CN107864007A - 面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法，解决了多星多地面站资源协同规划问题，其实现过程为：地面控制中心通过获取地面站和卫星信息分别构建资源关系图、通信资源无冲突图和通信资源冲突图生成卫星卸载方案；以目标区域信息和卫星星历算出卫星访问区域目标，从卫星卸载方案中提取所有可能的可行卫星卸载方案；针对每种可行卫星卸载方案构建加权有向图，遍历所有加权有向图，使用标号算法和定义的加法找出覆盖率大和跳数少的路径生成总体卸载方案并上注测控指令。本发明提高了资源利用率和任务规划效率，降低了资源管理的复杂性，可用于对地观测卫星系统的资源管理。

Description

面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法

技术领域

本发明属于空间信息技术领域，主要涉及卫星和地面站资源的协同分配管理，具体是一种面向覆盖区域目标的多星多地面站协同分配的资源管理方法，可用于对地观测卫星系统的任务规划和调度。

背景技术

对地观测卫星系统是我国重要的基础设施，其主要工作过程主要包括对地观测和数据卸载两个阶段。具体来说，是通过观测卫星所装备的各类传感器来获取地面图像信息,并卸载到地面站。然而，剧增的观测任务需求和观测卫星、地面站等资源稀缺的矛盾日益突出。为了缓解此矛盾，研究如何高效合理地安排受限的卫星和地面站资源以提高资源利用效率从而满足用户的任务需求是一种客观急需。

卫星的观测目标主要有以下三类：第一类是点目标，是指一次成像就能包含的目标，如港口；第二类是运动目标，是指目标的地理位置是随时间变化，如移动的车辆；第三类是区域目标，是指要经过多次成像，并利用图像合成技术才能完成的目标，如：地图制作。其中，点目标可以看成是面积为零的区域目标，运动目标可以看成是包含运动轨迹的区域目标。因此，对点目标和运动目标的观测都可以看成是对区域目标的观测。若观测区域大于卫星的传感器幅宽限制，则需要单星多次协同观测或多星多次协同观测以及多地面站协同接收观测数据。因此，需要解决的问题有确定选哪些卫星什么时刻以什么观测模式(即传感器的侧摆角度)进行观测，并由哪些地面站在什么时刻进行数据接收。

以往的研究中，大多数的资源分配管理研究工作分别考虑了对地观测或数据卸载阶段，而且重点关注于点目标的任务规划。其中，Hongrae Kim在文章“Mission schedulingoptimization of SAR satellite constellation for minimizing system responsetime”中，针对区域目标进行了规划，但是忽略了数据卸载这一阶段,无法保证观测的完整数据能成功地卸载到地面站，从而影响了任务的完成效率。所以，资源分配管理需要联合对地观测和数据卸载两个阶段以提高任务完成率。然而，较少的研究工作联合考虑这两个阶段。例如在Nicola Bianchessi的文章“Planning and scheduling algorithms for theCOSMO-SkyMed constellation”中，虽然考虑了两个阶段，但其只针对特定的COSMO-SkyMed系统对点目标的观测，缺乏对卫星和地面站更高协同要求的区域目标的规划方法。因而,这一方法无法应用于区域目标，从而影响了对地观测卫星系统资源的高效利用。因此，需要设计一种面向区域目标联合对地观测和数据卸载的多卫星多地面站资源协同分配管理方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有研究的不足，提出了一种效率更高资源利用更充分的面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法。

本发明是一种面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法，其特征在于，包括有如下步骤：

(1)地面控制中心获取地面站和卫星信息：地面控制中心获取地面站位置信息和在轨卫星轨道参数信息，并计算出卫星和地面站的访问时间。

(2)构建资源关系图：根据卫星访问地面站的时间构造卫星访问地面站资源关系图G₁(V(G₁),E(G₁))，其中，卫星访问地面站资源关系图G₁的节点集合为V(G₁)，边集合为E(G₁)。

(3)构建通信资源无冲突图和通信资源冲突图：地面控制中心根据卫星访问地面站资源关系图G₁生成通信资源无冲突图G₂和通信资源冲突图G₄。

(4)生成卫星卸载方案：根据通信资源无冲突图G₂和通信资源冲突图G₄生成所有无冲突的卫星卸载方案。

(5)构建可用卫星卸载方案：从无冲突的卫星卸载方案中提取包含能够访问区域目标的所有可能的可用卫星卸载方案。

(6)构建加权有向图：地面控制中心根据可用卫星卸载方案按照卫星访问区域目标的待数据卸载时间的先后顺序构建资源加权有向图G_directed。

(7)生成总体卸载方案：地面控制中心在资源加权有向图G_directed中搜索最佳卫星可行卸载方案，最终生成总体卸载方案。

对于每个资源加权有向子图执行标号法算法搜索覆盖率大跳数少的路径，其中加法使用定义的加法进行运算定义加法运算首先，对目标区域编号进行求并集。然后，对每个编号下的权值进行求和，即：其中{id_k}＝{id_i}∪{id_j}。

(8)确定最优方案并上注指令：地面控制中心根据用户需求从生成的总体卸载方案选择一个最优方案，并根据该方案首先向各测控地面站发送测控指令以上注所选卫星进行载荷控制，包括什么时间打开传感器侧摆多少角度进行数据获取；然后向各数传地面站发送数据接收指令进行地面站天线选择和数据接收，完成多星多地面站资源协同分配管理。

本发明以综合考虑对地观测和数据卸载两个阶段，提高对地观测卫星系统的资源利用率。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明通过构造卫星访问地面站资源关系图从空间和时间上表征了卫星和地面站资源访问的相关性，为两种资源协同提供基础。通过构造通信资源无冲突图和通信资源冲突图表征了卫星和地面站资源访问情况的无冲突性和冲突性。将对地观测系统中卫星和地面站的间歇性传输问题转化为冲突图中的独立集问题，极大地简化问题的复杂性。

2)本发明首先对区域目标进行矩形化，然后赋予分割各区域目标不同的权重。如此，不仅考量了子区域目标间的连贯性和重要性以消除了分割的独立性，而且在卫星资源受限的情况下，确保了最大化资源利用率，最大化有用信息量以及最短时间反应机制。本发明协同了多颗卫星的传感器的侧摆模式，定义了特殊的先求并集再求权值和的加法，高效反射出对区域目标的覆盖衡量标准，从而保证任务完成的有效性和及时性。进而，有效地消除各颗卫星之间的不协同带来的资源浪费。

3)本发明通过构造资源加权有向图表征了卫星，地面站，通信，时间和覆盖率五个维度的资源，有效地解耦了多维资源间的错综复杂关系。大大简化了对地观测卫星系统中的资源管理问题的复杂度，为对地观测卫星系统中的资源管理提供技术支持。

附图说明

图1为本发明实现总流程图；

图2为资源图,其中图2(a)为卫星访问地面站资源关系图，图2(b)为通信资源无冲突图，图2(c)为带有冲突关系的资源图，图2(d)为通信资源冲突图；

图3为区域分割图；

图4为本发明构建的资源加权有向子图；

图5为用本发明和随机方案得到的覆盖率的仿真对比曲线图；

图6为用本发明和随机方案得到的数据卸载完成时间的仿真对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式做详细描述。

实施例1

本例从对地观测卫星系统出发来阐述本发明的实施过程。参照图1，本发明使用的对地观测卫星系统包括地面控制中心，对地观测卫星和地面站部分。假设对地观测卫星系统由I个分布在太阳同步轨道的卫星组成。每个对地观测卫星装备不同分辨率的H个传感器。每个传感器的侧摆角度范围为[-30°,30°]。假设地面站数为M个，并且是本土布站，每个地面站配有n个收发设备。目标区域的地理位置全球随机生成。

以往的研究中，大多数对地观测卫星系统的资源管理研究工作只是分别考虑了对地观测或数据卸载阶段，忽略这两个阶段复杂的耦合性。特别地，由于区域目标对覆盖率的特殊要求，即要求卸载数据具备完整性，因此，对于区域目标这两个阶段的耦合性关系研究尤为重要。但是，至今还没有针对区域目标的联合考虑对地观测和数据卸载阶段资源协同分配管理方法提出。

针对此现状，本发明展开了面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理研究，并提出一种面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法，参见图1，包括有如下步骤：

(1)地面控制中心获取地面站和卫星信息：地面控制中心需要获取地面站信息包括有地面站的经纬度，地面站的收发设备参数。需要卫星的信息包括有在轨卫星轨道参数信息，收发信机参数。根据以上信息计算出卫星和地面站的访问时间。

(2)构建资源关系图：根据卫星访问地面站的时间构造卫星访问地面站资源关系图G₁(V(G₁),E(G₁))，其中，卫星访问地面站资源关系图G₁的节点集合为V(G₁)，边集合为E(G₁)。卫星访问地面站资源关系图G₁刻画了卫星和地面站的通信资源的可用性和冲突性，为多星多地面站资源协同分配管理提供技术支持。

(3)构建通信资源无冲突图和通信资源冲突图：地面控制中心根据卫星访问地面站资源关系图G₁生成通信资源无冲突图G₂和通信资源冲突图G₄。通信资源无冲突图G₂刻画了卫星和地面站间通信资源的可用性。通信资源冲突图G₄揭示了卫星和地面站之间通信资源使用的冲突性。

(4)生成卫星卸载方案：根据通信资源无冲突图G₂和通信资源冲突图G₄生成所有无冲突的卫星卸载方案。首先对通信资源冲突图G₄进行冲突分解，然后再整合通信资源无冲突G₂可用的通信资源，如此可得到所有可能的可用通信资源组合，即所有无冲突的卫星卸载方案。

(5)构建可用卫星卸载方案：从无冲突的卫星卸载方案中提取包含能够访问区域目标的所有可能的可用卫星卸载方案。此步骤主要是针对不同的区域目标选择不同的可用卫星卸载方案，具有自适应性。

(6)构建加权有向图：地面控制中心根据可用卫星卸载方案按照卫星访问区域目标的待数据卸载时间的先后顺序构建资源加权有向图G_directed。资源加权有向图G_directed从卫星资源，地面站资源，通信资源，时间资源和覆盖率五个维度对对地观测卫星系统的资源进行了表征。资源加权有向图G_directed对应于所有可能的可用卫星卸载方案，这也就是说，一种可能的可用卫星卸载方案对应于其中的一个资源加权有向子图即

(7)生成总体卸载方案：地面控制中心在资源加权有向图G_directed中搜索最佳卫星可行卸载方案，最终生成总体卸载方案。具体来说，对于每个资源加权有向子图执行标号法算法搜索覆盖率大跳数少的路径，其中，加法使用定义的加法进行运算定义加法运算：首先对目标区域编号进行求并集，然后对每个编号下的权值进行求和，即：其中{id_k}＝{id_i}∪{id_j}。

(8)确定最优方案并上注指令：用户需求是指着重于区域目标的覆盖率还是完成数据卸载时间。地面控制中心根据用户需求从生成的总体卸载方案选择一个最优方案，并根据该方案首先向各测控地面站发送测控指令以上注所选卫星进行载荷控制，包括什么时间打开传感器进行数据获取，侧摆多少角度；然后，向各数传地面站发送数据接收指令进行地面站天线选择和数据接收(即数据卸载)，完成多星多地面站资源协同分配管理。

本发明通过构建卫星访问地面站资源关系图表征了卫星和地面站资源访问的相关性，为两种空间资源协同提供基础。通过构建通信资源无冲突图和通信资源冲突图表征了卫星和地面站资源访问情况的无冲突性和冲突性。基于此，对地观测系统中的卫星和地面站的间歇性传输问题就可转化为冲突图中的最大独立集问题，极大的简化问题的复杂性。

实施例2

面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法同实施例1，步骤(2)中所述的构建资源关系图，具体包括有：

(2a)构建资源关系图G₁的点集V(G₁)＝{S}∪{T}∪N∪S_at，其中，S为虚拟源节点，T为虚拟目的节点，为地面站虚拟点集合，S_at为卫星节点集合，为第j颗卫星第i次访问第m个地面站的第n套收发设备的机会。

(2b)构建资源关系图G₁的边集E(G₁)，即E(G₁)＝SS∪SG∪NT∪CV，其中，SS为虚拟源节点S到卫星节点S_i∈S_at的边集，SG为构建卫星节点S_i∈S_at到地面站虚拟点集合N的边集，NT为构建地面站的虚拟节点到虚拟目的节点T的边集和CV为构建地面站间的虚拟节点集合和以及地面站内的虚拟节点集合和之间的存在冲突的边集即为冲突边。卫星访问地面站资源关系图表征了卫星，地面站和通信三维资源，刻画了卫星和地面站使用通信资源情况，为多星多地面站资源协同分配管理提供技术支持。

实施例3

面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法同实施例1-2，步骤(3)中所述的地面控制中心构建通信资源无冲突图和通信资源冲突图，具体包括有：

(3a)从卫星访问地面站资源关系图G₁中删除冲突边以及与冲突边相连的点即可得到通信资源无冲突图G₂(V(G₂),E(G₂))。从卫星访问地面站资源关系图G₁中删除通信资源无冲突图G₂中除了卫星节点、虚拟源节点和目的节点所有节点和边的集合即得到带有冲突关系资源图G₃＝G₃(V(G₃),E(G₃))。

(3b)将带有冲突关系资源图G₃中边E(G₃)\CV表示为通信资源冲突图G₄(V(G₄),E(G₄))中的点集V(G₄)，其中，边集E(G₄)＝CV，从而构成通信资源冲突图G₄。通信资源无冲突图揭示了卫星和地面站对通信资源的可用性。通信资源冲突图刻画了卫星和地面站对通信资源使用的冲突性。通过构造通信资源无冲突图和通信资源冲突图表征了卫星和地面站对通信资源使用的无冲突性和冲突性，对地观测系统中的卫星和地面站的间歇性传输问题即可转化为冲突图中的最大独立集问题，极大的简化问题的复杂性。

实施例4

面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法同实施例1-3，步骤(4)中所述的地面控制中心生成卫星卸载方案，具体包括有：

(4a)找出通信资源冲突图G₄(V(G₄),E(G₄))的最大独立集集合MS＝{MS_i}，将最大独立集MS＝{MS_i}中的点反向映射成带有冲突关系的资源图G₃中的边集

(4b)通过使用Dijkstra算法或Bellman-Ford算法在通信资源无冲突图G₂中找到所有从虚拟源节点S到目的节点T的路径从路径path中提取出边构成边集：然后，将边集E^MS中的第i个分量和边集合E_feasible合并成新的集合最后形成总的可行输出边集合即无冲突的卫星卸载方案。通过利用现有成熟的最大独立集算法和Dijkstra算法即可生成卫星卸载方案，极大地降低了问题求解的复杂性。

实施例5

面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法同实施例1-4，步骤(5)中所述的地面控制中心生成可用卫星卸载方案，具体包括有：

(5a)地面控制中心计算出最小的矩形区域覆盖目标区域，并表示为最小的矩形区域REC_min＝{(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃),(x₄,y₄)}，其中，(x_i,y_i)表示经纬度坐标。

(5b)根据近似程度的需求，将整个最小矩形区域REC_min分割为Num个子矩形REC_i，并编号为id；计算出每个子矩形REC_i的中心经纬度子矩形REC_i根据先验知识赋予不同的权重：(则每个id对应一个权值)，卫星sat_i对子矩形的覆盖转化为对矩形中心的覆盖，并获得覆盖id集合本发明提出使用最小矩形区域覆盖区域目标的方法，具体是通过对矩形区域分割，并对每个分割子矩形赋不同权重。此方法不仅考量了子区域目标间的连贯性和重要性以消除了分割的独立性，而且在卫星资源受限的情况下，确保了最大化资源利用率，最大化有用信息量以及最短时间反应机制。此外，此方法还能够很好地刻画不规则区域目标，更具有一般实用价值。

(5c)在总的可行输出边集合中每个可行的集合提取出包含卫星集合TS_access(表示能访问目标区域的卫星集合)中所有卫星的边构成的集合(即可用卸载方案)。

实施例6

面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法同实施例1-5，步骤(6)中所述的地面控制中心构造资源加权有向图G_directed，具体包括有：

(6a)对在边集合中的每个集合都建模成一个资源加权有向子图构成总的资源加权有向图将时间轴按照时间升序排序进行划分，每个时间点都对应卫星即：根据S_i从TS_access获得其中，和表示卫星sat_i访问区域目标的开始时间和结束时间。

(6b)根据每次卫星sat_i访问区域目标结束时间找出最小的大于访问区域目标结束时间的卫星sat_i访问地面站的开始时间即第j颗卫星第i次访问第m个地面站选择第n套收发设备的开始时间，如此构建资源加权有向子图中的一跳节点，以此类推。对应图中的边集的权值是对应集合本发明通过构造资源加权有向图表征了卫星，地面站，通信，时间和覆盖率五个维度的资源，有效地解耦了多维资源间的错综复杂关系。大大简化了对地观测卫星系统中的资源管理问题的复杂度，为对地观测卫星系统中的资源管理提供技术支持。

下面给出一个更为详尽和完整的例子，对本发明进一步说明

实施例7

面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法同实施例1-6，参照图1，本发明使用的系统场景包括地面控制中心、对地观测卫星和地面站部分。对地观测卫星系统由I个分布在太阳同步轨道的卫星节点组成。地面站数为M个，且本土布站，每个地面站配有n个收发设备。目标区域的地理位置全球随机生成。访问该区域的卫星，选择合适的分辨率传感器和侧摆角度，拍摄部分区域后，待移动到地面站覆盖区域进行数据下传。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，根据已知的地面站信息，如地面站位置的经纬度，天线仰角等，和在轨卫星轨道参数，如轨道高度，倾角，升交点赤经等，地面控制中心计算出卫星和地面站的访问时间。

(1a)判断地面站和卫星是否可视，判断条件为：Φ＞0。

若上述条件成立，则地面站和卫星可视，卫星可以向地面站卸载数据；否则，卫星不能和地面站进行通信。判断条件符号Φ可以通过以下式子计算：

其中，为卫星的位置矢量，为地面站的位置矢量，α为地面站天线校准卫星的仰角需求，通常α＝10°。其中，卫星的位置向量根据卫星的轨道获得，地面站的位置矢量可以从地面控制中心数据库中获得。

(1b)记录下判断条件Φ＞0的开始时刻t₁和结束时刻t₂，且获得卫星和地面站的访问时长D＝t₂-t₁。

步骤2，地面控制中心获取区域目标相关信息，如区域目标的地理位置的经纬度，面积大小，并根据卫星和地面站的访问时间构造卫星访问地面站资源关系图。

(2a)地面站资源虚拟为点集合其中，每个虚拟节点为第j颗卫星第i次访问第m个地面站的第n套收发设备的可视时间段。每个虚拟节点构建的根据是通过计算卫星和地面站的访问时长集合其中为第j颗卫星第i次访问第m个地面站选择第n套收发设备的时间长度，和分别为第j颗卫星第i次访问第m个地面站选择第n套收发设备的开始时间和结束时间。具体来说，如果则构建节点

(2b)构造虚拟源节点S和虚拟目的节点T，将空间所有可用的卫星资源进行统一编号获得卫星节点集合S_at＝{S_i|i∈(1,2,...,I)}，形成卫星访问地面站资源关系图G₁(V(G₁),E(G₁))的点集V(G₁)＝{S}∪{T}∪N∪S_at。其中，构建虚拟源节点S和虚拟目的节点T是为了后续计算路径方便的需要，I表示最大的卫星数，i表示第i颗卫星，E(G₁)为卫星访问地面站资源关系图G₁(V(G₁),E(G₁))的边集。

(2c)构建卫星访问地面站资源关系图G₁(V(G₁),E(G₁))的边集E(G₁)。

(2c1)构建虚拟源节点S到卫星节点S_i∈S_at的边集SS，将具备访问目标区域条件的卫星S_i∈S_at和虚拟节点S构建边SS_i，并添加到边集SS，即SS＝SS∪{SS_i}。

(2c2)构建卫星节点S_i∈S_at到地面站虚拟点集合的边集SG，向具备访问地面站条件的卫星S_i∈S_at和地面站虚拟点添加边即判断的条件为：成立，则(表示j对应于卫星S_i)。

(2c3)构建地面站的虚拟节点到虚拟目的节点T的边集NT，向所有地面站虚拟节点和虚拟目的节点T之间添加边即边集

(2c4)构建地面站间的虚拟节点集合和以及地面站内的虚拟节点集合和之间的冲突边边集CV，向存在冲突的虚拟节点之间添加边或即或判断的条件为：

情形一：地面站虚拟节点和地面站虚拟节点访问时长和访问时长有交集，即具备下列条件之一：和

情形二：地面站虚拟节点和地面站虚拟节点访问时长和访问时长有交集，即具备下列条件之一：和

(2d)构建卫星访问地面站资源关系图G₁(V(G₁),E(G₁))的边集E(G₁)，即E(G₁)＝SS∪SG∪NT∪CV。

通过步骤2，如图2(a)，通过计算得到的卫星和地面站的访问情况，构造卫星访问地面站资源关系图。点S表示虚拟源节点，T表示虚拟目的节点。源节点后的第一列的三个节点代表三颗对地观测卫星，用虚线框表示地面站，地面站虚拟出多个节点分为两组，每一组代表地面站的收发设备，用椭圆表示。椭圆内的节点表示某颗卫星和本地面站的某套收发设备访问的可视时间段。用边将卫星和这些虚拟节点连接表示可以访问。只要通信资源满足访问条件，各颗卫星可以和其附近的地面站内的也可和其他的地面站内这些虚拟节点连接。边上的权值表示范围的时间长度。值得强调的是，图中卫星和访问地面站的时间间隔如有相交，则用红色加粗线加以标识。如此就构建了卫星访问地面站资源关系图。

步骤3，地面控制中心根据卫星访问地面站资源关系图生成通信资源冲突图，并通过冲突分解输出所有无冲突的卫星卸载方案。

(3a)由卫星访问地面站资源关系图G₁(V(G₁),E(G₁))生成通信资源无冲突图G₂(V(G₂),E(G₂))。从卫星访问地面站资源关系图G₁(V(G₁),E(G₁))，参见图2(a)中删除冲突边以及与冲突边相连的点，生成通信资源无冲突图G₂(V(G₂),E(G₂))，参见图2(b)，对比图2(a)可见，处于顶端的地面站中删除了两个点和一条边，处于中间的地面站中删除了三个点和两条边，处于低端的地面站中删除了一个点和一条边。即对于作以下迭代操作：E(G₂)＝E(G₁)-(c,d)，V(G₂)＝V(G₁)-c-d。

(3b)由卫星访问地面站资源关系图G₁(V(G₁),E(G₁))生成带有冲突关系的资源图G₃(V(G₃),E(G₃))。从卫星访问地面站资源关系图G₁(V(G₁),E(G₁))，参见图2(a)中删除通信资源无冲突图G₂(V(G₂),E(G₂))，参见图2(b)中除了卫星节点、虚拟源节点和目的节点所有节点和边的集合即得到带有冲突关系的资源图G₃＝G₃(V(G₃),E(G₃))，参见图2(c)，即G₃(V(G₃),E(G₃))＝G₁(V(G₁),E(G₁))-G'₂(V(G'₂),E(G'₂))，其中，对于更新E(G'₂)＝E(G'₂)∪(c,d)，V(G'₂)＝V(G₂)-{c}∪{d}，V(G₃)＝V(G₁)-V(G'₂)，E(G₃)＝E(G₁)-E(G'₂)。

(3c)由带有冲突关系的资源图G₃(V(G₃),E(G₃))生成通信资源冲突图G₄(V(G₄),E(G₄))。

将带有冲突关系资源图G₃(V(G₃),E(G₃))，参见图2(c)中边E(G₃)\{CV∪SS}表示为通信资源冲突图G₄(V(G₄),E(G₄))，参见图2(d)中的点集V(G₄)，其中，边集E(G₄)＝CV，构造出如图2(d)所示通信资源冲突图G₄(V(G₄),E(G₄))。

(3d)由通信资源无冲突图G₂(V(G₂),E(G₂))和通信资源冲突图G₄(V(G₄),E(G₄))生成所有可能无冲突的卫星卸载方案。

通过使用染色算法找出通信资源冲突图G₄(V(G₄),E(G₄))的最大独立集集合MS＝{MS_i}。将最大独立集MS＝{MS_i}中的点反向映射成带有冲突关系的资源图G₃中的边集值得注意的是：其中，

通过使用Dijkstra算法或Bellman-Ford算法在通信资源无冲突图G₂中找到所有从虚拟源节点S到目的节点T的路径从路径path中提取边构成边集然后，将边集E^MS中的第i个分量和边集合E_feasible并成新的集合最后形成总的可行输出边集合比如，首先参见如图2(b)中的通信资源无冲突图G₂使用Dijkstra算法或Bellman-Ford算法找到可用卫星卸载方案，然后参见如图2(d)中通信资源冲突图G₄(V(G₄),E(G₄))使用染色算法找到可能的最大可用卫星卸载方案。最后整合上述两种卫星卸载方案生成所有可能无冲突的卫星卸载方案。

步骤4，地面控制中心根据在轨卫星轨道参数和区域目标地理位置信息计算出最小的矩形区域覆盖目标区域。然后，对矩形区域按近似度要求进行分割成若干子矩形，并对每个子矩阵按重要性赋予不同权值，通过卫星对子矩形覆盖近似为对子矩形中心的覆盖，进而计算出卫星对区域目标的总权值和。并从无冲突的卫星卸载方案中提取包含能够访问区域目标的所有可能的可用卫星卸载方案。

(4a)参见图3所示，地面控制中心接受区域目标任务请求，首先获得区域目标的地理位置坐标和面积大小。然后计算出最小的矩形区域进行全覆盖，进而对矩形区域进行分割。分割的小矩形区域越多，对区域目标的近似程度越高。

最小的矩形区域表示为REC_min＝{(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃),(x₄,y₄)}，其中，(x_i,y_i)表示经纬度坐标，编号的顺序是按照顺时针。将整个矩形区域REC_min分割为Num＝MN个子矩形。参见图3，本例中将目标区域分割成了154个子矩形。为了简化计算，将矩形的相邻两点坐标设置为同一经度或维度，则矩形区域可表示为REC_min＝{(x₁,y₁),(x₂,y₁),(x₁,y₂),(x₂,y₂)}，同时计算出各点等间隔的精度差和维度差：划分的各点坐标以点(x₁,y₁)为起点，分别向经度和维度方向走多少步来计算，经度步长为Δ_longitude，维度步长为Δ_latitude，如点X经度方向走了x步，维度方向走了y步，则点X的坐标为：(x₁+Δ_longitudex,y₁+Δ_latitudey)。如此各点构成了Num＝MN个子矩形区域。

(4b)对矩形区域的覆盖转化为对子矩形区域的覆盖。

为了计算一个子矩形是否被覆盖，这里等效矩形中心是否被覆盖，则需要计算出每个子矩形中心的坐标。首先将矩形优先从维度到经度方向依次编号id∈ID，其中，ID＝{1,2,..,Num}。然后，求出子矩阵在矩阵区域的位置location。最后通过子矩形的位置location和其中心坐标对应关系求子矩形出中心坐标，其中，用来表示子矩阵的位置和其中心经纬度坐标的对应关系。子矩阵位置location计算可以通过以下关系式：

idmodN＝x^mod，y^rem＝id-x^modN。

如果y^rem＝0,则否则y^rem≠0，则各子矩形中心坐标的计算方式是通过以第一个子矩阵REC₁的中心坐标为参考，通过与其相对位置location计算，即向经度和维度走多少步来计算。子矩阵REC₁的中心坐标为：对于子矩阵REC_i，如果满足经度则矩阵中心经度坐标为如果满足则矩阵中心经度坐标为如果纬度满足则矩阵中心维度坐标为则矩阵中心经度坐标为则得到矩阵中心坐标

(4c)对于不同的子矩阵REC_i根据先验知识赋予不同的权重：其中，为中心坐标为的子矩阵REC_i。用表示子矩阵REC_i编号为id对应权值为w。比如，参见图3中矩形的边缘子矩形没有覆盖区域目标相关信息则可以赋予权值为0，其他覆盖有区域目标的信息则基于其对应的重要性赋予不同的权值。

(4d)记录每颗卫星sat_i覆盖所有子矩形REC_i的id的集合。

判断卫星sat_i满足分辨率要求的情况下能否覆盖编号为id的矩形REC_i的条件为：

其中，为矩阵REC_i中心坐标到在时刻t卫星sat_i的星下点坐标的距离，h_i为卫星sat_i的轨道高度，为卫星sat_i的传感器俯角 为卫星sat_i的最大侧摆角，m为模式编号，γ为每个模式侧摆的角度。

若条件成立，则记录下卫星sat_i在规划周期内覆盖区域目标的id集合：以及记录下访问区域目标的开始时间，结束时间和卫星的编号三维数组 如果则TS_access＝TS_access∪{Sat_i}，其中，TS_access表示能访问目标区域的卫星集合。

(4e)对于在总的可行输出边集合中每个可行的集合提取出包含卫星集合TS_access中所有卫星的边构成集合则比如，考虑对地观测卫星系统有三颗对地观测卫星。其中两颗对地观测卫星使用不同的传感器的模式获取不同的区域目标信息，一颗对地观测卫星不具备观测区域目标的信息。本发明从可行卫星卸载方案中，选择能访问区域目标的两颗对地观测卫星的可行卸载方案。并通过对两颗卫星的传感器进行协同以避免这两颗卫星对目标区域的重复覆盖，节约了卫星资源和通信的资源，而且能在访问时间内无冲突地将其获取的目标图像数据卸载到地面站，精确而高效地完成观测任务。

步骤5，地面控制中心根据在轨卫星轨道参数和区域目标地理位置信息构造资源加权有向图。

对于在fE^Output中每个集合对问题建模成一个加权有向子图构建虚拟源点S和虚拟目的节点T，参见图2。其中，将时间轴按照时间升序排序进行划分，每个时间点都对应卫星即：根据S_i从TS_access获得根据每次卫星sat_i访问区域目标结束时间找出最小的大于访问区域目标结束时间的卫星sat_i访问地面站的开始时间即第j颗卫星第i次访问第m个地面站选择第n套收发设备的开始时间，如此构建资源加权有向子图中的一跳节点，以此类推。对应图中的边集的权值是对应集合

参见图4，图4为资源加权有向子图，图中列举了三个方框。第一个方框内包含六个红色节点，并分成了两组分别编号为k1和k2。第一组中有三个点分别代表三种不同的传感器模式：模式1，模式2和模式3。每个模式代表了一颗卫星上的传感器具备不同的侧摆角度。例如：CBERS-1卫星传感器侧摆范围为±32°，如果每个模式旋转2°，则总共有32个模式。编号k1代表第一次访问目标区域，同理，编号k2代表第二次访问目标区域。卫星第一次访问区域目标以不同的模式获得的目标区域的资源加权有向图中边的权值，以同样的方式进行第二次访问。但是权值相加必须是按照前面定义的加法进行计算。而且，一个方框对应于一个时间点，如参见图4，第一个方框对应的时间点为t1，这个时间点对应于这颗卫星将数据卸载到地面站的时间。然后，按照这些时间点的升序进行排列，找到加权和最大以及对应跳数少的满足任务需求的路径即所求最优的卫星组合和卫星的传感器侧摆角度组合方式。

步骤6，地面控制中心根据加权有向图生存的卫星资源方案在无冲突卫星卸载方案中搜索最佳卫星可行卸载方案生成总体方案。

对于每个附有权值的规则有向图执行标号法算法，其中加法使用定义的加法进行运算定义加法运算如下：首先，对目标区域编号进行求并集。然后，对每个编号下的权值进行求和即：其中，{id_k}＝{id_i}∪{id_j}。

步骤7，地面控制中心根据用户需求从生成的总体方案选择一个最优方案，并分别向各测控地面站发送测控指令以上注所选卫星进行载荷控制和各数传地面站发送数据接收指令进行地面站天线选择和数据接收。

本发明中地面控制中心根据地面站信息(包括位置等)和卫星星历计算出卫星访问地面站的时间；通过计算的时间构建资源关系图，并生成通信资源冲突图，通过冲突分解算法输出所有无冲突总的卫星卸载方案；根据目标区域信息(包括位置等)和卫星星历计算出卫星访问目标区域情况，通过对区域目标矩形化等一系列操作，针对每种无冲突的卫星卸载方案构建加权有向图；地面控制中心遍历所有加权有向图，使用标号算法和定义的加法找出覆盖率大和路径长度小的路径生成最优方案。地面控制中心根据最优方案分别向各测控地面站发送测控指令以上注所选卫星进行载荷控制和各数传地面站发送数据接收指令进行地面站天线选择和数据接收。本发明使用图的模型表征了对地观测卫星系统中资源的间歇性与相关性，降低了资源管理的复杂性。

下面通过仿真对本发明的技术效果再做说明

实施例8

面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法同实施例1-7。

仿真条件

在仿真场景中，区域目标的经纬度坐标分别从经度范围[0°,120°]和维度范围[-30°,60°]中随机产生。考虑两种面积大小的正方形区域目标其边长分别为2°和4°，则其面积分别为4和16。考虑了4颗分布于太阳同步轨道的对地观测卫星，分别为CBERS-1，FY1，Worldview3和QuikBird，其轨道倾角分别为98.5°，98.87°，98.48°和98.00°。其中，每颗卫星上的传感器的侧摆角度范围为[-30°,30°]。地面站分别为喀什，三亚和密云，其经纬度为(76°,39.5°)，(109.5°,18°)，(116°,40°)。

仿真内容和结果

需要特别指出的是，现有的面向区域目标的资源分配管理中没有联合考虑对地观测和数据卸载的方案。所以，在数据卸载阶段，考虑随机选择一些无冲突的通信资源进行数据卸载，即随机方案，作为与本发明的对比方案。

仿真1，用本发明方法与随机方案对区域目标的覆盖率进行仿真对比，结果是采用本发明协同通信资源分配管理有效地提高了对区域目标的覆盖率，参见图5，图5为用本发明和随机方案得到的覆盖率的仿真对比曲线图。

从图5可见，随着区域目标的维度变化，本发明在两种不同面积的区域目标下和对比方案就完成目标区域覆盖率进行了对比。对于目标区域面积为4的情况下，本发明在维度范围[-30°,-18°]内覆盖率有明显提升。对于目标区域面积为16的情况下，本发明分别在维度范围[-30°,-10°]和维度范围[20°,35°]内覆盖率有明显提升。此外，对地观测卫星系统中的卫星资源，地面站资源和通信资源是稀缺和昂贵的。因此，本发明可以利用最小的资源代价完成最大的目标区域覆盖率。

实施例9

面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法同实施例1-7，仿真条件和内容同实施例1-8，

仿真2，用本发明方法与随机方案对区域目标的图像数据卸载完成时间进行仿真对比，结果是采用本发明协同通信资源分配管理有效地降低了区域目标的图像数据卸载完成时间，参见图6，图6为用本发明和随机方案得到的数据卸载完成时间的仿真对比曲线图。

从图6可见，随着区域目标的维度变化，本发明在两种不同面积的区域目标下就目标图像数据卸载完成时间和对比方案进行了对比。对于目标区域面积为4的情况下，本发明在维度范围[-30°,60°]内目标图像数据卸载完成时间明显降低。对于目标区域面积为16的情况下，本发明在维度范围[-30°,60°]内目标图像数据卸载完成时间明显降低，除了在个别的维度上，如-25°，-20°，-5°，0°。因此本发明可以有效地降低对区域目标的图像数据卸载完成时间。特别在紧急应用场景中，本发明可以提高对紧急事件的响应能力。

综上所述，本发明公开的一种面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法，解决了多星多地面站资源协同规划问题，其实现过程为：地面控制中心通过获取地面站和卫星信息分别构建资源关系图、通信资源无冲突图和通信资源冲突图生成卫星卸载方案；以目标区域信息和卫星星历算出卫星访问区域目标，从卫星卸载方案中提取所有可能的可行卫星卸载方案；针对每种可行卫星卸载方案构建加权有向图，遍历所有加权有向图，使用标号算法和定义的加法找出覆盖率大和跳数少的路径生成总体卸载方案并上注测控指令。本发明使用图的模型表征了对地观测卫星系统中资源的间歇性与相关性，提高了资源利用率和任务规划效率，降低了资源管理的复杂性，可用于对地观测卫星系统的资源管理。

Claims (6)

1.一种面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法，其特征在于，包括有如下步骤：

(1)地面控制中心获取地面站和卫星信息：地面控制中心获取地面站位置信息和在轨卫星轨道参数信息，并计算出卫星和地面站的访问时间；

(2)构建资源关系图：根据卫星访问地面站的时间构造卫星访问地面站资源关系图G₁(V(G₁),E(G₁))，其中，卫星访问地面站资源关系图G₁的节点集合为V(G₁)，边集合为E(G₁)；

(3)构建通信资源无冲突图和通信资源冲突图：地面控制中心根据卫星访问地面站资源关系图G₁生成通信资源无冲突图G₂和通信资源冲突图G₄；

(4)生成卫星卸载方案：根据通信资源无冲突图G₂和通信资源冲突图G₄生成所有无冲突的卫星卸载方案；

(5)构建可用卫星卸载方案：从无冲突的卫星卸载方案中提取包含能够访问区域目标的所有可能的可用卫星卸载方案；

(6)构建加权有向图：地面控制中心根据可用卫星卸载方案按照卫星访问区域目标的待数据回传时间的先后顺序构建资源加权有向图G_directed；

(7)生成总体卸载方案：地面控制中心在资源加权有向图G_directed中搜索最佳卫星可行卸载方案，最终生成总体卸载方案；

对于每个资源加权有向子图执行标号法算法搜索覆盖率大跳数短的路径，其中加法使用定义的加法进行运算定义加法运算：首先，对区域编号进行求并集；然后，对每个编号下的权值进行求和，即：其中{id_k}＝{id_i}∪{id_j}；

(8)确定最优方案并上注指令：地面控制中心根据用户需求从生成的总体卸载方案选择一个最优方案，并根据该方案首先向各测控地面站发送测控指令以上注所选卫星进行载荷控制，包括什么时间打开传感器进行数据获取，侧摆多少角度；然后向各数传地面站发送数据接收指令进行地面站天线选择和数据接收，完成多星多地面站资源协同分配管理。

2.根据权利要求1所述的面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法，其特征在于，步骤(2)中所述的构建资源关系图，具体包括有：

(2a)构建资源关系图G₁的点集V(G₁)＝{S}∪{T}∪N∪S_at，其中，S为虚拟源节点，T为虚拟目的节点，为地面站虚拟点集合，S_at为卫星节点集合，为第j颗卫星第i次访问第m个地面站的第n套收发设备的机会；

(2b)构建资源关系图G₁的边集E(G₁)，即E(G₁)＝SS∪SG∪NT∪CV，其中，SS为虚拟源节点S到卫星节点S_i∈S_at的边集，SG为构建卫星节点S_i∈S_at到地面站虚拟点集合N的边集，NT为构建地面站的虚拟节点到虚拟目的节点T的边集和CV为构建地面站间的虚拟节点集合和以及地面站内的虚拟节点集合和之间的存在冲突的边集即为冲突边。

3.根据权利要求1所述的面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法，其特征在于，步骤(3)中所述的地面控制中心构建通信资源无冲突图和通信资源冲突图，具体包括有：

(3a)从卫星访问地面站资源关系图G₁中删除冲突边以及与冲突边相连的点即可得到通信资源无冲突图G₂(V(G₂),E(G₂))，从卫星访问地面站资源关系图G₁中删除通信资源无冲突图G₂中除了卫星节点、虚拟源节点和目的节点所有节点和边的集合即得到带有冲突关系资源图G₃＝G₃(V(G₃),E(G₃))；

(3b)将带有冲突关系资源图G₃中边E(G₃)\CV表示为通信资源冲突图G₄(V(G₄),E(G₄))中的点集V(G₄)，其中，边集E(G₄)＝CV，从而构成通信资源冲突图G₄。

4.根据权利要求1所述的面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法，其特征在于，步骤(4)中所述的地面控制中心生成卫星卸载方案，具体包括有：

(4a)找出通信资源冲突图G₄(V(G₄),E(G₄))的最大独立集集合MS＝{MS_i}，将最大独立集MS＝{MS_i}中的点反向映射成带有冲突关系资源图G₃中的边集

(4b)通过使用Dijkstra算法或Bellman-Ford算法在通信资源无冲突图G₂中找到所有从虚拟源节点S到目的节点T的路径从路径path中提取出边构成边集：然后，将边集E^MS中的第i个分量和边集合E_feasible合并成新的集合最后形成总的可行输出边集合

5.根据权利要求1所述的面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法，其特征在于，步骤(5)中所述的地面控制中心生成可用卫星卸载方案，具体包括有：

(5a)地面控制中心计算出最小的矩形区域覆盖目标区域，并表示为最小的矩形区域REC_min＝{(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃),(x₄,y₄)}，其中，(x_i,y_i)表示经纬度坐标；

(5b)根据近似程度的需求，将整个最小矩形区域REC_min分割为Num个子矩形REC_i，并编号为id；计算出每个子矩形REC_i的中心经纬度子矩形REC_i根据先验知识赋予不同的权重：(则每个id对应一个权值)，卫星sat_i对子矩形的覆盖转化为对矩形中心的覆盖，并获得覆盖id集合

(5c)在总的可行输出边集合中每个可行的集合提取出包含卫星集合TS_access中所有卫星的边构成的集合

6.根据权利要求1所述的面向区域目标的多星多地面站资源协同分配管理方法，其特征在于，步骤(6)中所述的地面控制中心构造资源加权有向图G_directed，具体包括有：

(6a)对在边集合中的每个集合都建模成一个资源加权有向子图构成总的资源加权有向图将时间轴按照时间升序排序进行划分，每个时间点都对应卫星即：根据S_i从TS_access获得其中，和表示卫星sat_i访问区域目标的开始时间和结束时间；

(6b)根据每次卫星sat_i访问区域目标结束时间找出最小的大于访问区域目标结束时间的卫星sat_i访问地面站的开始时间即第j颗卫星第i次访问第m个地面站选择第n套收发设备的开始时间，如此构建资源加权有向子图中的一跳节点，以此类推，对应图中的边集的权值是对应集合