应的底图格子为G(i)(i＝1,2,…M)：[0051] (1)i＝1,寻找包含边界点P(1)的底图格子G(1)；[0052] (2)沿着边界点P(i)逆时针方向找到边界点P(i+1)，判断底图格子G(i)是否包含边界点P(i+1)。如果包含边界点P(i+1)，则G(i+1)＝G(i)，否则在底图格子G(i)相邻格子寻找包含边界点P(i+1)的底图格子G(i+1)。之后，i＝i+1。[0053] (3)重复上一步的步骤，直至i＝M+1则执行下一步骤。[0054] (4)基于封闭区域与直线相交，其交点为偶数的准则，完成边界内栅格的标识处理。[0055] 进一步地，底图是一张分别率为2km*2km的等距离划分的全球先验地图，即将全球区域按照4平方公里的大小的格子进行划分，之所以选用4平方公里作为最小划分单元，有两方面的考虑：一方面如果将划分单元继续减小，也就是提高分辨率的话，数据量会增加，不利于存储；另一方面，卫星的最小成像单元(一秒钟拍摄的面积)为上百平方公里，4平方公里的分辨率已可以满足需要。[0056] S2，基于观测区域底图，得到所有卫星系统的覆盖面积最大任务条带；[0057] S21，设置每个卫星系统的任务规划。设不同卫星系统的任务规划结果为P1,P2,...,PN，其中N代表参与协同规划的卫星系统总数，每个卫星系统的轨道回归周期分别为O1,O2,…,ON。[0058] S22，基于任务规划，依次抽取每个卫星系统在同一轨道号下不同回归周期的任务条带；[0059] 初始化轨道参数，Sat＝1，Orb＝1，其中Sat＝{1,2,…,N}表示被抽取的卫星系统，Orb＝{1,2,…,OSat}为被抽取的轨道号。本实施例从第一个卫星系统的第一轨开始进行抽取。[0060] 从任务规划结果PSat中抽取所有卫星系统在不同回归周期下轨道号为Orb的任务条带AOrb＝{aOrb,1,aOrb,2,…,aOrb,n}，其中任务条带集合中下标Orb为轨道号，{1,2,…N}代表不同的回归周期。需要特别说明的是，aOrb,1中可能包括多条任务条带。[0061] S23，基于观测区域底图，计算每个卫星系统在每个回归周期下任务条带的有效覆盖面积；[0062] 以观测区域的底图为依据，依次计算AOrb＝{aOrb,1,aOrb,2,…,aOrb,n}中任务条带在每个回归周期下的有效覆盖面积Cov＝{c1,c2,…,cn}。有效覆盖面积指的是将任务条带与观测区域底图进行比对，通过统计同一轨道下不同回归周期的任务条带中所包含的未被观测的面积，即为有效覆盖面积。[0063] S24，对有效覆盖面积进行排序，得到所有卫星系统的覆盖面积最大任务条带；[0064] 将上述任务条带的有效覆盖面积按照从小到大的顺序进行排列，选取有效覆盖面积最大的任务条带作为该卫星系统该轨的任务aOrb,α，其中α表示回归周期。[0065] S3，基于观测区域底图和覆盖面积最大任务条带，得到更新后的观测区域底图；[0066] 依次对轨道号为Orb的所有卫星系统Sat＝{1,2,…,N}进行S2，得到不同的卫星系统下轨道号为Orb的任务条带：[0067] {aOrb,α,bOrb,β,…,nOrb,κ}[0068] 将观测区域底图与任务条带相重叠的底图格子标记为已观测，得到更新后的观测区域底图。[0069] 进一步地，更新后的观测区域底图是一张包含未观测区域和已观测区域的底图，这张底图上的每个小格子都有一个属性值，0表示该格子(2km*2km)已经被观测，1表示该格子(2km*2km)未被观测。这张底图将被用于下一次有效覆盖面积的计算。[0070] S4，计算更新后的观测区域底图的观测覆盖率，基于观测覆盖率，得到有效覆盖率增长最快的任务集合。[0071] 计算观测底图中已观测面积占比，即观测覆盖率，判定观测覆盖率是否达到设定值。如果未达到设定值，则更新参数Orb＝Orb+1，Sat＝1，然后重复S2和S3，直到观测覆盖率达到预先设定值，得到多系统连个规划下有效覆盖率增长最快的任务集合。[0072] 进一步地，计算观测底图中已观测面积占比只需要统计属性为0的格子占总格子数的比例，即可得到第图中已观测面积的占比，因为每个格子的面积是固定且一致的。更新参数Orb＝Orb+1，当Orb的值大于该卫星系统的回归轨道周期时，只需要对回归轨道周期取余即可。[0073] 实施例二[0074] 本发明还公开了一种基于有效覆盖率的多系统联合规划系统，其包括：底图模块、任务条带模块、更新模块和计算模块；[0075] 底图模块用于基于给定的观测区域，得到观测区域底图；底图模块包括：封闭区域边界单元、起点底图格子单元、边界底图格子单元和内部底图格子单元；封闭区域边界单元用于基于给定的观测区域，设置坐标点，得到封闭区域边界；起点底图格子单元用于设置封闭区域边界起点，并寻找包含封闭区域边界起点的底图格子，得到起点底图格子；边界底图格子单元用于基于起点底图格子，沿封闭区域边界方向，依次寻找包含封闭区域边界所有边界点的底图格子，得到边界底图格子；内部底图格子单元用于基于边界底图格子，得到观测区域的内部底图格子，进一步得到观测区域底图。[0076] 任务条带模块用于基于观测区域底图，得到所有卫星系统的覆盖面积最大任务条带；任务条带模块包括：任务规划单元、抽取单元、有效覆盖面积计算单元和排序单元；任务规划单元用于设置每个卫星系统的任务规划；抽取单元用于基于任务规划，依次抽取每个卫星系统在同一轨道号下不同回归周期的任务条带；有效覆盖面积计算单元用于基于观测区域底图，计算每个卫星系统在每个回归周期下任务条带的有效覆盖面积；排序单元用于基于观测区域底图，计算每个卫星系统在每个回归周期下任务条带的有效覆盖面积。[0077] 更新模块用于基于观测区域底图和所述覆盖面积最大任务条带，得到更新后的观测区域底图；更新模块将覆盖面积最大任务条带与观测区域底图相重叠的底图格子标记为已观测，得到更新后的观测区域底图。[0078] 计算模块用于计算更新后的观测区域底图的观测覆盖率，基于观测覆盖率，得到有效覆盖率增长最快的任务集合。[0079] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

专利地区：上海

专利申请日期：2022-06-24

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN115034650B