面向區(qū)域偵察的實(shí)拍實(shí)傳衛(wèi)星規(guī)劃推演系統(tǒng)①

汪榮峰,陳大春

(中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天工程大學(xué),北京 101416)

以多顆衛(wèi)星或星座對作戰(zhàn)區(qū)域進(jìn)行偵察,獲取特定目標(biāo)和移動目標(biāo)信息,可對區(qū)域進(jìn)行全時空、全方位監(jiān)控,提高戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力和指揮作戰(zhàn)效率[1].衛(wèi)星有存儲轉(zhuǎn)發(fā)和實(shí)拍實(shí)傳2種數(shù)傳方式[2],實(shí)拍實(shí)傳數(shù)傳方式是即時數(shù)據(jù)傳輸方式,衛(wèi)星在利用星載偵察設(shè)備對地面目標(biāo)進(jìn)行偵察的同時,將所獲數(shù)據(jù)下傳至地面站.當(dāng)采用多顆實(shí)拍實(shí)傳衛(wèi)星對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行偵察時,需進(jìn)行數(shù)傳任務(wù)規(guī)劃、能力分析和仿真推演.

衛(wèi)星數(shù)傳調(diào)度問題研究的是獨(dú)立于衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取的數(shù)據(jù)下載決策問題,主要目的是為數(shù)傳任務(wù)分配無沖突的數(shù)傳資源(地面站數(shù)據(jù)接收天線)及時間窗口.數(shù)傳任務(wù)規(guī)劃已有大量研究成果,如劉洋等[3]提出的基于貪婪算法的衛(wèi)星地面站任務(wù)規(guī)劃算法,陳祥國等[4]提出的基于蟻群算法的規(guī)劃技術(shù).在實(shí)拍實(shí)傳衛(wèi)星數(shù)傳調(diào)度問題方面,文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一個啟發(fā)式調(diào)度算法,姜維等[5]針對存儲轉(zhuǎn)發(fā)和實(shí)拍實(shí)傳數(shù)傳模式建立統(tǒng)一模型,經(jīng)飛等[6]提出的多數(shù)傳模式組合調(diào)度算法可同時處理存儲轉(zhuǎn)發(fā)和實(shí)拍實(shí)傳需求.

為衡量衛(wèi)星完成偵察任務(wù)的能力,一般以覆蓋率作為核心指標(biāo).現(xiàn)有衛(wèi)星區(qū)覆蓋分析方法主要有解析法[7]、網(wǎng)格點(diǎn)法[8]和基于幾何運(yùn)算的方法[9].

王慧林等[10]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了面向區(qū)域的電子偵察衛(wèi)星規(guī)劃系統(tǒng),采用甘特圖表現(xiàn)規(guī)劃序列,基于STK顯示規(guī)劃方案執(zhí)行過程.

本文根據(jù)實(shí)際任務(wù)所需研制規(guī)劃推演系統(tǒng),提出了新的數(shù)傳調(diào)度算法、衛(wèi)星區(qū)域覆蓋分析算法,并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了過程推演表現(xiàn)形式和可視化方法.

1 規(guī)劃推演系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成如圖1所示,包括4個軟件.

指揮控制軟件是區(qū)域偵察任務(wù)的邏輯起點(diǎn),根據(jù)用戶需求交互確定偵察時段、執(zhí)行偵察任務(wù)衛(wèi)星、測控站和待偵察目標(biāo)區(qū)域,并將上述信息(圖1中 “任務(wù)”)寫入到共享數(shù)據(jù)庫中,供其他軟件使用.

數(shù)傳任務(wù)規(guī)劃軟件根據(jù)“任務(wù)”進(jìn)行規(guī)劃,以XML文件形式將結(jié)果提供給過程推演軟件.

本研究結(jié)果表明，當(dāng)合成麝香濃度較低時，合成麝香初始濃度的增加一定程度上可以促進(jìn) PAC對其的去除。當(dāng)合成麝香初始濃度繼續(xù)增大時，PAC對合成麝香的去除量仍呈增加趨勢，但是去除率無明顯變化，說明合成麝香的初始濃度的提高可以提高PAC的有效利用率。

偵察能力分析軟件以給定時間段內(nèi)衛(wèi)星對目標(biāo)區(qū)域的覆蓋率作為核心指標(biāo),分析任務(wù)完成能力.

過程推演軟件基于OSGEarth開源引擎開發(fā),根據(jù)“任務(wù)”信息和數(shù)傳規(guī)劃結(jié)果,對偵察和數(shù)傳的過程進(jìn)行仿真推演.

系統(tǒng)主要包括如下模塊:數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)文件訪問模塊,支持各軟件通過共享數(shù)據(jù)庫和XML數(shù)據(jù)文件交換信息;軌道預(yù)推模塊,支持標(biāo)準(zhǔn)二體和SGP4兩種軌道預(yù)推模型;時間窗口計(jì)算模塊,為數(shù)傳規(guī)劃算法提供支持;幾何算法,采用開源幾何引擎GEOS (Geometry Engine-Open Source),為區(qū)域覆蓋分析和三維繪制提供支持;區(qū)域覆蓋分析和數(shù)傳規(guī)劃算法,應(yīng)用軟件的核心算法;圖形引擎,包括OpenGL和OpenSceneGraph(OSG),分別用于規(guī)劃、分析軟件二維繪制和過程推演軟件三維繪制.

2 面向區(qū)域偵察的數(shù)傳任務(wù)規(guī)劃算法

多顆實(shí)拍實(shí)傳衛(wèi)星區(qū)域偵察數(shù)傳規(guī)劃的任務(wù)是在區(qū)域約束下計(jì)算衛(wèi)星對目標(biāo)的過境時間窗口,并為每個過境時間窗口分配一個或多個地面站天線作為數(shù)傳資源.

衛(wèi)星可數(shù)傳的基本條件是衛(wèi)星與地面站相互“可見”,且滿足一定角度要求.此外還需考慮衛(wèi)星數(shù)傳能力、地面站天線個數(shù)與仰角、衛(wèi)星與地面站天線頻段、地面站天線跟蹤時間等約束條件.根據(jù)任務(wù)要求做如下假設(shè):每個地面站部署一天線,頻段與衛(wèi)星天線一致;衛(wèi)星與地面站滿足給定仰角方可進(jìn)行數(shù)傳;天線對衛(wèi)星的捕獲時間、準(zhǔn)備時間等合在一起,為“任務(wù)切換時間”.

針對任務(wù)中衛(wèi)星數(shù)量和地面站數(shù)量較少的實(shí)際,設(shè)計(jì)如下簡潔、易實(shí)現(xiàn)的規(guī)劃算法:

Step 1.地面站天線的初始時間資源為整個時間軸;

Step 2.計(jì)算衛(wèi)星對目標(biāo)區(qū)域所有過境時間窗口,時間窗口計(jì)算采用文獻(xiàn)[11]的二次掃描算法;

Step 4.按順序取出待分配任務(wù)列表中的每個時間窗口,計(jì)算與各地面站具備數(shù)傳條件(仰角)的細(xì)分時間窗口,進(jìn)行資源分配(考慮任務(wù)切換時間),同時修改地面站時間資源.

以圖2為例簡要說明上述過程的第4步:設(shè)開始有2個地面站,其時間資源均為全部時間范圍,如圖中a、b所示;有一時間窗口存在數(shù)傳需求,如圖中AD區(qū)間,根據(jù)與地面站關(guān)系,細(xì)分為3個窗口,AB段與地面站a具備數(shù)傳條件,CD段與地面站b具備數(shù)傳條件,BC段與2地面站同時具備數(shù)傳條件;AC段由地面站a進(jìn)行數(shù)傳,CD段由地面站b進(jìn)行數(shù)傳;修改相應(yīng)地面站時間資源,減去已分配時間窗口,如圖2中a'、b'所示.

開發(fā)的數(shù)傳任務(wù)規(guī)劃軟件界面如圖3所示.其中紅色波紋扇形區(qū)表示規(guī)劃結(jié)果,對應(yīng)的衛(wèi)星軌道時間范圍進(jìn)行數(shù)傳.

3 基于網(wǎng)格的衛(wèi)星區(qū)域覆蓋分析算法

為快速計(jì)算多顆衛(wèi)星在給定時間范圍內(nèi)對目標(biāo)區(qū)域的覆蓋率,本文提出了一種基于剖分網(wǎng)格的新算法:將目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格化,判斷各網(wǎng)格與衛(wèi)星覆蓋帶相交情況,以有交網(wǎng)格數(shù)除以全部網(wǎng)格數(shù)作為總覆蓋率,通過分類統(tǒng)計(jì)得到分類覆蓋率指標(biāo).

如圖4所示,目標(biāo)區(qū)域共24個網(wǎng)格,衛(wèi)星覆蓋帶為abcd和ABCD.與abcd有交的網(wǎng)格為11、21、31、22、32、23、33、43、24、34、44,與ABCD有交的網(wǎng)格為41、32、42、33、43、34,被覆蓋網(wǎng)格共13個,網(wǎng)格總數(shù)為24,覆蓋率為13/24=54%.網(wǎng)格34、33、43、32同時被2顆衛(wèi)星覆蓋,其他被1顆衛(wèi)星覆蓋,據(jù)此可得到其他分類統(tǒng)計(jì)信息.

圖4 基于網(wǎng)格的衛(wèi)星區(qū)域覆蓋分析方法示意圖

根據(jù)經(jīng)緯度平面網(wǎng)格大小,可進(jìn)行均勻或非均勻網(wǎng)格劃分.均勻網(wǎng)格劃分時,網(wǎng)格對應(yīng)的實(shí)際地理范圍大小不一致.非均勻網(wǎng)格劃分則按對應(yīng)地理范圍近似一致的原則,不同緯度網(wǎng)格大小不同.

劃分網(wǎng)格后,需判斷各網(wǎng)格與衛(wèi)星覆蓋帶是否相交.逐網(wǎng)格判斷效率過低,但由于各行網(wǎng)格大小不一定相同,因此也無法整體判斷.故采用逐行判斷技術(shù):遍歷覆蓋帶所有邊,計(jì)算邊與該行網(wǎng)格2水平邊所有交點(diǎn);水平邊上2交點(diǎn)之間的網(wǎng)格與覆蓋帶相交.

基于覆蓋分析算法,開發(fā)偵察能力分析軟件,設(shè)計(jì)分析結(jié)果的可視化輸出方式:以柱狀圖形式輸出按衛(wèi)星、分辨率等統(tǒng)計(jì)的覆蓋結(jié)果,圖5(a)為按衛(wèi)星的柱狀統(tǒng)計(jì)圖,表現(xiàn)各衛(wèi)星及衛(wèi)星組合的覆蓋網(wǎng)格數(shù)與覆蓋率.

另外,以遙感影像為底圖顯示覆蓋情況:繪制目標(biāo)區(qū)域的剖分網(wǎng)格,以不同顏色表示網(wǎng)格的覆蓋情況,圖5(b)為針對次數(shù)的覆蓋情況可視化,紅色網(wǎng)格被覆蓋1次,綠色網(wǎng)格被覆蓋2次,透明網(wǎng)格未被覆蓋.

4 目標(biāo)區(qū)域和偵察范圍組合可視化方法

實(shí)拍實(shí)傳衛(wèi)星區(qū)域偵察過程推演軟件的任務(wù)是:根據(jù)指揮控制軟件所確定的地面站、衛(wèi)星、地面目標(biāo)區(qū)域、偵察時段等信息,以及數(shù)傳規(guī)劃軟件給出的數(shù)傳資源與時間窗口,在三維場景中將衛(wèi)星區(qū)域偵察的要素以及偵察、數(shù)傳過程表現(xiàn)出來.采用OSGEarth為開發(fā)引擎,OSGEarth是基于OSG開發(fā)的地形模型加載和渲染工具.圖6為推演軟件顯示效果圖.

圖6中,三維地球、A處衛(wèi)星、B處地面站、C處空間鏈路、D處圓錐傳感器覆蓋、E處矩形傳感器覆蓋等可視化要素,OSGEarth可直接支持.

推演系統(tǒng)中最核心的2項(xiàng)可視化要素是F處大范圍半透明多邊形所代表的目標(biāo)區(qū)域和H、G處所表現(xiàn)的隨時間動態(tài)變化的已偵察范圍.OSGEarth引擎無法直接支持,需設(shè)計(jì)專門的算法來實(shí)現(xiàn).

目標(biāo)區(qū)域是定義在經(jīng)緯度平面的多邊形,已偵察范圍是衛(wèi)星覆蓋帶與目標(biāo)區(qū)域的交.三維場景中進(jìn)行可視化時,一是需將其轉(zhuǎn)化為大地坐標(biāo)系中的曲面,二是避免繪制共面多邊形產(chǎn)生的顯示混亂.

因此設(shè)計(jì)目標(biāo)區(qū)域與已偵察范圍的組合繪制算法:首先在經(jīng)緯度平面將目標(biāo)區(qū)域離散為可作為曲面表達(dá)的小多邊形;然后當(dāng)衛(wèi)星位置改變時,計(jì)算覆蓋帶與每個離散多邊形的交與差,交表示已偵察范圍,差表示目標(biāo)區(qū)域;最后進(jìn)行繪制.

圖5 實(shí)拍實(shí)傳衛(wèi)星區(qū)域偵察能力分析軟件輸出結(jié)果

圖6 衛(wèi)星區(qū)域偵察過程推演顯示效果

(1)目標(biāo)區(qū)域離散

目標(biāo)區(qū)域一般采用經(jīng)緯度平面的多個點(diǎn)定義,但其實(shí)際形狀為貼合于地球表面的曲面,必須離散為多邊形表示,采用如下技術(shù):在經(jīng)緯度平面計(jì)算目標(biāo)區(qū)域的矩形包圍盒,并根據(jù)預(yù)設(shè)離散精度將包圍盒范圍離散為均勻網(wǎng)格,如圖7所示,目標(biāo)區(qū)域?yàn)锳BCD,經(jīng)緯度平面包圍盒離散為24個均勻網(wǎng)格;目標(biāo)區(qū)域與各網(wǎng)格的交作為離散結(jié)果,如網(wǎng)格32位于目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部,離散結(jié)果為矩形defg,網(wǎng)格51與目標(biāo)區(qū)域部分相交,離散結(jié)果為三角形abc.

圖7 目標(biāo)區(qū)域與偵察范圍組合可視化方法

(2)生成覆蓋多邊形

根據(jù)衛(wèi)星位置、載荷類型、視場角等,每個衛(wèi)星采樣點(diǎn)生成2個覆蓋帶邊界點(diǎn),將邊界點(diǎn)按順序組織在一起,構(gòu)成覆蓋帶多邊形.為優(yōu)化效率,采用增量式計(jì)算方法:如新形成2點(diǎn)所形成區(qū)域與目標(biāo)區(qū)域無交,不必繼續(xù)處理;否則,或創(chuàng)建新的覆蓋帶多邊形(原來無覆蓋多邊形),或更新原覆蓋多邊形.

(3)計(jì)算覆蓋多邊形與區(qū)域離散結(jié)果的交與差

交多邊形作為已偵察區(qū)域繪制用多邊形,差多邊形作為目標(biāo)區(qū)域繪制用多邊形.以圖7中多邊形defg為例說明,覆蓋帶多邊形與該多邊形相交的部分是v0v1v2v3v4p4p3p2p1p0,交點(diǎn)為h、i、j、k,以多邊形hiv1v2v3jkp3p2p1p0表示已偵察區(qū)域,以多邊形iv1v2v3jfe和kp3p2p1hdg表示目標(biāo)區(qū)域.

(4)繪制

上述交、差多邊形需轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)進(jìn)行繪制.轉(zhuǎn)化后多邊形與地表并不完全貼合,即使完全貼合,采用多邊形偏移繪制技術(shù)也會導(dǎo)致消隱不正確、時現(xiàn)時隱.采用解決方法為:根據(jù)經(jīng)緯度計(jì)算大地坐標(biāo)時增加固定高程,使其高于地表;為避免視點(diǎn)貼近地表時觀察到懸空效果,交互操作限制視點(diǎn)高度.

5 結(jié)束語

研制的實(shí)拍實(shí)傳衛(wèi)星規(guī)劃推演系統(tǒng)是更大規(guī)模信息系統(tǒng)的組成部分,成功應(yīng)用于某任務(wù)的指揮決策、規(guī)劃分析和仿真驗(yàn)證.本文提出的面向區(qū)域偵察的實(shí)拍實(shí)傳衛(wèi)星數(shù)傳規(guī)劃算法、基于網(wǎng)格的衛(wèi)星區(qū)域覆蓋分析算法、基于OSGEarth的目標(biāo)區(qū)域和偵察范圍組合可視化方法均為首次提出,對相關(guān)研究具有借鑒和參考意義.