摘 要

在我国高分辨率对地观测系统快速发展的背景下，针对获取的遥感影像数据量大，遥感任务请求种类多样化复杂化以及空间信息网络传输能力有限等问题，论文展开了针对高分辨率对地观测系统中复杂遥感任务描述与分解、多星多任务规划和星地协同处理三个方面的研究。论文建立了基于任务时间窗口的灵活调度的规划模型和遥感任务分解下的星地协同模型，并通过实验验证了这种星地协同模式的可行性和优越性。

关键词：空间信息网络；遥感任务分解；任务规划；星地协同

ABSTRACT

Under the background of the rapid development of high-resolution Earth observation systems in Chain, issues such as the large amount of remote sensing image data, diversification of requests for remote sensing tasks have emerged. The paper carries out three aspects of research content including (1) the description and decomposition of complex remote sensing tasks, (2) multi- satellite multi-mission planning problem, (3) remote sensing data onboard/ground collaborative processing mechanism. The paper proposes a model for flexible scheduling based on task time windows and the model of onboard/ground collaborative processing by remote sensing task decomposition. Finally, an experiment is conducted in Chapter 5 to verify the feasibility and superiority of this model.

Key words:  Spatial Information Network; Remote Sensing Task Decomposition; Mission planning; onboard/ground collaborative

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3论文研究目的及意义 3

1.4论文章节安排和整体技术路线 3

第二章 面向卫星资源调配的复杂遥感任务分解研究 5

2.1 任务描述 5

2.2 任务分解 5

2.2.1 任务语义解析 6

2.2.2 任务分解执行过程及实例 6

2.3 任务资源映射 8

第三章 多星多任务规划问题研究 9

3.1卫星轨道运行环境 9

3.2 卫星任务调配的问题描述 10

3.2.1假设和简化 10

3.2.2约束条件分析 11

3.3基于人工蜂群算法的卫星任务规划模型求解 12

3.3.1卫星任务规划模型概述 12

3.3.2 模型参数设定及输入 13

3.3.3 卫星任务规划数学模型构建 13

3.3.4 任务规划算法流程详述 15

第四章 基于遥感任务分解的星地协同模型 19

4.1问题描述 19

4.1.1 卫星任务执行完整过程 19

4.1.2 星地协同技术方法问题描述 20

4.1.3 复杂遥感任务分解思想 21

4.2模型建立 22

4.2.1 星地协同模型参数及输入 22

4.2.2 星地协同优化目标 23

4.2.3算法模型流程 23

第五章 仿真实验及结果输出 26

5.1 STK仿真平台 26

5.1.1 STK仿真平台介绍 26

5.1.2空间场景搭建 26

5.1.3时间窗口输出 28

5.2多任务规划结果输出 29

5.3星地协同结果分析 33

第六章 总结与展望 36

6.1总结 36

6.2展望 36

参考文献 37

致谢 39

第一章 绪论

1.1 研究背景

随着遥感技术的快速发展，以高分系列为代表的高分辨率对地观测系统也加大了投入和加快了建设速度。我国已经步入了遥感信息海量化和数据获取手段多样化的时代。据资料显示，我国高分辨率对地观测系统的专项项目已经进入一个关键期，到2020年，我国将发射更多的高分辨率遥感卫星，并且会实现多卫星协同工作。而这无疑会使得每天获取的遥感数据量剧增，海量遥感数据与智能化处理能力之间的矛盾日益凸显。另一方面，用户对于遥感任务的请求也正在向多样化和复杂化方向发展，传统的一些数据获取方法和数据传输技术也逐渐地难以满足用户的需求。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

从“九五”提出天基综合信息网的构想，到“十一五”正式提出空间信息网络的概念，在经过近二十年的发展，国内的空间信息网络应用服务有了很大的发展。国家级和省、市级的空间数据基础设施建设，为地球空间信息服务和广泛应用奠定了基础。武汉大学联合国内十多个单位开展了空间信息标准与网络共享服务关键技术研究，研究并实现了十多个支撑空间信息共享的标准规范和相应的软件，建立了空间信息共享服务示范系统。

从学术界的研究发展来看，空间信息网络的研究涉及了遥感、测绘、通信、计算机等多专业领域。2002年罗雪山等人首次提出了天地一体化的基本构想。2006年沈荣骏分析航天互联网目前的困难和未来任务的需求，并进一步阐述了需要突破的关键技术。李德仁等人2017年在文献^[1]中^[1]提出天空地一体化对地观测网络理论与技术的体系和对地观测脑的概念，创新地提出了未来智能化空天信息的实时服务，推动了数字地球向智慧地球的发展。

另一方面，针对卫星调度研究规划及星地协同研究进展来看，目前国内研究机构对多星间的任务调度规划研究的较多，主要研究对象为对地观测卫星的任务调度和中继卫星的任务安排。从研究的复杂度来看，有单类型单星调度规划，单类型多星调度规划以及多类型多星任务调度规划。由于卫星调度任务的复杂性和不确定性，国内的研究通常有选择性的忽略一些外界环境不可控因素，使得复杂的卫星任务规划问题，变为更易建立数学模型的NP问题，以此去寻找最优解。

现阶段国内的研究学者对多星间的调度问题的算法研究相对较多。贺仁杰等人利用快速模拟退火算法、禁忌搜索算法等对多星多任务的规划问题提出了多种解决方案，并已运用到成像卫星的日常管控中了。陈英武等人对卫星调度问题的约束规划模型进行了深入的研究，并将卫星任务划分为了观测任务和通信任务两类，并比较了混合整数规划模型与约束规划模型之间的优劣。陈宇从成像遥感卫星、电子遥感卫星，从日常典型任务、应急任务等多角度对多星间协调调度提出了算法研究，并针对应急响应的任务事件涉及了启发式搜索算法。陈能成等人在2013年文献[2]中讲述了中国对地观测器网络项目的问题和进展，创新性的阐述了任务驱动的时空信息聚焦服务模型和多传感器协同观测方法。李德仁等人在文献[1]中提到了星上数据实时处理与信息快速生成技术和星上数据分布协同计算技术等的技术创新和难点。目前学术界对于卫星协同调度问题的研究方向仍然是多星多任务的动态卫星调度，并且考虑更多外界因素，以更好的满足该类问题的现实性，但是在星地协同方面的研究还比较少。

1.2.2 国外研究现状

国外在空间信息网络领域的研究比国内要早。从1996年开始，以美国为代表的西方国家就开始实施相应的研究计划，包括美国NASA建立卫星测控通信网合并，JPL实验室研究通用通信协议实现对地观测卫星与地面站的互联，以及NASA设计完成一套天地一体化网络的架构等等。

在学术界，国外学者也在卫星任务规划方面也注重对算法模型的优化，国外领先国内的技术主要在于星地协同上面的技术研究，国外对星上实时处理系统构建技术已有二十多年的研究经验，包括星上数据的压缩、分类、特征检测等处理算法，这些都是实现星地协同技术的必要基础。在遥感星地系统处理方面，最早由美国弗吉尼亚州奥多明尼昂大学提出，主题提出了一种面向任务需求的卫星网络星地协同处理思想，构画了未来智能对地观测卫星的发展前景。之后Peter Baumann等人在文献[3]中研究了增强机载传感器灵活性的方法，将扩展的网络栅格数据服务应用于星地传输技术，为星地协同的提供了部分技术支持。

从国外的研究看来，国外在该领域的研究以及从单纯的卫星任务规划调度发展为多星多任务的星地协同处理模型，并朝着以任务驱动为事件感知的智能化方向发展，这些研究成果都对我们空间信息网络的发展和对地观测事业有很强的借鉴意义。

1.3论文研究目的及意义

近年来，随着遥感对地观测技术的飞速发展，卫星的数据获取量呈现几何级数增长，给星上遥感数据存储、处理与传输带来了严峻挑战，主要表现为：（1）传统的遥感数据获取、传输、接收、处理的流程难以满足不同层级的用户越来越多的任务需求；（2）由于信息提取的智能化处理能力不足，导致了受限环境下的数据存储、处理和网络资源的浪费。而基面向空间信息网络的遥感任务规划与星地协同研究是解决上述问题的一个有效方案。

论文的研究目的是对遥感卫星观测获取数据、传输数据资源、星地协同处理等过程进行数学建模，并将多任务进行合理的描述、分解，通过星地资源协同处理与优化，实现受限环境下资源最优配置的解决方案，能够提升数据收集和处理的效率，更好满足任务的需求，同时它也是智能化对地观测的重要体现。

1.4论文章节安排和整体技术路线

论文主要研究复杂遥感任务的描述与分解、多星多任务规划模型和星地协同方案模型三个部分，分别在第2章、第3章和第4章进行介绍。在第5章，我们将对实验场景进行仿真，对多星多任务规划模型与星地协同模型进行结果验证。各章节研究内容之间的关系与整体技术路线如下图1所示。首先第2章介绍的复杂遥感任务的描述与分解作为准备基础，接着在第3章中介绍的多星多任务规划模型中生成任务编排结果作为第4章中星地协同模型的输入，最后利用星地协同模型生成协同方案，将指令注入各个空间资源单元并执行命令。

图 1整体技术路线

第二章 面向卫星资源调配的复杂遥感任务分解研究

“任务”是一种抽象的概念，其在不同领域具有不同的意义。随着近年来遥感技术的快速发展，遥感任务呈现出多样化发展趋势，情况更加复杂，类型更加多样。本章节以洪水淹没分析模型为任务对象，剖析任务本身的构成部分及各环节之间的相互关系，建立了语义支持的典型遥感任务的描述分解方法。

在卫星资源调度的研究领域中，随着用户提交的卫星任务日趋复杂，往往需要多个任务协同完成，而将复杂遥感任务分解成为子目标任务和原子任务的调度策略，能够实现卫星资源的最大化利用。这一过程也被作为是卫星调度的预处理，通常有下面这些步骤。首先，根据用户提出的遥感任务的请求，通过语义支持或专家知识对提交的复杂遥感任务划分为互相协作而又独立的子目标任务，再分解为原子任务，然后在模型约束下建立原子任务和卫星资源的映射模型，最后将原子任务分配至不同的卫星单元，达到卫星资源调度的目的。

2.1 复杂遥感任务描述

任务描述指引用领域知识和任务本体来描述任务的过程。首先根据任务所处任务等级，将任务分为复杂遥感任务、子目标任务和原子任务三大类。子目标任务一般为复合任务由多个原子任务组合而成，且可分解。原子任务指不能再分解的任务。任务描述主要针对于原子任务的表达，在描述模型中定义了六种基础属性用来描述：任务编号、任务优先级、任务执行顺序、任务类型、任务前序条件和任务处理模型。任务编号指的是任务的唯一标识信息；任务优先级指的是在卫星调度的待执行任务队列中的优先程度评价；任务执行顺序指的是，任务被调度执行的先后顺序；任务类型即任务的类别，如海洋、植被、灾害应急等方面的任务；任务前序条件指的是当前原子任务所需要的前序任务基础；任务处理模型定义为任务处理流程的描述。

2.2 复杂遥感任务分解

论文建立了一种基于语义的复杂遥感任务分解方法，将复杂任务的执行变成简单原子任务的组合过程，使得任务的自动分解和执行成为了可能。在分解的过程中还需要满足几个要求，1）独立性。子目标任务之间，原子任务之间需要相互独立；2）层次性。任务分解的过程是一个由复杂到简单逐层递进的过程。

2.2.1 任务语义解析

从任务语义的角度来看，任务可以分为三个层次。

（1）复杂遥感任务。复杂遥感任务是整个卫星任务调度体系中的输入，也是基于自然语言的任务需求表述，通常只说明了任务的目的和需要，无法直接映射到卫星资源网络中的各个单元。在这里我们将其定义为复杂遥感任务，例如，海上台风检测任务、森林火灾检测任务、洪涝分析应急任务等。

（2）子目标任务。相较于单一遥感卫星和单一遥感任务，复杂遥感任务是一种多星协同多任务协作的任务模式，而子目标任务则是由复杂遥感任务分解而来，同等级的子目标任务可能存在着数据依赖和协同处理的关系。例如，探测任务、预警任务、定位任务等。

（3）原子任务。原子任务是不能再分解的最小任务单元。在遥感任务的模型中，我们对原子任务进行任务描述，并作为卫星任务调度和资源映射的输入。

图 2 任务分解结构图

2.2.2 任务分解执行过程及实例

任务分解的执行过程是一个逐层递进的过程，首先对复杂遥感任务进行子任务的划分，在论文[16]龚卓君提出了一种基于专家系统的任务语义解析技术，是一种含有该领域专家水平的知识和经验的程序系统，来实现了复杂遥感任务向子目标任务的分解，已经具备了较为完善和成熟的解析流程。所以本文将重点放在了后续的子目标任务向原子任务分解的研究。

在子目标任务向原子任务的分解过程中，首先遍历当子目标任务模型中所有成员任务类型。如果发现某个成员任务为复合任务，则获取该成员任务的任务模型属性。将当前任务的任务模型中所有该成员任务的实例全部用该成员任务的任务模型进行替换。之后，针对新的任务模型，从头重复上述遍历操作，直到所有成员任务遍历结束都没有发现一个复合成员任务为止。所得的最新任务模型即为分解后的任务模型。

以洪水淹没分析任务为例，任务模型如下图3所示，分解后的原子任务模型如图4所示。洪水淹没分析任务的原始任务模型中包含多个任务实例。经过对所有实例进行遍历，首先发现观测任务为复合任务。而每个观测任务又可以分为观测计划上行任务、所得数据下行任务和观测计划执行任务。接着我们将观测任务用其原子任务模型进行替换。继续遍历流程中的其他任务实例，其中NDVI任务也是一个复合任务。将任务模型中的NDVI任务进行替换。最后，遍历发现两张影像的混合任务也是复合任务，存在影像叠加和值域映射两个步骤流程。将复合任务进行分解后可得到最终的洪水淹没任务的原子任务模型。通过再一次的遍历发现当前任务模型中的所有成员任务均为原子任务。至此，对洪水淹没分析任务的分解结束。

图 3洪水淹没分析任务模型

图 4原子任务模型

2.3 星地任务资源映射

任务描述模型是对任务抽象概念和属性的建立，但并未涉及到任务单元的具体执行。在实际的卫星调度过程中，对复杂遥感任务进行描述分解后，需要建立任务与卫星资源的映射模型，论文提出的一种任务与卫星资源映射指的是根据任务的属性和卫星资源能力描述，将复杂遥感任务的处理落实为一个可执行的工作流，并且该工作流体现的是一种对卫星资源最优分配的策略。

任务的资源映射实质上是解决了任务需求与有限的卫星资源和地面站资源之间的矛盾。在任务描述和任务分解后的原子任务，可以选用不同的卫星资源，生成不同的资源分配方案。为了达到卫星任务调度的效益最优，任务的资源映射需要在根据任务大小、预期执行时间、优先级、执行顺序、卫星处理能力等约束，生成最优的卫星资源规划。在后面的章节中论文将对多星多任务编排和星地协同模型做详细介绍和验证。

第三章 多星多任务规划问题研究

多星多任务规划是根据复杂遥感任务时效性要求以及时间、空间连通约束等将分解后的原子任务映射到有限的卫星资源的过程。对于此类多星多任务规划问题，实质上属于卫星任务调度问题，在进行此类问题的研究之前，我们需要对相关背景知识、调度环境约束条件、卫星传感器等硬件参数进行研究，将约束条件进行抽象化，并利用数学模型对多星多任务规划建立模型。由于卫星任务调度所涉及的工程庞大且影响因素复杂。在此之前，本章首先对卫星任务调度问题进行描述，再对调度过程中的约束条件进行分析并适当假设和简化，最后从模型的调度目标、输入、约束条件及输出对模型进行了具体的阐述。

3.1卫星轨道运行环境

卫星依据其升空的高度，一般可以分为四类：低轨卫星、中轨卫星、高轨卫星以及同步卫星。高低轨道在学界中并没有具体的规划，但通常我们将离地高度在几百千米的卫星轨道为低轨道，而轨道高度超过1000千米的称为高轨道，其中同步卫星相对地球静止不动，其转动周期与地球自转相同。

各种卫星在距离地球表面不同高度的空间轨道上运行，卫星上会搭载有卫星传感器用以获取观测目标的信息。通常在某一时刻下，对地观测的遥感卫星传感器会在地面形成一个封闭的圆形观测区域，区域的大小及形状根据传感器的观测角度确定。当卫星在空间轨道上运行时，在地球表面的连续投影被称为星下点轨迹，如图5中所示。遥感卫星在轨道上飞行过程中，由于地球自西向东以大约每小时15°绕垂直于赤道平面的发生自转，使得星下点轨迹在不断向西发生偏移，能够实现对大部分区域进行目标观测。由于卫星工作的这种特性，使得只有传感器观测范围探测到目标范围时，卫星才可以执行观测任务。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：