CN109738928A - 空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法 - Google Patents

Abstract

空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法涉及空间光学卫星动态成像技术领域，解决了现有方法用时较长和效率低下的问题，包括选择多个目标点并获取其地理坐标；将地理坐标转换为地球固联直角坐标；拟合目标点分布的中轴线；沿中轴线作包络圆构成空间脉管，包络圆以卫星幅宽为弦且相切于卫星与卫星幅宽两端连线；对目标点是否在空间脉管内进行判定并统计；根据统计结果判断是否符合标准，符合则完成，否则返回重新拟合中轴线的步骤。本发明达到动态光学成像路径规划的最优设计，大幅提升动态光学成像效率，减少卫星动态成像路径规划的误差，缩短了卫星成像路径规划的用时。

Description

空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法

技术领域

本发明涉及空间光学卫星动态成像技术领域，具体涉及空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法。

背景技术

空间光学成像技术在军事与民用领域的应用正在不断深入，尤其是对空间相机成像指标中的高分辨率和成像幅宽两大指标的迫切需求，受限于空间相机质量，高分辨率相机的成像幅宽一般在几十公里范围内，传统卫星成像规划只能在一个轨道周期内计算一次与沿轨平行方向的长条带区域；而人类聚集的众多典型城市目标均依据山川河流分布，传统目标规划方法对聚集在山川河流等复杂地形的众多目标规划，需要进行多次过境成像规划，不仅用时较长而且效率低下。

发明内容

为了解决现有卫星成像路径规划方法不仅用时较长而且效率低下的问题，本发明提供空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法，包括如下步骤：

步骤一、根据先验知识，选择多个曲线分布式目标点，并获取目标点的地理坐标；

步骤二、将目标点的地理坐标转换为地球固联直角坐标；

步骤三、拟合目标点的地球固联直角坐标得到目标点分布的中轴线；

步骤四、沿中轴线作包络圆，包络圆构成空间脉管，所述包络圆以卫星幅宽为弦，且包络圆相切于卫星与卫星幅宽两端连线所在的直线；

步骤五、对所有目标点是否在空间脉管内进行判定，统计在空间脉管内的目标点的数目得到统计结果；

步骤六、根据统计结果判断是否符合标准，若符合标准则完成卫星成像路径规划，否则返回步骤三重新拟合目标点分布的中轴线。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种以卫星幅宽为限制条件的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划的方法。本发明通过步骤三拟合中轴线，再通过步骤四构建以拟合中轴线为中心线、以卫星幅宽为弦径的空间脉管，完成对众多分布目标点成像空间区域的判定，达到动态光学成像路径规划的最优设计，大幅提升动态光学成像效率。该方法较现有的卫星路径拟合方法更能准确的确定目标点是否在卫星的三维空间探测范围内，设计的动态成像路径可以大幅提高成像效率，最低限度地减少卫星动态成像路径规划的误差。同时该方法不需要进行多次过境成像规划，该方法缩短了卫星成像路径规划的用时。

附图说明

图1为本发明的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法的实施方式一的流程示意图。

图2为本发明的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法的坐标转换关系示意图。

图3为本发明的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法的目标点的空间分布图。

图4为本发明的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法的目标点分布中轴线的三维立体图。

图5为本发明的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法的空间脉管包络剖面几何示意图。

图6为本发明的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径的立体图。

图7为本发明的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径的剖面图。

图8为本发明的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法的目标点与空间脉管包络的位置关系图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法的具体步骤如下，图1为该方法的流程图。

步骤一、根据先验知识，选择曲线分布式目标点并获取曲线分布式目标点的经纬度信息，建立众多分布式目标的地理坐标矩阵

根据先验知识，获取曲线分布式目标点的经纬度信息，建立众多分布式目标的地理坐标矩阵

GPS获取总区域内的所有点的定位信息(经纬度信息)，根据所成像区域，人工提取附属个目标点，所提取的目标点呈曲线分布，本实施方式中提取20个目标点，也就获知了这20个目标点的经纬度信息(即地理坐标)，此时并不能确定目标点是否在卫星能够探测的范围内。

本实施方式中提取目标点的经纬度信息为：

Lon＝[100，120，110，81.45，82，150，91，140，130，85.6，95，160，90，50，130，60，80，115，105，88.96]；

Lat＝[90，27，18，25，15.68，32.56，10，30，23，24，70，85，80，40，60，36，37，75，39，40]。

步骤二、将目标点的地理坐标转换为地球固联直角坐标

图2表示为目标点的地理坐标和目标点的地球固联直角坐标(x,y,z)转换关系，目标点的地理坐标即第一步所获得的目标点的经纬度信息(longitude，latitude)，longitude即上述的Lon，latitude即上述的Lat，目标点的经纬度信息与地球固联直角坐标的转换关系公式如下：

x＝R·cos(latitude)·cos(longitude)

y＝R·cos(latitude)·sin(longitude)

z＝R·sin(latitude)

其中R为地球半径；

将步骤一中的经纬度信息转换为地球固联直角坐标(弧度制)，得到的目标空间分布如图3所示。

步骤三、拟合目标点的地球固联直角坐标得到目标点分布的中轴线

路径拟合是根据需要将感兴趣区域的分布式目标排列规律利用某种方法计算出来，以达到分析、规划的目的，现有的卫星路径拟合方法中多项式拟合使用较为广泛，即通过建立被测目标的横纵坐标之间的多项式关系，来确定目标的分布曲线，进而与沿轨推扫成像轨道与刈幅进行匹配，这就大大限制了规划的范围，无法测算不规则曲线分布目标与卫星探测区域之间的关系。本发明在步骤三后，通过步骤四～六实现测算不规则曲线分布目标与卫星探测区域之间的关系。

本实施方式中采用一次多项式对目标点进行拟合，

所采取的多项式拟合公式为：

x’＝x

y'＝a₁·x+b₁

z'＝a₂·x+b₂

公式中的x为目标点的地球固联直角坐标的横坐标，x’、y’和z'为拟合的中轴线的坐标；a₁、a₂、b₁、b₂均代表拟合参数。利用该公式就得到了目标点分布的中轴线的坐标值。

基于一次多项式对本实施方式的20个目标点进行拟合，拟合多项式如下所示：

x'＝[-2841.5,88.6818]

y’＝-0.3160x-640.8596

z’＝0.2466x+5674.4

拟合后的目标分布中轴线的三维立体图如图4中的直线所示。

步骤四、构建拟合路径空间脉管包络：沿步骤三所拟合的中轴线作包络圆，所有包络圆构成空间脉管，以卫星幅宽作为包络圆的弦，包络圆切于卫星与卫星幅宽两端的连线，即包络圆分别相切与两条直线，一条是卫星与卫星幅宽一端连线所在的直线，另一条是卫星与卫星幅宽另一端连线所在的直线。

卫星对空间分布目标推扫成像为三维空间覆盖，本发明提出构建以卫星幅宽为约束条件的空间脉管，完成对三维空间分布目标点的环型包含。脉管的构建为：沿中轴线，以卫星幅宽为包络圆的弦，作包络圆，包络圆切于卫星与卫星幅宽两端的连线。下面将以几何示意图详细说明包络圆的圆心O和半径r的确定。

如图5所示，包络圆半径r，圆心O可由以下公式计算：

其中，L为卫星幅宽，O为包络圆的圆心，r为包络圆的半径，S为卫星在某一时刻位置，(φ_s,λ_s)为经纬度信息，θ为卫星的视场角(卫星的视场角即指卫星上的空间相机的视场角)。

推导过程如下：

如图5几何关系示意图所示，点A为卫星与卫星幅宽连线的交点，点B为卫星幅宽L的中点，在三角形ABO中有∠OAB＝∠ASB＝θ/2，又有AB＝L/2，则包络圆的半径r计算公式为：

根据三角形半角公式则有

已知卫星在某时刻的经纬度信息为(φ_s,λ_s)，圆心O距离地心的距离设为r'，由图可知r'＝R-BO，在三角形ABO中有，因此因为卫星S与圆心O在同一条直线上，因此圆心O在地球固联直角坐标系下的坐标为(x',y',z')，其中

x'＝r'cosλ_scosφ_s

y'＝r'cosλ_ssinφ_s

z'＝r'sinλ_s

步骤五、对所有目标点是否在空间脉管内进行判定，统计在空间脉管内的目标点的数目得到统计结果

图6表示空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径立体图，虚线C为三维目标分布点的中轴线，虚线D为卫星运动轨迹，由于卫星的视场角有限，考虑到目标点的三维空间信息，卫星实际观测到地表的有效区域可以用图中圆圈覆盖的部分表示。若要剔除不在观测范围内的目标点，例如位于图6中的M区域(三角形)内的点是否在空间脉管包络范围内的区域内，则需要根据卫星的幅宽和卫星的视场角计算出这些目标点到包络圆的圆心距离，若距离超过包络圆的半径，则该目标点可被剔除。

选取某一时刻空间脉管切片区域判定分布式目标是否包络其中。如图7所示，令目标点到圆心的距离为d，若d大于r，目标点位于包络外可被剔除，如图中的目标点t1，它到圆心的距离d1大于r，则被剔除；若d小于等于r，则目标点可被检测，如图4中的目标点t2，它到圆心的距离d2小于r，则目标点被保留。由上述内容可知，图7中的圆外的是应剔除的目标点，圆内的是应保留的目标点。

其中，目标点到圆心的距离d可由以下公式计算：

其中圆心O的坐标如下所示：

按照步骤四的方法作包络如图8所示，图中的星号表示步骤一中选择20个目标点的空间分布(部分目标点在该视角下存在重叠/部分重叠)，小矩形框代表包络圆的圆心，圆(图8的视角下呈现的为椭圆)代表以卫星幅宽为限定因素所绘制的包络圆，从图8可以看出，所选的20个目标点中有2个目标点不在包络内，剩余18个目标点均可以在卫星三维空间探测范围内(空间脉管所包络的范围内)，即统计结果为18个目标点在在空间脉管内。

步骤六、根据统计结果判断是否符合标准，若符合标准则完成卫星成像路径规划，否则返回步骤三重新拟合目标点分布的中轴线。

根据统计结果计算在空间脉管内的目标点与目标点数的比例得到计算结果，根据计算结果判断是否符合标准，本实施方式中目标点总数为20个，在空间脉管内的目标点为18个，在空间脉管内的目标点与目标点数的比例为90％，根据先验知识人为设定标准为比例大于等于90％，则计算结果符合标准，所以步骤三所拟合的中轴线可以用于卫星动态成像路径的规划，则卫星成像路径规划完成。若是不符合标准，返回步骤三重新拟合目标点分布的中轴线，即再进行一次步骤三～六。若目标数增加到2200个，剔除的目标点数也会更多，对卫星动态成像路径的规划准确性提升有很大帮助。

步骤七、卫星成像路径规划曲线的优化

如果想要更精准的卫星成像效果，可以进行步骤六后再进行步骤七，判断步骤三所拟合的曲线哪个更适合作为卫星成像路径规划。

将步骤五中判定的在空间脉管内的所有目标点作为新的目标点，以新的目标点执行步骤三至步骤六，得到新的卫星成像路径规划，对比两次卫星成像路径规划，选择更优的卫星成像路径规划。

例如将18个在空间脉管内的目标点作为新的目标点通过步骤三重新拟合，采用新拟合的中轴线进行步骤四得到新的空间脉管，再判断18个新的目标点是否在新的空间脉管内，假设有17个在新的空间脉管包络内，即新的统计结果是17个，新的计算结果是94.4％(符合标准)，人工或计算机对比两次卫星成像路径规划，即对比两次符合标准的计算结果，选择94.4％对应的步骤三中拟合的中轴线作为最终的卫星成像路径规划。

上述步骤七可多次进行，以实现最优的卫星成像路径规划。即根据在空间脉管内的目标点与目标点数的比例选择最优的卫星成像路径规划。

为实现高分辨率动态光学成像有限幅宽对众多分布式目标的最优覆盖，本发明提出了一种以卫星幅宽为限制条件的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径的方法。本发明通过构建以动态成像拟合路径为中心线、以卫星幅宽为弦径的空间脉管，完成对众多分布目标成像空间区域的判定，达到动态光学成像路径规划的最优设计，大幅提升动态光学成像效率。本发明是首个利用卫星幅宽建立三维空间脉管区域包络众多分布式目标的卫星动态成像路径规划方法。该方法较现有的卫星路径拟合方法更能准确的确定目标点是否在卫星的三维空间探测范围内，设计的动态成像路径可以大幅提高成像效率，最低限度地减少卫星动态成像路径规划的误差。同时该方法不需要进行多次过境成像规划，该方法缩短了卫星成像路径规划的用时。

Claims (8)

1.空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据先验知识，选择多个曲线分布式目标点，并获取目标点的地理坐标；

步骤二、将目标点的地理坐标转换为地球固联直角坐标；

步骤三、拟合目标点的地球固联直角坐标得到目标点分布的中轴线；

步骤四、沿中轴线作包络圆，包络圆构成空间脉管，所述包络圆以卫星幅宽为弦，且包络圆相切于卫星与卫星幅宽两端连线所在的直线；

步骤五、对所有目标点是否在空间脉管内进行判定，统计在空间脉管内的目标点的数目得到统计结果；

步骤六、根据统计结果判断是否符合标准，若符合标准则完成卫星成像路径规划，否则返回步骤三重新拟合目标点分布的中轴线。

2.如权利要求1所述的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法，其特征在于，根据统计结果计算在空间脉管内的目标点与目标点数的比例得到计算结果，根据计算结果判断是否符合标准。

3.如权利要求2所述的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法，其特征在于，所述标准为在空间脉管内的目标点与目标点数的比例大于等于90％。

4.如权利要求1所述的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法，其特征在于，在所述步骤六之后还包括优化卫星成像路径规划的步骤。

5.如权利要求4所述的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法，其特征在于，优化卫星成像路径规划具体为：将步骤五中判定的在空间脉管内的所有目标点作为新的目标点，以新的目标点执行步骤三至步骤六，得到新的卫星成像路径规划，对比两次卫星成像路径规划，选择更优的卫星成像路径规划。

6.如权利要求1所述的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法，其特征在于，所述步骤三中的拟合为采用多项式拟合。

7.如权利要求6所述的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法，其特征在于，所述步骤三中的拟合为采用一次多项式拟合。

8.如权利要求7所述的空间脉管包络分布式三维目标的卫星成像路径规划方法，其特征在于，一次多项式为：

x'＝x

y'＝a₁·x+b₁

z'＝a₂·x+b₂

式中的x为目标点的地球固联直角坐标的横坐标，x'、y'和z'为拟合的中轴线的坐标，a₁、a₂、b₁、b₂均为拟合参数。