CN102967885B - 卫星探测全球电磁环境可视化描述方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星探测全球电磁环境可视化描述方法，该方法包括下列顺序的步骤：定义时间信息，将时间轴作为电磁环境可视化系统的基准；根据时间信息和卫星运行轨道信息，判断卫星探测地面覆盖范围，并将该地球覆盖区域在二维平面进行可视化显示；根据卫星探测地面覆盖范围信息和地面电磁辐射源信息，判断地球覆盖区域内电磁辐射源情况；根据电磁辐射源情况进行卫星探测全球电磁环境可视化显示。本发明以时间信息作为电磁环境描述的基准，将时间信息存于数据库中，在电磁环境要素参数的基础上加入时间信息记录，以判定卫星探测区域电磁环境情况，达到卫星探测全球电磁环境的实时可视化描述。

Description

卫星探测全球电磁环境可视化描述方法

技术领域

本发明涉及电磁环境可视化描述领域，尤其是一种卫星探测全球电磁环境可视化描述方法。

背景技术

可视化技术是20世纪80年代兴起的一种技术，其含义是将复杂的数据以人们易理解和接受的图形(图像)的形式在高度沉浸感的显示环境中展现出来，为人们提供了与数据计算和模拟的视觉交互的手段。电磁环境的可视化就是对各种电磁信号的类型、属性和分布情况进行分析，并利用图形、分析报告等可视化方法将电磁态势表现出来。

在现阶段关于电磁环境仿真与可视化的研究中，较多的是对仿真系统框架的设计和算法的改进和实现方面的研究，关于大范围复杂电磁环境的可视化描述方面涉及的较少，尤其是针对卫星探测全球电磁环境可视化描述技术领域的科技文献仍是空白的。虽然说卫星探测全球电磁环境可视化描述的基本原理与传统电磁环境可视化的基本原理相同，但是也有差别。在传统电磁环境可视化研究中，都是对指定区域的电磁环境进行描述，电磁环境建模区域相对固定，因此可以用地理坐标为基准进行电磁环境仿真和可视化研究。而除地球同步轨道卫星外的所有卫星相对地球都是处于时刻运动的状态，其探测范围也时刻改变，传统的建模区域固定、以地理坐标为基准的电磁环境可视化描述方法不再适用。因此至今还没有人提出一种适合于卫星探测全球电磁环境可视化描述的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于卫星探测全球电磁环境可视化描述的方法，以满足现代和未来大范围电磁环境可视化要求的卫星探测全球电磁环境可视化描述方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种卫星探测全球电磁环境可视化描述方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)定义时间信息，将时间轴作为电磁环境可视化系统的基准；

(2)根据时间信息和卫星运行轨道信息，判断卫星探测地面覆盖范围，并将该地球覆盖区域在二维平面进行可视化显示；

(3)根据卫星探测地面覆盖范围信息和地面电磁辐射源信息，判断地球覆盖区域内电磁辐射源情况，即根据卫星探测地面覆盖范围进行点的包含性检验；

(4)根据电磁辐射源情况，进行卫星探测全球电磁环境可视化显示。

由上述技术方案可知，本发明以时间信息作为电磁环境描述的基准，将时间信息存于数据库中，在电磁环境要素参数的基础上加入时间信息记录，以判定卫星探测区域电磁环境情况，从而打破了传统的以地理坐标为基准的对固定区域电磁环境进行描述的方法不适用于卫星探测全球电磁环境可视化的局限，达到卫星探测全球电磁环境的实时可视化描述。

附图说明

图1是本发明中时间信息工作流程图；

图2是本发明中地球覆盖区域精度距离计算图；

图3是本发明中地球覆盖区域椭圆变形图；

图4是本发明中卫星探测地面区域二维显示图；

图5是本发明中点的包含性检验示意图；

图6是本发明中可视化流程流程图；

图7是本发明中电磁环境可视化示意图，其中，图7(a)是辐射源分布态势图；图7(b)、(c)是卫星探测全球电磁环境动态显示图；图7(d)是空间电磁能量分布态势图。

具体实施方式

一种卫星探测全球电磁环境可视化描述方法，该方法包括下列顺序的步骤：(1)定义时间信息，将时间轴作为电磁环境可视化系统的基准；(2)根据时间信息和卫星运行轨道信息，判断卫星探测地面覆盖范围，并将该地球覆盖区域在二维平面进行可视化显示；(3)根据卫星探测地面覆盖范围信息和地面电磁辐射源信息，判断地球覆盖区域内电磁辐射源情况，即根据卫星探测地面覆盖范围进行点的包含性检验；(4)根据电磁辐射源情况，进行卫星探测全球电磁环境可视化显示。

一、时间基准的确定

由于卫星处于围绕地球运转的状态，因此卫星探测区域时刻改变，即电磁环境处于时变状态，传统的以地理坐标为基准对固定区域电磁环境进行描述的方法，已经不再适用于卫星探测全球电磁环境可视化系统，为此本发明以时间信息为基准对卫星探测全球电磁环境进行可视化描述。在全球电磁环境可视化描述中，时间信息以时间轴为基准，包含于数据库中，在电磁环境要素参数的基础上加入时间信息记录，以判定卫星探测区域电磁环境情况。时间信息工作流程如图1所示。

以时间为基准，所述的时间信息是指时间轴、成员、成员时间和消息，以下对各个时间信息进行定义：

时间轴：是一个单调有序的时间值序列，在电磁环境可视化描述中，以系统总模型的时间为时间轴，仿真时间沿着时间轴向前流动；

成员：是指被仿真的对象；

成员时间：是指一个指定的成员在时间轴上的当前值，它是成员的仿真时间；

消息：卫星探测全球电磁环境可视化描述系统中协调时间的方式是通过相互发送“消息”来进行的。

二、卫星探测地面覆盖范围平面显示

在将地球以平面图形式展示的过程中，由于各纬度在实际地球中的长度并不一样，而平面图呈长方体状，各纬度等长，因此平面地图是地球表面近似的展示结果。为了更加准确的描述卫星探测地面覆盖范围，在可视化仿真的过程中必须进行坐标转换以满足不同纬度地区在平面图中的近似。

本发明在地球覆盖区域坐标转换的过程中采用等距圆柱投影。等距圆柱投影又称方格投影，是假想球面与圆筒面相切于赤道，赤道为没有变形的线。在等距圆柱投影中，经距和纬距相等，经纬线成正方形网格。所以，等距圆柱投影的关系为：

在实际地球上随着纬度的增加，经度上每一度所代表的实际距离将减小。在纬度为90°时，所有纬线汇聚于南北极点，经度代表的实际距离0。正是因为等距圆柱投影存在着这些特性，在利用其研究卫星探测地面覆盖范围时，地球覆盖区域的大小和形状不仅与卫星的高度和有效载荷的探测角度有关，而且与卫星星下点的纬度有关(在实际地球球面上，卫星探测地面覆盖范围的大小和形状只与卫星的高度和有效载荷的探测角度有关)。

如图2所示，在纬度为时，每一经度间隔所代表地球球面上的实际距离为：

其中，x,y为投影平面坐标，R_e为卫星探测地球覆盖区域椭圆的长轴距离，λ为星下点地心经度，a_E为地球半径；

因为卫星覆盖椭圆的长轴与卫星瞬时运动方向一致，因此本发明在进行等距圆柱投影中的形变计算时以卫星覆盖椭圆的长轴为基准，沿经线方向两边延长变形，如图3。

设卫星星下点为卫星运行速度方向角为θ，则当卫星侦察地球覆盖区域边缘上的点a为时，设该点的纬线交卫星侦察覆盖椭圆的长轴于点则有：

则a点坐标在等距圆柱投影中应变为：

另外，式中还应考虑变形后经度范围应在[-2π,2π]内。

当卫星运行至南美洲上空时，其地球覆盖区域如图4所示，红色线代表卫星覆盖范围。此时在地图上显示的地球覆盖区域并不是规则圆形，这是因为平面地图相对于真实地球是近似表示，各纬度假定为等长显示，因此在地球覆盖区域显示的过程中必须考虑平面地图近似的可视化效果。

所述的步骤(2)中的地球覆盖区域平面显示，按如下过程进行：

根据航天器轨道六要素，星下点的地心纬度和经度λ可表示为：

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_e=r({\mathrm{cos\μcos\λ}}_B-{\mathrm{sin\μcosisin\λ}}_B)\\ y_e=r({\mathrm{cos\μsin\λ}}_B+{\mathrm{sin\μcosicos\λ}}_B)\\ z_e=r\sin \mathrm{\μ}\sin i\end{array}\right.---\left(7\right)$

式中，μ＝ω+θ，λ_B＝Ω-α_G，α_G(t)是当时的赤经，

航天器轨道六要素包括：a：椭圆轨道的半长轴；e：椭圆轨道的偏心率；i：轨道平面的倾角；Ω：升交点的赤经；ω：近心点辐角；t_p：过近心点的时间。

根据(6)式中得到的星下点轨迹信息，结合卫星轨道高度信息计算卫星探测地面覆盖范围信息，设卫星探测有效载荷的视场为FOV，则有效载荷相对地心和有效地平线的夹角为β_FOV＝FOV/2，相应的有效地平覆盖角d_FOV满足：

$d_{FOV}=\arcsin ({\mathrm{sin\β}}_{FOV}\·\frac{a_E+h}{a_E})-{\mathrm{\β}}_{FOV}---\left(8\right)$

则卫星探测地面覆盖范围的形状表达式为：

即

其中d_b为垂直探测距离，d_a为水平探测距离，a_E为地球半径，α为卫星与地面夹角，x,y为投影平面坐标，R_e为卫星探测地球覆盖区域椭圆的长轴距离。

三、点的包含性检验

点的包含性检验是指判断一个点是否被包含在某一个特定区域内。在卫星探测全球电磁环境可视化描述中，判断地面电磁辐射源是否对卫星探测空间电磁环境产生影响即面临着点的包含性检验问题。在本发明中，把电磁辐射源近似为一个点，卫星探测地面覆盖范围即为特定区域，可以看作是一个闭合的二维几何体，点包含性检验即判断电磁辐射源是否在卫星探测地面覆盖范围内。

目前，常用的点的包含性检验方法有两种：夹角和检验和交点数检验。夹角和检验方法只适用于检验多边形且计算复杂，而交点数检验方法计算步骤多、效率低。根据实际需求，本发明在卫星探测全球电磁环境可视化描述中采用方位判断检验方法。

所述的步骤(3)中的点的包含性检验，即方位判断检验方法，按如下过程进行：

在卫星瞬时覆盖区边缘上等间隔取n个点将每个点的经纬度存入数组；

将电磁辐射源位置经纬度信息与数组中的点进行比较，若这n个点中存在四个点满足以下关系式：

即点在电磁辐射源目标的左上方；

即点在电磁辐射源目标的左下方；

即点在电磁辐射源目标的右下方；

即点在电磁辐射源目标的右上方；

则可以判定点在以点构成的多边形内，即可以认为电磁辐射源目标在瞬时卫星探测地面覆盖范围内。如图5所示。

四、卫星探测全球电磁环境可视化

卫星探测全球电磁环境可视化流程如图6所示。

(1)读取数据库中环境想定代号和卫星基本参数信息，卫星通过消息向可视化仿真系统发送运行轨迹信息；

(2)根据卫星发送的运行轨迹信息及卫星的基本参数计算当前时刻卫星探测视场角范围内的地面覆盖模型；

(3)根据地面覆盖模型查询数据库，查找t-△t₁时刻地面覆盖模型内处于工作状态的电磁实体；

(4)根据电磁实体地理位置信息计算电波传播路径信息，通过电离层接口、气象信息接口、其它影响因素接口，得到t-△t₂时刻的电波传播条件；

(5)地面覆盖模型范围内所有电磁实体产生的电磁辐射经过传播条件在空间构成的电磁环境和当前时刻宇宙背景电磁辐射共同组成了卫星探测电磁环境；

(6)计算并显示该时刻空间电磁环境，并将数据保存到分析结果数据库中。

所述的电磁环境可视化显示方法，其中包括：卫星探测全球电磁辐射源分布态势显示；卫星探测全球动态电磁环境显示；卫星探测全球电磁能量态势分布显示。

第一，辐射源分布态势显示方法

在可视化仿真系统中加入时间轴信息，即可根据方案数据库动态实时地显示处于工作状态下的辐射源分布情况。如图7(a)所示为全球辐射源分布态势图，该态势图反映了不同区域电磁辐射源的分布情况，是全球电磁环境可视化的基础。

第二，空间动态电磁环境显示方法

图7(b)为卫星探测全球电磁环境动态显示图。根据卫星轨道信息参数，实时计算卫星运行轨迹和探测地球覆盖区域，由电磁辐射源的基本性能数据和方案数据判定地球覆盖区域内辐射源情况，当地球覆盖区域内无处于工作状态的电磁辐射源时，其空间电磁环境为背景电磁辐射，如图7(b)所示。图中左下方显示空间电磁环境的时域信息，将电磁环境数据作傅立叶变换以频谱显示，则为空间电磁环境的频域信息。当判定地球覆盖区域内存在处于工作状态的电磁辐射源时，根据辐射源基本性能数据、自然传播环境数据计算当前情况下空间电磁环境，如图7(c)所示。图中左下方显示空间电磁环境的频域信息。

第三，空间电磁能量分布态势显示方法

电磁态势计算的基本思路是根据电磁辐射源的位置、功率、天线方向性，频率等数据，运用对应频段上的电波传播模型，计算出此电磁辐射源产生的空间电磁场场强覆盖。对所有地域内电磁辐射源进行分析计算，就可以得出在此地域内每个空间点上、每个频率上的电磁场强分布数据。这些数据可用于空间电磁态势的分析和显示。

图7(d)为空间电磁能量分布态势图。电磁场最主要的特征便是能量的强弱，并且随着电磁波的传播，电磁能量也在变化，因此用颜色来表示电磁场的强弱，可以较好的反映出电磁场分布情况。根据卫星运行高度计算空间任一点的卫星探测地面覆盖范围，由地球覆盖区域内电磁辐射源情况计算此点电磁能量大小，进而得到指定高度空间电磁能量的分布情况。

另外，电磁能量计算时会设定阈值，当小于阈值时赋特定最小值，因此当显示能量时小于等于最小值的点认为没有电磁能量到达，令其不可见，设为透明，可见点的能量颜色的透明度由用户交互设置。

总之，本发明以时间信息作为电磁环境描述的基准，将时间信息存于数据库中，在电磁环境要素参数的基础上加入时间信息记录，以判定卫星探测区域电磁环境情况，从而打破了传统的以地理坐标为基准的对固定区域电磁环境进行描述的方法不适用于卫星探测全球电磁环境可视化的局限，达到卫星探测全球电磁环境的实时可视化描述。

Claims (3)

1.一种卫星探测全球电磁环境可视化描述方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)定义时间信息，将时间轴作为电磁环境可视化系统的基准；

所述的时间信息是指时间轴、成员、成员时间和消息，以下对各个时间信息进行定义：

时间轴：是一个单调有序的时间值序列，在电磁环境可视化描述中，以系统总模型的时间为时间轴，仿真时间沿着时间轴向前流动；

成员：是指被仿真的对象；

成员时间：是指一个指定的成员在时间轴上的当前值，它是成员的仿真时间；

消息：卫星探测全球电磁环境可视化描述系统中协调时间的方式是通过相互发送“消息”来进行的；

(2)根据时间信息和卫星运行轨道信息，判断卫星探测地面覆盖范围，并将该地球覆盖区域在二维平面进行可视化显示：

在地球覆盖区域坐标转换的过程中采用等距圆柱投影，在等距圆柱投影中，经距和纬距相等，经纬线成正方形网格，等距圆柱投影的关系为：

在实际地球上随着纬度的增加，经度上每一度所代表的实际距离将减小，在纬度为90°时，所有纬线汇聚于南北极点，经度代表的实际距离0；

在纬度为时，每一经度间隔所代表地球球面上的实际距离为：

其中，x,y为投影平面坐标，R_e为卫星探测地球覆盖区域椭圆的长轴距离，λ为星下点地心经度，a_E为地球半径；

由于卫星覆盖椭圆的长轴与卫星瞬时运动方向一致，在进行等距圆柱投影中的形变计算时以卫星覆盖椭圆的长轴为基准，沿经线方向两边延长变形；

设卫星星下点为卫星运行速度方向角为θ，则当卫星侦察地球覆盖区域边缘上的点a为时，设该点的纬线交卫星侦察覆盖椭圆的长轴于点则有：

则a点坐标在等距圆柱投影中应变为：

另外，式中还应考虑变形后经度范围应在[-2π,2π]内；

所述的步骤(2)中的地球覆盖区域平面显示，按如下过程进行：

根据航天器轨道六要素，星下点的地心纬度和经度λ可表示为：

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_e=r({\mathrm{cos\μcos\λ}}_B-{\mathrm{sin\μcosisin\λ}}_B)\\ y_e=r({\mathrm{cos\μsin\λ}}_B+{\mathrm{sin\μcosicos\λ}}_B)\\ z_e=r\sin \mathrm{\μ}\sin i\end{array}\right.---\left(7\right)$

式中，μ＝ω+θ，λ_B＝Ω-α_G，α_G(t)是当时的赤经，

航天器轨道六要素包括：a：椭圆轨道的半长轴；e：椭圆轨道的偏心率；i：轨道平面的倾角；Ω：升交点的赤经；ω：近心点辐角；t_p：过近心点的时间；

根据(6)式中得到的星下点轨迹信息，结合卫星轨道高度信息计算卫星探测地面覆盖范围信息，设卫星探测有效载荷的视场为FOV，则有效载荷相对地心和有效地平线的夹角为β_FOV＝FOV/2，相应的有效地平覆盖角d_FOV满足：

$d_{FOV}=\arcsin ({\mathrm{sin\β}}_{FOV}\·\frac{a_E+h}{a_E})-{\mathrm{\β}}_{FOV}---\left(8\right)$

则卫星探测地面覆盖范围的形状表达式为：

即

其中，d_b为垂直探测距离，d_a为水平探测距离，a_E为地球半径，α为卫星与地面夹角，x,y为投影平面坐标，R_e为卫星探测地球覆盖区域椭圆的长轴距离；

(3)根据卫星探测地面覆盖范围信息和地面电磁辐射源信息，判断地球覆盖区域内电磁辐射源情况，即根据卫星探测地面覆盖范围进行点的包含性检验；

(4)根据电磁辐射源情况，进行卫星探测全球电磁环境可视化显示，其步骤如下：

(a)读取数据库中环境想定代号和卫星基本参数信息，卫星通过消息向可视化仿真系统发送运行轨迹信息；

(b)根据卫星发送的运行轨迹信息及卫星的基本参数计算当前时刻卫星探测视场角范围内的地面覆盖模型；

(c)根据地面覆盖模型查询数据库，查找t-△t₁时刻地面覆盖模型内处于工作状态的电磁实体；

(d)根据电磁实体地理位置信息计算电波传播路径信息，通过电离层接口、气象信息接口、其它影响因素接口，得到t-△t₂时刻的电波传播条件；

(e)地面覆盖模型范围内所有电磁实体产生的电磁辐射经过传播条件在空间构成的电磁环境和当前时刻宇宙背景电磁辐射共同组成了卫星探测电磁环境；

(f)计算并显示该时刻空间电磁环境，并将数据保存到分析结果数据库中。

2.根据权利要求1所述的卫星探测全球电磁环境可视化描述方法，其特征在于：所述的步骤(3)中的点的包含性检验，即方位判断检验方法，按如下过程进行：

在卫星瞬时覆盖区边缘上等间隔取n个点将每个点的经纬度存入数组；

将电磁辐射源位置经纬度信息与数组中的点进行比较，若这n个点中存在四个点满足以下关系式：

即点在电磁辐射源目标的左上方；

即点在电磁辐射源目标的左下方；

即点在电磁辐射源目标的右下方；

即点在电磁辐射源目标的右上方；

则能够判定点在以点构成的多边形内，即能够认为电磁辐射源目标在瞬时卫星探测地面覆盖范围内。

3.根据权利要求1所述的卫星探测全球电磁环境可视化描述方法，其特征在于：所述的电磁环境可视化显示方法，其中包括：卫星探测全球电磁辐射源分布态势显示；卫星探测全球动态电磁环境显示；卫星探测全球电磁能量态势分布显示。