CN111695237A - 面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法及系统，包括时间窗口计算、卫星与区域相对位置判断、可变幅宽区域划分、条带信息计算以及筛选更新条带集合。本发明针对在先问题，提出一种面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法，具有同时适用于多颗卫星任务规划问题的特点。本发明采用选择卫星的观测侧摆角来实现对区域目标分解中的条带的划分，地表观测条带的位置取决于卫星观测地面目标的侧摆角。本发明可以在任务规划规定的时段内对卫星的观测摆角进行规划，能够得到若干条各自独立的观测条带集合，进而实现对区域目标的划分。本发明方法普适性高，使用条件宽松，操作过程简单，不易引入误差，可实现对区域的快速划分。

Description

面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法及系统

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体地，涉及一种面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法及系统。

背景技术

近年来，随着空间信息技术的发展，形成了由不同型号、不同类型、不同用途的多颗对地观测卫星联合组网的多星联合对地观测系统。为提高卫星的工作效率及卫星有效载荷的利用率，统筹优化卫星系统的观测任务并降低运行成本，需要进行卫星任务规划调度来制定高效的观测任务计划。

由于卫星运行于一定的轨道高度，星载遥感器的视场角有限，同一时刻遥感器只能观测有限的地面区域。对于地面较大的区域目标，不能被卫星的单个观测条带覆盖，在进行卫星观测前，必须以多个观测条带进行分解，即将区域目标分解为卫星单次可以执行的元任务。区域分解的方式在某种意义上决定了卫星对区域目标的观测效率，研究高效的区域目标分解技术意义重大。因此，有必要开发一种高效的区域目标分解方法，提高多星的观测效率。

目前关于区域目标分解方法，主要有静态分解方法和动态分解方法，静态区域分解方法主要基于预定义参考坐标系划分或者固定卫星幅宽划分，动态分解方法主要基于动态卫星幅宽或者卫星视场角进行分解(阮启明.面向区域目标的成像侦察卫星调度问题研究[D].长沙：国防科学技术大学，2006)。基于预定义参考系分解比较适合于框幅式成像卫星，对于依赖阵列探测器推扫成像的卫星，一般以条带形式实现对目标的分解，该分解方法没有考虑卫星姿态带来的幅宽变化。对于可变幅宽的要求是必要的，卫星姿态的机动引起遥感器实际的地面幅宽与正视幅宽存在不可忽视的差异(郭雷.敏捷卫星调度问题关键技术研究[D].武汉：武汉大学，2015)。如Pleiades-1A卫星，其正视幅宽为20km，但是当其姿态机动，当侧摆角达到40°并且俯仰角达到40°时，此时的幅宽能达到47.4km，是正视幅宽的两倍多。所以，当以固定正视幅宽进行区域分解时，少算了幅宽变化的影响，会错误地导致整体观测效益的下降，而本发明恰好弥补以往方法的不足，可对区域目标进行高效率地分解。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法及系统。

根据本发明提供的一种面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法，包括如下步骤：

时间窗口计算步骤：根据卫星s和区域目标area的空间位置关系，计算卫星对区域目标的可见时间窗口集合；

相对位置判断步骤：选取时间窗口集合中的第k个时间窗口，判断卫星s和区域目标area的相对位置关系，并进入区域目标划分步骤；

区域目标划分步骤：计算卫星s对于区域目标area的最大侧视半角maxg所在的区域目标顶点Vmax，最小侧视半角ming所在的区域目标顶点为Vmin或者第二大侧视半角max2g所在的区域目标顶点为Vmax2，卫星以最大侧视半角maxg或者第二大侧视半角max2g进行条带的划分；

条带信息计算步骤：条带划分结束，记录每条条带对应的侧摆角、条带中心起始经纬度坐标以及条带四个顶点的坐标信息；

筛选更新步骤：判断每条条带需要的侧摆角是否超出了卫星最大机动滚转角的范围rollangle，若条带需要的侧摆角大于rollangle，则删除数据中存储的条带信息，否则，条带符合要求，输出区域目标的分割结果。

优选地，采用卫星工具包(STK)软件计算时间窗口。

优选地，卫星s每经过一轨均计算卫星s对区域目标area的时间窗口，并最终得到的卫星s对区域目标area的时间窗口集合。

优选地，相对位置判断步骤中，对时间窗口集合中的每一个时间窗口进行相对位置判断。

优选地，区域目标划分步骤包括第一区域目标划分步骤和第二区域目标划分步骤：

第一区域目标划分步骤：计算卫星s对于区域目标area的最大侧视半角maxg所在的区域目标顶点Vmax，最小侧视半角ming所在的区域目标顶点为Vmin，以Vmax为区域目标分解的地理起点进行条带的划分；

第二区域目标划分步骤：计算卫星s对于区域目标area的最大侧视半角maxg所在的区域目标顶点Vmax，第二大侧视半角max2g所在的区域目标顶点为Vmax2，卫星一侧以Vmax为区域目标分解的地理起点，另一侧以Vmax2为区域目标分解的地理起点，分别进行条带的划分。

优选地，第一区域目标划分步骤和第二区域目标划分步骤中划分的条带不等宽。

优选地，所述区域条带的不等宽划分，是对卫星侧摆角进行均匀划分来实现的，不同的侧摆角直接对应地面条带的不同幅宽。

优选地，相对位置判断步骤中，若判断卫星s没有横穿区域目标，则进入第一区域目标划分步骤；若卫星s横穿区域目标，则进入第二区域目标划分步骤。

优选地，所述第一区域目标划分步骤、第二区域目标划分步骤分别是卫星在区域一侧、卫星横穿区域两种情况下的划分步骤，两种情况下的区域分解均是按卫星沿轨方向进行区域条带的分解。

根据本发明提供的一种面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解系统，包括：

时间窗口计算模块：根据卫星s和区域目标area的空间位置关系，计算卫星对区域目标的可见时间窗口集合；

相对位置判断模块：选取时间窗口集合中的第k个时间窗口，判断卫星s和区域目标area的相对位置关系；

区域目标划分模块：计算卫星s对于区域目标area的最大侧视半角maxg所在的区域目标顶点Vmax，最小侧视半角ming所在的区域目标顶点为Vmin或者第二大侧视半角max2g所在的区域目标顶点为Vmax2，卫星以最大侧视半角maxg或者第二大侧视半角max2g进行条带的划分；

条带信息计算模块：条带划分结束，记录每条条带对应的侧摆角、条带中心起始经纬度坐标以及条带四个顶点的坐标信息；

筛选更新模块：判断每条条带需要的侧摆角是否超出了卫星最大机动滚转角的范围rollangle，若条带需要的侧摆角大于rollangle，则删除数据中存储的条带信息，否则，条带符合要求，输出区域目标的分割结果。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明利用对卫星侧摆角的划分来代替对地面条带的直接设置，不同的侧摆角直接对应地面条带的不同幅宽，间接实现了区域分解中可变幅宽的要求。对于可变幅宽的要求是必要的，卫星姿态的机动引起遥感器实际的地面幅宽与正视幅宽存在不可忽视的差异。如Pleiades-1A卫星，其正视幅宽为20km，但是当其姿态机动，当侧摆角达到40°并且俯仰角达到40°时，此时的幅宽能达到47.4km，是正视幅宽的两倍多。所以，当以正视幅宽进行区域目标分解时，少算了幅宽变化的影响，会错误地导致整体观测效益的下降。

2、本发明操作简单，利用STK软件即可实现本方法的功能，且对区域目标的大小没有限制，也不需要在不同坐标系之间反复变换，引入不必要的误差。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为基本星地几何关系示意图

图2为面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法流程图。

图3为卫星星下线在区域目标某一侧的区域划分示意图。

图4为卫星星下线横穿区域目标的区域划分示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

以下结合附图1-4和具体实施例对本发明作进一步描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范畴。

由图2可以看出，本发明提供一种面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法，具体包括如下步骤：

步骤一：时间窗口计算

卫星对地面目标的时间窗口是指卫星经过地面目标的上空，可以与目标进行通讯与数据传输，或是卫星可对地面目标进行观测的时间范围。卫星与地面目标的任何直接信息交换都必须在卫星对该地面目标的时间窗口中。时间窗口计算是一般是根据给定的卫星轨道信息和区域目标的位置信息，采用近似的解析法或者数值方法进行计算。作为优选例，在本发明中，采用航天领域广泛使用的卫星工具包(STK)软件进行可见时间窗口的分析和计算，这样做的好处在于可避免进行复杂的坐标变换与动力学计算，同时可以考虑卫星轨道的各种摄动和实际环境因素的影响，并可把卫星任务要求及星载遥感器约束进行方便考虑在内。

采用STK软件进行可见窗口计算的算法如下：

步骤二：卫星和区域目标相对位置判断

选取步骤二中的一个时间窗口，根据卫星与目标的空间相对位置，判断卫星是否横穿目标区域。

首先获取区域目标中距离卫星星下线最近和最远的区域顶点，如图3和图4所示，均为顶点A和顶点C，分别计算卫星到两个顶点之间得视场半角β_A和β_C。若β_A和β_C同号，说明卫星没有横穿区域目标；若β_A和β_C异号，说明卫星横穿区域目标。

关于视场半角β的计算，可利用星地空间球面几何的相关方法，具体计算如下：

设已知时刻t卫星s的星下点为B，地球表面上任意一点为V，卫星视线方向与点V所在的水平面之间的夹角为E，如图1所示。在平面OVS内，夹角E根据余弦定理为：

式中，ψ角为卫星星下点B与点V之间的地心夹角，r为卫星所在位置当前的轨道高度，R_e为地球半径。又由图中的球面三角形P_NVB，有：

式中，L为点V的地心纬度，θ为点V相对于卫星星下点子午线的经度，

为卫星星下点的地心纬度。

从而，卫星s对地面点V的视线半角β计算如下：

步骤三：条带划分1(卫星在区域目标一侧情况)

上述步骤二中若卫星没有横穿区域目标，即卫星星下轨迹线在区域目标某一侧，如图3所示。将区域目标ABCDE中的A、C顶点作为关键地标信息。按照视场半角计算方法，计算顶点A得的卫星视线半角β_A，记为maxg；同样，计算顶点C得到卫星视线半角β_C，记为ming。以角度区间[ming,maxg]为范围，对卫星侧摆角进行合理划分，如以顶点A所在的地理位置为起点布置一个条带，然后依次在垂直轨道方向按照偏移量Delta逐条地布置条带，直到条带逼近顶点C，完成卫星在该时间窗口内对区域目标ABCDE的元任务划分，例如图3中分为六个元任务。

具体计算方法如下：

以Vmax为区域目标分解的地理起点，对卫星侧摆角从maxg-sensorangle开始规划，其中sensorangle为卫星s的载荷半视场角，接下来以maxg-(2k+1)sensorangle的规律进行划分，k取值为0,1,2,…代表条带的位置，直到maxg-(2k+1)sensorangle小于ming为止，此时的k取值为k_end，判断maxg-(2k_end+1)sensorangle-sensorangle与sensorangle的大小。

若maxg-(2k_end+1)sensorangle-sensorangle小于sensorangle，则条带划分结束，若maxg-(2k_end+1)sensorangle-sensorangle大于sensorangle，则最后的一条条带以角度ming+sensorangle确定划分。

步骤四：条带划分2(卫星横穿区域目标情况)

上述步骤二中若卫星横穿区域目标，如图4所示。同样，将区域目标ABCDE中的A、C顶点作为关键地标信息。按照视场半角计算方法，计算顶点A得的卫星视线半角β_A，记为maxg；同样，计算顶点C得到卫星视线半角β_C，记为ming。因卫星星下轨迹线横穿区域，将角度分为[ming,0]和[0,maxg]两个区间，在两个角度区间分别对卫星侧摆角进行元任务划分。以顶点A所在的地理位置为起点布置一个条带，任何依次布置条带直到逼近卫星星下轨迹线所在的地理位置；再以顶点C为起点，同样的方法布置条带直至逼近星下轨迹线，来完成卫星在该时间窗口内对区域ABCDE的任务分解。

具体计算方法如下：

设最大侧视半角maxg所在的区域顶点为Vmax，第二大侧视半角max2g所在的区域顶点为Vmax2；卫星一侧以Vmax为区域分解的地理起点，对卫星侧摆角从maxg-sensorangle开始规划，以maxg-(2k+1)sensorangle的规律进行接下来的划分，直到maxg-(2k+1)sensorangle小于0止；卫星另一侧以Vmax2为区域分解的地理起点，对卫星侧摆角从max2g-sensorangle开始规划，类似，以max2g-(2k+1)sensorangle的规律进行接下来的划分，直到max2g-(2k+1)sensorangle小于0止。

步骤五：条带信息计算

基于上述步骤三和步骤四的条带划分，记录每条条带对应的侧摆角、条带中心起始经纬度坐标以及条带四个顶点的坐标信息。

步骤六：筛选并更新条带集合

检查每条条带需要的侧摆角是否超出了卫星最大机动滚转角的范围rollangle，若条带需要的侧摆角大于rollangle，则条带不符合要求，删除数据中存储的条带信息；否则，条带符合要求，输出条带信息和区域划分结果。

本发明还提供一种面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解系统，包括：

时间窗口计算模块：根据卫星s和区域目标area的空间位置关系，计算卫星对区域目标的可见时间窗口集合；

相对位置判断模块：选取时间窗口集合中的第k个时间窗口，判断卫星s和区域目标area的相对位置关系；

区域目标划分模块：计算卫星s对于区域目标area的最大侧视半角maxg所在的区域目标顶点Vmax，最小侧视半角ming所在的区域目标顶点为Vmin或者第二大侧视半角max2g所在的区域目标顶点为Vmax2，卫星以最大侧视半角maxg或者第二大侧视半角max2g进行条带的划分；

条带信息计算模块：条带划分结束，记录每条条带对应的侧摆角、条带中心起始经纬度坐标以及条带四个顶点的坐标信息；

筛选更新模块：判断每条条带需要的侧摆角是否超出了卫星最大机动滚转角的范围rollangle，若条带需要的侧摆角大于rollangle，则删除数据中存储的条带信息，否则，条带符合要求，输出区域目标的分割结果。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法，其特征在于，包括如下步骤：

时间窗口计算步骤：根据卫星s和区域目标area的空间位置关系，计算卫星对区域目标的可见时间窗口集合；

相对位置判断步骤：选取时间窗口集合中的第k个时间窗口，判断卫星s和区域目标area的相对位置关系，并进入区域目标划分步骤；

区域目标划分步骤：计算卫星s对于区域目标area的最大侧视半角maxg所在的区域目标顶点Vmax，最小侧视半角ming所在的区域目标顶点为Vmin或者第二大侧视半角max2g所在的区域目标顶点为Vmax2，卫星以最大侧视半角maxg或者第二大侧视半角max2g进行条带的划分；

条带信息计算步骤：条带划分结束，记录每条条带对应的侧摆角、条带中心起始经纬度坐标以及条带四个顶点的坐标信息；

筛选更新步骤：判断每条条带需要的侧摆角是否超出了卫星最大机动滚转角的范围rollangle，若条带需要的侧摆角大于rollangle，则删除数据中存储的条带信息，否则，条带符合要求，输出区域目标的分割结果。

2.根据权利要求1所述的面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法，其特征在于，采用卫星工具包(STK)软件计算时间窗口。

3.根据权利要求1所述的面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法，其特征在于，卫星s每经过一轨均计算卫星s对区域目标area的时间窗口，并最终得到的卫星s对区域目标area的时间窗口集合。

4.根据权利要求1所述的面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法，其特征在于，相对位置判断步骤中，对时间窗口集合中的每一个时间窗口进行相对位置判断。

5.根据权利要求1所述的面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法，其特征在于，区域目标划分步骤包括第一区域目标划分步骤和第二区域目标划分步骤：

第一区域目标划分步骤：计算卫星s对于区域目标area的最大侧视半角maxg所在的区域目标顶点Vmax，最小侧视半角ming所在的区域目标顶点为Vmin，以Vmax为区域目标分解的地理起点进行条带的划分；

第二区域目标划分步骤：计算卫星s对于区域目标area的最大侧视半角maxg所在的区域目标顶点Vmax，第二大侧视半角max2g所在的区域目标顶点为Vmax2，卫星一侧以Vmax为区域目标分解的地理起点，另一侧以Vmax2为区域目标分解的地理起点，分别进行条带的划分。

6.根据权利要求5所述的面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法，其特征在于，第一区域目标划分步骤和第二区域目标划分步骤中划分的条带不等宽。

7.根据权利要求6所述的面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法，其特征在于，所述区域条带的不等宽划分，是对卫星侧摆角进行均匀划分来实现的，不同的侧摆角直接对应地面条带的不同幅宽。

8.根据权利要求5所述的面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法，其特征在于，相对位置判断步骤中，若判断卫星s没有横穿区域目标，则进入第一区域目标划分步骤；若卫星s横穿区域目标，则进入第二区域目标划分步骤。

9.根据权利要求5所述的面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解方法，其特征在于，所述第一区域目标划分步骤、第二区域目标划分步骤分别是卫星在区域一侧、卫星横穿区域两种情况下的划分步骤，两种情况下的区域分解均是按卫星沿轨方向进行区域条带的分解。

10.一种面向卫星对区域覆盖探测仿真的区域分解系统，其特征在于，包括：

时间窗口计算模块：根据卫星s和区域目标area的空间位置关系，计算卫星对区域目标的可见时间窗口集合；

相对位置判断模块：选取时间窗口集合中的第k个时间窗口，判断卫星s和区域目标area的相对位置关系；

区域目标划分模块：计算卫星s对于区域目标area的最大侧视半角maxg所在的区域目标顶点Vmax，最小侧视半角ming所在的区域目标顶点为Vmin或者第二大侧视半角max2g所在的区域目标顶点为Vmax2，卫星以最大侧视半角maxg或者第二大侧视半角max2g进行条带的划分；

条带信息计算模块：条带划分结束，记录每条条带对应的侧摆角、条带中心起始经纬度坐标以及条带四个顶点的坐标信息；

筛选更新模块：判断每条条带需要的侧摆角是否超出了卫星最大机动滚转角的范围rollangle，若条带需要的侧摆角大于rollangle，则删除数据中存储的条带信息，否则，条带符合要求，输出区域目标的分割结果。

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