CN108256822A - 一种适用于气象信息辅助卫星成像任务规划系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于气象信息辅助卫星成像任务规划系统及方法：1、收集观测需求；2、对观测目标进行成像任务处理(其中，任务规划过程中，将目标区域按照圆锥投影的方式，将全球范围内的经纬度网格拆分成10*10度的小区域，在云量判断时，使用小区域目标进行匹配和判断)；3、对每个成像方案执行云量检查(使用统计阈值75％)，剔除不满足云量约束条件的预案，筛选出最为满足优选策略的预案集合，依据成像时间和成像角度对方案进行编排，生成最终规划方案；4、将成像方案和接收方案信息分别传递给卫星和地面接收站。该方案在卫星成像前评估各成像目标区域内的云量，可使得成像质量明显提升。

Description

一种适用于气象信息辅助卫星成像任务规划系统及方法

技术领域

本发明属于卫星应用领域，尤其涉及一种适用于气象信息辅助卫星成像任务规划系统及方法。

背景技术

随着卫星应用领域的飞速发展及其多样化，遥感卫星成像应用的服务需求也日益增加。通常，卫星俯仰机动能力、卫星摄动、相机性能等卫星平台及其载荷自身能力的约束会直接影响卫星能否成像，会在任务规划时被考虑，而云量则会直接影响卫星成像质量，这一重要因素在国内却未在成像任务规划时考虑。

以PRSS-1全色多光谱遥感卫星为例，对气象信息辅助卫星任务规划系统的特点进行说明。卫星成像普遍面临的问题是：成本高、星源有限、可成像资源非常有限。使用传统的遥感卫星成像任务规划算法，满足了卫星平台和载荷使用约束限制；但气象统计显示，云量超过75％即为阴天(层云)，层云密集透明度差，在此环境下，遥感卫星拍摄的图像上基本无法看清地面情况，所以若不考虑云量影响，会存在受云层覆盖影响卫星成像的地面可见性差、卫星资源造成浪费的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是针对云量过多时，受云层覆盖影响，卫星成像无法清晰可见地拍到地面目标区域，影响成像质量；将气象云量预报数据引入卫星成像任务规划中，作为成像约束条件对待规划的任务执行检查再进行编排。

本发明的目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种适用于气象信息辅助卫星成像任务规划方法，具体包含如下步骤：

步骤1，收集观测需求，并对收集的观测需求进行审批；

步骤2，执行轨道计算，分别计算卫星在某一特定时间段内的星历和星下点、天文时间，计算地面站的可用接收弧段，且外推计算卫星在特定时间内的进出站时间；

步骤3，根据不同卫星姿态和不同地面站信息进行遮挡和可用性分析，给出卫星数传天线的可见性分析结果以及使用策略；

步骤4，任务预规划将每个采集单的区域拆分为网格编码，将观测区域与经纬度网格进行匹配，获取观测区域每个条带内的网格集合；进而根据轨道数据信息计算经过区域网格的时间窗口和侧摆角；

步骤5，依据设置的云量阈值，进行卫星成像目标区域云量检查，生成卫星对观测目标的观测方案；

步骤6，将成像方案和接收方案在卫星上注时间前分别发送给卫星控制系统和地面接收站。

另外，本发明涉及一种适用于气象信息辅助卫星成像任务规划系统，观测需求管理模块，用于收集观测需求并对其进行审批，实时更新每个观测需求的处理情况；

轨道计算模块，用于对卫星的轨道进行计算和预报，为任务规划、仿真显示提供数据支持；

接收资源规划模块，用于从数据库获取接收弧段规划所必需的参数，对卫星过站弧段进行接收编排规划；

卫星数传天线遮挡分析模块，用于在数传天线跟踪地面数据接收站的过程中，对数传天线的可用性和遮挡情况进行分析；

任务预规划模块，用于将每个采集单或任务中指定的区域拆分为网格编码，计算可观测的时间窗口和侧摆角，将任务分解成元任务和条带，为任务规划算法提供输入；任务规划模块，用于约束检查，以及依据任务需求执行任务编排，生成卫星的工作方案，并能够依据优先级对任务冲突进行消解与调整；

计划下发模块，用于将规划成功的卫星成像方案在卫星指令上注前发给卫星控制系统，同时将对应的接收方案发送给地面接收站。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明将最新的24小时气象云量预报数据作为遥感卫星成像约束条件之一，对目标区域的云量进行展示和评估，云量越低成像效果越佳，提高了卫星成像可见度和数据可用性；

(2)本发明考虑到目前PRSS-1全色多光谱相机的上注时间约束和成像时间约束，采用最新的24小时气象云量预报数据。若预报时长(24小时)远大于上注到拍摄的时间差(假设上注的是第二天的任务，即该时间差最大为24小时)，预报数据精度降低会导致成像方案不准确；预报时间过短于上注到拍摄的时间，最新的气象数据无法应用，因此，使用24小时的气象云量预报数据对于日发送上注计划的系统最为适用；

(3)本发明为匹配气象云量预报数据的空间分辨率(0.25°*0.25°)以便进行计算，将目标区域网格拆分为10km*10km，计算方便。

附图说明

图1为气象信息辅助卫星任务规划系统的工作流程图；

图2为系统模块设计图；

图3(a)为气象信息辅助卫星任务规划系统的无云量评估图；

图3(b)为气象信息辅助卫星任务规划系统的云量评估图；

图4为系统全球云量显示效果图；

图5为卫星数传天线之间可能存在的遮挡；

图6观测区域的条带示意图；

图7为目标区域网格数据的可见性计算。

具体实施方式

在传统卫星成像规划中，将云量预报数据引入任务规划，在任务规划时执行云量约束检查，对超过云量阈值的方案可不进行拍摄，即从根源处避免了遥感卫星成像效果不佳的情况，提高了卫星成像的可用度。

本发明的目的是通过如下技术方案予以实现的，详细步骤如下：

如图1所示，一种适用于星载导航接收机的自主完好性监测方法，其特征在于：具体包含如下步骤：

步骤1，收集观测需求，并对收集的观测需求进行审批；

步骤2，执行轨道计算，分别计算卫星在某一特定时间段内的星历和星下点、天文时间，计算地面站的可用接收弧段，且外推计算卫星在特定时间内的进出站时间；

步骤3，根据不同卫星姿态(即各卫星的俯仰角参数)和不同地面站位置(接收站经纬度和高程、天线的接收参数等)进行遮挡和可用性分析，给出卫星数传天线的可见性分析结果以及使用策略；如图3所示，气象信息辅助任务规划的效果图

步骤4，任务预规划将每个采集单的区域拆分为网格编码，将观测区域与经纬度网格进行匹配，获取观测区域每个条带内的网格集合；进而根据轨道数据信息计算经过区域网格的时间窗口和侧摆角；

步骤5，依据各卫星的对地观测能力以及载荷特点，依据设置的云量阈值(系统默认值为经验值75％)，进行卫星成像目标区域云量检查，生成卫星对观测目标的观测方案；进行卫星成像目标区域云量检查(调取最新的24小时云量预报数据，根据经纬度网格进行目标区域匹配。如果成像目标区域的预报云量高于设定的阈值，则不进行拍摄任务；如果目标区域的预报云量低于设定的阈值，即表示云量情况较好。需要说明的是，目标区域的经纬度网格是10km＊10km，本系统中使用的预报云量是0.25°*0.25°即25km＊25km)，按照成像时间和侧摆角执行任务编排，生成卫星对观测目标的观测方案；

步骤6，将成像方案和接收方案在卫星上注时间前分别发送给卫星控制系统和地面接收站。

如图2所示，系统的核心模块设计如下：

(1)观测需求管理模块：收集观测需求并对其进行审批；实时更新每个观测需求的处理情况；

(2)轨道计算模块：对卫星的轨道进行计算和预报，为任务规划、仿真显示提供数据支持。主要功能包括：

a.获取轨道计算所必需的参数，包括卫星信息、接收站信息，以及轨道数据(卫星瞬根数据、两行数据等)；

b.星历计算，可以分别使用两类卫星轨道数据(瞬根、两行)外推计算卫星在某一段时间内的星历数据；

c.星下点计算，可以分别使用两类卫星轨道数据(瞬根、两行)外推计算卫星在某一段时间内的卫星星下点位置；

d.接收弧段计算，可以分别使用两类卫星轨道数据(瞬根、两行)和接收站站址信息外推计算卫星在某一段时间内的进出站时间；

(3)接收资源规划模块的主要功能包括：

a.从数据库获取接收弧段规划所必需的参数，包括卫星信息，接收站信息，天线信息，进出站弧段信息以及接收弧段需求信息等；

b.根据任务要求，对卫星过站弧段进行接收编排规划。编排规划过程包括按照卫星优先级以及弧段过站时间与升降轨时间差值对过站弧段进行排序，根据卫星相关约束、最高仰角约束、接收站天线等一系列的约束条件执行检测，并对满足约束条件的弧段按照卫星优先级进行优选编排，保证生成规划方案的合理性和正确性；

c.对已经规划的接收资源结果进行调整的能力，对所选的弧段进行重新规划编排，生成规划方案。

(4)在数传天线跟踪地面数据接收站的过程中，对数传天线的可用性和遮挡情况进行分析，主要功能包括：

a.能够根据不同卫星姿态和不同地面站位置进行综合分析，给出两个卫星数传天线的可见性进行分析结果以及天线使用策略；

b.能够根据具体成像任务需要，验证在指定卫星姿态和地面站接收情况下，卫星数传天线是否存在使用策略情况，并给出可见性进行分析结果以及天线使用策略；

c.能够根据卫星的姿态情况，计算卫星数传天线指向角度及数传天线预置时间；

(5)任务预规划模块负责将每个采集单或任务中指定的区域拆分为网格编码，计算可观测的时间窗口和侧摆角，将任务分解成元任务和条带，为任务规划算法提供输入。主要功能包括：

a.根据任务要求，将每个采集单的区域拆分为网格编码。区域拆分指通过将观测区域与经纬度网格进行匹配，获取观测区域所占网格集合；计算可观测的时间窗口和侧摆角，将任务分解成元任务和条带。根据轨道数据信息，获取在采集单中要求的时间段内经过区域网格的时间窗口和侧摆角，将任务按对应的时间窗口和覆盖的区域分解成元任务和条带，为任务规划算法提供输入。

(6)任务规划模块负责约束检查，以及依据任务需求执行任务编排，生成卫星的工作方案，并能够依据优先级对任务冲突进行消解与调整。主要功能包括：

a.依据各卫星的对地观测能力以及载荷特点，执行任务编排，生成卫星对观测目标的观测预案；

b.依据地面站的数据接收能力和星上固存的存储状态，执行多站数据下传任务编排，生成回放预案和地面站的数据接收预案；

c.考虑卫星的能量约束、固存约束、载荷约束以及指令模板约束等各项约束限制，对规划预案进行分析检测，剔除不满足约束条件的预案，保证卫星与地面系统的安全；

d.调用最新的轨道数据和气象云量预报数据，对预案执行云量检查(根据气象统计结果，该值设定为75％，系统也支持用户手动修改)，对地面目标的成像清晰度和可见性进行分析；如图4所示，为系统全球云量显示效果图。

e.依据特定策略(如：区域重复覆盖率最低或区域整体覆盖率最大等)，对规划预案进行优选，筛选出最为满足优选策略的预案集合，生成规划方案，以此提升星地资源的使用效益；

f.能够支持新任务的插入式规划，当新任务与已有任务发生冲突时，能够自动完成冲突消解，并按照优先级策略对已有任务进行调整，保证星地资源使用率的最大化；

(7)将规划成功的卫星成像方案在卫星指令上注前发给卫星控制系统；同时将对应的接收方案发送给地面接收站。

对于(1)需求管理模块：收集观测需求，根据系统实际运行情况对提交的观测需求进行审批(系统受理审批通过的观测需求)；实时更新每个观测需求的处理情况；

(1)执行轨道计算，使用升交点数据分别计算卫星在某一段时间内的星历和星下点、天文时间，计算地面站的可用接收弧段，并且外推计算卫星在某一段时间内(系统设计为7天，该设计可由系统操作员修改)的进出站时间。

(2)实传和准实传模式下，考虑到卫星数传天线可能会被太阳翼遮挡，以及两副数传天线之间可能存在遮挡，根据不同时刻的卫星姿态与地面站位置关系进行遮挡和可用性分析，给出卫星数传天线的在某一时刻的可见性分析结果以及使用策略。

卫星数传天线之间可能存在的遮挡如如图5所示，其中图为卫星天线被太阳翼所遮挡的示意图。在对每副天线进行可下传时间段计算基础上，再对数传天线下传活动进行遮挡分析，如下表所示。表1表示卫星数传天线使用策略。

表1

(3)任务预规划将每个采集单的区域拆分为网格编码，将观测区域与经纬度网格进行匹配(本方案中采用圆锥投影，以经纬度网格精度为5°＊5°为例)，获取观测区域每个条带内的网格编号集合；根据轨道数据信息计算经过区域网格的时间窗口和侧摆角情况下的可成像网格编号集合。图6观测区域的条带示意图，表2观测区域的卫星成像时间窗口；表3目标区域内的网格数计算结果。

表2

表3

(4)依据各卫星的对地观测能力以及载荷特点，进行卫星成像目标区域云量检查，去掉云量不满足已设置阈值的方案(系统默认的云量阈值为75％，该数值可由用户自行设置)，按照成像时间和侧摆角执行任务编排(同一成像时间方案，侧摆角由小到大排序，侧摆角越小，成像质量越好)，生成卫星对观测目标的观测方案。图7目标区域的云量叠加示意图，表4执行约束检查后符合条件的成像方案。

Claims (2)

1.一种适用于气象信息辅助卫星成像任务规划方法，其特征在于：具体包含如下步骤：

步骤1，收集观测需求，并对收集的观测需求进行审批；

步骤2，执行轨道计算，分别计算卫星在某一特定时间段内的星历和星下点、天文时间，计算地面站的可用接收弧段，且外推计算卫星在特定时间内的进出站时间；

步骤3，根据不同卫星姿态和不同地面站信息进行遮挡和可用性分析，给出卫星数传天线的可见性分析结果以及使用策略；

步骤4，任务预规划将每个采集单的区域拆分为网格编码，将观测区域与经纬度网格进行匹配，获取观测区域每个条带内的网格集合；进而根据轨道数据信息计算经过区域网格的时间窗口和侧摆角；

步骤5，依据设置的云量阈值，进行卫星成像目标区域云量检查，生成卫星对观测目标的观测方案；

步骤6，将成像方案和接收方案在卫星上注时间前分别发送给卫星控制系统和地面接收站。

2.一种适用于气象信息辅助卫星成像任务规划系统，其特征在于：

观测需求管理模块，用于收集观测需求并对其进行审批，实时更新每个观测需求的处理情况；

轨道计算模块，用于对卫星的轨道进行计算和预报，为任务规划、仿真显示提供数据支持；

接收资源规划模块，用于从数据库获取接收弧段规划所必需的参数，对卫星过站弧段进行接收编排规划；

卫星数传天线遮挡分析模块，用于在数传天线跟踪地面数据接收站的过程中，对数传天线的可用性和遮挡情况进行分析；

任务预规划模块，用于将每个采集单或任务中指定的区域拆分为网格编码，计算可观测的时间窗口和侧摆角，将任务分解成元任务和条带，为任务规划算法提供输入；任务规划模块，用于约束检查，以及依据任务需求执行任务编排，生成卫星的工作方案，并能够依据优先级对任务冲突进行消解与调整；

计划下发模块，用于将规划成功的卫星成像方案在卫星指令上注前发给卫星控制系统，同时将对应的接收方案发送给地面接收站。