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成像卫星任务规划理论与方法 版权信息
- ISBN：9787030690401
- 条形码：9787030690401 ; 978-7-03-069040-1
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>>
成像卫星任务规划理论与方法 内容简介
《遥感卫星任务规划理论与方法》是一部系统阐述遥感卫星任务规划理论方法与关键技术的著作，是作者长期以来从事相关领域理论研究与应用研究成果的总结。本书阐述卫星任务规划理论体系框架，面向点目标、区域目标和移动目标的卫星任务规划方法，应急任务背景下的卫星任务规划方法，以及基于人工智能等新一代信息技术的智能卫星任务规划方法，很后阐述卫星任务规划决策支持系统。
成像卫星任务规划理论与方法 目录
目录
前言
第1章成像卫星任务规划概述1
1.1成像卫星概述1
1.1.1成像卫星和遥感器1
1.1.2国外成像卫星发展情况2
1.1.3国内成像卫星发展情况3
1.2成像卫星工作过程5
1.3成像卫星任务规划7
1.3.1成像任务描述方法7
1.3.2任务规划的主要功能8
1.3.3任务规划的优化目标9
1.3.4任务规划的主要约束10
1.3.5任务规划的问题分类12
1.4成像卫星任务规划研究现状13
1.4.1卫星任务筹划13
1.4.2成像卫星调度16
1.4.3卫星资源管理21
1.4.4研究现状总结22
1.5本章小结 23
参考文献23
第2章成像卫星任务规划的相关理论方法30
2.1成像卫星任务规划问题分析30
2.2成像卫星任务规划理论方法框架31
2.3整数规划32
2.3.1拉格朗日松弛技术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亚启发式算法41
2.4.1遗传算法42
2.4.2蚁群算法43
2.4.3模拟退火算法44
2.4.4禁忌搜索算法46
2.4.5超启发式算法48
2.5机器学习方法49
2.5.1神经网络50
2.5.2强化学习55
2.5.3S2V-DQN 方法59
2.5.4指针神经网络66
2.6评估方法75
2.6.1层次分析法75
2.6.2I>S证据理论77
2.6.3TOPSIS 方法78
2.6.4TODIM 方法79
参考文献80
第3章区域观测任务分解方法85
3.1单星区域分解方法85
3.2资源受限情形下多星协同区域分解89
3.2.1问题描述89
2.2.2数学模型90
3.2.3优化算法93
3.2.4仿真实验97
3.3资源充足情形下多星协同区域分解106
3.3.1问题描述 106
3.3.2数学模型 107
3.3.3优化算法 108
3.3.4仿真实验 111
3.4区域目标内部观测收益不均等情形下多星协同区域分解116
3.4.1问题描述 116
3.4.2数学模型 117
3.4.3优化算法119
3.4.4仿真实验 121
3.5本章小结124
第4章成像卫星调度方法125
4.1参数说明125
4.2任务合成观测调度问题126
4.2.1问题描述 126
4.2.2任务合成约束127
4.2.3任务合成优化模型128
4.2.4主问题与子问题130
4.2.5算法设计132
4.2.6数值实验 135
4.3成像数传一体化调度问题136
4.3.1问题描述 136
4.3.2数学模型 137
4.3.3双染色体遗传算法138
4.3.4双蚁群算法144
4.3.5改进模拟退火算法150
4.3.6改进禁忌搜索算法154
4.3.7四种智能算法对比分析158
4.4应急任务调度问题160
4.4.1问题描述 160
4.4.2应急任务调度模型161
4.4.3应急任务调度算法164
4.4.4数值实验与讨论168
4.5本章小结174
参考文献175
第5章移动目标搜索任务规划方法176
5.1问题概述176
5.2研究现状177
5.2.1目标搜索问题研究现状178
5.2.2成像卫星在动目标搜索问题中的调度技术现状179
5.2.3海面移动目标航迹预测技术现状181
5.3海面移动目标航迹预测方法182
5.3.1航迹预测问题概述182
5.3.2航迹数据预处理183
5.3.3数据驱动的航迹预测方法189
5.4多星对海面移动目标搜索模型194
5.4.1多星对海面移动目标搜索环境模型194
5.4.2基于搜索图的卫星观测规划方法196
5.5实验、结果与讨论203
5.5.1多星协同海面移动目标搜索实验203
5.5.2观测条带选择方法的对比实验210
5.5.3海面移动目标航迹预测实验211
5.5.4本章小结213
参考文献213
第6章成像卫星任务规划仿真系统220
6.1系统需求分析220
6.1.1系统功能要点220
6.1.2系统性能要点221
6.2规划系统业务设计221
6.2.1系统总体架构设计221
6.2.2系统业务流程222
6.3系统软件设计224
6.3.1软件系统组成224
6.3.2系统的运行与维护231
6.4任务规划开发工具箱231
6.5本章小结232
第7章成像卫星任务规划技术展望233
7.1云-边融合的任务规划技术234
7.2虚拟星座任务规划技术234
7.3天地一体化任务规划技术236
7.4本章小结238
参考文献238
前言
第1章成像卫星任务规划概述1
1.1成像卫星概述1
1.1.1成像卫星和遥感器1
1.1.2国外成像卫星发展情况2
1.1.3国内成像卫星发展情况3
1.2成像卫星工作过程5
1.3成像卫星任务规划7
1.3.1成像任务描述方法7
1.3.2任务规划的主要功能8
1.3.3任务规划的优化目标9
1.3.4任务规划的主要约束10
1.3.5任务规划的问题分类12
1.4成像卫星任务规划研究现状13
1.4.1卫星任务筹划13
1.4.2成像卫星调度16
1.4.3卫星资源管理21
1.4.4研究现状总结22
1.5本章小结 23
参考文献23
第2章成像卫星任务规划的相关理论方法30
2.1成像卫星任务规划问题分析30
2.2成像卫星任务规划理论方法框架31
2.3整数规划32
2.3.1拉格朗日松弛技术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亚启发式算法41
2.4.1遗传算法42
2.4.2蚁群算法43
2.4.3模拟退火算法44
2.4.4禁忌搜索算法46
2.4.5超启发式算法48
2.5机器学习方法49
2.5.1神经网络50
2.5.2强化学习55
2.5.3S2V-DQN 方法59
2.5.4指针神经网络66
2.6评估方法75
2.6.1层次分析法75
2.6.2I>S证据理论77
2.6.3TOPSIS 方法78
2.6.4TODIM 方法79
参考文献80
第3章区域观测任务分解方法85
3.1单星区域分解方法85
3.2资源受限情形下多星协同区域分解89
3.2.1问题描述89
2.2.2数学模型90
3.2.3优化算法93
3.2.4仿真实验97
3.3资源充足情形下多星协同区域分解106
3.3.1问题描述 106
3.3.2数学模型 107
3.3.3优化算法 108
3.3.4仿真实验 111
3.4区域目标内部观测收益不均等情形下多星协同区域分解116
3.4.1问题描述 116
3.4.2数学模型 117
3.4.3优化算法119
3.4.4仿真实验 121
3.5本章小结124
第4章成像卫星调度方法125
4.1参数说明125
4.2任务合成观测调度问题126
4.2.1问题描述 126
4.2.2任务合成约束127
4.2.3任务合成优化模型128
4.2.4主问题与子问题130
4.2.5算法设计132
4.2.6数值实验 135
4.3成像数传一体化调度问题136
4.3.1问题描述 136
4.3.2数学模型 137
4.3.3双染色体遗传算法138
4.3.4双蚁群算法144
4.3.5改进模拟退火算法150
4.3.6改进禁忌搜索算法154
4.3.7四种智能算法对比分析158
4.4应急任务调度问题160
4.4.1问题描述 160
4.4.2应急任务调度模型161
4.4.3应急任务调度算法164
4.4.4数值实验与讨论168
4.5本章小结174
参考文献175
第5章移动目标搜索任务规划方法176
5.1问题概述176
5.2研究现状177
5.2.1目标搜索问题研究现状178
5.2.2成像卫星在动目标搜索问题中的调度技术现状179
5.2.3海面移动目标航迹预测技术现状181
5.3海面移动目标航迹预测方法182
5.3.1航迹预测问题概述182
5.3.2航迹数据预处理183
5.3.3数据驱动的航迹预测方法189
5.4多星对海面移动目标搜索模型194
5.4.1多星对海面移动目标搜索环境模型194
5.4.2基于搜索图的卫星观测规划方法196
5.5实验、结果与讨论203
5.5.1多星协同海面移动目标搜索实验203
5.5.2观测条带选择方法的对比实验210
5.5.3海面移动目标航迹预测实验211
5.5.4本章小结213
参考文献213
第6章成像卫星任务规划仿真系统220
6.1系统需求分析220
6.1.1系统功能要点220
6.1.2系统性能要点221
6.2规划系统业务设计221
6.2.1系统总体架构设计221
6.2.2系统业务流程222
6.3系统软件设计224
6.3.1软件系统组成224
6.3.2系统的运行与维护231
6.4任务规划开发工具箱231
6.5本章小结232
第7章成像卫星任务规划技术展望233
7.1云-边融合的任务规划技术234
7.2虚拟星座任务规划技术234
7.3天地一体化任务规划技术236
7.4本章小结238
参考文献238
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成像卫星任务规划理论与方法 节选
第1章成像卫星任务规划概述 苏联于1957年10月4日在拜科努尔航天发射场成功发射了**颗人造地球卫星Sputnik-1，揭开了人造地球卫星技术发展的序幕。美国、中国、英国、法国、日本等国家纷纷研制并发射自己的卫星，使得卫星成为发展*快、用途*广的航天器，围绕着卫星技术和卫星应用的相关产业也得到快速发展。 卫星遥感以卫星为平台，从太空中观测并获取各种地球信息。卫星遥感技术的飞速发展，使人类拥有了全方位、全天时和全天候对地观测的新手段。在诸多遥感卫星中，成像卫星的发射数量*多并且用途*广，在国计民生的众多领域中发挥着不可替代的作用。成像卫星任务规划是成像卫星管控系统中*核心的功能之一，它所解决的是如何充分利用在轨成像卫星资源服务来自不同部门、不同用户的对地观测需求，起到“指挥中枢”的作用。 1.1成像卫星概述 1.1.1成像卫星和遥感器 成像卫星是指能够在其运行轨道上通过光学成像遥感器（全色、多光谱、高光谱、红外等）或合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）成像遥感器对陆地、海洋、空间等地球目标进行观测并获取图像信息的遥感卫星。成像卫星具有观测范围广、观测时间长、不受空间地域限制等显著特点，已广泛应用于军事、国土、海洋、农业、林业、水利、气象、测绘、环保、减灾、交通等诸多领域。 根据所处的轨道、卫星大小以及搭载遥感器的不同，可以将成像卫星细分为不同的种类。根据轨道的不同，可以分为太阳同步轨道卫星、极轨卫星、赤道轨道卫星、地球同步轨道卫星等，其中太阳同步轨道卫星占据了成像卫星的大多数。根据卫星大小的不同，可以分为大型卫星（＞500kg）、小型卫星（100~500kg）、微型卫星（10~100kg）、微纳卫星和立方体卫星（＜10kg）等。根据搭载遥感器的不同，可以分为光学成像卫星和雷达（微波）成像卫星等，其中光学成像遥感器又可以分为全色、多光谱、高光谱和红外，不同类型的遥感器具有不同的成像能力，适用于不同的任务需求。 随着技术的进步和应用的拉动，成像卫星呈现出空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率持续提高，星上处理能力不断进步，多星一体化组网观测能力日益增强的发展趋势。 1.1.2国外成像卫星发展情况 美国于1972年7月成功发射了Landsat-1陆地资源卫星，运行于太阳同步轨道，其多光谱遥感器的空间分辨率为80m。这是美国Landsat项目的**颗星。Landsat项目旨在打造中分辨率连续对地观测系统，为人们提供所需要的遥感影像数据，服务于农业、地质、林业、教育、测绘等领域，产生了重要的价值。截至目前，该项目已经发射了8颗卫星（其中第6颗发射失败），*后一颗星Landsat-8于2013年2月发射升空，搭载了陆地成像仪和热红外传感器两种载荷，目前仍在正常工作。 美国Spacing Imaging公司研制的伊科诺斯（IKONOS）卫星于1999年9月发射升空，运行于高度为681km的太阳同步轨道上。它是世界上**颗分辨率优于1m的商业遥感卫星，*高分辨率达到0.82m，使得商业遥感卫星拥有了媲美军事侦察卫星的图像清晰度，从而开启了高分辨率商业遥感卫星的新时代。在其生命周期内（1999—2015年），IKONOS卫星共获取了近60万张的地球影像，影像数据被广泛应用于众多行业和领域。 WorldView系列卫星是美国Digitalglobe公司的商业成像卫星系统，于2007年9月发射了首颗卫星，目前一共发射了4颗。该系列卫星具有高分辨率、高敏捷性等显著特点，如2016年11月发射的WorldView-4卫星的全色分辨率*高达到0.31m，多光谱分辨率达到1.24m，能够清楚地拍摄城市、岛礁、海岸线等多种类型的地物地貌，是目前全球领先的高分辨率商业遥感卫星。 SPOT系列卫星是法国空间研究中心研制的一种民用地球观测卫星，是世界上首先具有立体成像能力的遥感卫星［1］。**颗星SPOT-1于1986年2月发射，*近的SPOT-7卫星于2014年6月发射升空。SPOT-6和SPOT-7 两颗星还与Pleiades-1A卫星和Pleiades-1B卫星组成了四星星座，这四颗卫星同处一个轨道面，彼此之间相隔90°，具备每日两次的重访能力。 Pleiades是法国继SPOT系列卫星之后研制的具有更高分辨率的军民两用成像卫星，包括两颗卫星Pleiades-1A、Pleiades-1B，分别于2011年12月和2012年12月发射升空。与SPOT系列卫星相比，Pleiades卫星在空间分辨率、观测灵活性及数据获取模式等方面进行了重新设计，采用使卫星整体绕滚动轴、俯仰轴大角度侧摆的方式，灵活地实现对目标的观测［2］。 表1.1中列举了国外几种典型的成像卫星。 表1.1国外典型成像卫星 近年来，随着人类对遥感数据需求的不断增长和卫星研制与发射能力的不断进步，卫星星群（satellite cluster）的建设正在全球兴起。卫星星群一般是指由分布在多个轨道面上的多颗卫星组成的，共同合作完成遥感、通信、导航等空间飞行任务的分布式卫星系统。例如，美国Planet Labs公司的Doves星群是全球*大的对地观测卫星群，拥有分布在国际空间站轨道和太阳同步轨道上的近200颗小型遥感卫星，能以3m的分辨率每天对整个地球成像一遍，在全球高频次高分辨率卫星影像服务中处于领先地位。 1.1.3国内成像卫星发展情况 我国自1970年4月24日**颗人造卫星“东方红一号”发射以来，至今已将数百颗卫星成功送入太空，卫星研制与发射能力进入世界先进行列。我国的遥感卫星技术得到了快速发展，独立自主地研制了多种应用卫星，如资源系列卫星、遥感系列卫星、海洋系列卫星、高分系列卫星等，它们在促进经济建设和社会发展过程中发挥了重要作用。 资源一号01/02星是由中国和巴西联合研制的传输型资源遥感卫星（CBERS）。CBERS-01卫星于1999年10月成功发射，该卫星结束了我国长期以来只能依靠外国资源卫星的历史，标志着我国的卫星遥感应用进入到一个崭新的阶段。CBERS-02 卫星于2003年10月成功发射［3］。2000年和2002年，我国发射了两颗资源二号卫星，这是我国自行研制的传输型遥感卫星。随后陆续发射资源一号02B星（2007年）、02C星（2011年）、04星（2014年）、02D星（2019年），资源三号卫星（2012年）、资源三号02星（2016年）等。 我国遥感系列卫星主要应用于国土资源勘查、环境监测与保护、城市规划、农作物估产、防灾减灾和空间科学试验等领域。2006年4月，遥感一号卫星在太原卫星发射中心成功发射，随后不断发射新的遥感卫星，至2018年1月，已发射至遥感三十号卫星。遥感系列卫星正逐步形成网络服务平台，在促进航天科技研究和应用方面发挥了重要作用。 我国《国家中长期科学和技术规划发展纲要（2006—2020年）》中，将“高分辨率对地观测系统”确定为16个重大专项之一，并于2010年经国务院批准启动实施，系统将统筹建设基于卫星、平流层飞艇和飞机的高分辨率对地观测系统，完善地面资源，并与其他观测手段结合，形成全天候、全天时、全球覆盖的对地观测能力。2013年4月我国成功发射了高分一号卫星。高分一号卫星全色分辨率是2m，多光谱分辨率为8m，幅宽达到800km。2014年8月，高分二号卫星成功发射，该卫星是我国首颗分辨率达到亚米级的宽幅民用遥感卫星。2015年12月发射的高分四号卫星是高分专项中首颗地球同步轨道遥感卫星，也是目前国际地球同步轨道上**颗高分辨率遥感卫星。截至目前，高分系列卫星已发射至高分十一号卫星。高分系列卫星广泛应用于多个行业和区域，使中国遥感卫星技术跨上了新的台阶，极大地提高了我国卫星对地观测水平，使我们摆脱了对国外高分辨率地球影像数据的依赖。 2015年10月，吉林一号组星成功发射，包括1颗光学A星、2颗灵巧视频星以及1颗灵巧验证星，开创了我国商业卫星应用的先河。截止到目前，吉林一号组星已有15颗在轨卫星。吉林一号组星是我国自主研发的商用高分辨率遥感卫星，全色分辨率*高达0.72m，同时具备米级高清动态视频拍摄能力，能够为用户提供高效、精准的遥感信息服务［4］。2020年1月，新型高性能光学遥感卫星“红旗一号-H9”发射升空，该星可获取全色分辨率1m、多光谱分辨率4m、幅宽大于136km的推扫影像，卫星入轨后可与“吉林一号”卫星组网，以更好地为用户提供遥感产品服务。 高景卫星星座也是我国自主研发的商业遥感卫星星座系统，系统由16颗0.5 m分辨率光学卫星，4颗高端光学卫星，4颗微波卫星，以及多颗视频、高光谱等微小卫星组成。高景一号01/02星于2016年12月发射升空，全色分辨率为0.5m，多光谱分辨率为2m。高景一号03/04星于2018年1月发射升空，与高景一号01/02卫星完成组网，四星相位差90°，对地球目标的重访周期为1天，每日可采集300万平方千米影像，标志着我国0.5m级高分辨率商业遥感卫星星座正式建成。 表1.2列举了国内几种典型的成像卫星。 表1.2国内典型成像卫星 随着我国综合国力不断增强和航天技术不断进步，我国持续加快各类型卫星、星座及应用基础设施的建设，卫星及其应用产业日益壮大。我国《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》提出：构建星座和专题卫星组成的遥感卫星系统，形成“高中低”分辨率合理配置、空天地一体多层观测的全球数据获取能力；加强地面系统建设，汇集高精度、全要素、体系化的地球观测信息，构建“大数据地球”。我国《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025年）》指出：按照一星多用、多星组网、多网协同的发展思路，根据观测任务的技术特征和用户需求特征，重点发展陆地观测、海洋观测、大气观测三个系列，构建由七个星座及三类专题卫星组成的遥感卫星系统，逐步形成高、中、低空间分辨率合理配置、多种观测技术优化组合的综合高效全球观测和数据获取能力。 1.2成像卫星工作过程 成像卫星发射升空之后，其日常运行需要有运控系统、测控系统、数据中心、专业应用系统等软硬件设施的支撑。如图1.1所示，成像卫星的一般工作过程如下：用户向卫星运控系统提交成像需求，运控系统对需求汇总之后进行任务规划，生成卫星的观测计划、数传计划和测控计划，然后将卫星工作计划传给测控系统，由测控系统生成控制指令上注给卫星。卫星按照工作计划，利用星载遥感器，从太空轨道中获取地球的图像信息，并将图像数据回传给地面数据接收站，地面数据接收站将数据统一传送到数据中心，经加工处理后形成各类图像数据，分发给专业应用系统，再加工成面向应用的图像产品，供用户使用。 图1.1成像卫星工作过程示意图 成像卫星每次观测目标上空时会产生一条二维扫描条带，条带的宽度由遥感器的视场角（field of view，FOV）决定，卫星可以对条带内的目标进行观测，如图1.2所示。早期的卫星只能对星下点成像，可视范围是固定的，如今的卫星大多具备遥感器侧摆能力，即遥感器可以沿垂直于星下点轨迹方向进行摆动，通过侧摆可以有效扩展遥感器的可视范围，缩短对目标的重访周期，如资源三号02星具备32°侧摆成像能力；高分一号卫星具备35°侧摆成像能力。对于敏捷成像卫星而言，甚至还具备滚动、俯仰、偏航等快速姿态机动能力，可以实现更为灵活的观测，如多目标成像、多视角立体成像等。 图1.2卫星对地观测与数据下传
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