CN111985132B

CN111985132B - 一种基于gis的卫星覆盖域快速仿真方法

Info

Publication number: CN111985132B
Application number: CN202010802008.5A
Authority: CN
Inventors: 吕林立; 李文皓; 张珩; 肖歆昕; 冯冠华; 赵志杰
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2024-04-02
Anticipated expiration: 2040-08-11
Also published as: CN111985132A

Abstract

本发明公开了一种基于GIS的卫星覆盖域快速仿真方法，具体为：计算卫星对地覆盖域和对空覆盖域的地心角，由球面三角公式得所述星下点的地心经度和地心纬度；求解卫星对地覆盖域和对空覆盖域边界的空间数据模型；对所述卫星对地覆盖域和所述对空覆盖域的边界的空间数据模型依次进行分类修正和墨卡托投影处理，以获得覆盖域边界在墨卡托图上的空间数据模型；通过GIS制图技术处理覆盖域边界在墨卡托图上的空间数据模型，获得卫星对天球的覆盖域墨卡托投影图，以及叠加多颗卫星覆盖域生成的星座覆盖图像。通过对覆盖域边界的空间数据模型进行分类修正，使其可以直接基于方位角算法创建覆盖域边界几何对象进行区域填充，无需对区域内逐点进行覆盖性判定。

Description

一种基于GIS的卫星覆盖域快速仿真方法

技术领域

本发明涉及卫星组网通信技术领域，具体涉及一种基于GIS的卫星覆盖域快速仿真方法。

背景技术

卫星覆盖分析广泛应用于卫星任务规划、侦察、星座设计等航天任务中。卫星覆盖域在二维地图上的可视化显示将有利于卫星及星座的覆盖性分析，目前覆盖域可视化多基于网格点法实现，该方法是基于网格划分覆盖区域，逐点求解覆盖性，采样覆盖结果的基本思路，由于其覆盖性分析过程中采用逐点计算。

因此覆盖性精度模拟与网格划分紧密耦合，网格划分细密时覆盖性分析精度提高，但计算量增大，网格划分粗略时，覆盖性分析精度下降，计算量减小，无法兼具高分析效率与高分析精度。

发明内容

为此，本发明提供一种基于GIS的卫星覆盖域快速仿真方法，以解决现有技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

在本发明的一个方面，提供了一种基于GIS的卫星覆盖域快速仿真方法，包括如下步骤：

步骤100、获取卫星地面探测背景下对目标天球表面的覆盖域，以及卫星深空探测背景下对目标天球表面的覆盖域，分别记为卫星对地覆盖域和对空覆盖域，并且分别计算卫星对地覆盖域和对空覆盖域的地心角；

步骤200、视地心为球心，把地心和卫星的连线与地球球面的交点定义为星下点，由球面三角公式得所述星下点的地心经度和地心纬度；

步骤300、基于地心角、星下点的地心经度和地心纬度，求解卫星对地覆盖域和对空覆盖域边界的空间数据模型；

步骤400、对所述卫星对地覆盖域和所述对空覆盖域的边界的空间数据模型依次进行分类修正和墨卡托投影处理，以获得覆盖域边界在墨卡托图上的空间数据模型；

步骤500、通过GIS制图技术处理覆盖域边界在墨卡托图上的空间数据模型，获得卫星对天球的覆盖域墨卡托投影图，以及叠加多颗卫星覆盖域生成的星座覆盖图像。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤100中所述卫星对地覆盖域在地球表面是以星下点为圆心的球冠，所述卫星对空覆盖域在目标天球表面是以星下点为圆心的球带；

卫星对地覆盖域地心角

卫星对空覆盖域内环地心角

卫星对空覆盖域外环地心角

其中，θ为卫星探测半锥角；R_e为地球半径，H_s为卫星高度；H_h为目标天球高度。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤200中所述地心经度和所述地心纬度的求解公式为：

其中，tanΔλ＝cos i tanu，i为卫星轨道倾角，u为t时刻卫星纬度幅角，Ω为升交点赤经，G₀为初始时刻t₀的格林尼治恒星时角，ω_e＝7.292115×10^-5(rad/s)为地球自转角速度，Δλ与u同象限。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤300中卫星对地覆盖域边界的空间数据模型的求取方法包括：

地心地固系下目标天球的球面方程为：

其中R₀为天球半径；

则以星下点与天球球心连线为轴向的锥面方程为：

轴向的方向余弦l,m,n为：

联立球面方程与锥面方程即为地心地固系下的球冠边界：

由映射关系：M₀→M，集合M为球冠边界的经纬度点集构成边界的空间数据模型，边界内区域即卫星对地覆盖域；

所述卫星对空覆盖域边界的空间数据模型的求取方法包括：

同卫星对地覆盖域边界的空间数据模型的求取过程，分别求得球带内边界空间数据模型M_in和球带外边界空间数据模型M_out，内外边界之间区域即为卫星对天球的覆盖域，即为卫星对空覆盖域。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤400空间数据模型的处理方法包括：

对球冠边界空间数据模型M、球带内边界空间数据模型M_in和球带外边界空间数据模型M_out分别进行修正，已知任意两星下点的地心经度(LonA,LonB)，地心纬度(LatA,LatB)求距离公式为：

C＝sin(LatA)*sin(LatB)*cos(LonA-LonB)+cos(LatA)*cos(LatB)

D＝R₀*acos(C)*Pi/180；

其中，C为过度量，没有物理含义，d_n表示星下点距离北极点的距离可由上式求得,d_s表示星下点距离南极点的距离可由上式求得,d_e表示星下点距离180°经线的最短距离由GIS空间数据的拓扑运算获得；

记修正后的卫星对地覆盖域边界的空间数据模型为球冠边界空间数据模型M′，记修正后的卫星对空覆盖域内外边界的空间数据模型分别为球带内边界空间数据模型M_in′和球带外边界空间数据模型M_out′；并全部进行墨卡托投影，映射关系为：

M′→M″，M_in′→M_in″、M_out′→M_out″；

获得覆盖域边界在墨卡托图上的空间数据模型，分别为球冠边界空间数据模型M″，球带内边界空间数据模型M_in″，球带外边界空间数据模型M_out″。

作为本发明的一种优选方案，记卫星对地覆盖域的球面半径为r，卫星对地覆盖域的边界点集在墨卡托图上投影包括三类：

第一类，d_n＞r，d_s＞r，d_e≥r，这种情况下M'＝M；

第二类：d_n>r，d_s>r，d_e<r，这种情况下，

东半球几何对象的数据模型为：

M′_r＝{(lon,lat)|lon>0,lon∈M,lat∈M}

西半球几何对象的数据模型为：

M′_l＝{(lon,lat)|lon<0,lon∈M,lat∈M}

第三类：d_n≤r或d_s≤r，这种情况下，M′＝M∪M₁∪M₂∪M₃；

其中北极：

南极：

lat₀为覆盖域边界与180°经线交点纬度。

作为本发明的一种优选方案，记卫星对空覆盖域的内环球面半径为r_in，外环球面半径为r_out，卫星对空覆盖域的边界点集在墨卡托图上投影包括五类：

第一类：d_n>r_out，d_s>r_out，d_e>r_out，这种情况下M_in′＝M_in、M_out′＝M_out；

第二类：d_n>r_in，d_s>r_in，d_e≥r_in，d_n≤r_out或d_s≤r_out，这种情况下：

M_in′＝M_in、M_out′＝M_out∪M₁∪M₂∪M₃；

第三类：d_n≤r_in或d_s≤r_in，d_n≤r_out或d_s≤r_out，这种情况下：

M_in′＝M_in∪M₁∪M₂∪M₃、M_out′＝M_out∪M₁∪M₂∪M₃；

第四类：d_e≥r_in，d_n>r_out，d_s>r_out，d_e<r，这种情况下：

星下点经度Lon>0时：

东半球几何对象的数据模型为：

M′_inr＝M_in、M′_outr＝{(lon,lat)|lon>0,lon∈M_out,lat∈

M_out}；

西半球几何对象的数据模型为：

M′_outl＝{(lon,lat)|lon<0,lon∈M_out,lat∈M_out}

星下点经度Lon<0时:

东半球几何对象的数据模型为：

M′_outr＝{(lon,lat)|lon>0,lon∈M_out,lat∈M_out}

西半球几何对象的数据模型为：

M′_inl＝M_in、M′_outl＝{(lon,lat)|lon<0,lon∈M_out,lat∈M_out}

第五类：d_e<r_in，d_n>r_out，d_s>r_out，这种情况下：

东半球几何对象的数据模型为：

M′_inr＝{(lon,lat)|lon>0,lon∈M_in,lat∈M_in}

M′_outr＝{(lon,lat)|lon>0,lon∈M_out,lat∈M_out}

西半球几何对象的数据模型为：

M′_inl＝{(lon,lat)|lon<0,lon∈M_in,lat∈M_in}

M′_outl＝{(lon,lat)|lon<0,lon∈M_out,lat∈M_out}。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤500包括：

步骤501、应用GIS制图技术将天球初始化为指定分辨率的墨卡托地图底图；

步骤502、在GIS上新建覆盖域可视化图层；

步骤503、在所述覆盖域可视化图层上，对M″或M_in″、M_out″采用基于方位角右转算法创建覆盖域的多边形几何对象；

步骤504、在所述覆盖域可视化图层上，以用户指定颜色及一定的透明度对所述多边形几何对象进行颜色填充，即可获得该卫星对天球的覆盖域墨卡托投影图；

步骤505、将星座中的其他卫星的覆盖域依次循环叠加在所述覆盖域可视化图层上，生成最终的星座覆盖图像。

作为本发明的一种优选方案，所述基于M″创建的几何对象为简单实心多边形，基于M_in″、M_out″创建的为空心多边形。

作为本发明的一种优选方案，对所述多边形几何对象进行颜色填充采用的算法包括内部点扩散算法、复数积分算法、射线算法、扫描算法和边界代数算法。

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明通过对覆盖域边界的空间数据模型进行分类修正，使其可以直接基于方位角算法创建覆盖域边界几何对象进行区域填充，无需对区域内逐点进行覆盖性判定，这在分析时间上优于传统方法，可以将卫星覆盖域快速可视化。

本发明覆盖域边界基于矢量数据确定，这保证了覆盖域的精确表达，网格法基于网格划分进行覆盖域确定，网格划分较大时覆盖域边界无法保持足够的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明提供的方法流程示意图；

图2为本发明实施例中卫星对地覆盖域的模型平面和立体示意图；

图3为本发明实施例中卫星对空覆盖域的模型平面和立体示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种基于GIS的卫星覆盖域快速仿真方法主要是由目标任务确定目标天球，分析对地面的覆盖性，则目标天球半径为地球半径，探讨对空间覆盖性，则目标天球半径为空间天球。

由不同的探测背景，选择不同的覆盖模型。同时由卫星轨道方程求得卫星轨道及星下点。结合星下点与天球覆盖模型，求得覆盖域边界空间数据模型，基于GIS及本发明中分类修正法对空间数据模型修正、墨卡托投影后进行GIS制图。

具体的，如图1所示，本发明的方法包括如下步骤：

步骤100、获取卫星地面探测背景下对目标天球表面的覆盖域，以及卫星深空探测背景下对目标天球表面的覆盖域，分别记为卫星对地覆盖域和对空覆盖域，并且分别计算卫星对地覆盖域和对空覆盖域的地心角；如图2的a和b所示，分别表示卫星对地覆盖域的覆盖性模型的平面示意图和立体图；图3的a和b分别表示卫星对空覆盖域的覆盖性模型的平面示意图和立体图。

卫星对地覆盖域在地球表面是以星下点为圆心的球冠，所述卫星对空覆盖域在目标天球表面是以星下点为圆心的球带；

卫星对地覆盖域地心角

卫星对空覆盖域内环地心角

卫星对空覆盖域外环地心角

步骤200、视地球为球心，把地心和卫星的连线与地球球面的交点定义为星下点，由球面三角公式得所述星下点的地心经度和地心纬度；

所述地心经度和所述地心纬度的求解公式为：

卫星对地覆盖域边界的空间数据模型的求取方法包括：

地心地固系下目标天球的球面方程为：

其中R₀为天球半径；

则以星下点与天球球心连线为轴向的锥面方程为：

轴向的方向余弦l,m,n为：

联立球面方程与锥面方程即为地心地固系下的球冠边界：

所述卫星对空覆盖域边界的空间数据模型的求取方法包括：

空间数据模型的处理方法包括：

C＝sin(LatA)*sin(LatB)*cos(LonA-LonB)+cos(LatA)*cos(LatB)

D＝R₀*acos(C)*Pi/180；

M′→M″，M_in′→M_in″、M_out′→M_out″；

记卫星对地覆盖域的球面半径为r，卫星对地覆盖域的边界点集在墨卡托图上投影包括三类：

第一类，d_n＞r，d_s＞r，d_e≥r，这种情况下M'＝M；

第二类：d_n>r，d_s>r，d_e<r，这种情况下，

东半球几何对象的数据模型为：

M′_r＝{(lon,lat)|lon>0,lon∈M,lat∈M}

西半球几何对象的数据模型为：

M′_l＝{(lon,lat)|lon<0,lon∈M,lat∈M}

其中北极：

南极：

lat₀为覆盖域边界与180°经线交点纬度。

M_in′＝M_in、M_out′＝M_out∪M₁∪M₂∪M₃；

M_in′＝M_in∪M₁∪M₂∪M₃、M_out′＝M_out∪M₁∪M₂∪M₃；

第四类：d_e≥r_in，d_n>r_out，d_s>r_out，d_e<r，这种情况下：

星下点经度Lon>0时：

东半球几何对象的数据模型为：

M′_inr＝M_in、M′_outr＝{(lon,lat)|lon>0,lon∈M_out,lat∈M_out}；

西半球几何对象的数据模型为：

M′_outl＝{(lon,lat)|lon<0,lon∈M_out,lat∈M_out}

星下点经度Lon<0时:

东半球几何对象的数据模型为：

M′_outr＝{(lon,lat)|lon>0,lon∈M_out,lat∈M_out}

西半球几何对象的数据模型为：

M′_inl＝M_in、M′_outl＝{(lon,lat)|lon<0,lon∈M_out,lat∈M_out}

第五类：d_e<r_in，d_n>r_out，d_s>r_out，这种情况下：

东半球几何对象的数据模型为：

M′_inr＝{(lon,lat)|lon>0,lon∈M_in,lat∈M_in}

M′_outr＝{(lon,lat)|lon>0,lon∈M_out,lat∈M_out}

西半球几何对象的数据模型为：

M′_inl＝{(lon,lat)|lon<0,lon∈M_in,lat∈M_in}

M′_outl＝{(lon,lat)|lon<0,lon∈M_out,lat∈M_out}。

步骤500、通过GIS制图技术处理覆盖域边界在墨卡托图上的空间数据模型，获得卫星对天球的覆盖域墨卡托投影图，以及叠加多颗卫星覆盖域生成的星座覆盖图像；具体包括：

步骤502、在GIS上新建覆盖域可视化图层；

步骤503、在所述覆盖域可视化图层上，对M″或M_in″、M_out″采用基于方位角右转算法创建覆盖域的多边形几何对象；基于M″创建的几何对象为简单实心多边形，基于M_in″、M_out″创建的为空心多边形；

方位角右转算法还可以用其他算法代替，相应实现算法还有基于图模型的多边形自动并行构建算法、基于夹角变化趋势的多边形自动生成算法、基于拓扑信息的多边形数据自动生成算法(PG－TI)等；

步骤504、在所述覆盖域可视化图层上，以用户指定颜色及一定的透明度对所述多边形几何对象进行颜色填充，即可获得该卫星对天球的覆盖域墨卡托投影图；对所述多边形几何对象进行颜色填充采用的算法包括内部点扩散算法、复数积分算法、射线算法、扫描算法和边界代数算法；

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种基于GIS的卫星覆盖域快速仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤500、通过GIS制图技术处理覆盖域边界在墨卡托图上的空间数据模型，获得卫星对天球的覆盖域墨卡托投影图，以及叠加多颗卫星覆盖域生成的星座覆盖图像；

所述步骤100中所述卫星对地覆盖域在地球表面是以星下点为圆心的球冠，所述卫星对空覆盖域在目标天球表面是以星下点为圆心的球带；

卫星对地覆盖域地心角

卫星对空覆盖域内环地心角

卫星对空覆盖域外环地心角

其中，θ为卫星探测半锥角；R_e为地球半径，H_s为卫星高度；H_h为目标天球高度；

所述步骤200中所述地心经度和所述地心纬度的求解公式为：

其中，tanΔλ＝cositanu，i为卫星轨道倾角，u为t时刻卫星纬度幅角，Ω为升交点赤经，G₀为初始时刻t₀的格林尼治恒星时角，ω_e＝7.292115×10^-5(rad/s)为地球自转角速度，Δλ与u同象限；

所述步骤300中卫星对地覆盖域边界的空间数据模型的求取方法包括：

地心地固系下目标天球的球面方程为：

其中R₀为天球半径；

则以星下点与天球球心连线为轴向的锥面方程为：

轴向的方向余弦l,m,n为：

联立球面方程与锥面方程即为地心地固系下的球冠边界：

所述卫星对空覆盖域边界的空间数据模型的求取方法包括：

同卫星对地覆盖域边界的空间数据模型的求取过程，分别求得球带内边界空间数据模型M_in和球带外边界空间数据模型M_out，内外边界之间区域即为卫星对天球的覆盖域，即为卫星对空覆盖域；

所述步骤400空间数据模型的处理方法包括：

记修正后的卫星对地覆盖域边界的空间数据模型为球冠边界空间数据模型M'，记修正后的卫星对空覆盖域内外边界的空间数据模型分别为球带内边界空间数据模型M_in'和球带外边界空间数据模型M_out'；并全部进行墨卡托投影，映射关系为：

获得覆盖域边界在墨卡托图上的空间数据模型，分别为球冠边界空间数据模型M”，球带内边界空间数据模型M_in”，球带外边界空间数据模型M_out”；

第一类，d_n＞r，d_s＞r，d_e≥r，这种情况下M'＝M；

第二类：d_n＞r，d_s＞r，d_e＜r，这种情况下，

东半球几何对象的数据模型为：

M'_r＝{(lon,lat)|lon＞0,lon∈M,lat∈M}

西半球几何对象的数据模型为：

M'_l＝{(lon,lat)|lon＜0,lon∈M,lat∈M}

第三类：d_n≤r或d_s≤r，这种情况下，M'＝M∪M₁∪M₂M₃；

其中北极：

南极：

lat₀为覆盖域边界与180°经线交点纬度；

记卫星对空覆盖域的内环球面半径为r_in，外环球面半径为r_out，卫星对空覆盖域的边界点集在墨卡托图上投影包括五类：

第一类：d_n＞r_out，d_s＞r_out，d_e＞r_out，这种情况下M_in'＝M_in、M_out'＝M_out；

第二类：d_n＞r_in，d_s＞r_in，d_e≥r_in，d_n≤r_out或d_s≤r_out，这种情况下：

M_in'＝M_in、M_out'＝M_out∪M₁∪M₂M₃；

M_in'＝M_invM₁∪M₂∪M₃、M_out'＝M_out∪M₁∪M₂∪M₃；

第四类：d_e≥r_in，d_n＞r_out，d_s＞r_out，d_e＜r，这种情况下：

星下点经度Lon＞0时：

东半球几何对象的数据模型为：

M'_inr＝M_in、M'_outr＝{(lon,lat)|lon＞0,lon∈M_out,lat∈M_out}；

西半球几何对象的数据模型为：

M'_outl＝{(lon,lat)|lon＜0,lon∈M_out,lat∈M_out}

星下点经度Lon＜0时:

东半球几何对象的数据模型为：

M'_outr＝{(lon,lat)|lon＞0,lon∈M_out,lat∈M_out}

西半球几何对象的数据模型为：

M'_inl＝M_in、M'_outl＝{(lon,lat)|lon＜0,lon∈M_out,lat∈M_out}

第五类：d_e＜r_in，d_n＞r_out，d_s＞r_out，这种情况下：

东半球几何对象的数据模型为：

M'_inr＝{(lon,lat)|lon＞0,lon∈M_in,lat∈M_in}

M'_outr＝{(lon,lat)|lon＞0,lon∈M_out,lat∈M_out}

西半球几何对象的数据模型为：

M'_inl＝{(lon,lat)|lon＜0,lon∈M_in,lat∈M_in}

M'_outl＝{(lon,lat)|lon＜0,lon∈M_out,lat∈M_out}；

所述步骤500包括：

步骤502、在GIS上新建覆盖域可视化图层；

步骤503、在所述覆盖域可视化图层上，对M”或M_in”、M_out”采用基于方位角右转算法创建覆盖域的多边形几何对象；

2.根据权利要求1所述的一种基于GIS的卫星覆盖域快速仿真方法，其特征在于，所述基于M”创建的几何对象为简单实心多边形，基于M_in”、M_out”创建的为空心多边形。

3.根据权利要求2所述的一种基于GIS的卫星覆盖域快速仿真方法，其特征在于，对所述多边形几何对象进行颜色填充采用的算法包括内部点扩散算法、复数积分算法、射线算法、扫描算法和边界代数算法。