CN104215968B - 一种云层对敏捷光学卫星的遮挡时间窗口的计算方法 - Google Patents

一种云层对敏捷光学卫星的遮挡时间窗口的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种云层对敏捷光学卫星的遮挡时间窗口的计算方法，该方法的主要步骤如下：S1：计算敏捷光学卫星对所有任务的可见时间窗口；S2：计算敏捷光学卫星的全部星历信息；S3：取可见时间窗口，计算云层对敏捷光学卫星的遮挡时间窗口；S4：判断是否遍历全部可见时间窗口，若否，转S3，若是，则计算完成。本发明的云层对敏捷光学卫星的遮挡时间窗口的计算方法具有计算复杂性较低，计算量较少，计算速度快的优点。

Description

一种云层对敏捷光学卫星的遮挡时间窗口的计算方法
技术领域
本发明涉及敏捷光学卫星技术领域，尤其涉及一种云层对敏捷光学卫星的遮挡时间窗口的计算方法。
背景技术
与传统对地观测卫星相比，敏捷光学卫星可以在三个轴的方向上移动(滚动，俯仰与偏航)，具有三个方向的自由度，这使得卫星可以在图像获取间隙以及获取图像时都具备机动能力。光学成像遥感器是敏捷光学卫星搭载的一种常见传感器。光学遥感器绝大多数都属于被动遥感器，只接收来自目标的反射或自身发射的光辐射。其中可见光遥感器是一种较成熟的光学遥感器，它的照片信息量大、分辨率高，但只能在晴朗的白天工作，无法全天候工作，特别是容易受到云层遮挡，使成像质量受到较大影响，据统计，我国60％的光学卫星图像因为云层而无法成为有效的数据产品，这不仅不能满足用户需求，还对卫星资源造成极大浪费。
为了规避云层，敏捷光学卫星将通过俯仰和侧摆从云缝中对目标成像，这对成像质量也有较大影响。敏捷光学卫星的成像可见时间窗口持续较长，不同成像时间的成像分辨率有所不同，卫星在飞过任务正上方时进行成像，即卫星位于可见时间窗口中点进行成像时，成像质量最好，但若中点位置被云层遮挡，卫星必须带有一定俯仰角和侧摆角进行成像时，由于成像方位角较大，成像分辨率会有所降低，从而导致成像质量下降。
如何高效率的在被云层遮挡的可见时间窗口中寻找最优成像位置，安排观测窗口，最大程度降低云层遮挡对成像质量的影响，是本领域技术人员亟需解决的技术问题，而解决上述一个或者多个技术问题的前提条件，便是如何确定观测目标和云层何时会构成遮挡关系、如何计算遮挡时间窗口。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种计算量较少、效率较高的云层对敏捷光学卫星的遮挡时间窗口的计算方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种云层对敏捷光学卫星的遮挡时间窗口的计算方法，包括以下步骤：
S1：计算敏捷光学卫星对所有任务的可见时间窗口；
S2：计算敏捷光学卫星的全部星历信息；
S3：取可见时间窗口，执行如下操作：
S3.1：根据敏捷光学卫星对于目标观测的最大可见范围和云层与目标的相对距离，预判该可见时间窗口对应的云层与目标点是否构成遮挡关系，若否，执行S3.4，若是，设t为可见时间窗口的开始时刻，执行S3.2；
S3.2：寻找云层遮挡时间窗口的中间时刻：判断t是否大于可见时间窗口的结束时刻，若是，执行S4；若否，判断t时刻敏捷光学是否被云层遮挡，若遮挡，执行S3.3，若不遮挡，以5-15s为粒度向后推进，重复执行S3.2；
S3.3：以S3.2得到的中间时刻为起点，以观测时间窗口的一半作为粒度分别向两侧进行推进，若找到某个时刻不再被遮挡，则向推进方向的反方向取原粒度的一半进行推进，直到最后的相差时间小于1s，输出云层遮挡时间窗口，执行S4；
S3.4：判断是否遍历全部云层，若是，执行S4，若否，取下一块云层，执行S3.1；
S4：判断是否遍历全部可见时间窗口，若否，转S3，若是，则计算完成；
优选地，步骤S3.2中判断t时刻是否被云层遮挡的详细步骤为：
将目标点的纬度BT和经度LT，敏捷光学卫星的高度Hs、纬度Bs和经度Ls根据WGS-84坐标系下坐标转换公式：
转换为空间直角坐标，分别为(XT,YT,ZT)以及(XS,YS,ZS)，其中N为椭球曲率半径，a为地球半径，a≈6378137.0，H为高度，B为纬度，L为经度，e为第一偏心率，e2＝0.0066934216230；
得到目标点与卫星之间的连线方程为：
云层高度为HC，云层所在球面的解析式为：
X2+Y2+Z2＝(R+HC)2 (3)
则卫星与目标点连线与云层所在球面的交点为：
其中，
得到交点坐标(XC,YC,ZC)的坐标后，即可判断交点是否位于云层所在的区域内。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明在计算遮挡时间窗口时先根据敏捷光学卫星对于目标观测的最大可见范围和云层与目标的相对距离，预判该可见时间窗口对应的云层与目标点是否构成遮挡关系，由于敏捷光学卫星对于目标观测的最大可见范围是固定的，若云层与目标的相对距离超过了敏捷光学卫星对于目标观测的最大可见范围，则直接可以判断出此云层对于此目标不构成遮挡，因此即使敏捷光学卫星与目标点的连线穿过云层，云层也不会对可见时间窗口造成遮挡，无需计算敏捷光学卫星与目标点连线同云层的交点，与以一定粒度遍历全部卫星运动轨迹，沿着卫星运动轨迹判断每个时刻点云层对目标点的遮挡情况，寻找到每个连续被遮挡的最小时刻点和最大时刻点，即每个云层遮挡时间窗口的开始时刻和结束时刻的方案相比，复杂性大大降低，有效减少了计算量。
在判断某时刻点敏捷光学卫星是否被云层遮挡时，将目标点、云层及敏捷光学卫星的经纬坐标转换为空间直角坐标，基于空间立体几何进行求解、判断，简单快速。
在寻找遮挡时间窗口的开始时刻和结束时刻时，首先寻找遮挡时间窗口的一个中间时刻，然后逐步分别向两端推进寻找最大和最小遮挡时间，方法简单、快速且有效。
附图说明
图1是本发明云层对敏捷光学卫星的遮挡时间窗口的流程图。
图3是本发明中云层遮挡预判示意图。
图2是本发明中云层遮挡判断示意图。
图4是本发明中遮挡时间窗口计算示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
如图1至图4所示，本发明的云层对敏捷光学卫星的遮挡时间窗口的计算方法：包括以下步骤：
S1：计算敏捷光学卫星对所有任务的可见时间窗口；
S2：计算敏捷光学卫星的全部星历信息；
S3：取可见时间窗口，执行如下操作：
S3.1：根据敏捷光学卫星对于目标观测的最大可见范围和云层与目标的相对距离，预判该可见时间窗口对应的云层与目标点是否构成遮挡关系，若否，执行S3.4，若是，设t为可见时间窗口的开始时刻，执行S3.2；
如图2所示，由于敏捷光学卫星对于目标观测的最大可见范围是固定的，若某云层与目标的相对距离超过了敏捷光学卫星对于目标观测的最大可见范围，则直接可以判断出此云层对于此目标不构成遮挡。例如，敏捷光学卫星的最大俯仰角度为45°，则卫星最早在位置1开始对目标进行观测，最晚在位置2结束对目标的观测，假设卫星的飞行高度为H，则当云层点与目标点的距离大于H时，如位置3，由于卫星在位置3已经对目标点不再可见，故即使卫星与目标点的连线穿过云层，云层也不会对可见时间窗口造成遮挡，无需计算敏捷光学卫星与目标点连线同云层面的交点，与以一定粒度遍历全部卫星运动轨迹，沿着卫星运动轨迹判断每个时刻点云层对目标点的遮挡情况，寻找到每个连续被遮挡的最小时刻点和最大时刻点，即每个云层遮挡时间窗口的开始时刻和结束时刻的方案相比，复杂性大大降低，有效减少了计算量。
S3.2：寻找云层遮挡时间窗口的中间时刻：判断t是否大于可见时间窗口的结束时刻，若是，执行S4；若否，判断t时刻敏捷光学是否被云层遮挡，若遮挡，执行S3.3，若不遮挡，以5-15s为粒度向后推进，重复执行S3.2；
S3.3：以S3.2得到的中间时刻为起点，以观测时间窗口的一半作为粒度分别向两侧进行推进，若找到某个时刻不再被遮挡，则向推进方向的反方向取原粒度的一半进行推进，直到最后的相差时间小于1s，输出云层遮挡时间窗口，执行S4；
如图4所示，在本实施例中，首先判断可见时间窗口的开始时刻是否被云层遮挡，若不遮挡，则以10秒为粒度向后推进，直到找到一个时刻被云层遮挡。以此时刻为中点，以观测时间窗口的一半作为粒度分别向两侧进行推进，若找到某个时刻不再被遮挡，则向推进方向的反方向取原粒度的一半进行推进，直到最后的相差时间小于1s，即可确定最后的遮挡时间窗口。
S3.4：判断是否遍历全部云层，若是，执行S4，若否，取下一块云层，执行S3.1；
S4：判断是否遍历全部可见时间窗口，若否，转S3，若是，则计算完成；
如图3所示，根据卫星轨道预报结果，可以得到时刻t卫星星下点坐标以及卫星高度，卫星同目标点的连线会穿过云层所在球面，由于云层位置信息为已知，分析交点是否处于云层所形成的区域内，即可判断时刻t下该目标点是否被云层遮挡。
步骤S3.2中判断t时刻是否被云层遮挡的详细步骤为：
将目标点的纬度BT和经度LT，敏捷光学卫星的高度Hs、纬度Bs和经度Ls根据WGS-84坐标系下坐标转换公式：
转换为空间直角坐标，分别为(XT,YT,ZT)以及(XS,YS,ZS)，其中N为椭球曲率半径，a为地球半径，a≈6378137.0，H为高度，B为纬度，L为经度，e为第一偏心率，e2＝0.0066934216230；
得到目标点与卫星之间的连线方程为：
云层高度为HC，云层所在球面的解析式为：
X2+Y2+Z2＝(R+HC)2 (3)
则卫星与目标点连线与云层所在球面的交点为：
其中，
得到交点坐标(XC,YC,ZC)的坐标后，即可判断交点是否位于云层所在的区域内。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括哪些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种云层对敏捷光学卫星的遮挡时间窗口的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：计算敏捷光学卫星对所有任务的可见时间窗口；
S2：计算敏捷光学卫星的全部星历信息；
S3：取可见时间窗口，执行如下操作：
S3.1：根据敏捷光学卫星对于目标观测的最大可见范围和云层与目标的相对距离，预判该可见时间窗口对应的云层与目标点是否构成遮挡关系，若否，执行S3.4，若是，设t为可见时间窗口的开始时刻，执行S3.2；
S3.2：寻找云层遮挡时间窗口的中间时刻：判断t是否大于可见时间窗口的结束时刻，若是，执行S4；若否，判断t时刻是否被云层遮挡，若遮挡，执行S3.3，若不遮挡，以5-15s为粒度向后推进,重复执行S3.2；
S3.3：以S3.2得到的中间时刻为起点，以观测时间窗口的一半为粒度分别向两侧进行推进，若找到某个时刻不再被遮挡，则向推进方向的反方向取原粒度的一半进行推进，直到最后的相差时间小于1s,输出云层遮挡时间窗口，执行S4；
S3.4：判断是否遍历全部云层，若是，执行S4，若否，取下一块云层，执行S3.1；
S4：判断是否遍历全部可见时间窗口，若否，转S3，若是，则计算完成。
2.根据权利要求1所述的云层对敏捷光学卫星的遮挡时间窗口的计算方法，其特征在于：
S3.2中判断t时刻是否被云层遮挡的详细步骤为：
将目标点的纬度BT和经度LT，敏捷光学卫星的高度Hs、纬度Bs和经度Ls根据WGS-84坐标系下坐标转换公式：
<mrow> <mo>{</mo> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>X</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>N</mi> <mo>+</mo> <mi>H</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>cos</mi> <mi> </mi> <mi>B</mi> <mi> </mi> <mi>cos</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>Y</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>N</mi> <mo>+</mo> <mi>H</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>cos</mi> <mi> </mi> <mi>B</mi> <mi> </mi> <mi>sin</mi> <mi> </mi> <mi>L</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>Z</mi> <mo>=</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>N</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>e</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>H</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mi>sin</mi> <mi> </mi> <mi>B</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
转换为空间直角坐标，分别为(XT,YT,ZT)以及(XS,YS,ZS)，其中N为椭球曲率半径，a为地球半径，a≈6378137.0，H为高度，B为纬度，L为经度，e为第一偏心率，e2＝0.0066934216230；
得到目标点与卫星之间的连线方程为：
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云层高度为HC，云层所在球面的解析式为：
X2+Y2+Z2＝(R+HC)2 (3)
则卫星与目标点连线与云层所在球面的交点为：
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其中，
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得到交点坐标(XC,YC,ZC)的坐标后，即可判断交点是否位于云层所在的区域内。
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