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成像衛星任務規劃理論與方法 版權信息
- ISBN：9787030690401
- 條形碼：9787030690401 ; 978-7-03-069040-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
成像衛星任務規劃理論與方法 內容簡介
《遙感衛星任務規劃理論與方法》是一部系統闡述遙感衛星任務規劃理論方法與關鍵技術的著作，是作者長期以來從事相關領域理論研究與應用研究成果的總結。本書闡述衛星任務規劃理論體系框架，面向點目標、區域目標和移動目標的衛星任務規劃方法，應急任務背景下的衛星任務規劃方法，以及基于人工智能等新一代信息技術的智能衛星任務規劃方法，很后闡述衛星任務規劃決策支持系統。
成像衛星任務規劃理論與方法 目錄
目錄
前言
第1章成像衛星任務規劃概述1
1.1成像衛星概述1
1.1.1成像衛星和遙感器1
1.1.2國外成像衛星發展情況2
1.1.3國內成像衛星發展情況3
1.2成像衛星工作過程5
1.3成像衛星任務規劃7
1.3.1成像任務描述方法7
1.3.2任務規劃的主要功能8
1.3.3任務規劃的優化目標9
1.3.4任務規劃的主要約束10
1.3.5任務規劃的問題分類12
1.4成像衛星任務規劃研究現狀13
1.4.1衛星任務籌劃13
1.4.2成像衛星調度16
1.4.3衛星資源管理21
1.4.4研究現狀總結22
1.5本章小結 23
參考文獻23
第2章成像衛星任務規劃的相關理論方法30
2.1成像衛星任務規劃問題分析30
2.2成像衛星任務規劃理論方法框架31
2.3整數規劃32
2.3.1拉格朗日松弛技術33
2.3.2割平面法36
2.3.3分支定界法37
2.3.4列生成算法39
2.4亞啟發式算法41
2.4.1遺傳算法42
2.4.2蟻群算法43
2.4.3模擬退火算法44
2.4.4禁忌搜索算法46
2.4.5超啟發式算法48
2.5機器學習方法49
2.5.1神經網絡50
2.5.2強化學習55
2.5.3S2V-DQN 方法59
2.5.4指針神經網絡66
2.6評估方法75
2.6.1層次分析法75
2.6.2I>S證據理論77
2.6.3TOPSIS 方法78
2.6.4TODIM 方法79
參考文獻80
第3章區域觀測任務分解方法85
3.1單星區域分解方法85
3.2資源受限情形下多星協同區域分解89
3.2.1問題描述89
2.2.2數學模型90
3.2.3優化算法93
3.2.4仿真實驗97
3.3資源充足情形下多星協同區域分解106
3.3.1問題描述 106
3.3.2數學模型 107
3.3.3優化算法 108
3.3.4仿真實驗 111
3.4區域目標內部觀測收益不均等情形下多星協同區域分解116
3.4.1問題描述 116
3.4.2數學模型 117
3.4.3優化算法119
3.4.4仿真實驗 121
3.5本章小結124
第4章成像衛星調度方法125
4.1參數說明125
4.2任務合成觀測調度問題126
4.2.1問題描述 126
4.2.2任務合成約束127
4.2.3任務合成優化模型128
4.2.4主問題與子問題130
4.2.5算法設計132
4.2.6數值實驗 135
4.3成像數傳一體化調度問題136
4.3.1問題描述 136
4.3.2數學模型 137
4.3.3雙染色體遺傳算法138
4.3.4雙蟻群算法144
4.3.5改進模擬退火算法150
4.3.6改進禁忌搜索算法154
4.3.7四種智能算法對比分析158
4.4應急任務調度問題160
4.4.1問題描述 160
4.4.2應急任務調度模型161
4.4.3應急任務調度算法164
4.4.4數值實驗與討論168
4.5本章小結174
參考文獻175
第5章移動目標搜索任務規劃方法176
5.1問題概述176
5.2研究現狀177
5.2.1目標搜索問題研究現狀178
5.2.2成像衛星在動目標搜索問題中的調度技術現狀179
5.2.3海面移動目標航跡預測技術現狀181
5.3海面移動目標航跡預測方法182
5.3.1航跡預測問題概述182
5.3.2航跡數據預處理183
5.3.3數據驅動的航跡預測方法189
5.4多星對海面移動目標搜索模型194
5.4.1多星對海面移動目標搜索環境模型194
5.4.2基于搜索圖的衛星觀測規劃方法196
5.5實驗、結果與討論203
5.5.1多星協同海面移動目標搜索實驗203
5.5.2觀測條帶選擇方法的對比實驗210
5.5.3海面移動目標航跡預測實驗211
5.5.4本章小結213
參考文獻213
第6章成像衛星任務規劃仿真系統220
6.1系統需求分析220
6.1.1系統功能要點220
6.1.2系統性能要點221
6.2規劃系統業務設計221
6.2.1系統總體架構設計221
6.2.2系統業務流程222
6.3系統軟件設計224
6.3.1軟件系統組成224
6.3.2系統的運行與維護231
6.4任務規劃開發工具箱231
6.5本章小結232
第7章成像衛星任務規劃技術展望233
7.1云-邊融合的任務規劃技術234
7.2虛擬星座任務規劃技術234
7.3天地一體化任務規劃技術236
7.4本章小結238
參考文獻238
前言
第1章成像衛星任務規劃概述1
1.1成像衛星概述1
1.1.1成像衛星和遙感器1
1.1.2國外成像衛星發展情況2
1.1.3國內成像衛星發展情況3
1.2成像衛星工作過程5
1.3成像衛星任務規劃7
1.3.1成像任務描述方法7
1.3.2任務規劃的主要功能8
1.3.3任務規劃的優化目標9
1.3.4任務規劃的主要約束10
1.3.5任務規劃的問題分類12
1.4成像衛星任務規劃研究現狀13
1.4.1衛星任務籌劃13
1.4.2成像衛星調度16
1.4.3衛星資源管理21
1.4.4研究現狀總結22
1.5本章小結 23
參考文獻23
第2章成像衛星任務規劃的相關理論方法30
2.1成像衛星任務規劃問題分析30
2.2成像衛星任務規劃理論方法框架31
2.3整數規劃32
2.3.1拉格朗日松弛技術33
2.3.2割平面法36
2.3.3分支定界法37
2.3.4列生成算法39
2.4亞啟發式算法41
2.4.1遺傳算法42
2.4.2蟻群算法43
2.4.3模擬退火算法44
2.4.4禁忌搜索算法46
2.4.5超啟發式算法48
2.5機器學習方法49
2.5.1神經網絡50
2.5.2強化學習55
2.5.3S2V-DQN 方法59
2.5.4指針神經網絡66
2.6評估方法75
2.6.1層次分析法75
2.6.2I>S證據理論77
2.6.3TOPSIS 方法78
2.6.4TODIM 方法79
參考文獻80
第3章區域觀測任務分解方法85
3.1單星區域分解方法85
3.2資源受限情形下多星協同區域分解89
3.2.1問題描述89
2.2.2數學模型90
3.2.3優化算法93
3.2.4仿真實驗97
3.3資源充足情形下多星協同區域分解106
3.3.1問題描述 106
3.3.2數學模型 107
3.3.3優化算法 108
3.3.4仿真實驗 111
3.4區域目標內部觀測收益不均等情形下多星協同區域分解116
3.4.1問題描述 116
3.4.2數學模型 117
3.4.3優化算法119
3.4.4仿真實驗 121
3.5本章小結124
第4章成像衛星調度方法125
4.1參數說明125
4.2任務合成觀測調度問題126
4.2.1問題描述 126
4.2.2任務合成約束127
4.2.3任務合成優化模型128
4.2.4主問題與子問題130
4.2.5算法設計132
4.2.6數值實驗 135
4.3成像數傳一體化調度問題136
4.3.1問題描述 136
4.3.2數學模型 137
4.3.3雙染色體遺傳算法138
4.3.4雙蟻群算法144
4.3.5改進模擬退火算法150
4.3.6改進禁忌搜索算法154
4.3.7四種智能算法對比分析158
4.4應急任務調度問題160
4.4.1問題描述 160
4.4.2應急任務調度模型161
4.4.3應急任務調度算法164
4.4.4數值實驗與討論168
4.5本章小結174
參考文獻175
第5章移動目標搜索任務規劃方法176
5.1問題概述176
5.2研究現狀177
5.2.1目標搜索問題研究現狀178
5.2.2成像衛星在動目標搜索問題中的調度技術現狀179
5.2.3海面移動目標航跡預測技術現狀181
5.3海面移動目標航跡預測方法182
5.3.1航跡預測問題概述182
5.3.2航跡數據預處理183
5.3.3數據驅動的航跡預測方法189
5.4多星對海面移動目標搜索模型194
5.4.1多星對海面移動目標搜索環境模型194
5.4.2基于搜索圖的衛星觀測規劃方法196
5.5實驗、結果與討論203
5.5.1多星協同海面移動目標搜索實驗203
5.5.2觀測條帶選擇方法的對比實驗210
5.5.3海面移動目標航跡預測實驗211
5.5.4本章小結213
參考文獻213
第6章成像衛星任務規劃仿真系統220
6.1系統需求分析220
6.1.1系統功能要點220
6.1.2系統性能要點221
6.2規劃系統業務設計221
6.2.1系統總體架構設計221
6.2.2系統業務流程222
6.3系統軟件設計224
6.3.1軟件系統組成224
6.3.2系統的運行與維護231
6.4任務規劃開發工具箱231
6.5本章小結232
第7章成像衛星任務規劃技術展望233
7.1云-邊融合的任務規劃技術234
7.2虛擬星座任務規劃技術234
7.3天地一體化任務規劃技術236
7.4本章小結238
參考文獻238
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成像衛星任務規劃理論與方法 節選
第1章成像衛星任務規劃概述 蘇聯于1957年10月4日在拜科努爾航天發射場成功發射了**顆人造地球衛星Sputnik-1，揭開了人造地球衛星技術發展的序幕。美國、中國、英國、法國、日本等國家紛紛研制并發射自己的衛星，使得衛星成為發展*快、用途*廣的航天器，圍繞著衛星技術和衛星應用的相關產業也得到快速發展。 衛星遙感以衛星為平臺，從太空中觀測并獲取各種地球信息。衛星遙感技術的飛速發展，使人類擁有了全方位、全天時和全天候對地觀測的新手段。在諸多遙感衛星中，成像衛星的發射數量*多并且用途*廣，在國計民生的眾多領域中發揮著不可替代的作用。成像衛星任務規劃是成像衛星管控系統中*核心的功能之一，它所解決的是如何充分利用在軌成像衛星資源服務來自不同部門、不同用戶的對地觀測需求，起到“指揮中樞”的作用。 1.1成像衛星概述 1.1.1成像衛星和遙感器 成像衛星是指能夠在其運行軌道上通過光學成像遙感器（全色、多光譜、高光譜、紅外等）或合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，SAR）成像遙感器對陸地、海洋、空間等地球目標進行觀測并獲取圖像信息的遙感衛星。成像衛星具有觀測范圍廣、觀測時間長、不受空間地域限制等顯著特點，已廣泛應用于軍事、國土、海洋、農業、林業、水利、氣象、測繪、環保、減災、交通等諸多領域。 根據所處的軌道、衛星大小以及搭載遙感器的不同，可以將成像衛星細分為不同的種類。根據軌道的不同，可以分為太陽同步軌道衛星、極軌衛星、赤道軌道衛星、地球同步軌道衛星等，其中太陽同步軌道衛星占據了成像衛星的大多數。根據衛星大小的不同，可以分為大型衛星（＞500kg）、小型衛星（100~500kg）、微型衛星（10~100kg）、微納衛星和立方體衛星（＜10kg）等。根據搭載遙感器的不同，可以分為光學成像衛星和雷達（微波）成像衛星等，其中光學成像遙感器又可以分為全色、多光譜、高光譜和紅外，不同類型的遙感器具有不同的成像能力，適用于不同的任務需求。 隨著技術的進步和應用的拉動，成像衛星呈現出空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率持續提高，星上處理能力不斷進步，多星一體化組網觀測能力日益增強的發展趨勢。 1.1.2國外成像衛星發展情況 美國于1972年7月成功發射了Landsat-1陸地資源衛星，運行于太陽同步軌道，其多光譜遙感器的空間分辨率為80m。這是美國Landsat項目的**顆星。Landsat項目旨在打造中分辨率連續對地觀測系統，為人們提供所需要的遙感影像數據，服務于農業、地質、林業、教育、測繪等領域，產生了重要的價值。截至目前，該項目已經發射了8顆衛星（其中第6顆發射失敗），*后一顆星Landsat-8于2013年2月發射升空，搭載了陸地成像儀和熱紅外傳感器兩種載荷，目前仍在正常工作。 美國Spacing Imaging公司研制的伊科諾斯（IKONOS）衛星于1999年9月發射升空，運行于高度為681km的太陽同步軌道上。它是世界上**顆分辨率優于1m的商業遙感衛星，*高分辨率達到0.82m，使得商業遙感衛星擁有了媲美軍事偵察衛星的圖像清晰度，從而開啟了高分辨率商業遙感衛星的新時代。在其生命周期內（1999—2015年），IKONOS衛星共獲取了近60萬張的地球影像，影像數據被廣泛應用于眾多行業和領域。 WorldView系列衛星是美國Digitalglobe公司的商業成像衛星系統，于2007年9月發射了首顆衛星，目前一共發射了4顆。該系列衛星具有高分辨率、高敏捷性等顯著特點，如2016年11月發射的WorldView-4衛星的全色分辨率*高達到0.31m，多光譜分辨率達到1.24m，能夠清楚地拍攝城市、島礁、海岸線等多種類型的地物地貌，是目前全球領先的高分辨率商業遙感衛星。 SPOT系列衛星是法國空間研究中心研制的一種民用地球觀測衛星，是世界上首先具有立體成像能力的遙感衛星［1］。**顆星SPOT-1于1986年2月發射，*近的SPOT-7衛星于2014年6月發射升空。SPOT-6和SPOT-7 兩顆星還與Pleiades-1A衛星和Pleiades-1B衛星組成了四星星座，這四顆衛星同處一個軌道面，彼此之間相隔90°，具備每日兩次的重訪能力。 Pleiades是法國繼SPOT系列衛星之后研制的具有更高分辨率的軍民兩用成像衛星，包括兩顆衛星Pleiades-1A、Pleiades-1B，分別于2011年12月和2012年12月發射升空。與SPOT系列衛星相比，Pleiades衛星在空間分辨率、觀測靈活性及數據獲取模式等方面進行了重新設計，采用使衛星整體繞滾動軸、俯仰軸大角度側擺的方式，靈活地實現對目標的觀測［2］。 表1.1中列舉了國外幾種典型的成像衛星。 表1.1國外典型成像衛星 近年來，隨著人類對遙感數據需求的不斷增長和衛星研制與發射能力的不斷進步，衛星星群（satellite cluster）的建設正在全球興起。衛星星群一般是指由分布在多個軌道面上的多顆衛星組成的，共同合作完成遙感、通信、導航等空間飛行任務的分布式衛星系統。例如，美國Planet Labs公司的Doves星群是全球*大的對地觀測衛星群，擁有分布在國際空間站軌道和太陽同步軌道上的近200顆小型遙感衛星，能以3m的分辨率每天對整個地球成像一遍，在全球高頻次高分辨率衛星影像服務中處于領先地位。 1.1.3國內成像衛星發展情況 我國自1970年4月24日**顆人造衛星“東方紅一號”發射以來，至今已將數百顆衛星成功送入太空，衛星研制與發射能力進入世界先進行列。我國的遙感衛星技術得到了快速發展，獨立自主地研制了多種應用衛星，如資源系列衛星、遙感系列衛星、海洋系列衛星、高分系列衛星等，它們在促進經濟建設和社會發展過程中發揮了重要作用。 資源一號01/02星是由中國和巴西聯合研制的傳輸型資源遙感衛星（CBERS）。CBERS-01衛星于1999年10月成功發射，該衛星結束了我國長期以來只能依靠外國資源衛星的歷史，標志著我國的衛星遙感應用進入到一個嶄新的階段。CBERS-02 衛星于2003年10月成功發射［3］。2000年和2002年，我國發射了兩顆資源二號衛星，這是我國自行研制的傳輸型遙感衛星。隨后陸續發射資源一號02B星（2007年）、02C星（2011年）、04星（2014年）、02D星（2019年），資源三號衛星（2012年）、資源三號02星（2016年）等。 我國遙感系列衛星主要應用于國土資源勘查、環境監測與保護、城市規劃、農作物估產、防災減災和空間科學試驗等領域。2006年4月，遙感一號衛星在太原衛星發射中心成功發射，隨后不斷發射新的遙感衛星，至2018年1月，已發射至遙感三十號衛星。遙感系列衛星正逐步形成網絡服務平臺，在促進航天科技研究和應用方面發揮了重要作用。 我國《國家中長期科學和技術規劃發展綱要（2006—2020年）》中，將“高分辨率對地觀測系統”確定為16個重大專項之一，并于2010年經國務院批準啟動實施，系統將統籌建設基于衛星、平流層飛艇和飛機的高分辨率對地觀測系統，完善地面資源，并與其他觀測手段結合，形成全天候、全天時、全球覆蓋的對地觀測能力。2013年4月我國成功發射了高分一號衛星。高分一號衛星全色分辨率是2m，多光譜分辨率為8m，幅寬達到800km。2014年8月，高分二號衛星成功發射，該衛星是我國首顆分辨率達到亞米級的寬幅民用遙感衛星。2015年12月發射的高分四號衛星是高分專項中首顆地球同步軌道遙感衛星，也是目前國際地球同步軌道上**顆高分辨率遙感衛星。截至目前，高分系列衛星已發射至高分十一號衛星。高分系列衛星廣泛應用于多個行業和區域，使中國遙感衛星技術跨上了新的臺階，極大地提高了我國衛星對地觀測水平，使我們擺脫了對國外高分辨率地球影像數據的依賴。 2015年10月，吉林一號組星成功發射，包括1顆光學A星、2顆靈巧視頻星以及1顆靈巧驗證星，開創了我國商業衛星應用的先河。截止到目前，吉林一號組星已有15顆在軌衛星。吉林一號組星是我國自主研發的商用高分辨率遙感衛星，全色分辨率*高達0.72m，同時具備米級高清動態視頻拍攝能力，能夠為用戶提供高效、精準的遙感信息服務［4］。2020年1月，新型高性能光學遙感衛星“紅旗一號-H9”發射升空，該星可獲取全色分辨率1m、多光譜分辨率4m、幅寬大于136km的推掃影像，衛星入軌后可與“吉林一號”衛星組網，以更好地為用戶提供遙感產品服務。 高景衛星星座也是我國自主研發的商業遙感衛星星座系統，系統由16顆0.5 m分辨率光學衛星，4顆高端光學衛星，4顆微波衛星，以及多顆視頻、高光譜等微小衛星組成。高景一號01/02星于2016年12月發射升空，全色分辨率為0.5m，多光譜分辨率為2m。高景一號03/04星于2018年1月發射升空，與高景一號01/02衛星完成組網，四星相位差90°，對地球目標的重訪周期為1天，每日可采集300萬平方千米影像，標志著我國0.5m級高分辨率商業遙感衛星星座正式建成。 表1.2列舉了國內幾種典型的成像衛星。 表1.2國內典型成像衛星 隨著我國綜合國力不斷增強和航天技術不斷進步，我國持續加快各類型衛星、星座及應用基礎設施的建設，衛星及其應用產業日益壯大。我國《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》提出：構建星座和專題衛星組成的遙感衛星系統，形成“高中低”分辨率合理配置、空天地一體多層觀測的全球數據獲取能力；加強地面系統建設，匯集高精度、全要素、體系化的地球觀測信息，構建“大數據地球”。我國《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015—2025年）》指出：按照一星多用、多星組網、多網協同的發展思路，根據觀測任務的技術特征和用戶需求特征，重點發展陸地觀測、海洋觀測、大氣觀測三個系列，構建由七個星座及三類專題衛星組成的遙感衛星系統，逐步形成高、中、低空間分辨率合理配置、多種觀測技術優化組合的綜合高效全球觀測和數據獲取能力。 1.2成像衛星工作過程 成像衛星發射升空之后，其日常運行需要有運控系統、測控系統、數據中心、專業應用系統等軟硬件設施的支撐。如圖1.1所示，成像衛星的一般工作過程如下：用戶向衛星運控系統提交成像需求，運控系統對需求匯總之后進行任務規劃，生成衛星的觀測計劃、數傳計劃和測控計劃，然后將衛星工作計劃傳給測控系統，由測控系統生成控制指令上注給衛星。衛星按照工作計劃，利用星載遙感器，從太空軌道中獲取地球的圖像信息，并將圖像數據回傳給地面數據接收站，地面數據接收站將數據統一傳送到數據中心，經加工處理后形成各類圖像數據，分發給專業應用系統，再加工成面向應用的圖像產品，供用戶使用。 圖1.1成像衛星工作過程示意圖 成像衛星每次觀測目標上空時會產生一條二維掃描條帶，條帶的寬度由遙感器的視場角（field of view，FOV）決定，衛星可以對條帶內的目標進行觀測，如圖1.2所示。早期的衛星只能對星下點成像，可視范圍是固定的，如今的衛星大多具備遙感器側擺能力，即遙感器可以沿垂直于星下點軌跡方向進行擺動，通過側擺可以有效擴展遙感器的可視范圍，縮短對目標的重訪周期，如資源三號02星具備32°側擺成像能力；高分一號衛星具備35°側擺成像能力。對于敏捷成像衛星而言，甚至還具備滾動、俯仰、偏航等快速姿態機動能力，可以實現更為靈活的觀測，如多目標成像、多視角立體成像等。 圖1.2衛星對地觀測與數據下傳
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