一種面向應急任務的天基傳感器觀測組合評定方法
2023-05-28 03:07:26 1
一種面向應急任務的天基傳感器觀測組合評定方法
【專利摘要】本發明提供了一種面向應急任務的天基傳感器觀測組合評定方法，利用各天基傳感器不同的觀測性能求解面向應急任務的適應度，從而對天基傳感器的觀測組合方案進行評定，建立天基傳感器觀測組合問題模型XV=R，窮舉除去全不選以外的2n-l種天基傳感器待選組合，利用性能矩陣分別計算各天基傳感器待選組合對於各觀測要素的觀測性能，計算天基傳感器待選組合在各觀測要素的觀測性能上的適應度，根據各觀測要素的關注程度為每個觀測要素的權重賦值，計算天基傳感器待選組合對於應急任務觀測需求的綜合適應度，最後從2n-l種天基傳感器待選組合中選取綜合適應度最優的組合為最終天基傳感器觀測組合方案。
【專利說明】一種面向應急任務的天基傳感器觀測組合評定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種面向應急任務的天基傳感器觀測組合評定方法，屬於智慧地球對 地觀測【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 據統計，當前空天地對地觀測一體化中的在軌天基衛星，美國有160多個，中國有 60個，中國預計2020年有120-140多顆，它們分別搭載了數量與類型各異的傳感器。然而， 在面對特定應急任務時，全球的天基衛星傳感器呈現出一種既"多"又"少"的局面。為了將 現有的天基傳感器觀測系統更好地耦合到一起，實現協同觀測，需要建立一種科學的面向 應急任務的天基傳感器觀測組合評定方法，以便應急觀測時的天基傳感器科學、合理規劃。
[0003] 針對應急事件的多樣性，天基傳感器對地觀測的各方面要求在不斷提升，包括時 間及時化、覆蓋全面化與數據質量化等。利用多星傳感器對指定目標區域進行協同觀測，擁 有觀測時間短、覆蓋範圍廣等多方面的優勢，可以彌補單星的許多不足。
[0004] 對於假設給定的t顆天基傳感器，它們的組合方案有2t-l種可能性。針對特定的 應急任務，這些可能的組合方案對於應急觀測任務的適應度不一。對於天基衛星傳感器觀 測組合的研究已經有多年的歷史，其主要的研究成果及存在的問題分析如下：以能耗為首 要考慮因子，在考慮多星對目標區域覆蓋達到最低限度的前提下，選取耗時最短的觀測組 合；將空間覆蓋面積作為決定因素，在眾多衛星傳感器觀測組合中，選取觀測範圍對目標區 域覆蓋最為全面的組合；從系統工具角度，美國AGI公司的STK(SatelliteT 〇〇lKit)工具支 持天基傳感器空間觀測覆蓋仿真，日本的SatelliteTracker3D工具支持所有在軌可用的 天基傳感器實時在線觀測覆蓋模擬。綜上，目前天基傳感器觀測規劃主要集中在考慮單一 方面（如：時或空）因素，如將觀測組合問題看成一個集合覆蓋問題。較少綜合考慮多個觀 測因子，沒有考慮任務的動態需求，忽視了不同任務的不同觀測需求與動態觀測因子的側 重點。針對時-空-頻具有綜合需求，以及具有動態演化特徵的應急任務，缺乏一種天基傳 感器觀測組合的科學與定量評定方法。
【發明內容】
[0005] 為了解決現有技術的不足，本發明提供了面向應急任務的天基傳感器觀測組合評 定方法，推進應急時天基傳感器觀測組合合理化與更優化，為災區應急的天基傳感器協同 觀測提供可信的規劃依據。
[0006] 本發明為解決其技術問題所採用的技術方案是：提供了面向應急任務的天基傳感 器觀測組合評定方法，利用各天基傳感器不同的觀測性能求解面向應急任務的適應度，從 而對天基傳感器的觀測組合方案進行評定，具體包括以下步驟：
[0007] (1)建立天基傳感器觀測組合問題模型XV = R :
[0008] 其中，向量R= [ri，...，ri，...，rm]是應急任務觀測需求，m為觀測要素的數量， ri表示第i項觀測要素，i e [l，m]，所述觀測要素分為明確要求、模糊要求、以及既明確又 模糊要求三種類型；
[0009] 向量X = [Xu . . .，χ」，...，xn]為天基傳感器待選組合，η為天基傳感器的數量， j e [1, η],當χ」取值為1時,表示第j個天基傳感器入選天基傳感器待選組合X,即第j個 天基傳感器為組合成員，當Xj取值為〇時，表示第j個天基傳感器不入選天基傳感器待選 組合X ;天基傳感器待選組合共有除去全不選以外的2n-l種；
[0010] V為天基傳感器觀測能力的性能矩陣，元素Vij為第j個天基傳感器的第i項觀測 要素的性能值；
[0011] (2)對於每種天基傳感器待選組合，重複步驟（3)到步驟（6);
[0012] (3)對於天基傳感器待選組合X，利用性能矩陣分別計算天基傳感器待選組合X對 於各觀測要素的觀測性能；其中，第i項觀測要素^的觀測性能用Pi表示；
[0013] (4)利用各觀測要素的觀測性能計算天基傳感器待選組合X分別對於各觀測要素 的適應度；其中，天基傳感器待選組合X對於第i項觀測要素A的適應度用fi表示；
[0014] (5)根據各觀測要素的關注程度為每個觀測要素的權重賦值；
[0015] (6)利用各觀測要素的權重和適應度計算天基傳感器待選組合X對於應急任務觀 測需求R的綜合適應度Fitness ;
[0016] (7)比較2n-l種天基傳感器待選組合綜合適應度，取綜合適應度F最優的天基傳 感器待選組合作為最終的天基傳感器的觀測組合方案。
[0017] 進一步地，步驟（3)通過以下公式確定各觀測要素的觀測性能：
[0018] Pi = Σ (xj X ν^·)............ (1)
[0019] 其中，Pi表示全部η個天基傳感器在第i項觀測要素ri的觀測性能的值，根據不 同其中，求解Pi的加法邏輯Σ分為以下三種情況：
[0020] 當不同天基傳感器在觀測性能&上不相互影響或不存在關聯時，Σ為當i值固 定、j取到[1，η]的所有情況下各XjXvu的值求和運算；
[0021] 當不同天基傳感器在觀測性能A上存在覆蓋或重疊關係時，Σ為當i值固定、j取 到[1，η]的所有情況下各的值的去重求和運算；
[0022] 當不同天基傳感器在觀測性能巧上符合短板效應時，Σ為當i值固定、j取到 [l，n]的所有情況下各 XjXVij的值中取最劣值運算。
[0023] 進一步地，步驟（4)中，用&表示天基傳感器待選組合X對於第i項觀測要素ri 的觀測性能值Pi的適應度，根據A的類型分為以下三種情況計算：
[0024] 當&的類型為明確要求時，若Pi在&的要求範圍內，則&為1，否則&為0 ;
[0025] 當^的類型為模糊要求時，將mfPi按從劣到優進行排序，將Ρ,的次序值除以2n， 得到A ;
[0026] 當ri的類型為既明確又模糊要求時，若Pi在ri的要求範圍內，則將m個Pi按從劣 到優進行排序，將Pi的次序值除以2 n，得到& ;否則，&為0。
[0027] 進一步地，步驟（5)中，定義權重向量W = [Wp ·…，Wi, · . ·，wm]，其中，wi表示觀測 m 要素η的權重，Σν^ =1。 i=l
[0028] 進一步地，步驟（6)中，天基傳感器待選組合X對於應急任務觀測需求R的綜合適 應度Fitness通過以下公式計算：
[0029]
【權利要求】
1. 一種面向應急任務的天基傳感器觀測組合評定方法，其特徵在於利用各天基傳感 器不同的觀測性能求解面向應急任務的適應度，從而對天基傳感器的觀測組合方案進行評 定，具體包括以下步驟： (1) 建立天基傳感器觀測組合問題模型XV = R : 其中，向量R = [ri，. . .，ri，. . .，rm]是應急任務觀測需求，m為觀測要素的數量，ri表 示第i項觀測要素，i e [l，m]，所述觀測要素分為明確要求、模糊要求、以及既明確又模糊 要求三種類型； 向量X = [Xp . . .，X」，...，xn]為天基傳感器待選組合，η為天基傳感器的數量， j e [1, η],當χ」取值為1時,表示第j個天基傳感器入選天基傳感器待選組合X,即第j個 天基傳感器為組合成員，當Xj取值為〇時，表示第j個天基傳感器不入選天基傳感器待選 組合X ;天基傳感器待選組合共有除去全不選以外的2n-l種； V為天基傳感器觀測能力的性能矩陣，元素為第j個天基傳感器的第i項觀測要素 的性能值； (2) 對於每種天基傳感器待選組合，重複步驟（3)到步驟（6); (3) 對於天基傳感器待選組合X，利用性能矩陣分別計算天基傳感器待選組合X對於各 觀測要素的觀測性能；其中，第i項觀測要素^的觀測性能用Pi表示； (4) 利用各觀測要素的觀測性能計算天基傳感器待選組合X分別對於各觀測要素的適 應度；其中，天基傳感器待選組合X對於第i項觀測要素A的適應度用&表示； (5) 根據各觀測要素的關注程度為每個觀測要素的權重賦值； (6) 利用各觀測要素的權重和適應度計算天基傳感器待選組合X對於應急任務觀測需 求R的綜合適應度Fitness ; (7) 比較2n-l種天基傳感器待選組合綜合適應度，取綜合適應度F最優的天基傳感器 待選組合作為最終的天基傳感器的觀測組合方案。
2. 根據權利要求1所述的面向應急任務的天基傳感器觀測組合評定方法，其特徵在 於：步驟（3)通過以下公式確定各觀測要素的觀測性能： Pi = Σ (xjXVij)............(1) 其中，Pi表示全部η個天基傳感器在第i項觀測要素ri的觀測性能的值，根據不同其 中，求解Pi的加法邏輯Σ分為以下三種情況： 當不同天基傳感器在觀測性能^上不相互影響或不存在關聯時，Σ為當i值固定、j取 到[1，η]的所有情況下各XjXvu的值求和運算； 當不同天基傳感器在觀測性能^上存在覆蓋或重疊關係時，Σ為當i值固定、j取到 [1，η]的所有情況下各的值的去重求和運算； 當不同天基傳感器在觀測性能Α上符合短板效應時，Σ為當i值固定、j取到[1，η]的 所有情況下各的值中取最劣值運算。
3. 根據權利要求1所述的面向應急任務的天基傳感器觀測組合評定方法，其特徵在 於：步驟（4)中，用表示天基傳感器待選組合X對於第i項觀測要素 ri的觀測性能值Pi 的適應度，根據A的類型分為以下三種情況計算： 當A的類型為明確要求時，若Ρ,在ri的要求範圍內，則&為1，否則&為0 ; 當^的類型為模糊要求時，將m個Pi按從劣到優進行排序，將Pi的次序值除以2n，得 到f i; 當A的類型為既明確又模糊要求時，若Pi在ri的要求範圍內，則將m個Pi按從劣到優 進行排序，將Pi的次序值除以2n，得到& ;否則，&為0。
4. 根據權利要求1所述的面向應急任務的天基傳感器觀測組合評定方法，其特徵在 於：步驟（5)中，定義權重向量W = [Wp . . .，Wi,. . .，wm]，其中，wi表示觀測要素&的權重，
5. 根據權利要求1所述的面向應急任務的天基傳感器觀測組合評定方法，其特徵在 於：步驟（6)中，天基傳感器待選組合X對於應急任務觀測需求R的綜合適應度Fitness通 過以下公式計算：
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【文檔編號】G06F19/00GK104217116SQ201410466378
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月12日 優先權日:2014年9月12日
【發明者】胡楚麗, 劉一冬 申請人:中國地質大學（武漢）