卫星运行时间作业设计,卫星运行时间教学目标

2022年 10月 20日 发表评论
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卫星任务规划系统时间窗口模块的设计与实现

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摘要:设计并实现了卫星任务规划系统的时间窗口模块。通过数据接口设置任务的约束要求,利用STK(SatelliteTool Kit)的时间窗口计算能力,计算卫星传感器对于地面目标的可用时间窗口,以简化资源调度模块的求解过程。对于没有可用时间窗口的任务,时间窗口模块能分析时间窗口分配失败的原因,用户可以根据失败原因来分析卫星系统的动态能力。
关键词:可用时间窗口;STK接口;原因分析;动态能力

1 引言 如何实现多星多任务情况下的卫星资源调度,是当前卫星应用迫切需要解决的问题。卫星任务规划系统的作用就是针对任务需求,优化卫星系统的资源配置,自动生成最佳的卫星资源调度方案,使卫星应用系统发挥出最优的应用能力。在卫星任务规划系统中,可用时间窗口是指卫星传感器和地面目标之间满足任务要求(如分辨率、太阳光照等要求)的可见时间区段。卫星系统的动态能力相对于卫星系统的静态能力(如轨道覆盖率、星载仪器的性能指数、地面站的分布情况等)来说,是指一个系统对于一组特定任务要求的满足程度。卫星任务规划系统在对给定任务集进行规划之前,首先要对卫星和传感器等资源进行预处理。在预处理过程中,任务规划系统不考虑时间冲突,先给任务分配满足任务约束要求的可用时间窗口,得到预处理结果。然后系统将时间窗口预处理结果传递给资源调度模块,转化成资源调度模块的时间约束条件,以简化调度方案求解过程。如果一个任务没有可用时间窗口,时间窗口模块会给出时间窗口分配失败的具体原因,便于用户分析系统的动态能力缺陷,对任务或卫星系统做相应的调整。

2 时间窗口模块概述

时间窗口模块基于STK平台对给定任务进行仿真运算,满足了卫星任务规划系统在时间窗口处理这方面的功能需求。Analytical Graphics Inc公司开发的STK(Satellite Tool Kit)是一种商品化卫星分析软件,它能够快速方便地分析各种复杂的航天任务。时间窗口模块结合STK的仿真运算能力,能够完成系统所需的3方面功能:信息输入、可用时间窗口计算、时间窗口分配失败原因分析。模块的结构关系如图1所示。

3 信息输入 时间窗口模块的信息输入功能主要是用户通过可视化界面定义仿真运算所需要的各种数据信息。这些输入信息根据内容,分为两个部分,即仿真描述信息和约束描述信息。
3.1 仿真描述信息 仿真描述信息是用户描述具体的仿真环境所输入的数据,包括仿真过程信息和实体描述信息两部分内容。其中,仿真过程信息包括仿真开始时间和仿真结束时间。实体描述信息是指定义仿真实体的所需要输入的数据信息,包括资源描述信息(卫星、卫星传感器)和目标描述信息(地面目标),其内容如下:
(1)卫星描述信息包括轨道参数、轨道类型、坐标系统、主要用于确定在不同时刻卫星的空间位置。
(2)传感器描述信息包括传感器摆动范围、焦距、线象素。传感器摆动范围指传感器在卫星上可转动的角度范围;这里的焦距是指光学传感器目镜的焦距;线像素是用来表示获取、传送或显示图像细节的能力。
(3)地面目标描述信息:经度、纬度、海拔高度,用于确定地面目标的空间位置。
3.2 约束描述信息

约束描述信息用于描述任务的特定要求。这些特定要求在时间窗口模块中转化为时间窗口的约束条件。约束描述信息内容包括:

(1)时间窗口长度约束:最小时间窗口长度,是指可用时间窗口长度的临界值,只有运算得到的时间窗口的长度大于或等于这个临界值时,才会被认可为可用时间窗口。
(2)分辨率约束:分辨率临界约束。地面分辨率,描述成像卫星对地观测的成像精度水平。这个约束要求在可用时间窗口内的任意一个时间点,传感器对地面目标的地面分辨率都优于分辨率临界约束值。
(3)太阳光照角约束:最小太阳光照角约束。卫星的光学成像设备,对太阳光照条件有一定的要求,这里采用太阳光照角描述太阳光照条件。太阳光照角是指太阳光线和地面目标所在地平面的夹角。最小太阳光照角就是指光学成像设备在观测地面目标时所要求的太阳光照条件的下限。这个约束要求在每个可用时间窗口内的任意一个时间点,地面目标的太阳光照角不小于最小太阳光照角约束。当传感器不是可见光类型时,时间窗口模块将屏蔽这个约束条件。
4 可用时间窗口计算 时间窗口模块的计算功能基于STK平台实现。用户通过客户端程序向STK服务器发出STK命令,将系统输入信息转化为STK仿真环境,以及仿真环境中的仿真实体,调用STK平台的仿真计算功能得到卫星系统的可用时间窗口。为了更加有效地管理时间窗口模块与STK平台的交互,设计了专用的STK接口并嵌入到时间窗口模块内部。STK接口使用C#语言实现,封装了STKConnect和STKCommand两个类。类结构如图2所示。

STKConnect类用于管理STK软件和系统的连接。STKConnect类中的函数使用Socket与STK进行TCP/IP连接,向STK发送各种数据,并得到STK返回信息。STKCommand类封装了各种STK命令,能够根据用户输入的数据信息在STK平台上构造仿真环境,在仿真环境中建立卫星、传感器及地面目标等仿真实体,设置时间窗口求解的约束条件,计算仿真实体间的时间窗口并解析STK平台返回的计算结果。

5 时间窗口分配失败原因分析 对于没有可用时间窗口的任务,时间窗口模块会分析原因。用户可以根据时间窗口分配失败的原因,有针对性的调整任务,生成更有效的卫星资源调度方案,还能够定性分析卫星系统动态能力缺陷,为卫星系统的拓展提供技术参考。

对于一个任务来说,没有时间窗口的原因可能是相互关联的,不具有惟一性,即对于同一个没有时间窗口的任务,改变不同的约束条件的临界值,或增加资源,都有可能使调整后的任务获得时间窗口,所以在原因分析过程中要求为多种可能的原因按照用户关注程度定义优先级顺序。本文默认的优先级顺序为可见性不满足,分辨率不满足,最小太阳光照角不满足,时间窗口长度不满足。分析过程如图3所示。

根据时间窗口分配失败原因,可以定性分析卫星系统动态能力缺陷。卫星系统的能力分为两种:即静态能力和动态能力。其中静态能力包括卫星系统的轨道覆盖率、星载仪器
的性能指数以及地面站的分布情况等,评价方法比较简单,这里不再赘述。动态能力指一个系统对于一组特定任务的满足程度。.
本文通过时间窗口分配失败的原因来反映卫星系统的动态能力缺陷。时间窗口分配失败原因与卫星动态能力缺陷的对应关系如表1所示。

6 结论 本文研究了卫星任务规划系统的结构、功能及实现方式。时间窗口模块能够完成系统所需的3方面功能(信息输入、可用时间窗口计算、时间窗口分配失败原因分析),解决了时间窗口计算的关键问题,为卫星调度方案的自动生成提供了必要的技术支持。

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