CN103927744B - 一种基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法 - Google Patents

Abstract

一种基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法，首先建立卫星在指定轨道上指向待观测目标点的姿态俯仰角和滚动角计算方程，计算当观测俯仰角为0°时对应的时间t_r和滚动角φ_r；针对构成目标区域多边形的若干顶点，按照上述方法依次计算各顶点对应的t_r和φ_r，找出t_r和φ_r的最大值和最小值，采用卫星相机视场角对φ_r最大值和最小值之间的区间进行分割，得到若干条分割线；根据分割线和t_r的最大值和最小值，计算得到分割条带的4个顶点经纬度坐标以及中线起止点经纬度坐标；该方法计算精度高，复杂度低，提高了卫星观测目标条带分割的准确度和计算效率，并且具备在计算能力有限的星载计算机上实现的条件。

Description

一种基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法

技术领域

本发明属于卫星地面任务管理与自主任务管理领域，涉及光学遥感卫星观测任务预处理技术，针对推扫成像式敏捷光学遥感卫星的工作模式，基于相机指向观测目标时卫星姿态的计算方法，提出了一种将任意形状观测目标划分为基本观测条带的算法，可用于敏捷光学卫星地面任务规划系统和自主任务规划系统设计与实现。

背景技术

遥感卫星在轨应用阶段需要对大量观测目标进行成像。由于遥感卫星的规划调度问题具有很高的计算复杂度，目前遥感卫星的地面应用部门普遍采用任务规划技术对遥感卫星资源进行调度。任务预处理是遥感卫星规划调度的一个重要环节，其目的是根据卫星轨道、载荷视场等参数，将用户输入的具有不规则几何特征的观测目标分割为一个或多个可一次观测覆盖的条带，以便于对各条带的观测活动进行编排。

敏捷光学遥感卫星是一类具有绕任意轴大角度快速姿态机动能力的卫星，可通过俯仰和侧摆方向的姿态机动，实现对星下点轨迹两侧大范围区域的多模式成像。由于敏捷光学遥感卫星通常采用分辨率为米级至亚米级的高分辨率相机，相机视场角通常较小，因此对于观测目标预处理的精度要求也比较高。

目前地面任务规划系统采用以星下点轨迹平行线为基准的方法对观测目标进行分割，其基本的流程是：首先构造一组观测目标临近地区的星下点轨迹近似“平行线”，每条“平行线”为一组离散的经纬度点构成的折线，第一条和最后一条“平行线”与观测区域两侧对齐，“平行线”间距为相机幅宽乘以一定的比率，以满足条带拼接时的重叠度以及误差要求，最后根据平行线对条带区域的切割情况计算出各条带4个顶点的经纬度坐标。该算法一方面在建立计算模型是进行了大量假设和近似处理，因此计算精度方面存在一定的不足。由于星下点轨迹实际上是一条球面曲线，并不存在“平行线”，并且该算法没有考虑地球扁率对条带划分结果的影响，因此该算法误差较大，如果用于敏捷卫星的任务规划，需要引入较大的余量来弥补计算精度的不足，必然带来卫星应用效能的降低。另一方面，由于该算法需要通过计算一系列的经纬度点构建若干条“平行线”，计算的复杂度较高，难以在计算能力有限的星载计算机中实现，在卫星自主管理技术领域的应用受到了限制。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对敏捷卫星任务规划对观测目标分割的需求，提供了一种基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法，解决了现有方法条带分割精度不足、计算复杂度较高、在卫星自主管理技术领域的应用受限的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法，步骤如下：

1）设t_r时刻卫星指向待测目标点T时，卫星的观测俯仰角θ为0，观测滚动角为定义t_r为标称观测时刻，为标称侧摆角，并计算获得标称观测时刻t_r和标称侧摆角

11）建立待测目标点T在J2000坐标系下位置与观测时间的关系方程T＝L_ei ^TT_e，上标T表示矩阵转置；其中L_ei为J2000坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，T_e为待测目标点T在WGS84坐标系下的位置；

12）根据当圈整秒时刻t_i对应的卫星在J2000坐标系下轨道位置矢量R_ECI(t_i)，计算获得各轨道位置与观测目标点的距离(i＝0,1…N)；在中搜索得到最小点，记为初步标称观测时刻t_re，初步标称观测时刻t_re对应的卫星位置记为标称观测位置R_ECI(t_re)；

13）建立卫星的观测俯仰角θ与观测时刻t的函数关系θ(t)；

131）计算获得J2000坐标下卫星指向待测目标点T的矢量ST_i＝L_ei ^TT_e-R_ECI，并转换到轨道系表示为ST_o＝L_oi×ST_i，其中L_oi为J2000坐标系到轨道坐标系的转换矩阵；

132）设卫星偏航角保持0度，卫星相对于轨道坐标系的姿态采用312转序描述的俯仰角为滚动角为ST_o，x、ST_o，y、ST_o，z分别表示ST_o在x、y、z三个坐标轴上的分量；

133）根据步骤132）建立关系θ(t)；

14）采用二分法求解θ(t)＝0的标称观测时刻t_r；

15）将标称观测时刻t_r带入获得标称侧摆角

2）按照步骤1）依次计算获得待测目标中所有目标顶点的标称观测时刻t_r和标称侧摆角找出标称观测最大时刻t_max，标称观测最小时刻t_min，标称最大侧摆角标称最小侧摆角在标称最大侧摆角和标称最小侧摆角之间划分为n个区间，其中ceiling表示向上取整，ηf为卫星相机有效视场；计算获得n个区间的边界线 i＝0,...,n；

3）对于某一个条带i＝1,...,n，计算得到该条带的特征点，所述特征点包括四个顶点分别为： 以及中线起止点为：根据得到的特征点计算获得该条带的特征点对应的地理经纬度；

4）重复步骤3）获得所有条带的特征点对应的地理经纬度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明方法针对条带分割线计算，将曲面多边形的分割问题转化到平面坐标系，解决了现有技术采用星下点轨迹“平行线”作为条带分割线的不足，消除了现有技术将地表曲面近似为平面引入的误差；

（2）本发明方法针对分割线及条带特征点计算，采用标称观测点的侧摆角作为条带分割的依据，在标称观测时刻和观测侧摆角计算过程中引入了地球扁率的影响，消除了现有技术采用地球理想球面模型引入的误差；

（3）本发明方法与现有技术相比，计算复杂度低，具备移植到现有的卫星星载计算机的条件，能够作为光学遥感卫星自主任务管理系统的一个关键组成部分。

附图说明

图1为本发明的算法流程图；

图2为标称观测时间和标称侧摆角定义示意图；

图3为标称观测坐标系下条带划分原理图；

图4为实施例条带化分结果在STK场景展示图。

具体实施方式

本发明基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法，包括（A）标称观测时刻及侧摆角计算；（B）条带边界线计算；（C）条带特征点计算。详细步骤如下：

（一）标称观测时刻及侧摆角计算

本发明采用基于标称侧摆角和标称观测时刻的方法对目标条带进行划分。如图2所示，假设t_r时刻卫星指向目标T时，卫星的观测俯仰角θ为0，观测滚动角为则称t_r为标称观测时刻，为标称侧摆角。标称观测时刻t_r的计算过程如下：

1）建立待测目标点T在J2000坐标系下位置与观测时间的关系方程

由于地球非球形影响，给定待测目标点T对应的地理经纬度相应的地心经纬度为：

f为地球扁率，取1/298.257。

待测目标点地心距为

R_E＝6378137m，为地球标称赤道半径。

则T在WGS84坐标系下的位置为

转换到J2000坐标系下位置坐标为：

TTL_ei ^TT_e

L_ei为J2000坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵。

2）根据轨道预报数据，初步搜索标称观测时刻

根据标称观测时刻的定义，在观测俯仰角为零的时刻，相机光轴与卫星在J2000坐标系下轨道位置矢量R_ECI(t_i)、观测目标矢量T共面，卫星位置与观测目标点位置达到最小值，所以标称观测时刻可以通过搜索轨道位置与观测目标点距离的最小值得到。

对于轨道预报环节给出的当圈整秒时刻t_i对应的卫星轨道位置矢量R_ECI(t_i)，可以依次得到各轨道位置与观测目标点的距离：

$d_{{\mathrm{TS}}_i}=|R_{\mathrm{ECI}}\left(t_i\right)-T|,(i=\mathrm{0,1}...N)$

经过搜索得到最小点即为初步标称观测时刻t_re，相应位置为标称观测位置R_ECI(t_re)。

3）建立卫星的观测俯仰角θ与观测时刻t的函数关系

对于任意时刻卫星对目标T的观测角度可由以下过程计算得到：

J2000坐标下卫星S指向T的矢量为

ST_i＝L_ei ^TT_e-R_ECI

转换到轨道系

ST_o＝L_oi×ST_i

其中L_oi为J2000坐标系到轨道坐标系的转换矩阵，设J2000坐标系下卫星的轨道位置矢量为rrR_ECI，速度矢量为v，计算变换矩阵的算法如下：

令i_o，j_o，k_o为轨道坐标系的单位矢量。由于轨道坐标系的轴k_o与矢量r相反，故

k_o=-r/r

由于轨道坐标系的轴j_o与动量矩矢量H相反，故

H=r×v

j_o=-H/H

i_o=j_o×k_o

最后可构成坐标变换矩阵：

$L_{\mathrm{oi}}=\left[\begin{array}{c}{i_o}^T\\ {j_o}^T\\ {k_o}^T\end{array}\right]$

则在轨道坐标系下，假设卫星偏航角保持0，卫星本体相对于轨道坐标系的姿态采用312转序描述的俯仰角、滚动角为：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{{\mathrm{ST}}_{o,x}}{\left|{\mathrm{ST}}_o\right|}$

其中ST_o，x、ST_o，y、ST_o，z分别表示ST_o在x、y、z三个坐标轴上的分量。

根据以上过程，可以建立俯仰角θ与观测时刻t的函数关系θ(t)。

4）求解θ(t)＝0的标称观测时刻t_r

在初步搜索标称观测时刻t_re附近，选取一定范围的时间区间(如[-500s,500s])，用二分法精确求解θ(t)＝0的标称观测时刻t_r。

5）求解标称观测滚动角

将标称观测时刻t_r带入获得标称侧摆角

（二）条带边界线计算

如果卫星当圈轨道对观测目标T可见，设目标T在几何特征上是由一组经纬度点构成的任意多边形，多边形顶点集合为{(lon_i,lat_i)_m}，则对于T的任意一个顶点，可以得到对应的顶点集合因此目标T的几何特征可以从经纬度坐标系映射到标称侧摆角和观测时间构成的坐标系，在新坐标系中，可以采用一组严格定义的间距相等的平行线对目标区域进行划分，如图3所示。

1）搜索观测区域边界

卫星用户输入的观测区域信息是一组多目标点组成的地理坐标数据组，在对该组数据进行地理坐标→标称观测坐标转换后，需要确定该组观测目标集合的边界点。对该组数据在标称坐标系下分别搜素t轴和轴两个方向的最大值和最小值，分别找出标称观测最大时刻t_max，标称观测最小时刻t_min，标称最大侧摆角标称最小侧摆角确定观测区域4条边界线：

观测起止线

t＝t_min t＝t_max

标称俯仰角边界

通过边界搜索，观测区域点目标集被扩展为以标称观测坐标描述的规则矩形，如图3所示。

2）划分条带

设卫星相机视场角为f，考虑到条带边缘搭接、规划计算误差、控制精度等问题，相邻条带之间需要有一定的重合，则有效视场为ηf，η为有效视场角与卫星相机视场角的比值。对于目标T，所需要划分的条带数为

ceiling表示向上取整，分别为的最大值和最小值。当时（例如T仅包含1个点），n取1。

一般情况下，即条带拼接后的区域将超过观测目标T的范围。针对这种情况，按照以下规则进行处理：

a）划分的多条带区域中线应对准观测目标T的中线；

b）观测超出部分向两侧延伸，最大化观测区域。

由规则a，可得

由规则b，可得

因此，n个区间的边界线

（三）条带特征点计算

条带划分完成后，划分结果即每个元任务需要用条带的特征点描述，同时由于条带划分是在标称观测坐标系下完成的，但在任务规划过程中需要用到条带特征点的地心经纬度来计算姿态指向角度和机动时间，还需要将条带特征点换算为对应地心经纬度坐标。

1）标称观测坐标描述的条带特征点计算

划分完成的每个条带以四个顶点和条带中线起止点六个特征点来描述。对于以简单规范矩形描述的观测区域，划分结果为等长条带，条带的起止点即为矩形的两起止边线：

t＝t_min t＝t_max

对于条带四个顶点分别为：

中线起止点为：

2）相机地面摄影点地心经纬度计算

设J2000坐标系下卫星S的轨道位置矢量为r，速度矢量为v，相机地面摄影点为P，相机光轴与卫星固联且姿态欧拉角为θ，ψ，对应标称观测时刻的姿态角：θ＝0，ψ＝0。

卫星本体坐标系到轨道系的转换矩阵为

相机光轴指向在J2000坐标系下的矢量为

u＝L_io×L_ob×(0,0,1)^T

卫星与摄影点P的距离为

$\mathrm{\ρ}=\frac{-B-\sqrt{B^2-\mathrm{AC}}}{A}$

其中

$A=1+{\mathrm{du}}_z^2$

BBr·u+dr_zu_z

$C=r^2+{\mathrm{dr}}_z^2-R_E^2$

$d=\frac{R_E^2-R_p^2}{R_p^2}$

R_p＝6356752.314m为地球极半径。

J2000坐标系下摄影点矢量为

P_i＝ρu+r

转换到WGS84坐标系

P_e＝L_ei×P_i

P点的地心经纬度为

${\mathrm{\λ}}_e=\mathrm{sign}\left(p_y\right)\arccos \frac{p_y}{\sqrt{{p_x}^2+{p_y}^2}}$

转化为地理经纬度坐标为：

lon＝λ_e

通过以上过程完成以标称观测坐标描述的条带的六个特征点对应地理经纬度的换算。

重复以上步骤，获得所有条带的特征点对应的地理经纬度。

实施例：

利用提出的敏捷卫星观测目标条带划分方法，结合STK软件的轨道预报功能及Area‐Target功能，给出一个不规则区域实施例的条带划分结果。

用STK的卫星高精度轨道预报模块（HPOP）提供实施方法中所用轨道数据，实施例轨道采用太阳同步圆轨道，轨道参数设置如下：

表1实施例轨道参数

参数名称	参数值
		轨道高度	700km
轨道倾角	98.1928°
		升交点赤经	100.671°
真近点角	0°

实施实例所用成像参数如下：

表2实施例条带划分参数

参数名称	参数值
		相机视场角	2°
条带重叠率	1.05
		最短成像时间	10秒

实施例观测目标区域数据由STK‐AreaTarget对象结合星下点轨迹给出，以不规则多边形顶点的地理经纬度坐标表示：{(‐4.02,36.51)，(‐4.28,35.92)，(‐3.70,35.53)，(‐3.24,36.28)}。

利用所提出的基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法，对实施例给出的不规则多边形区域进行条带划分结果及精度分析见表3和图4。

表3实施例条带划分结果

由图4所示实施例的条带划分结果可以看出，利用该方法划分出的条带组能均匀覆盖不规则观测区域，条带边界点误差在10米级。说明该方法通过可以满足敏捷光学卫星地面任务规划系统和自主任务规划系统的条带划分精度要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法，其特征在于步骤如下：

1)设t_r时刻卫星指向待测目标点T时，卫星的观测俯仰角θ为0，观测滚动角为φ_r，定义t_r为标称观测时刻，φ_r为标称侧摆角，并计算获得标称观测时刻t_r和标称侧摆角φ_r；

11)建立待测目标点T在J2000坐标系下位置与观测时间的关系方程T＝L_ei ^TT_e，上标T表示矩阵转置；其中L_ei为J2000坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，T_e为待测目标点T在WGS84坐标系下的位置；

12)根据当圈整秒时刻t_i对应的卫星在J2000坐标系下轨道位置矢量R_ECI(t_i)，计算获得各轨道位置与观测目标点的距离 在中搜索得到最小点，记为初步标称观测时刻t_re，初步标称观测时刻t_re对应的卫星位置记为标称观测位置R_ECI(t_re)；

13)建立卫星的观测俯仰角θ与观测时刻t的函数关系θ(t)；

131)计算获得J2000坐标下卫星指向待测目标点T的矢量ST_i＝L_ei ^TT_e-R_ECI，并转换到轨道系表示为ST_o＝L_oi×ST_i，其中L_oi为J2000坐标系到轨道坐标系的转换矩阵；

132)设卫星偏航角保持0度，卫星相对于轨道坐标系的姿态采用312转序描述的俯仰角为滚动角为ST_o，x、ST_o，y、ST_o，z分别表示ST_o在x、y、z三个坐标轴上的分量；

133)根据步骤132)建立关系θ(t)；

14)采用二分法求解θ(t)＝0的标称观测时刻t_r；

15)将标称观测时刻t_r带入获得标称侧摆角φ_r；

2)按照步骤1)依次计算获得待测目标中所有目标顶点的标称观测时刻t_r和标称侧摆角φ_r，找出标称观测最大时刻t_max，标称观测最小时刻t_min，标称最大侧摆角φ_max，标称最小侧摆角φ_min；在标称最大侧摆角φ_max和标称最小侧摆角φ_min之间划分为n个区间，其中ceiling表示向上取整，ηf为卫星相机有效视场；计算获得n个区间的边界线

3)对于某一个条带计算得到该条带的特征点，所述特征点包括四个顶点分别为： 以及中线起止点为：根据得到的特征点计算获得该条带的特征点对应的地理经纬度；

4)重复步骤3)获得所有条带的特征点对应的地理经纬度。