CN102479289B - 一种用于卫星观测的区域划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对用于卫星观测的区域划分方法。所述方法包括如下步骤：步骤1：确定目标区域的有效区域；步骤2：确定有效区域所对应的最小观测侧摆角与最大观测侧摆角；步骤3：使得当前侧摆角等于最小观测侧摆角，使得结果子区域集合为空；步骤4：将当前侧摆角加入结果子区域集合；步骤5：使得当前侧摆角增加设定的粒度角；步骤6：如果当前侧摆角与所述粒度角之和小于最大观测侧摆角，转步骤4，否则转步骤7；以及步骤7：将当前侧摆角加入结果子区域集合，从而将所述有效区域划分为与所述结果子区域集合中的各侧摆角相对应的观测条带。此方法克服了高斯投影在任务经度差上的限制；更加精确而且适用于多颗卫星对目标区域的观测。

Description

一种用于卫星观测的区域划分方法

技术领域

本发明涉及卫星观测技术领域，特别是涉及一种用于卫星观测(例如对地观测)的区域划分方法。 

背景技术

根据地面目标的类型差异，成像卫星调度问题的研究主要可分为面向点目标的卫星调度问题(观测目标全部为点目标)和面向目标区域的卫星调度问题(观测目标全部为目标区域)两大类。对于目标区域，卫星通常无法单次完成观测，必须经过合理划分后才能进行高效观测。 

区域划分的目的是将大面积区域分割为多个可由单颗卫星一次性完成的子任务。目前，对目标区域主要有以下四种分解方法：①将区域分解转化为集合覆盖问题，依据单景分解，经过分解后，目标区域调度被转化为针对这些独立场景的点目标调度；②采用预定义的参考系统分解，参考系统按照一定的坐标系，将全球划分为多个带有编号的场景。按照预定义的参考系统对区域进行分解时，只需要检索与目标区域相关的场景，并进行规划即可；③依据卫星的飞行径向和遥感器幅宽，将区域分解为固定宽度的平行条带。 

采用所述三种方法必须提前确定分解的参数(单景大小、条带宽度及划分方向)，并采用固定参数进行分解。当使用多颗卫星观测目标区域时，由于不同卫星在轨道倾角及星载遥感器幅宽等参数上均存在差异，若采用这些分解方法，将不能体现不同卫星的性能差异，不能充分发挥卫星的观测能力，会降低对目标区域的观测效率。因此，只适用于单颗卫星对目标区域观测的情况。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的用于卫星观测的区域划分方法。本发明的区域划分方法的基本思想是：采用立体几何方法计算卫星在某侧视角度下，对目标区域的覆盖范围；按照每颗卫星的遥感器幅宽以及飞行径向，在多个时间 窗口内对目标区域进行重复分解，即在每次卫星飞过目标区域时重新分解。此方法依据不同卫星遥感器性能参数分解区域，考虑了不同卫星遥感器性能的差异，能够充分发挥不同卫星的观测能力。 

因此，本发明提供一种对用于卫星观测的区域划分方法，其用于根据卫星的性能参数(例如侧摆角、视场角)及飞行径向来对目标区域进行划分。所述方法包括如下步骤： 

步骤1：根据卫星的性能参数，确定所述卫星对目标区域进行观测的有效区域； 

步骤2：确定所述有效区域所对应的最小观测侧摆角与最大观测侧摆角； 

步骤3：初始化当前侧摆角，使得当前侧摆角等于最小观测侧摆角，以及初始化结果子区域集合，使得结果子区域集合为空； 

步骤4：更新结果子区域集合，将当前侧摆角加入结果子区域集合； 

步骤5：更新当前侧摆角，使得当前侧摆角增加，增加的量等于设定的粒度角； 

步骤6：判断当前侧摆角与所述粒度角之和是否小于最大观测侧摆角，如果小于最大观测侧摆角，转步骤4，否则转步骤7；以及 

步骤7：更新结果子区域集合，将当前侧摆角加入结果子区域集合，从而将所述有效区域划分为与所述结果子区域集合中的各侧摆角相对应的观测条带。 

从而，通过所述方法，将目标区域(或者目标区域的有效区域)分解为以侧摆角表示的观测条带。侧摆角表示的区域为从侧摆角(含)至侧摆角与粒度角之和(含)的条带，其中，此条带未限定开始时间和结束时间。 

所述方法具有以下的优点： 

(1)采用侧摆角表示卫星在某侧视角度下对任务的覆盖范围，而不是采用投影到平面坐标系的方式。从而克服了高斯投影在任务经度差上的限制。 

(2)依据卫星每次经过任务时，对区域的可观测范围(即有效区域)，按照星载遥感器的不同观测角度而非固定宽度对任务进行分解，更加精确。 

(3)所述方法适用于多颗卫星对目标区域的观测。 

其中，所述有效区域是指所述目标区域中的可由卫星进行观测的区域。对 于不同性能参数的卫星，在其它条件相同的情况下，有效区域可能是不同的。由于卫星在整个侧摆范围内不一定对目标区域可见，在进行分解前必须先判断遥感器观测范围与目标区域是否有交集，如果有交集，则计算卫星对目标区域的可见观测范围，否则，卫星无法观测该目标区域，无须进行分解或划分。也就是说，所述步骤1可以进一步包括：确定所述有效区域是否为空，如果所述有效区域为空，则终止所述方法，并输出空的结果子区域集合。 

优选地，步骤3可以进一步包括下述步骤：判定目标区域的所述有效区域对应的最大观测侧摆角与最小观测侧摆角之差是否小于等于所述粒度角，如果是，则转步骤7。 

优选地，所述用于卫星观测的区域划分方法进一步包括计算与所述子区域集合中的各侧摆角相对应的时间窗口的步骤。 

优选地，通过下述步骤来计算与一个侧摆角相对应的时间窗口： 

步骤S1：计算与所述一个侧摆角相对应的观测条带与目标区域的交点； 

步骤S2：计算包含在观测条带内的目标区域顶点； 

步骤S3：计算所述各交点和所述各顶点在星下点轨迹上的垂足； 

步骤S4：采用线性插值求出各垂足对应的星下点所对应的时刻； 

步骤S5：比较所述各时刻大小，以得出所述各时刻中的最小时刻和最大时刻。 

优选地，采用下述步骤来计算所述交点和所述顶点中的目标点P在星下点轨迹上的垂足： 

步骤S30：获取线段ST，线段ST为星下线上包括目标点P在星下线上的投影点的线段，ST为线段的两个端点， 

步骤S31：求出线段ST的中点M，计算PM的长度，转步骤S32； 

步骤S32：将点M左移微小距离Δd，得到M_L，计算PM_L的长度，转步骤S33； 

步骤S33：如果PM_L＜PM，将点M作为起点S，转步骤S30，否则，转步骤S34； 

步骤S34：将点M右移微小距离Δd，得到M_R，计算PM_R的长度，转步骤S35； 

步骤S35：如果PM_R＜PM，将点M作为终点T，转步骤S30，否则，点M即为P点垂足，结束计算。 

优选地，采取下式计算所述垂足M在星下线上对应的时刻： 

 t_v＝t_s+d_v(t_e-t_s)/d 

 式中 

t_s为点S对应的星下点时刻， 

t_e为点T对应的星下点时刻， 

d为线段ST的长度， 

d_v为线段SM的长度。 

优选地，所述设定粒度角为根据卫星性能和观测要求设定的最大粒度角。 

优选地，所述步骤1进一步包括：确定所述有效区域是否为空，如果所述有效区域为空，则终止所述方法，并输出空的结果子区域集合。 

优选地，所述粒度角为卫星视场角的90％至100％。 

优选地，所述粒度角为卫星视场角的95％。 

在另一个示例方法中，以一定的粒度角δ划分目标区域的方法如下： 

步骤1：初始化当前侧摆角和子区域集合，α＝α₁，T′＝Φ； 

步骤2：更新分解后的子区域集合，T′＝T′∪α； 

步骤3：更新当前侧摆角，α＝α+δ； 

步骤4：判断α是否小于α₂，如果小于，转步骤2； 

步骤5：更新当前侧摆角，α＝α₂； 

步骤6：更新分解后的子区域集合，T′＝T′∪α； 

步骤7：输出T′，结束分解。 

附图说明

图1是根据本发明一实施例的方法对示例目标区域进行划分后的结果示意图。 

图2是目标区域分解示意图。 

图3是根据本发明一实施例的划分方法的示意性流程图。 

图4是根据本发明一实施例的划分方法中的计算时间窗口示意图。 

图5是根据本发明一实施例的划分方法中垂足计算方法的示意图。 

图6是计算垂足对应的星下点时刻示意图。 

具体实施方式

根据本发明的一实施例，用于根据卫星的性能参数及飞行径向来对目标区域进行划分的方法包括如下步骤：步骤1：根据卫星的性能参数，确定所述卫星对目标区域进行观测的有效区域。步骤2：确定所述有效区域所对应的最小观测侧摆角与最大观测侧摆角。步骤3：初始化当前侧摆角，使得当前侧摆角等于最小观测侧摆角，以及初始化结果子区域集合，使得结果子区域集合为空。步骤4：更新结果子区域集合，将当前侧摆角加入结果子区域集合。步骤5：更新当前侧摆角，使得当前侧摆角增加，增加的量等于设定的粒度角。步骤6：判断当前侧摆角与所述粒度角之和是否小于最大观测侧摆角，如果小于最大观测侧摆角，转步骤4，否则转步骤7。步骤7：更新结果子区域集合，将当前侧摆角加入结果子区域集合，从而将所述有效区域划分为与所述结果子区域集合中的各侧摆角相对应的观测条带。 

图1是采用上述方法进行划分后的结果示意图。在图1中虚线围合的区域为目标区域，三个实线围合条带代表区域划分结果，右侧的带箭头线段表示卫星星下点轨迹。也就是说，在图示的示例中，整个目标区域都在所述卫星(可以是多个卫星中的某个卫星)的有效观测范围之内。也就是说，整个目标区域都是有效区域，都在星载遥感器的观测范围之内。划分的结果为三个与卫星星下点轨迹(或称为卫星星下点轨迹线)平行的条带(带有开始时间和结束时间的条带)。 

在图1中示出的目标区域示例中，目标区域位于卫星星下点轨迹线的左侧。但是目标区域也可以位于卫星星下点轨迹线的右侧，或者可以跨过卫星星下点轨迹，分布于卫星星下点的左右两侧。在进一步的实施例中，所述目标区域可以是由两个或更多个分离区域组成的，在此情况下，对于每个分离区域分别执行上述的划分方法。而且，目标区域也可以是任何形状。 

图1中示出相邻条带具有重叠部分。所述重叠部分的大小可以根据具体需要设置。或者，在某些实施例中，可以不设置所述重叠部分。 

需要指出的是，对目标区域的划分，实际上是对有效区域的划分。在上述的方法中，可以在步骤1中进一步包括下述步骤：确定所述有效区域是否为空，如果所述有效区域为空，则终止所述方法，并输出空的结果子区域集合。 

β＝αmax+θ/2摄影点轨迹 

β＝αmax-θ/2摄影点轨迹 

卫星的最小观测角β_min和最大观测角β_max与遥感器侧摆范围[α_min，α_max]以及视场角θ的关系如下： 

β_min＝α_min-θ/2 

β_max＝α_max+θ/2 

也就是说，卫星的最大观察范围由卫星的最小观测角β_min和最大观测角β_max限定，进一步地由与遥感器侧摆范围以及视场角θ限定。目标区域的有效区域就是目标区域落在所述最大观察范围内的部分。需要指出的是，粒度角通常设置为等于视场角(没有重叠部分)或略小于视场角(有重叠部分)。为了特定的观测要求(例如较高的精度)，可以将视场角或粒度角设置为更小的值。在一优选实施例中，所述设定粒度角为根据卫星性能和观测要求设定的最大粒度角，从而可以获得较高的观测效率。在一个实施例中所述粒度角为卫星视场角的90％至100％，此区间为包括两个端点的闭区间。优选地，所述粒度角为卫星视场角的95％。 

图3是根据本发明一实施例的划分方法的示意性流程图。该流程图对应于上述的从步骤1至步骤7的区域划分方法。 

在进一步的实施例中，所述方法进一步包括计算与所述子区域集合中的所述侧摆角相对应的时间窗口的步骤。从而，将目标区域划分为如图1中所示的三个带有开始部分和结束部分的条带。每个条带的开始部分和结束部分均以对应的时间表示。即，划分后的区域(例如，在此实施例中为三个带有开始部分和结束部分的条带)以侧摆角和时间窗口表示。 

需要指出的是，由于地球表面为曲面，不能采用平面几何知识计算交点和垂足。MapX(可参考《MapXtreme2005中文开发指南》)提供了求交点的函数IntersectNodes和判断点是否在区域内的函数ContainsPoint，采用 IntersectNodes函数可以得到观测条带与目标区域的所有交点，即图4中的B，C，D，E四点，采用ContainsPoint函数可以确定A，F两点在观测条带内。 

参见图4，具体而言，可以采用下述步骤来计算与一个所述侧摆角相对应的时间窗口：步骤S1：计算与所述指定侧摆角相对应的观测条带与目标区域的交点；步骤S2：计算包含在观测条带内的目标区域顶点；步骤S3：计算所述各交点和所述各顶点在星下点轨迹上的垂足；步骤S4：采用线性插值求出各垂足对应的星下点所对应的时刻；步骤S5：比较所述各时刻大小，以得出所述各时刻中的最小时刻和最大时刻。从而，得到与一个侧摆角相对应的时间窗口。对于每个侧摆角，执行上述操作。以得到与每个侧摆角相对应的时间窗口。 

如图5所示，P点为需要求垂足的点，线段ST为星下点轨迹，V_P即为所求的垂足点。线段ST的选取与目标区域有关，即选取与目标区域相交的一段星下点轨迹，或一轨星下线。采用下述步骤来计算所述交点和所述顶点中的目标点P在星下点轨迹上的垂足：步骤S30：获取线段ST，线段ST为星下线上包括目标点P在星下线上的投影点的线段，ST为线段的两个端点，步骤S31：求出线段ST的中点M，计算PM的长度，转步骤S32；步骤S32：将点M左移微小距离Δd，得到M_L，计算PM_L的长度，转步骤S33；步骤S33：如果PM_L＜PM，将点P作为起点S，转步骤S30，否则，转步骤S34；步骤S34：将点M右移微小距离Δd，得到M_R，计算PM_R的长度，转步骤S35；步骤S35：如果PM_R＜PM，将点M作为终点T，转步骤S30，否则，点M即为P点垂足，结束计算。 

由于卫星绕地球做匀速运动，可以采取线性插值的方法计算垂足在星下线上对应的时刻。如图6所示，采取下式计算所述垂足M在星下线上对应的时刻： 

 t_v＝t_s+d_v(t_e-t_s)/d 

式中 

t_s为点S对应的星下点时刻， 

t_e为点T对应的星下点时刻， 

d为线段ST的长度， 

d_v为线段SM的长度。 

Claims (10)

1.一种用于卫星观测的区域划分方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据卫星的性能参数，确定目标区域的有效区域；

步骤2：确定所述有效区域所对应的最小观测侧摆角与最大观测侧摆角；

步骤3：初始化当前侧摆角，使得当前侧摆角等于最小观测侧摆角，以及初始化结果子区域集合，使得结果子区域集合为空；

步骤4：更新结果子区域集合，将当前侧摆角加入结果子区域集合；

步骤5：更新当前侧摆角，使得当前侧摆角增加，增加的量等于设定的粒度角；

步骤6：判断当前侧摆角与所述粒度角的和是否小于最大观测侧摆角，如果小于最大观测侧摆角，转步骤4，否则转步骤7；

步骤7：更新结果子区域集合，将当前侧摆角加入结果子区域集合，从而将所述有效区域划分为与所述结果子区域集合中的各侧摆角相对应的观测条带。

2.如权利要求1所述的用于卫星观测的区域划分方法，其特征在于，步骤3进一步包括下述步骤：判定目标区域的所述有效区域对应的最大观测侧摆角与最小观测侧摆角之差是否小于等于所述粒度角，如果是，则转步骤7。

3.如权利要求1所述的用于卫星观测的区域划分方法，其特征在于，进一步包括计算与所述子区域集合中的各侧摆角相对应的时间窗口的步骤。

4.如权利要求3所述的用于卫星观测的区域划分方法，其特征在于，通过下述步骤来计算与一个侧摆角相对应的时间窗口：

步骤S1：计算与所述一个侧摆角相对应的观测条带与目标区域的交点；

步骤S2：计算包含在观测条带内的目标区域顶点；

步骤S3：计算所述各交点和所述各顶点在星下点轨迹上的垂足；

步骤S4：采用线性插值求出各垂足对应的星下点所对应的时刻；

步骤S5：比较所述各时刻大小，以得出所述各时刻中的最小时刻和最大时刻。 

5.如权利要求4所述的用于卫星观测的区域划分方法，其特征在于，采用下述步骤来计算所述交点和所述顶点中的目标点P在星下点轨迹上的垂足： 

步骤S30：获取线段ST，线段ST为星下线上包括目标点P在星下线上的投影点的线段，ST为线段的两个端点， 

步骤S31：求出线段ST的中点M，计算PM的长度，转步骤S32； 

步骤S32：将点M左移微小距离Δd，得到M_L，计算PM_L的长度，转步骤S33； 

步骤S33：如果PM_L＜PM，将点M作为起点S，转步骤S30，否则，转步骤S34； 

步骤S34：将点M右移微小距离Δd，得到M_R，计算PM_R的长度，转步骤S35； 

步骤S35：如果PM_R＜PM，将点M作为终点T，转步骤S30，否则，点M即为P点垂足，结束计算。 

6.如权利要求5所述的用于卫星观测的区域划分方法，其特征在于，采取下式计算所述垂足M在星下线上对应的时刻： 

t_v＝t_s+d_v(t_e-t_s)/d 

式中 

t_s为点S对应的星下点时刻， 

t_e为点T对应的星下点时刻， 

d为线段ST的长度， 

d_v为线段SM的长度。 

7.如权利要求1-5中任一项所述的用于卫星观测的区域划分方法，其特征在于，所述设定粒度角为根据卫星性能和观测要求设定的最大粒度角。

8.如权利要求1-5中任一项所述的用于卫星观测的区域划分方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：确定所述有效区域是否为空，如果所述有效区域为空，则终止所述方法，并输出空的结果子区域集合。 

9.如权利要求1-5中任一项所述的用于卫星观测的区域划分方法，其特征在于，所述粒度角为卫星视场角的90％至100％。

10.如权利要求1-5中任一项所述的用于卫星观测的区域划分方法，其特征在于，所述粒度角为卫星视场角的95％。