CN109783514B - 光学遥感卫星对地面目标的观测时间窗口快速计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学遥感卫星对地面目标的观测时间窗口快速计算方法，包括：事先计算卫星的星下点数据，和卫星在最大侧摆机动后的幅宽的星下点数据，将对应经纬度保存；根据指定任务时间，对星下点数据查询，按星历时间先后顺序进行排序得到最终粗筛结果；根据星历时间是否连续，将结果中星下点数据拆分成不同条带，再根据目标区域或点目标各顶点信息，计算目标区域各顶点与条带数据中各星下点的最短距离，以获取各顶点在星下点轨迹的垂足点；根据垂足点对应星下点轨迹时间，计算观测的开始时间和结束时间；根据目标中心点对应的垂足点计算卫星侧摆角和太阳高度角。本发明同时支持点目标和区域目标的并行访问计算，具有计算速度快、时间复杂度低特点。

Description

光学遥感卫星对地面目标的观测时间窗口快速计算方法

技术领域

本发明属于光学遥感卫星测量技术领域，涉及一种光学遥感卫星对地面目标的观测时间窗口快速计算方法。

背景技术

近年来，随着我国在轨卫星数量的不断增多、卫星能力的不断增强以及用户需求复杂性的不断增加，卫星对地观测任务规划已经逐渐从单星自成系统管理走向多星编队或成星座组网管理。相对于常规观测任务，一些应急观测任务往往需要多颗卫星乃至多个系列卫星进行协同观测，需要卫星快速响应并完成任务，这对卫星任务规划的时效性又提出了更高的要求。快速且精确的得到目标可见性计算结果，才能实现卫星任务规划的快速响应。

计算卫星对地面目标时间窗口的传统方法，采用对卫星轨道连续跟踪采样，逐次判断各采样点处卫星对目标的可观测性的方式计算时间窗口。计算结果虽然精确，但是算法效率很低，计算耗时长，无法满足多颗卫星并发快速计算的需求。

国内对卫星对地面目标观测时间窗口计算的研究相对较少，计算方法各有不足，有的是星上的计算方法，不适合地面计算；有的不能同时支持点目标和区域目标的访问计算；有的时间窗口计算结果误差略大，时间大于1s；还有的需要获取卫星相关信息且进行复杂的方程求解后才能得到精确的结果。

发明内容

发明所要解决的课题是，针对现有的星上的计算方法，不能同时支持点目标和区域目标的访问计算，导致计算效率低下，无法有效保证计算精度的问题。

用于解决课题的技术手段是，本发明提出一种光学遥感卫星对地面目标的观测时间窗口快速计算方法，是一种先粗略搜索再精确计算的观测时间窗口快速计算方法，在保证计算精度的前提下，极大提高了计算速度，同时支持点目标和区域目标的并行访问计算，为多星对地面目标观测时间窗口的计算。

本发明提出的一种光学遥感卫星对地面目标的观测时间窗口快速计算方法，包括以下步骤：

步骤1、计算卫星的星下点数据，保存到数据库中；

步骤2、计算卫星在最大侧摆机动后的幅宽对应的星下点数据，将对应经纬度保存到数据库中；

步骤3、根据指定任务时间，对数据库中的卫星星下点数据进行查询；

步骤4、将查询到的星下点数据，按星历时间先后顺序进行排序得到最终粗筛结果；

步骤5、根据星历时间是否连续，将得到的最终粗筛结果中星下点数据拆分成不同条带；

步骤6、根据拆分的各条带数据，和目标区域或点目标各顶点信息，计算目标区域各顶点与条带数据中各星下点的最短距离，以获取各顶点在星下点轨迹的垂足点；

步骤7、根据各顶点在星下点轨迹的垂足点对应的星下点轨迹时间，计算观测的开始时间和结束时间；

步骤8、根据目标中心点对应的垂足点计算卫星侧摆角和太阳高度角。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤1将计算的星下点数据保存到数据库中，并对数据库中的数据表按月进行分表并添加索引。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤2计算卫星在最大侧摆机动后的幅宽对应的星下点数据，具体为：

步骤2a.获取目标区域相对于卫星飞行轨迹的垂足作为星下点P1和星下点P2，计算从星下点P1到星下点P2的方位角AZ；

步骤2b.根据计算的方位角AZ加减π/2得到垂直方向的方位角AZ′；

步骤2c.确定载荷位置，包括单载荷时载荷位置为星下点P2，双载荷时根据重叠区域计算得到载荷位置；并且根据确定的载荷位置、方位角AZ′和幅宽W可得到幅宽位置星下点P3；

步骤2d.根据卫星高度h和幅宽W，计算卫星在未侧摆情况下幅宽到载荷的夹角α；

步骤2e.根据最大侧摆角β和夹角α，得到卫星在最大侧摆后幅宽到载荷的夹角θ；

步骤2f.根据载荷的夹角θ、卫星高度h和载荷位置处的地球半径R，得到幅宽在侧摆下到载荷的距离D；

步骤2g.根据载荷位置、方位角AZ′和距离D，计算得到幅宽在最大侧摆后的星下点P4。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤3对数据库中的卫星星下点数据进行查询，具体为：

根据目标区域顶点位置计算区域的经纬度极值点，并定义最北点和最南点纬度、最东点和最西点的经度；

根据指定任务时间，查询得到满足查询条件的星下点数据。

发明效果为：

本发明的一种光学遥感卫星对地面目标的观测时间窗口快速计算方法，通过事先计算卫星和卫星在最大侧摆机动后幅宽对应得星下点数据，保存到数据库中，节省了大量的计算时间；通过对卫星星下点数据的快速查询，得到可拍摄到目标区域或点的卫星星下点数据，快速缩小时间窗口的采样范围；通过对时间窗口的精确计算，保证了时间窗口结果计算的准确性；通过多星对地面目标观测时间窗口的并行计算，提高了多星多目标观测时间窗口的计算速度。本发明在保证计算精度的前提下，极大提高了计算速度，同时支持点目标和区域目标的并行访问计算，为多星对地面目标观测时间窗口的计算，提供了一种快速解决方法，具有较低的时间复杂度，避免出现算法效率低、计算耗时长问题。

因此，本发明具有计算速度快、计算精度高、时间复杂度低、支持多星多目标并行计算等特点，并且具有逻辑清晰易懂，灵活度高等优点，特别适用于光学遥感卫星任务规划领域。

附图说明

图1是本发明计算方法的流程示意图。

图2是本发明无侧摆情况下卫星可拍摄范围。

图3是本发明最大侧摆情况下卫星可拍摄范围。

图4是本发明卫星在最大侧摆机动后的幅宽对应的星下点示意图。

图5是本发明计算时间窗口示意图。

图6是本发明计算星下点垂足示意图。

图7是本发明方法与现有方法的对比执行时间曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，本发明设计了一种光学遥感卫星对地面目标的观测时间窗口快速计算方法，本方法主要包括：

步骤1、事先计算卫星的星下点数据，保存到数据库中，供后续使用；

首先，本发明方法对观测时间窗口定义，具体如下：

如图2所示，T为卫星飞行轨迹，W1和W2为卫星的拍摄幅宽，在无侧摆机动的情况下，卫星的可拍摄范围为阴影部分，即W1、W2之间的幅宽范围。

如图3所示，T′为卫星飞行轨迹在最大侧摆情况下偏移后的星下点轨迹，W1′和W2′为卫星在最大侧摆情况下的左右幅宽范围，P1和P2为目标区域相对于卫星飞行轨迹的垂足，阴影面积则为卫星在最大侧摆情况下的可拍摄范围。

由图3可知，卫星在P1点到P2点之间的范围内，由于卫星的可拍摄范围如W1′-W2′之间的阴影区和目标区域有交集，所以卫星可拍摄到目标区域，P1点到P2点之间的时间范围为卫星对目标区域的观测时间窗口。

步骤2、计算卫星在最大侧摆机动后的幅宽对应的星下点数据，将对应经纬度保存到数据库中，供后续使用；此步骤可在夜间等非工作时间进行，可节省大量时间。同时星下点数据按每秒1个点进行入库，并对数据库表按月进行分表并添加索引，这样可提高数据查询效率。

在星下点数据入库的同时，将卫星在最大侧摆后的幅宽对应的星下点数据经纬度存入数据库，见图4所示，具体计算步骤如下：

步骤2a.获取目标区域相对于卫星飞行轨迹的垂足作为星下点P1和星下点P2，计算从星下点P1到星下点P2的方位角AZ；

步骤2b.根据计算的方位角AZ加减π/2得到垂直方向的方位角AZ′；

步骤2c.确定载荷位置，包括单载荷时载荷位置为星下点P2，双载荷时根据重叠区域计算得到载荷位置；并且根据确定的载荷位置、方位角AZ′和幅宽W可得到幅宽位置星下点P3；

步骤2d.根据卫星高度h和幅宽W，计算卫星在未侧摆情况下幅宽到载荷的夹角α；

步骤2e.根据最大侧摆角β和夹角α，得到卫星在最大侧摆后幅宽到载荷的夹角θ；

步骤2f.根据载荷的夹角θ、卫星高度h和载荷位置处的地球半径R，得到幅宽在侧摆下到载荷的距离D；

步骤2g.根据载荷位置、方位角AZ′和距离D，计算得到幅宽在最大侧摆后的星下点P4。

步骤3、根据指定任务时间，对数据库中的卫星星下点数据进行查询，包括：根据目标区域顶点位置计算区域的经纬度极值点，并定义最北点和最南点纬度、最东点和最西点的经度，具体如下：

需要考虑卫星升、降轨和是否过逆子午线的情况，对数据库中指定任务时间段的卫星星下点数据进行查询；定义数据库中存储的在最大侧摆后的左侧星下点经纬度为leftlat和leftlon，右侧星下点经纬度为rightlat和rightlon。

根据目标区域顶点位置计算区域的经纬度极值点，定义最北点和最南点纬度为northlat和southlat，最东点和最西点的经度为eastlon和westlon。

步骤3a.在降轨时，查询条件需同时满足以下几点：

(1)星下点时间满足任务开始结束时间；

(2)当前为降轨；

(3)leftlat≥southlat且rightlat≤northlat；

(4)leftlon<rightlon且rightlon≥westlon且leftlon≤eastlon；

考虑存在跨逆子午线的情况，当westlon和eastlon<0时，分别进行+360度的处理，同时第4条查询条件换为leftlon>rightlon且(rightlon+360)≥westlon且leftlon≤eastlon。

步骤3b.在升轨时，查询条件需同时满足以下几点：

(1)星下点时间满足任务开始结束时间；

(2)当前为降轨；

(3)rightlat≥southlat且leftlat≤northlat；

(4)leftlon<rightlon且rightlon≥westlon且leftlon≤eastlon；

考虑存在跨逆子午线的情况，当westlon和eastlon<0时，分别进行+360度的处理，同时第4条查询条件换为leftlon>rightlon且(rightlon+360)≥westlon且leftlon≤eastlon。

步骤3c.然后，根据指定任务时间，查询得到满足查询条件的星下点数据。

步骤4、将查询到的星下点数据，按星历时间先后顺序进行排序得到最终粗筛结果。

步骤5、根据星历时间是否连续，将得到的最终粗筛结果中星下点数据拆分成不同条带。

对于点目标来说，可将点目标扩充成具有4个顶点的一个极小的区域目标，然后进行上述计算。

步骤6、根据拆分的各条带数据，和目标区域或点目标各顶点信息，计算目标区域各顶点与条带数据中各星下点的最短距离，以获取各顶点在星下点轨迹的垂足点。

步骤7、根据各顶点在星下点轨迹的垂足点对应的星下点轨迹时间，计算观测的开始时间和结束时间；

该时间窗口的计算如图5所示，设定由步骤6得到区域目标的各个顶点以及区域与卫星观测条带的交点为P1-Pn，并从各点向卫星星下点轨迹坐垂线，垂足点为P1′-Pn′，然后进行时间窗口的计算，确定卫星对指定区域观测时的起止时间。

其中，所述垂足点P1′-Pn′具体点的具体求法可参见图6所示，按照卫星的飞行方向，观测条带与观测区域相交，对所有交点以及区域目标的顶点向星下点轨迹做垂足。以P1点对应的垂足点求法为例，在卫星星下点轨迹上，选择与P1坐标相近的多个点，如图中给出的P′、P″P″′，分解计算线段P1P1′、P1P1″以及P1P1″′三个线段的长度，使线段长度最短的点即为垂足，然后根据该点对应的星下点轨迹的时间求出观测的开始时间和结束时间。

对于某一感兴趣的点目标来说，可以根据上述方法确定某一点的访问时间。

步骤8、根据目标中心点对应的垂足点计算卫星侧摆角和太阳高度角。

为了验证本发明方法能够有效处理多星对地面目标观测时间窗口的计算，特进行测试试验的验证。

本测试实验中，分别设定卫星数目和目标数目为：1、10、20、50、100，其中目标点为全球均匀分布，对7天内的观测时间窗口进行计算，比较了本发明方法和传统跟踪传播法的计算速度。

经过计算，本发明算法和传统算法计算出的可见时间窗口个数相同，由于卫星指令时间执行只支持整秒数，所以时间窗口起止时间精确到秒，经统计，两种算法计算出的各时间窗口起止时间也相同。

由图7可知，由传统跟踪传播算法计算量大，计算时间在几十秒到百秒量级，而随着任务规模的增大，执行曲线近似呈指数增长；而本发明算法的执行时间基本上随着目标数的增长成线性增长，能够有效处理多星对地面目标观测时间窗口的计算，优势明显。

综上，本发明在保证计算精度的前提下，极大提高了计算速度，同时支持点目标和区域目标的并行访问计算，具有计算速度快、计算精度高、时间复杂度低、支持多星多目标并行计算等特点，特别适用于光学遥感卫星任务规划领域。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种光学遥感卫星对地面目标的观测时间窗口快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、计算卫星的星下点数据，保存到数据库中；

步骤2、计算卫星在最大侧摆机动后的幅宽对应的星下点数据，将对应经纬度保存到数据库中；

步骤3、根据指定任务时间，对数据库中的卫星星下点数据进行查询；

步骤4、将查询到的星下点数据，按星历时间先后顺序进行排序得到最终粗筛结果；

步骤5、根据星历时间是否连续，将得到的最终粗筛结果中星下点数据拆分成不同条带；

步骤6、根据拆分的各条带数据，和目标区域或点目标各顶点信息，计算目标区域各顶点与条带数据中各星下点的最短距离，以获取各顶点在星下点轨迹的垂足点；

步骤7、根据各顶点在星下点轨迹的垂足点对应的星下点轨迹时间，计算观测的开始时间和结束时间；

步骤8、根据目标中心点对应的垂足点计算卫星侧摆角和太阳高度角。

2.根据权利要求1所述光学遥感卫星对地面目标的观测时间窗口快速计算方法，其特征在于，所述步骤1将计算的星下点数据保存到数据库中，并对数据库中的数据表按月进行分表并添加索引。

3.根据权利要求1所述光学遥感卫星对地面目标的观测时间窗口快速计算方法，其特征在于，所述步骤2计算卫星在最大侧摆机动后的幅宽对应的星下点数据，具体为：

步骤2a.获取目标区域相对于卫星飞行轨迹的垂足作为星下点P1和星下点P2，计算从星下点P1到星下点P2的方位角AZ；

步骤2b.根据计算的方位角AZ加减π/2得到垂直方向的方位角AZ′；

步骤2c.确定载荷位置，包括单载荷时载荷位置为星下点P2，双载荷时根据重叠区域计算得到载荷位置；并且根据确定的载荷位置、方位角AZ′和幅宽W可得到幅宽位置星下点P3；

步骤2d.根据卫星高度h和幅宽W，计算卫星在未侧摆情况下幅宽到载荷的夹角α；

步骤2e.根据最大侧摆角β和夹角α，得到卫星在最大侧摆后幅宽到载荷的夹角θ；

步骤2f.根据载荷的夹角θ、卫星高度h和载荷位置处的地球半径R，得到幅宽在侧摆下到载荷的距离D；

步骤2g.根据载荷位置、方位角AZ′和距离D，计算得到幅宽在最大侧摆后的星下点P4。

4.根据权利要求1所述光学遥感卫星对地面目标的观测时间窗口快速计算方法，其特征在于，所述步骤3对数据库中的卫星星下点数据进行查询，具体为：

根据目标区域顶点位置计算区域的经纬度极值点，并定义最北点和最南点纬度、最东点和最西点的经度；

根据指定任务时间，查询得到满足查询条件的星下点数据。

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