多星多模式机动成像模型的星载通用描述方法及系统[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111947646 A(43)申请公布日 2020.11.17

(21)申请号 202010807877.7(22)申请日 2020.08.12

(71)申请人 上海卫星工程研究所

地址 200240 上海市闵行区华宁路251号(72)发明人 杨燕　崔本杰　郁海勇　袁双　

宋君强　夏时宇　卢昕　李超群　(74)专利代理机构 上海段和段律师事务所

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代理人 李佳俊　郭国中(51)Int.Cl.

G01C 21/00(2006.01)G06Q 10/06(2012.01)B64G 1/10(2006.01)B64G 1/24(2006.01)

权利要求书2页 说明书8页 附图3页

CN 111947646 A(54)发明名称

多星多模式机动成像模型的星载通用描述方法及系统(57)摘要

本发明提供了一种多星多模式机动成像模

包括：分类步骤：型的星载通用描述方法及系统，

明确星簇内各类成员卫星的成像模式，将不同成像模式按照机动维度分成两类；约束提炼步骤：将两类中各成员卫星的约束抽象提炼后，由中枢星整合处理；机动时间确认步骤：在单滚动轴机动模式下，明确星簇内各类成员卫星的机动时间；多项式拟合步骤：对单滚动轴机动模式下，姿态机动角度时间进行多项式拟合；定义步骤：在两轴机动模式下，定义不同成像过程时段；规划控制步骤：经过通用成像模型的描述方法，形成注数包，实现对星簇任务的规划控制。提高多星协同工作任务的规划效率，使星簇系统中各个成员星发挥到各种最大效能。

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1.一种多星多模式机动成像模型的星载通用描述方法，其特征在于，包括：分类步骤：明确星簇内各类成员卫星的成像模式，将不同成像模式按照机动维度分成两类；

约束提炼步骤：将两类中各成员卫星的约束抽象提炼后，由中枢星整合处理；机动时间确认步骤：在单滚动轴机动模式下，明确星簇内各类成员卫星的机动时间；多项式拟合步骤：对单滚动轴机动模式下，姿态机动角度时间进行多项式拟合；定义步骤：在两轴机动模式下，定义不同成像过程时段；规划控制步骤：经过通用成像模型的描述方法，形成注数包，实现对星簇任务的规划控制。

2.根据权利要求1所述的多星多模式机动成像模型的星载通用描述方法，其特征在于，所述单滚动轴机动模式是对目标成像前、成像过程、成像结束后，俯仰轴始终保持同一姿态，目标切换俯仰轴均保持不变，仅滚动轴一维机动实现对不同目标成像；

所述两轴机动模式是不同目标成像过程除滚动轴机动切换外，还涉及俯仰轴的机动。3.根据权利要求1所述的多星多模式机动成像模型的星载通用描述方法，其特征在于，所述约束提炼步骤包括：设定每颗成员星资源总量为10，在每次协同启动后，中枢星预存各星资源总量恢复为10；

一次资源消耗定义为成员星在一次协同中选用特定的工作模式所消耗的资源份数。4.根据权利要求1所述的多星多模式机动成像模型的星载通用描述方法，其特征在于，所述机动时间确认步骤中，各成员星提供姿态机动角度时间对应关系表。

5.根据权利要求1所述的多星多模式机动成像模型的星载通用描述方法，其特征在于，所述多项式拟合包括：

T＝ax3+bx2+cx+d；T为机动耗时，x为机动角度，a、b、c、d为星上预存各项系数。6.一种多星多模式机动成像模型的星载通用描述系统，其特征在于，包括：分类模块：明确星簇内各类成员卫星的成像模式，将不同成像模式按照机动维度分成两类；

约束提炼模块：将两类中各成员卫星的约束抽象提炼后，由中枢星整合处理；机动时间确认模块：在单滚动轴机动模式下，明确星簇内各类成员卫星的机动时间；多项式拟合模块：对单滚动轴机动模式下，姿态机动角度时间进行多项式拟合；定义模块：在两轴机动模式下，定义不同成像过程时段；规划控制模块：经过通用成像模型的描述方法，形成注数包，实现对星簇任务的规划控制。

7.根据权利要求6所述的多星多模式机动成像模型的星载通用描述系统，其特征在于，所述单滚动轴机动模式是对目标成像前、成像过程、成像结束后，俯仰轴始终保持同一姿态，目标切换俯仰轴均保持不变，仅滚动轴一维机动实现对不同目标成像；

所述两轴机动模式是不同目标成像过程除滚动轴机动切换外，还涉及俯仰轴的机动。8.根据权利要求6所述的多星多模式机动成像模型的星载通用描述系统，其特征在于，所述约束提炼模块包括：设定每颗成员星资源总量为10，在每次协同启动后，中枢星预存各星资源总量恢复为10；

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一次资源消耗定义为成员星在一次协同中选用特定的工作模式所消耗的资源份数。9.根据权利要求6所述的多星多模式机动成像模型的星载通用描述系统，其特征在于，所述机动时间确认模块中，各成员星提供姿态机动角度时间对应关系表。

10.根据权利要求6所述的多星多模式机动成像模型的星载通用描述系统，其特征在于，所述多项式拟合包括：

T＝ax3+bx2+cx+d；T为机动耗时，x为机动角度，a、b、c、d为星上预存各项系数。

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多星多模式机动成像模型的星载通用描述方法及系统

技术领域

[0001]本发明涉及多航天器间协同的任务规划领域，具体地，涉及一种多星多模式机 动成像模型的星载通用描述方法及系统。

背景技术

[0002]随着在轨卫星数目的持续增加，卫星能力需求的持续升级，大规模的组网卫星、 编队卫星应运而生，提出了多星协同、星间互联的新要求。

[0003]星簇系统主要是由智能卫星(中枢星)与多个成像星(成员星)共同组成，中 枢星和成员星之间通过了中枢星上的多星协同任务规划系统来集中整合调配各成 员星的各类载荷成像任务。多星协同系统较传统组网卫星和单一大卫星平台具有其 自身特点：首先，多星协同系统功能逐渐趋于复杂化，空间任务耦合程度更高，任 务协同和分配要求更高。协同工作以实现对地观测任务，成像卫星在成像任务执行 后，通常会提取图像中的地物、船只、区域切片数据，执行图像或信号的在轨实时 处理，得到对切片数据的特征描述，成像卫星将切片数据连同特征描述信息一同打 包，经星间链路传输至智能卫星，智能卫星对多星数据进行集中汇集并处理，得到 对特定区域或全球范围的高级描述和认知。[0004]对于星簇内多种成像载荷，多种成像模式的特点，如果没有归一化的成像机动 模型，并提炼出通用的模型描述方法，将无法形成对多星协同任务规划系统的通用 任务规划方法，影响到整个星簇系统的在轨任务发挥最大工作效能。[0005]对比同类已公开方法：一种敏捷卫星在轨机动成像任务实现方法(发明专利， CN201210253812.8)，其特征是地面用户将敏捷卫星星上姿控、数传、相机和星务 分系统机动成像时的遥控指令根据各分系统的典型工作模式组成多种指令模板并 存储于星上计算机中,之后地面用户上注一种任务操作指令。本申请与其有以下明显 不同：任务背景不同，本申请面向多星多模式的机动成像模型，对比专利面向单星 成像任务实现；通用程度不同：本申请可在各种载荷卫星和各种成像任务模式之间 通用使用，对比专利只适用于光学成像卫星。

[0006]综上，目前，尚未查见一种通用方法能够统一描述多种卫星载荷的不同机动成像模 型。

发明内容

[0007]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多星多模式机动成像模型的 星载通用描述方法及系统。

[0008]根据本发明提供的一种多星多模式机动成像模型的星载通用描述方法，包括：[0009]分类步骤：明确星簇内各类成员卫星的成像模式，将不同成像模式按照机动维度分 成两类；

[0010]约束提炼步骤：将两类中各成员卫星的约束抽象提炼后，由中枢星整合处理；[0011]机动时间确认步骤：在单滚动轴机动模式下，明确星簇内各类成员卫星的机动时

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间；

多项式拟合步骤：对单滚动轴机动模式下，姿态机动角度时间进行多项式拟合；

[0013]定义步骤：在两轴机动模式下，定义不同成像过程时段；[0014]规划控制步骤：经过通用成像模型的描述方法，形成注数包，实现对星簇任务的规 划控制。

[0015]优选地，所述单滚动轴机动模式是对目标成像前、成像过程、成像结束后，俯仰轴 始终保持同一姿态，目标切换俯仰轴均保持不变，仅滚动轴一维机动实现对不同目标成 像；

[0016]所述两轴机动模式是不同目标成像过程除滚动轴机动切换外，还涉及俯仰轴的机动。

[0017]优选地，所述约束提炼步骤包括：设定每颗成员星资源总量为10，在每次协同启动 后，中枢星预存各星资源总量恢复为10；

[0018]一次资源消耗定义为成员星在一次协同中选用特定的工作模式所消耗的资源份数。

[0019]优选地，所述机动时间确认步骤中，各成员星提供姿态机动角度时间对应关系表。[0020]优选地，所述多项式拟合包括：[0021]T＝ax3+bx2+cx+d；[0022]T为机动耗时，x为机动角度，a、b、c、d为星上预存各项系数。

[0023]根据本发明提供的一种多星多模式机动成像模型的星载通用描述系统，包括：[0024]分类模块：明确星簇内各类成员卫星的成像模式，将不同成像模式按照机动维度分 成两类；

[0025]约束提炼模块：将两类中各成员卫星的约束抽象提炼后，由中枢星整合处理；[0026]机动时间确认模块：在单滚动轴机动模式下，明确星簇内各类成员卫星的机动时间；

[0027]多项式拟合模块：对单滚动轴机动模式下，姿态机动角度时间进行多项式拟合；[0028]定义模块：在两轴机动模式下，定义不同成像过程时段；[0029]规划控制模块：经过通用成像模型的描述方法，形成注数包，实现对星簇任务的规 划控制。

[0030]优选地，所述单滚动轴机动模式是对目标成像前、成像过程、成像结束后，俯仰轴 始终保持同一姿态，目标切换俯仰轴均保持不变，仅滚动轴一维机动实现对不同目标成 像；

[0031]所述两轴机动模式是不同目标成像过程除滚动轴机动切换外，还涉及俯仰轴的机动。

[0032]优选地，所述约束提炼模块包括：设定每颗成员星资源总量为10，在每次协同启动 后，中枢星预存各星资源总量恢复为10；

[0033]一次资源消耗定义为成员星在一次协同中选用特定的工作模式所消耗的资源份数。

[0034]优选地，所述机动时间确认模块中，各成员星提供姿态机动角度时间对应关系表。[0035]优选地，所述多项式拟合包括：

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T＝ax3+bx2+cx+d；

[0037]T为机动耗时，x为机动角度，a、b、c、d为星上预存各项系数。[0038]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：[0039]针对星簇集群中有不同类型成像载荷的成员星，对成员星的不同对地工作模式 和不同成像任务机动时间要求进行算法语言描述，并提炼成统一的描述方法，该描 述方法能够描述目前已知的全部成像载荷卫星的一维和二维成像模型，解决了不同 模式机动模型无法统一描述的问题，便于星簇系统实现多星协同任务规划，提高多 星协同工作任务的规划效率，使星簇系统中各个成员星发挥到各种最大效能。附图说明

[0040]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：

[0041]图1为推扫模式时间约束示意图；[0042]图2为立体成像模式时间约束示意图；[0043]图3为频凝视模式时间约束示意图；[0044]图4为凝扫成像模式时间约束示意图；[0045]图5为滑动聚束时间约束示意图。

具体实施方式

[0046]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

[0047]本实施例提供了一种多星多模式机动成像模型的星载通用描述方法，面向星簇集群 的自主任务规划需求，针对星簇集群中有不同类型成像载荷的成员星，对成员星的不同 对地工作模式和不同成像任务机动时间要求进行算法语言描述，并提炼成统一的描述方 法，使用通用描述方法实现星簇进行任务规划，提高多星协同工作任务的规划效率，使 星簇系统中各个成员星发挥到各种最大效能。[0048]为详细说明本实施例的技术内容、构造特征、所达成目的及有益效果，下面结合附 图对本实施例予以详细说明，图1卫星常规对地任务模式：推扫模式的时间约束示意图， 图2～图5是4种卫星典型载荷的特殊对地成像模式，载荷类型主要包括高分光学载荷、 宽幅光学载荷、高光谱载荷和SAR载荷，特殊对地成像模式主要包括立体成像模式、凝 视成像模式、凝扫成像模式、滑动聚束成像模式。包括以下步骤：[0049]步骤1：明确星簇内各类成员卫星的成像模式，将不同成像模式按照机动维度定义 成两类：

[0050]星簇内各个成员卫星有多种成像模式，包含推扫、凝视、凝扫、立体、多条带等， 任务规划需计算各成像元任务占用时段，各星涉及到成像模式根据机动维数，可以分为 两类：

[0051]推扫模式，对目标成像前、成像过程、成像结束后，俯仰轴始终保持同一姿态，目 

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标切换俯仰轴均保持不变，仅滚动轴一维机动实现对不同目标成像；[0052]特殊模式，不同目标成像过程除滚动轴机动切换外，还涉及俯仰轴的机动，包含视 频凝视成像模式、高光谱凝扫模式、光学立体成像模式、SAR滑动聚束模式等。[0053]步骤2：将各成员卫星能源和存储等约束抽象提炼后，由中枢星整合处理：[0054]在多星协同过程中，各星自身执行姿态机动、载荷作业、数据传输等动作，需要消 耗星上能源，且卫星不能长期采用对地姿态，任务结束后需返回对日定向进行能源补给； 同时，星上载荷数据存储有限，一定时间需进行数据下传操作，因此，星簇任务规划需 考虑各星能力。

[0055]考虑到各成员星系统各自工作模式、载荷特征、存储大小、能源平衡等设计各有不 同，因此将各星对能源和存储的约束进行整合，进行约束整合处理：[0056]·设定每颗成员星自身能源、存储等资源总量为10，在每次协同启动后，中枢星 预存各星资源总量恢复为10；

[0057]·一次资源消耗定义为成员星在一次协同中选用特定的工作模式所消耗的资源份 数，如成像星一次推扫模式消耗3/10，在一次协同中即可成像3次，各星各模 式资源消耗如下表，可通过地面上注配置；

[0058]·连续两次协同任务T0间隔不小于60分钟，在轨可调；[0059]各星各模式资源消耗如下表，可通过地面上注配置。[0060]表一、各星各模式在一次协同内的资源消耗

[0061]

卫星 工作模式资源消耗

中枢星 载荷工作模式：10/10 成员星1 载荷工作模式：10/10 成员星2 凝视跟踪：3/10，滑聚模式：3/10 成员星3 凝视跟踪：3/10，推帧模式：10/10， 成员星4 推扫：3/10，立体成像：6/10 成员星5 推扫模式：3/10，立体成像：10/10 成员星6 凝扫：3/10 成员星7 推扫：3/10

[0062]步骤3：推扫模式(单滚动轴机动)下，明确星簇内各类成员卫星的机动时间：[0063]考虑到星下成像分辨率和图像质量最高，一般在卫星主载荷进行多目标捕获时，推 扫模式仅考虑滚动轴一维机动，各星提供了姿态机动角度时间表格。[0064]表二、姿态机动角度时间表格

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[0065]

步骤4：对推扫模式(单滚动轴机动)下，姿态机动角度时间进行多项式拟合：

[0067]星上拟采用三次多项式进行拟合，函数形式如下：[0068]T＝ax3+bx2+cx+d[0069]T为机动耗时，x为机动角度，a、b、c、d为星上预存各项系数，可由地面修改。[0070]步骤5：特殊模式(两轴机动)下，定义不同成像过程时段：[0071]单星规划及传输时延dt0：一般包括任务规划星内组包时延1s、星间传输时延1s、 单星规划时间5s，共计7s，由地面设置定值；[0072]成像前俯仰机动时长dt1：从初始俯仰姿态机动到开始成像前视姿态所用最短时间；

[0073]过顶前成像过程时长dt2：从成像开始到初始姿态下对目标过顶时长；[0074]过顶后成像过程时长dt3：从初始姿态下过顶到成像结束时长；[0075]过顶后姿态回位时长dt4：成像结束后到初始姿态对地转换时长；[0076]成像前俯仰机动时长dt5：SAR第二次以上滑聚用，其他星为0；[0077]具体示意图参见图2～图5，以上时间适用于除滚动轴姿态切换外的任务时段计算， dt0～dt5由地面上注，星上预存各星各模式下的典型时段。[0078]滚动机动根据前后两个点目标的角度切换，采用角度时间表拟合3次多项式函数直 接计算得，函数形式如下：

[0079]函数形式dtx＝ax^3+bx^2+cx+d，x为不同目标滚动轴机动角度，dtx为机动耗时。[0080]则成像元任务“过顶前准备时长”＝dt0+max(dt1,dtx)+dt2，“过顶后准备时长”＝dt3+dt4。

[0081]步骤6：经过通用成像模型的描述方法，形成注数包，实现对星簇任务的规划控制。[0082]如下表所示，可以该发明的通用描述方法可形成注数包，对星簇进行任务规划，实 现多星协同工作。[0083]表三、各卫星姿态机动能力参数配置

[0066]

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表四、表卫星各模式能力参数配置(上注数据)

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[0087]

本发明还提供一种多星多模式机动成像模型的星载通用描述系统，包括：

[0089]分类模块：明确星簇内各类成员卫星的成像模式，将不同成像模式按照机动维度分 成两类；

[0090]约束提炼模块：将两类中各成员卫星的约束抽象提炼后，由中枢星整合处理；[0091]机动时间确认模块：在单滚动轴机动模式下，明确星簇内各类成员卫星的机动时间；

[0092]多项式拟合模块：对单滚动轴机动模式下，姿态机动角度时间进行多项式拟合；[0093]定义模块：在两轴机动模式下，定义不同成像过程时段；[0094]规划控制模块：经过通用成像模型的描述方法，形成注数包，实现对星簇任务的规 

[0088]

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划控制。

[0095]本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及 其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提 供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制 器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装 置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、 模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、 单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。[0096]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改， 这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的 特征可以任意相互组合。

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说　明　书　附　图

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图1

图2

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图3

图4

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说　明　书　附　图

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图5

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