一种面向应急任务的天基传感器观测组合评定方法
【专利摘要】本发明提供了一种面向应急任务的天基传感器观测组合评定方法，利用各天基传感器不同的观测性能求解面向应急任务的适应度，从而对天基传感器的观测组合方案进行评定，建立天基传感器观测组合问题模型XV=R，穷举除去全不选以外的2n-l种天基传感器待选组合，利用性能矩阵分别计算各天基传感器待选组合对于各观测要素的观测性能，计算天基传感器待选组合在各观测要素的观测性能上的适应度，根据各观测要素的关注程度为每个观测要素的权重赋值，计算天基传感器待选组合对于应急任务观测需求的综合适应度，最后从2n-l种天基传感器待选组合中选取综合适应度最优的组合为最终天基传感器观测组合方案。
【专利说明】一种面向应急任务的天基传感器观测组合评定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种面向应急任务的天基传感器观测组合评定方法，属于智慧地球对 地观测【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 据统计，当前空天地对地观测一体化中的在轨天基卫星，美国有160多个，中国有 60个，中国预计2020年有120-140多颗，它们分别搭载了数量与类型各异的传感器。然而， 在面对特定应急任务时，全球的天基卫星传感器呈现出一种既"多"又"少"的局面。为了将 现有的天基传感器观测系统更好地耦合到一起，实现协同观测，需要建立一种科学的面向 应急任务的天基传感器观测组合评定方法，以便应急观测时的天基传感器科学、合理规划。
[0003] 针对应急事件的多样性，天基传感器对地观测的各方面要求在不断提升，包括时 间及时化、覆盖全面化与数据质量化等。利用多星传感器对指定目标区域进行协同观测，拥 有观测时间短、覆盖范围广等多方面的优势，可以弥补单星的许多不足。
[0004] 对于假设给定的t颗天基传感器，它们的组合方案有2t-l种可能性。针对特定的 应急任务，这些可能的组合方案对于应急观测任务的适应度不一。对于天基卫星传感器观 测组合的研究已经有多年的历史，其主要的研究成果及存在的问题分析如下：以能耗为首 要考虑因子，在考虑多星对目标区域覆盖达到最低限度的前提下，选取耗时最短的观测组 合；将空间覆盖面积作为决定因素，在众多卫星传感器观测组合中，选取观测范围对目标区 域覆盖最为全面的组合；从系统工具角度，美国AGI公司的STK(SatelliteT 〇〇lKit)工具支 持天基传感器空间观测覆盖仿真，日本的SatelliteTracker3D工具支持所有在轨可用的 天基传感器实时在线观测覆盖模拟。综上，目前天基传感器观测规划主要集中在考虑单一 方面（如：时或空）因素，如将观测组合问题看成一个集合覆盖问题。较少综合考虑多个观 测因子，没有考虑任务的动态需求，忽视了不同任务的不同观测需求与动态观测因子的侧 重点。针对时-空-频具有综合需求，以及具有动态演化特征的应急任务，缺乏一种天基传 感器观测组合的科学与定量评定方法。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了面向应急任务的天基传感器观测组合评 定方法，推进应急时天基传感器观测组合合理化与更优化，为灾区应急的天基传感器协同 观测提供可信的规划依据。
[0006] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了面向应急任务的天基传感 器观测组合评定方法，利用各天基传感器不同的观测性能求解面向应急任务的适应度，从 而对天基传感器的观测组合方案进行评定，具体包括以下步骤：
[0007] (1)建立天基传感器观测组合问题模型XV = R :
[0008] 其中，向量R= [ri，...，ri，...，rm]是应急任务观测需求，m为观测要素的数量， ri表示第i项观测要素，i e [l，m]，所述观测要素分为明确要求、模糊要求、以及既明确又 模糊要求三种类型；
[0009] 向量X = [Xu . . .，χ」，...，xn]为天基传感器待选组合，η为天基传感器的数量， j e [1, η],当χ」取值为1时,表示第j个天基传感器入选天基传感器待选组合X,即第j个 天基传感器为组合成员，当Xj取值为〇时，表示第j个天基传感器不入选天基传感器待选 组合X ;天基传感器待选组合共有除去全不选以外的2n-l种；
[0010] V为天基传感器观测能力的性能矩阵，元素Vij为第j个天基传感器的第i项观测 要素的性能值；
[0011] (2)对于每种天基传感器待选组合，重复步骤（3)到步骤（6);
[0012] (3)对于天基传感器待选组合X，利用性能矩阵分别计算天基传感器待选组合X对 于各观测要素的观测性能；其中，第i项观测要素^的观测性能用Pi表示；
[0013] (4)利用各观测要素的观测性能计算天基传感器待选组合X分别对于各观测要素 的适应度；其中，天基传感器待选组合X对于第i项观测要素A的适应度用fi表示；
[0014] (5)根据各观测要素的关注程度为每个观测要素的权重赋值；
[0015] (6)利用各观测要素的权重和适应度计算天基传感器待选组合X对于应急任务观 测需求R的综合适应度Fitness ;
[0016] (7)比较2n-l种天基传感器待选组合综合适应度，取综合适应度F最优的天基传 感器待选组合作为最终的天基传感器的观测组合方案。
[0017] 进一步地，步骤（3)通过以下公式确定各观测要素的观测性能：
[0018] Pi = Σ (xj X ν^·)............ (1)
[0019] 其中，Pi表示全部η个天基传感器在第i项观测要素ri的观测性能的值，根据不 同其中，求解Pi的加法逻辑Σ分为以下三种情况：
[0020] 当不同天基传感器在观测性能&上不相互影响或不存在关联时，Σ为当i值固 定、j取到[1，η]的所有情况下各XjXvu的值求和运算；
[0021] 当不同天基传感器在观测性能A上存在覆盖或重叠关系时，Σ为当i值固定、j取 到[1，η]的所有情况下各的值的去重求和运算；
[0022] 当不同天基传感器在观测性能巧上符合短板效应时，Σ为当i值固定、j取到 [l，n]的所有情况下各 XjXVij的值中取最劣值运算。
[0023] 进一步地，步骤（4)中，用&表示天基传感器待选组合X对于第i项观测要素ri 的观测性能值Pi的适应度，根据A的类型分为以下三种情况计算：
[0024] 当&的类型为明确要求时，若Pi在&的要求范围内，则&为1，否则&为0 ;
[0025] 当^的类型为模糊要求时，将mfPi按从劣到优进行排序，将Ρ,的次序值除以2n， 得到A ;
[0026] 当ri的类型为既明确又模糊要求时，若Pi在ri的要求范围内，则将m个Pi按从劣 到优进行排序，将Pi的次序值除以2 n，得到& ;否则，&为0。
[0027] 进一步地，步骤（5)中，定义权重向量W = [Wp ·…，Wi, · . ·，wm]，其中，wi表示观测 m 要素η的权重，Σν^ =1。 i=l
[0028] 进一步地，步骤（6)中，天基传感器待选组合X对于应急任务观测需求R的综合适 应度Fitness通过以下公式计算：
[0029]
【权利要求】
1. 一种面向应急任务的天基传感器观测组合评定方法，其特征在于利用各天基传感 器不同的观测性能求解面向应急任务的适应度，从而对天基传感器的观测组合方案进行评 定，具体包括以下步骤： (1) 建立天基传感器观测组合问题模型XV = R : 其中，向量R = [ri，. . .，ri，. . .，rm]是应急任务观测需求，m为观测要素的数量，ri表 示第i项观测要素，i e [l，m]，所述观测要素分为明确要求、模糊要求、以及既明确又模糊 要求三种类型； 向量X = [Xp . . .，X」，...，xn]为天基传感器待选组合，η为天基传感器的数量， j e [1, η],当χ」取值为1时,表示第j个天基传感器入选天基传感器待选组合X,即第j个 天基传感器为组合成员，当Xj取值为〇时，表示第j个天基传感器不入选天基传感器待选 组合X ;天基传感器待选组合共有除去全不选以外的2n-l种； V为天基传感器观测能力的性能矩阵，元素为第j个天基传感器的第i项观测要素 的性能值； (2) 对于每种天基传感器待选组合，重复步骤（3)到步骤（6); (3) 对于天基传感器待选组合X，利用性能矩阵分别计算天基传感器待选组合X对于各 观测要素的观测性能；其中，第i项观测要素^的观测性能用Pi表示； (4) 利用各观测要素的观测性能计算天基传感器待选组合X分别对于各观测要素的适 应度；其中，天基传感器待选组合X对于第i项观测要素A的适应度用&表示； (5) 根据各观测要素的关注程度为每个观测要素的权重赋值； (6) 利用各观测要素的权重和适应度计算天基传感器待选组合X对于应急任务观测需 求R的综合适应度Fitness ; (7) 比较2n-l种天基传感器待选组合综合适应度，取综合适应度F最优的天基传感器 待选组合作为最终的天基传感器的观测组合方案。
2. 根据权利要求1所述的面向应急任务的天基传感器观测组合评定方法，其特征在 于：步骤（3)通过以下公式确定各观测要素的观测性能： Pi = Σ (xjXVij)............(1) 其中，Pi表示全部η个天基传感器在第i项观测要素ri的观测性能的值，根据不同其 中，求解Pi的加法逻辑Σ分为以下三种情况： 当不同天基传感器在观测性能^上不相互影响或不存在关联时，Σ为当i值固定、j取 到[1，η]的所有情况下各XjXvu的值求和运算； 当不同天基传感器在观测性能^上存在覆盖或重叠关系时，Σ为当i值固定、j取到 [1，η]的所有情况下各的值的去重求和运算； 当不同天基传感器在观测性能Α上符合短板效应时，Σ为当i值固定、j取到[1，η]的 所有情况下各的值中取最劣值运算。
3. 根据权利要求1所述的面向应急任务的天基传感器观测组合评定方法，其特征在 于：步骤（4)中，用表示天基传感器待选组合X对于第i项观测要素 ri的观测性能值Pi 的适应度，根据A的类型分为以下三种情况计算： 当A的类型为明确要求时，若Ρ,在ri的要求范围内，则&为1，否则&为0 ; 当^的类型为模糊要求时，将m个Pi按从劣到优进行排序，将Pi的次序值除以2n，得 到f i; 当A的类型为既明确又模糊要求时，若Pi在ri的要求范围内，则将m个Pi按从劣到优 进行排序，将Pi的次序值除以2n，得到& ;否则，&为0。
4. 根据权利要求1所述的面向应急任务的天基传感器观测组合评定方法，其特征在 于：步骤（5)中，定义权重向量W = [Wp . . .，Wi,. . .，wm]，其中，wi表示观测要素&的权重，
5. 根据权利要求1所述的面向应急任务的天基传感器观测组合评定方法，其特征在 于：步骤（6)中，天基传感器待选组合X对于应急任务观测需求R的综合适应度Fitness通 过以下公式计算：
〇 ............(2)
【文档编号】G06F19/00GK104217116SQ201410466378
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】胡楚丽, 刘一冬 申请人:中国地质大学（武汉）