CN111310301B - 一种基于分级目标函数的空间目标可见性区域探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于目标函数的空间目标可见性区域探测方法，属于空间目标探测技术领域，该方法能够进行多类型约束条件下的可见性区域探测。包括如下步骤：根据待分析时间和两个以上的目标可见性边界条件，选择任一目标，针对每一目标可见性边界条件均建立目标函数。分析每个目标函数的最短单调区间，按照最短单调区间从长到短对目标函数进行排序，得到分级求解顺序；按照分级求解顺序顺次选取当前目标函数。求解当前目标函数的所有零值点，对于相邻零值点，若其中间时刻A的目标函数值处于目标可见性边界内、且不与目标可见性边界值相等，则该相邻零值点为当前目标函数的可见性区域。所有目标函数的可见性区域合并组成可见性探测时间段。

Description

一种基于分级目标函数的空间目标可见性区域探测方法
技术领域
本发明涉及空间目标探测技术领域，具体涉及一种基于分级目标函数的空间目标可见性区域探测方法。
背景技术
广域空间目标探测设备是支撑空间目标监视能力提升的基础，在设备的论证、设计、仿真、研制、试验和评估等各个阶段，都需要利用目标轨道和尺寸进行广域空间监视设备的可见性分析，准确预估目标探测时刻相对于设备的位置、速度、信噪比等测量参数，为探测数据比对分析提供参考。因此，广域空间监视设备对空间目标的探测可见性分析计算十分重要，一方面需要加快对大批量目标的运算速度，另一方面需要解决可见性计算的准确度，防止漏报和多报。
大部分设备的真实探测空域复杂，参数约束较多，典型的约束条件包括：距离、轨道高度、俯仰角、方位角、搜索屏、矩形视场、目标信噪比等，这些都会影响可见性预估的准确度，同时，约束条件越多，计算速度越慢，难以满足评估时效性的要求。传统的目标探测参数逐点预报比对，再进行二分法寻找区域边界，虽然原理简单，但是对于大批量目标的多条件约束计算，步长选择必须较小，计算速度基本难以满足快速评估要求。此外，由于空间目标的可见性函数无解析表达式，各个函数值均需要通过目标与观测设备之间的相对位置、速度、角度等相对关系进行数值计算，在可见性求解过程中，急需借助通用的快速数值优化算法提升计算效率。
结合空间目标监视应用需求，寻找一种适用于多类型约束条件的快速、准确的空间目标可见性分析方法，对于广域空间目标探测设备的研制建设十分必要。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于分级目标函数的空间目标可见性区域探测方法，能够进行目标函数的空间目标可见性分级求解方法，能够进行多类型约束条件下的可见性区域探测。
为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：
步骤1、根据待分析时间[ts,te]和两个以上的目标可见性边界条件，选择任一目标，针对每一目标可见性边界条件均建立目标函数。
ts，te分别表示待分析时间的起点和终点。
步骤2、分析每个目标函数的最短单调区间，按照最短单调区间从长到短对目标函数进行排序，得到分级求解顺序；按照分级求解顺序顺次选取当前目标函数。以所述待分析时间[ts,te]作为当前求解时段。
步骤3、在当前求解时段内，求解当前目标函数的所有零值点，取其中的相邻零值点的中间时刻的目标函数值，若存在中间时刻A的目标函数值处于目标可见性边界内、且不与目标可见性边界值相等，则中间时刻A对应的相邻零值点为当前目标函数的可见性区域，获取当前目标函数的所有可见性区域。
步骤4、以当前目标函数的所有可见性区域的并集更新当前求解时段，按照分级求解顺序顺次选取下一目标函数以更新当前目标函数，重复步骤3，直至得到所有目标函数的可见性区域。
所有目标函数的可见性区域合并组成可见性探测时间段。
进一步地，目标可见性边界条件为以下两项或两项以上的组合：
距离门限Range的边界、方位角度Azimuth的边界、俯仰角度Elevator的边界、信噪比SNR的边界以及太阳光照角度U的边界。
进一步地，针对每一目标可见性边界条件均建立目标函数，具体为：
目标函数为：
Figure BDA0002369129010000031
f(t)为目标相对于探测设备的观测函数，t为时刻；
[Xmin,Xmax]为目标可见性边界条件，Xmin表示目标可见性边界的下界，Xmax表示目标可见性边界的上界。
进一步地，求解当前目标函数的所有零值点，具体为：对当前目标函数采用布伦特法BRENT或黄金分割法求解所有零值点，且在求解过程中，以当前目标函数的最短单调区间的长度作为分段求解零值点的步长。
有益效果：
1、本发明实施例提供了一种基于目标函数的空间目标可见性区域探测方法，是一种空间目标可见性分级求解方法。该方法的核心是根据探测设备对目标可见性边界条件，构建目标函数，通过分段快速求解目标函数的零点，判断可见性区域。在此基础上，根据多个约束条件，分级求解可见性区域，实现在多类型目标可见性边界条件下的批量目标快速可见性计算，从而支撑广域空间目标监视设备的仿真论证和效能评估。
2、本发明提供的方法中，根据可见性边界条件确定分级约束次序，逐级压缩可见性区域时段，避免重复计算，加快可见性运算速度，提升分析效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于目标函数的空间目标可见性区域探测方法流程图；
图2为距离约束条件下的目标函数起伏示例图；
图3为仰角约束条件下的目标函数起伏示例图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于分级目标函数的空间目标可见性区域探测方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1、根据待分析时间[ts,te]和两个以上的目标可见性边界条件，选择任一目标，针对每一目标可见性边界条件均建立目标函数。
ts，te分别表示待分析时间的起点和终点。
该步骤中，已知信息包括目标轨道参数、设备位置和指向参数等，目标轨道参数一般包括轨道六根数或者星历数据形式，设备位置和指向信息形式包括地固坐标系下的地基设备固定点位、船载或者天基设备的运动位置时间序列等。
计算目标相对于设备的观测函数变量f(t)，f(t)能够由t时刻的目标位置矢量r和速度矢量v，测站位置矢量R和速度矢量V，设备指向矢量Θ等求解得到。而通过已知信息可以计算同一坐标系下的任意t时刻的目标位置矢量r和速度矢量v，测站位置矢量R和速度矢量V，设备指向矢量Θ等。
在此基础上，比较目标函数与目标可见性边界条件[Xmin,Xmax]的要求，其中Xmin表示约束下界，Xmax表示约束上界，常用的可见性边界条件X包括距离门限Range、方位角度Azimuth、俯仰角度Elevator,信噪比SNR，太阳光照角度U、搜索屏和矩形视场等，本发明实施例中可以从上述可见性边界条件中选取任意两个或两个以上的条件即可，从而快速分析在某个时间段范围内的[ts,te]的可见性区域[tmin,tmax]，其中ts，te分别表示待分析时间的起点和终点，tmin，tmax分别表示可见性区域的起点和终点。
对每个可见性条件建立目标函数方程：
Xmin≤f(t)≤Xmax (1)
上述方程可转化为求零值点问题
-f(t)+Xmin≤0&f(t)-Xmax≤0 (2)
其区域边界tmin，tmax出现在-f(t)+Xmin＝0和f(t)-Xmax＝0的位置，为此，只需求解非线性方程的零值点即可。一般的非线性函数的零值点快速求解方法都会转换为通用的目标函数绝对值的一维极小值求解问题，即
Figure BDA0002369129010000051
其中t∈[ts,te]。
图2示出了距离约束条件下的目标函数起伏示例；图3示出了仰角约束条件下的目标函数起伏示例。
步骤2、分析每个目标函数的单调区间，按照单调区间从长到短对目标函数进行排序，得到分级求解顺序；按照分级求解顺序顺次选取当前目标函数。以所述待分析时间[ts,te]作为当前求解时段；
步骤3、在当前求解时段内，求解当前目标函数的所有零值点，取其中的相邻零值点的中间时刻的目标函数值，若存在中间时刻A的目标函数值处于目标可见性边界内、且不与目标可见性边界值相等，则中间时刻A对应的相邻零值点为当前目标函数的可见性区域；获取当前目标函数的所有可见性区域。
利用BRENT、黄金分割法，Goldstein法等最优化算法即可求解当前目标函数的所有零值点。在求解当前目标的所有零值点时，以当前目标函数的单调区间的长度作为分段求解零值点的步长。
相邻零值点tmin，tmax求取后，判断非线性方程在中间时刻tmid＝(tmin+tmax)/2的数值，若满足
-f(t)+Xmin<0&f(t)-Xmax<0 (4)
则该时间段[tmin,tmax]就是在当前可见性边界条件约束下的可见区域。
由于每个待分析时间段内的零值点会有多个，属于非单调目标函数，需要分段求解，为提升运算速度，需要合理划分分段步长。
在探测设备和模式确定的情况下，低轨或者中高轨空间目标的可见性区域都有明确的物理意义，每种约束条件下的可见性区域都有明显的规律，且单调区间都较长，可通过预先描述分析目标函数的单调区间，确定最优分段步长，大幅提升运算效率。
一般来说，目标函数的每个单调变化时间区域都较长，大约可达到1/2轨道周期，目标函数小于0的部分即为满足要求的可见性时间段，因此只需要选择小于最短单调区间的分段步长，计算两点的函数变量值，分析二者否异号，若存在异号，则对该区间[ts,te]利用式快速求解零值点，得到可见区域边界。若运算速度无特殊要求，为确保无遗漏，可适当降低分段步长。
步骤4、以所述当前目标函数的所有可见性区域的并集更新当前求解时段，按照分级求解顺序顺次选取下一目标函数以更新当前目标函数重复步骤3，直至得到所有目标函数的可见性区域；
所有目标函数的可见性区域合并组成可见性探测时间段。
通常情况下，探测可见性的约束条件都较为复杂，可对各个可见性条件分别建立并求解整个时间段的目标函数，合并可见性区域的交集，得到满足所有条件约束下的探测可见性区域。
本发明在进行多条件约束的空间目标可见性计算时，按照各可见性边界条件分级求解，逐级过滤不满足可见性条件的时间段，可大幅提升计算速度。
本发明的步骤2中在确定分级的优先级标准即分级求解顺序时，可以按照各可见性条件下的单调区间分段步长作为参考，首先计算单调区间较长的目标函数，最后计算单调区间起伏剧烈的目标函数，加快零值点的优化收敛速度。根据雷达和光学设备的观测特性，分级策略大致可按照距离约束、俯仰角约束、方位角约束、视场约束、信噪比约束、天光地影约束等顺序进行分级，若某一约束条件下无可见时段，则无需进入其余约束条件计算，大幅降低分析复杂度。
针对本发明实施例给出的一种基于目标函数的空间目标可见性区域探测方法，本发明给出如下实例：
以先计算距离约束，后计算仰角约束为例对其说明。设某地基雷达，雷达阵面垂直天顶，主要可见性约束条件为7天内的Range≤6000Km作用距离，俯仰角Elevator≥30°。首先通过惯性系到地固坐标系的坐标旋转矩阵RECI→ECF将目标任意t时刻的目标位置矢量r(t)转换为地坐标系矢量，减去测站地固坐标系矢量R后，得到观测矢量：
[x(t),y(t),z(t)]T＝RECI→ECF×r(t)-R (5)
其中，x(t)，y(t)，z(t)表示t时刻的三维观测矢量，[·]T表示矩阵转置。根据以上关系按照式(3)先建立距离约束下的目标函数:
Figure BDA0002369129010000071
采用Goldstein法快速求解所有极小值零点，选择各零值中点时刻满足式(4)的N个弧段{[tmin(1),tmax(1)],[tmin(2),tmax(2)],…,[tmin(N),tmax(N)]}作为6000km距离约束下的可见弧段。在此基础上逐个对第i,i＝1,2,…N个弧段求解30°俯仰角约束:
Figure BDA0002369129010000072
对式(7)再次最优化求解零值，选择满足式(4)约束的可见弧段，得到最终分级求解后的可见区域。通过以上方法建立各类约束条件的目标函数，按照分级优化求解方法就能快速且准确的计算各类广域探测设备对批量目标的可见性，对于设备仿真和评估具有重要意义。
表1为可见性分级求解结果示例，如表1所示，同时多个条件约束下计算交集时间段，每个弧段的可见时长都较大，运算时间明显较长，相比而言，分级求解的弧段平均时长成倍缩减，部分弧度直接去除后不进入下一条件约束计算，运算时间也成倍递减，可见性计算效率大幅提升。
表1
Figure BDA0002369129010000081
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于分级目标函数的空间目标可见性区域探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、根据待分析时间[ts,te]和两个以上的目标可见性边界条件，选择任一目标，针对每一目标可见性边界条件均建立目标函数；
ts，te分别表示待分析时间的起点和终点；
步骤2、分析每个目标函数的最短单调区间，按照最短单调区间从长到短对目标函数进行排序，得到分级求解顺序；按照所述分级求解顺序顺次选取当前目标函数；以所述待分析时间[ts,te]作为当前求解时段；
步骤3、在当前求解时段内，求解当前目标函数的所有零值点，取其中的相邻零值点的中间时刻的目标函数值，若存在中间时刻A的目标函数值处于目标可见性边界内、且不与目标可见性边界值相等，则中间时刻A对应的相邻零值点为当前目标函数的可见性区域；获取当前目标函数的所有可见性区域；
步骤4、以所述当前目标函数的所有可见性区域的并集更新当前求解时段，按照所述分级求解顺序顺次选取下一目标函数以更新当前目标函数，重复步骤3，直至得到所有目标函数的可见性区域；
所有目标函数的可见性区域合并组成可见性探测时间段。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标可见性边界条件为以下两项或两项以上的组合：
距离门限Range的边界、方位角度Azimuth的边界、俯仰角度Elevator的边界、搜索屏的边界、矩形视场的边界、信噪比SNR的边界以及太阳光照角度U的边界。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，针对每一目标可见性边界条件均建立目标函数，具体为：
所述目标函数为：
Figure FDA0002369126000000021
f(t)为目标相对于探测设备的观测函数，t为时刻；
[Xmin,Xmax]为目标可见性边界条件，Xmin表示目标可见性边界的下界，Xmax表示目标可见性边界的上界。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述求解当前目标函数的所有零值点，具体为：对所述当前目标函数采用布伦特法BRENT或黄金分割法求解所有零值点，且在求解过程中，以当前目标函数的最短单调区间的长度作为分段求解零值点的步长。
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