CN106097310A - 一种基于中心点迭代的区域目标条带拆分方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于中心点迭代的区域目标条带拆分方法，涉及卫星成像规划领域。本方法通过对指定区域进行条带拆分，然后对拆分的条带进行冗余消解，即对条带进行长度缩短或两侧条带中心点向区域目标中心靠拢，实现了对区域目标的条带拆分。条带数由区域目标的形状及宽度、卫星姿态机动能力和图像拼接要求决定；初始条带宽度由卫星轨道高度、相机视场角、目标距离星下点轨迹方位、成像时卫星姿态等决定；各条带长度可以不相同，由区域目标的实际形状决定；条带间搭接宽度可根据实际需要进行设置。本发明具有算法简单易懂、可理解性强、易于实现、算法高效、保证中心区域成像最优、条带数可根据卫星能力进行自主设置等特点。

Description

一种基于中心点迭代的区域目标条带拆分方法
技术领域
本发明涉及卫星成像规划领域中的一种基于中心点迭代的区域目标条带拆分方法，特别适用于敏捷卫星区域目标成像规划应用领域。
背景技术
随着卫星技术与传感器技术的不断进步，敏捷卫星是一类新型的对地观测卫星，相比现有一般卫星，其姿态调整精度高，姿态机动能力强，可以灵活地在多种工作模式下执行观测任务，代表了下一代卫星发展的主流方向。敏捷卫星突出的特点是较强的机动成像能力，通过快速地改变传感器对地指向，实现对目标的快速灵活观测。如何利用敏捷卫星的姿态机动能力，在同一轨之内实现对特定区域目标进行若干次准平行、图像间有一定搭接的成像，且要求兼顾高分辨率和大幅宽的需求，是一项迫切需要解决的技术。目前，针对敏捷卫星的区域条带拆分方法主要有包络矩形法和二分法。
发明内容
本发明所需解决的技术问题在于适应上述背景技术中的需求而提供一种适用于敏捷卫星的区域目标条带拆分，且能够进行冗余消解的方法。本发明是基于区域目标中心点迭代法，进行分析计算，区别于目前的包络矩形法和二分法。本发明具有算法简单易懂、可理解性强、易于实现、算法高效、保证区域目标中心区域成像最优、最大可拆分条带数和图像搭接宽度可根据卫星能力进行自主设置等特点。
本发明所要解决的技术问题是由以下技术方案实现的：
一种基于中心点迭代的区域目标条带拆分方法，包括以下步骤：
(1)计算出区域目标的中心点坐标；所述的中心点坐标为区域目标所有顶点坐标的算术平均数；
(2)根据轨道计算服务计算出距离区域目标中心点最近的星下点坐标及轨道圈次；
(3)根据最近星下点坐标和轨道圈次计算出距离最近星下点前后n秒处的两个星下点坐标，分别记为前星下点坐标和后星下点坐标；其中，1≤n≤5；
(4)沿轨道方向计算前星下点到后星下点的方位角；
(5)计算区域目标的宽度；所述的宽度为沿轨道方向相垂直的方向，区域目标所有顶点之间的最大距离；
(6)根据区域目标的宽度和条带初始宽度，计算覆盖区域目标所需的条带数，将该条带数与卫星能支持的最大可拆分条带数相比较，取最小值作为最终需要拆分的条带数；
(7)计算区域目标的长度，将该长度作为条带初始长度；所述的长度为沿轨道方向，区域目标所有顶点之间的最大距离；
(8)根据区域目标的中心点坐标、条带初始宽度和条带初始长度，计算出所有条带的四角点坐标；
(9)取其中一个条带与区域目标求交集运算，得到交集多边形，该交集多边形中心点坐标即为冗余消解后的新条带的中心点坐标；
(10)计算新条带的长度；所述的新条带的长度为沿轨道方向上该交集多边形所有顶点之间的最大距离；
(11)根据计算出的新条带的中心点坐标、新条带的长度和前星下点到后星下点的方位角，计算得到新条带中轴线与新条带边界的交点坐标；
(12)在剩余条带中重复步骤(9)到(11)，直到计算出所有新条带中轴线与新条带边界的交点坐标。
本发明相比背景技术的优点在于：
1、利用俯仰和滚动方向姿态机动进行若干次准平行且图像间有一定搭接的成像，兼顾了高分辨率和大幅宽的需求。
2、成像的范围冗余度非常小。
3、本发明还具有算法简便易懂、可理解性强、易于实现、性能稳定可靠、保证区域目标中心区域成像最优、最大可拆分条带数和图像搭接宽度可根据卫星能力进行自主设置等特点。
附图说明
图1是本发明的区域目标多条带成像示意图。
图2是本发明的区域目标与卫星星下点轨迹示意图。
图3是本发明拆分条带为奇数时的条带四角点坐标计算示意图。
图4是本发明拆分条带为偶数时的条带四角点坐标计算示意图。
图5是本发明的冗余消解前的条带示意图。
图6是本发明的冗余消解中的条带示意图。
图7是本发明的冗余消解后的条带示意图。
具体实施方式
假设区域目标为四边形区域，结合图1至图7对本发明作进一步说明。
一种基于中心点迭代的区域目标条带拆分方法，该方法原理为将区域目标拆分成平行于卫星运行方向的初始条带，然后根据区域形状对初始条带进行冗余消解，最后得到切合区域目标的拆分条带。
本发明包括以下步骤：
(1)计算出区域目标ABCD的中心点P0的坐标；所述的中心点坐标为区域目标A、B、C、D四个角点坐标的算术平均数；
(2)根据轨道计算服务计算出距离中心点P0最近的星下点T0的坐标及轨道圈次；
(3)根据星下点T0的坐标和轨道圈次计算出距离星下点T0前后n秒处的两个星下点坐标，两个星下点分别记为前星下点T1和后星下点T2；一般情况下，取2≤n≤5；
(4)沿轨道方向,即卫星运行方向，也为条带方向，计算前星下点T1到后星下点T2的方位角φ；
(5)计算出区域目标ABCD的区域宽度，步骤包括：
①将前星下点T1、后星下点T2和区域目标四角点的坐标均转换为空间直角坐标，按照空间立体几何关系，分别计算区域四角点A、B、C、D到T1、T2连线的垂足A′，B′，C′，D′的坐标；
②将各垂足坐标转换为经纬度坐标；
③分别计算(A，A′)、(B，B′)、(C，C′)、(D，D′)两点间的球面距离；
④根据A与A′、B与B′、C与C′、D与D′的经度大小，判定四角点A、B、C、D是否在星下点轨迹(T1和T2连线)的同侧，若四角点ABCD均在星下点轨迹同侧，则最大球面距离与最小球面距离之差为区域宽度；若在不同侧，则左右两侧的最大球面距离之和为区域目标的宽度。
(6)根据区域目标的区域宽度和条带初始宽度W，计算覆盖区域目标所需的条带数，将该条带数与预先设置的卫星能支持的最大可拆分条带数相比较，取最小值作为最终需要拆分的条带数；
当最终需要拆分的条带数为奇数时，区域目标的中心点为中间条带的中心点；最终需要拆分的条带数为偶数时，区域目标的中心点为距离区域目标中心点最近的中间两个条带的搭接处的中心点。
(7)计算平行于星下点轨迹的区域目标的长度L，将该长度作为条带初始长度；
长度L即垂足A′、B′、C′、D′两两之间的最大距离；
(8)根据中心点P0的坐标、条带初始宽度W、条带初始长度L，计算所有条带四角点坐标，具体步骤包括：
当最终需要拆分的条带数为奇数时，计算方法如下：
①根据区域目标中心点P0的坐标、前星下点T1到后星下点T2的方位角φ、条带初始长度的二分之一(L/2)，计算条带中轴线上下两点坐标；条带中轴线上下两点分别记为P1、P2；
②根据P1、P2，前星下点T1到后星下点T2的方位角φ，条带初始宽度的二分之一(W/2)，计算中间条带(最靠近区域目标中心点)的四角点M1、M2、M3、M4的坐标；
③根据区域目标中心点P0的坐标、前星下点T1到后星下点T2的方位角φ、条带初始宽度W、预设的图像搭接宽度space，依次迭代计算出区域目标中心点左右两侧各条带中心点坐标(L0、R0、L1、R1…)；
④根据区域目标中心点P0左右两侧各条带中心点坐标(P0、L0、R0、L1、R1…)、前星下点T1到后星下点T2的方位角φ、条带初始长度的二分之一(L/2)，分别计算区域目标中心点P0左右两侧各条带的中轴线上下两点坐标；
⑤根据区域目标中心点P0左右两侧各条带的中轴线上下两点坐标、前星下点T1到后星下点T2的方位角φ、条带初始宽度的二分之一(W/2)，计算出区域目标中心点P0左右两侧各条带的四角点坐标。
当最终需要拆分的条带数为偶数时，计算方法如下：
①根据区域目标中心点P0的坐标、前星下点T1到后星下点T2的方位角φ、条带初始宽度W、预设的图像搭接宽度space，计算出距离区域目标中心点P0最近的左右两侧条带中心点坐标(L0、R0)；依次类推，分别计算出区域目标中心点左右两侧各条带中心点坐标(L1、R1…)；
②根据区域目标中心点P0左右两侧各条带中心点坐标(L0、R0、L1、R1…)、前星下点T1到后星下点T2的方位角φ、条带初始长度的二分之一(L/2)，分别计算区域目标中心点P0左右两侧各条带的中轴线上下两点坐标；
③根据区域目标中心点左右P0两侧各条带的中轴线上下两点坐标、前星下点T1到后星下点T2的方位角φ、条带初始宽度的二分之一(W/2)，计算出区域目标中心点左右两侧各条带的四角点坐标。
(9)取其中一个条带四角点坐标组成的四边形，与区域目标ABCD求交集运算，得到交集多边形，记为Q，则交集多边形中心点坐标即为冗余消解后的新条带的中心点坐标，记为Q0(如图6所示)；
(10)计算新条带的宽度，即在星下点轨迹相垂直方向上的交集多边形Q所有顶点间的最大距离；
①将前星下点T1、后星下点T2和Q区域所有顶点的坐标均转换为空间直角坐标，按照空间立体几何关系，分别计算Q区域顶点到T1、T2连线的垂足坐标；
②将所有垂足坐标均转换为经纬度坐标；
③分别计算Q区域顶点与其对应垂足坐标点两点间的球面距离；
④根据Q区域顶点与其垂足坐标点两点间的球面距离的经度大小，判定Q区域顶点是否在星下点轨迹的同侧；
⑤Q区域顶点均在星下点轨迹同侧，最大距离与最小距离之差为新条带的宽度，若在不同侧，则左右两侧的最大距离之和为新条带的宽度。
(11)计算新条带的长度，即在平行于星下点轨迹方向上的交集多边形Q所有顶点间的最大距离；
(12)根据新条带的中心点坐标Q0、新条带长度的一半和前星下点T1到后星下点T2的方位角φ，计算新条带中轴线上下两点坐标；新条带中轴线上下两点分别记为Q1、Q2(如图7所示)；
(13)根据新条带中轴线上下两点坐标、前星下点到后星下点的方位角和新条带宽度的二分之一，计算得出新条带四角点坐标；
(14)在剩余条带中重复步骤(9)到(13)，直到计算出所有新条带的四角点坐标。

Claims (7)

1.一种基于中心点迭代的区域目标条带拆分方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)计算出区域目标的中心点坐标；所述的中心点坐标为区域目标所有顶点坐标的算术平均数；
(2)根据轨道计算服务计算出距离区域目标中心点最近的星下点坐标及轨道圈次；
(3)根据最近星下点坐标和轨道圈次计算出距离最近星下点前后n秒处的两个星下点坐标，分别记为前星下点坐标和后星下点坐标；其中，1≤n≤5；
(4)沿轨道方向计算前星下点到后星下点的方位角；
(5)计算区域目标的宽度；所述的宽度为沿轨道方向相垂直的方向，区域目标所有顶点之间的最大距离；
(6)根据区域目标的宽度和条带初始宽度，计算覆盖区域目标所需的条带数，将该条带数与卫星能支持的最大可拆分条带数相比较，取最小值作为最终需要拆分的条带数；
(7)计算区域目标的长度，将该长度作为条带初始长度；所述的长度为沿轨道方向，区域目标所有顶点之间的最大距离；
(8)根据区域目标的中心点坐标、条带初始宽度和条带初始长度，计算出所有条带的四角点坐标；
(9)取其中一个条带与区域目标求交集运算，得到交集多边形，该交集多边形中心点坐标即为冗余消解后的新条带的中心点坐标；
(10)计算新条带的长度；所述的新条带的长度为沿轨道方向上该交集多边形所有顶点之间的最大距离；
(11)根据计算出的新条带的中心点坐标、新条带的长度和前星下点到后星下点的方位角，计算得到新条带中轴线与新条带边界的交点坐标；
(12)在剩余条带中重复步骤(9)到(11)，直到计算出所有新条带中轴线与新条带边界的交点坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于中心点迭代的区域目标条带拆分方法，其特征在于：步骤(5)所述的计算区域目标的宽度，具体包括步骤：
①将前星下点坐标、后星下点坐标和区域目标各顶点坐标转换为空间直角坐标，按照空间立体几何关系，分别计算出区域目标各顶点到前、后星下点连线的垂足坐标；
②将所有垂足坐标分别转换为经纬度坐标；
③分别计算区域目标各顶点与其对应的垂足坐标点间的球面距离；
④根据区域目标各顶点与其垂足坐标点间的球面距离的经度大小，判定区域目标各顶点是否在星下点轨迹的同侧；
⑤若区域目标各顶点均在星下点轨迹同侧，则最大球面距离与最小球面距离之差为区域目标的宽度，若在不同侧，则两侧的最大球面距离之和为区域目标的宽度。
3.根据权利要求1所述的一种基于中心点迭代的区域目标条带拆分方法，其特征在于：步骤(6)所述的条带初始宽度，根据卫星轨道高度、相机视场角、距离星下点轨迹最近的区域目标顶点和成像时卫星侧摆角计算得出。
4.根据权利要求1所述的一种基于中心点迭代的区域目标条带拆分方法，其特征在于：在最终需要拆分的条带数为奇数时，步骤(8)具体包括如下步骤：
①根据区域目标中心点坐标、前星下点到后星下点的方位角和条带初始长度的二分之一，计算中间条带的中轴线上下两点坐标；
②根据中间条带的中轴线上下两点坐标、前星下点到后星下点的方位角和条带初始宽度的二分之一，计算出中间条带的四角点坐标；
③根据区域目标中心点坐标、前星下点到后星下点的方位角、条带初始宽度和预设的图像搭接宽度，依次迭代计算出区域目标中心点左右两侧各条带中心点坐标；
④根据区域目标中心点左右两侧各条带中心点坐标、前星下点到后星下点的方位角和条带初始长度的二分之一，分别计算区域目标中心点左右两侧各条带的中轴线上下两点坐标；
⑤根据区域目标中心点左右两侧各条带的中轴线上下两点坐标、前星下点到后星下点的方位角和条带初始宽度的二分之一，计算出区域目标中心点左右两侧各条带的四角点坐标。
5.根据权利要求1所述的一种基于中心点迭代的区域目标条带拆分方法，其特征在于：在最终需要拆分的条带数为偶数时，步骤(8)具体包括如下步骤：
①根据区域目标中心点坐标、前星下点到后星下点的方位角、条带初始宽度和预设的图像搭接宽度，计算出距离区域目标中心点最近的左右两侧条带中心点坐标；依次类推，分别计算出区域目标中心点左右两侧各条带中心点坐标；
②根据区域目标中心点左右两侧各条带中心点坐标、前星下点到后星下点的方位角和条带初始长度的二分之一，分别计算区域目标中心点左右两侧各条带的中轴线上下两点坐标；
③根据区域目标中心点左右两侧各条带的中轴线上下两点坐标、前星下点到后星下点的方位角和条带初始宽度的二分之一，分别计算出区域目标中心点左右两侧各条带的四角点坐标。
6.根据权利要求1所述的一种基于中心点迭代的区域目标条带拆分方法，其特征在于：步骤(9)与步骤(10)之间还包括：计算新条带的宽度；所述的宽度即在星下点轨迹相垂直方向上的交集多边形所有顶点间的最大距离。
7.根据权利要求6所述的一种基于中心点迭代的区域目标条带拆分方法，其特征在于：步骤(11)与步骤(12)之间还包括：根据新条带中轴线与新条带边界的交点坐标、前星下点到后星下点的方位角和新条带宽度的二分之一，计算得出新条带四角点坐标。
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