CN112068157B - 静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法及装置。包括：设置静止轨道多频太赫兹探测仪的对地观测任务；建立观测规划模型，并根据对地观测任务，确定观测规划模型的所需满足的约束条件后，计算观测规划模型及其约束条件的相关参数；将观测规划模型的相关参数带入到相应的对地观测任务下的观测规划模型及约束条件中，并进行模型优化求解，得到最优扫描参数，以确定出最优对地观测模式，从而解决静止轨道多频太赫兹探测仪在进行二维扫描时遇到的扫描效率和数据质量间的冲突问题。

Description

静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法及装置

技术领域

本公开涉及一种静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法，同时也涉及该静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现装置，属于静止轨道遥感技术领域。

背景技术

根据对不同的天气系统的监测需求，需要设计静止轨道多频太赫兹探测仪不同的对地观测任务及观测模式。静止卫星装载的多频太赫兹探测仪通过其主波束进行二维扫描，实现对观测目标的有效覆盖。静止轨道多频太赫兹探测仪的主波束扫描效果可以从扫描效率和获取数据质量(通常用信噪比表示)两方面综合评价，对观测区域在满足信噪比的条件下进行高效率波束覆盖是静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式设计的核心目标。

实际上，静止轨道多频太赫兹探测仪通过其主波束进行二维扫描时，扫描效率和信号信噪比之间是矛盾的：加快静止轨道多频太赫兹探测仪的扫描速度，可以保证其扫描效率，但信噪比会随之下降；放慢静止轨道多频太赫兹探测仪的扫描速度，虽然可以提高其信噪比，但扫描效率又会下降。此外，静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式设计还需要在综合考虑多种复杂约束(主要包括探测仪机动能力约束和观测业务需求约束)的基础上，合理规划静止轨道多频太赫兹探测仪的波束二维扫描方案，有效解决静止轨道多频太赫兹探测仪在进行二维扫描时遇到的扫描效率和数据质量间的冲突问题。

发明内容

本公开所要解决的首要技术问题在于提供一种静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法。

本公开所要解决的另一技术问题在于提供一种静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现装置。

为了实现上述目的，本公开采用下述技术方案：

根据本公开实施例的第一方面，提供一种静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法，包括：

设置静止轨道多频太赫兹探测仪的对地观测任务；

建立观测规划模型，并根据对地观测任务，确定所述观测规划模型的所需满足的约束条件后，计算所述观测规划模型及其约束条件的相关参数；

将所述观测规划模型的相关参数带入到相应的对地观测任务下的观测规划模型及约束条件中，并进行模型优化求解，得到最优扫描参数，以确定出最优对地观测模式。

其中较优地，建立的所述观测规划模型的目标函数表示为：

f＝min{OCR(X)}

上式中，为静止轨道多频太赫兹探测仪扫描速度的决策变量，/>为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度，/>为静止轨道多频太赫兹探测仪的滚动角位移；OCR为静止轨道多频太赫兹探测仪进行扫描后的重复覆盖率，具体定义为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹重叠覆盖的视场角范围占观测视场立体角的比率。

其中较优地，第一类观测任务下的观测规划模型需要满足的约束条件为：

上式中，和/>分别为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度上界和滚动角位移上界；FCR_lb为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹对观测视场的覆盖率下界；FCR为静止轨道多频太赫兹探测仪进行扫描后的视场覆盖率，具体定义为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹所覆盖的视场角范围占观测视场立体角的比率。

第二类观测任务下的观测规划模型需要满足的约束条件为：

上式中，和/>分别为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度和滚动角位移；和/>分别为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度上界和滚动角位移上界；FCR_lb为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹对观测视场的覆盖率下界；FCR为静止轨道多频太赫兹探测仪进行扫描后的视场覆盖率，具体定义为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹所覆盖的视场角范围占观测视场立体角的比率；SOR_lb为条带重叠率下界；SOR为条带重叠率，具体定义为相邻条带间波束扫描足迹重叠覆盖的视场角范围占条带内波束扫描足迹覆盖的视场角范围的比率；k_wub为观测目标位移系数上界，k_w为观测目标位移系数，具体定义为观测目标位移相对于静止轨道多频太赫兹探测仪最高频率观测通道星下点分辨率的比例系数。

其中较优地，所述观测规划模型及其所需满足的约束条件的相关参数，包括静止轨道多频太赫兹探测仪的波束覆盖指标以及观测目标位移系数，所述波束覆盖指标包括静止轨道多频太赫兹探测仪进行扫描后的视场覆盖率、条带重叠率和重复覆盖率。

其中较优地，计算所述静止轨道多频太赫兹探测仪进行扫描后的视场覆盖率、条带重叠率和重复覆盖率，包括：

获取扫描时间范围内每一时刻对应的波束扫描足迹中心的标称网格坐标；

根据所述波束扫描足迹中心的标称网格坐标和预先建立的标称网格，进行波束扫描足迹网格化分解，得到扫描时间范围内所有波束扫描足迹所覆盖的固定网格；

在整个观测视场内统计网格被波束扫描足迹覆盖的次数，并分条带标记网格的覆盖情况；

根据所述网格被波束扫描足迹覆盖的次数和所述分条带标记网格的覆盖情况，分别计算出所述视场覆盖率、所述重叠覆盖率和所述条带重叠率。

其中较优地，所述波束扫描足迹中心的标称网格坐标为所述静止轨道多频太赫兹探测仪相应时刻的波束扫描足迹中心的平面坐标；

将所述静止轨道多频太赫兹探测仪的指向信息和当前卫星的轨道与姿态信息分别输入到理想定位模型，得到的波束扫描足迹中心的大地坐标经标称投影正算得到所述波束扫描足迹中心的平面坐标。

其中较优地，在所述标称网格上，以获取的扫描时间范围内每一时刻对应的波束扫描足迹中心为圆心，以3dB波束宽度对应的标称网格数为直径，对每个波束扫描足迹网格化分解。

其中较优地，根据所述整个观测视场内网格被波束扫描足迹覆盖的次数，分别计算视场覆盖率和重叠覆盖率，其中视场覆盖率计算公式如下：

上式中，card({N(g_x，y)≥1|g_x，y∈FOV})为观测视场内覆盖次数大于等于1的网格数，和/>分别为观测视场左上角和右下角的标称网格坐标， 为观测视场内的网格总数，该网格总数取整；

其中重叠覆盖率计算公式如下：

上式中，card({N(g_x，y)＞1|g_x，y∈FOV})为观测视场内覆盖次数大于1的网格数， 为观测视场内的网格总数，该网格总数取整；

根据所述分条带标记网格的覆盖情况，计算条带重叠率，计算公式如下：

上式中，card({C(g_x，y)＝1|g_x，y∈(UpperStrip∩LowerStrip)})为相邻条带内均被标记为1的网格数，card({C(g_x，y)＝1|g_x，y∈UpperStrip})为上侧或下侧条带内被标记为1的网格数。

其中较优地，以观测目标的平均移动速度为单位取为m/s，在Z/S型慢扫描模式下，观测目标在最大扫描时间间隔ΔT_ub内的观测目标位移系数k_w，计算公式如下：

上式中，h为静止卫星的标称轨道高度，θ_3dB为的3dB波束扫描宽带；

在Z/S型慢扫描模式下，最大扫描时间间隔ΔT_ub，计算公式如下：

上式中，ΔT_{ub_oneway}为Z型慢扫描模式下，条带重叠范围内同名点的最大扫描时间间隔；ΔT_{ub_roundtrip}为S型慢扫描模式下，条带重叠范围内同名点的最大扫描时间间隔；为观测视场右下角的网格y坐标，R为扫描圆弧半径对应的网格数；Ω为波束圆锥扫描旋转角速度，T为最高频率观测通道对应的积分时间，N_q为扫描圆弧上的波束足迹个数，/>为扫描起点A_s的网格y坐标，/>为标称网格的角分辨率，t_u为相邻2次条带扫描任务间的固定时间间隔，/>为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现装置，包括处理器和存储器，所述处理器读取所述存储器中的计算机程序或指令，用于执行以下操作：

设置静止轨道多频太赫兹探测仪的对地观测任务；

建立观测规划模型，并根据对地观测任务，确定所述观测规划模型的所需满足的约束条件后，计算所述观测规划模型及其约束条件的相关参数；

将所述观测规划模型的相关参数带入到相应的对地观测任务下的观测规划模型及约束条件中，并进行模型优化求解，得到最优扫描参数，以确定出最优对地观测模式。

本公开实施例所提供的静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法及装置根据用户提出的观测需求，设计静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测任务，建立观测规划模型及其所需满足的约束条件，使得建立观测规划模型兼顾扫描效率和数据获取质量，并对该观测规划模型进行模型优化求解，得到最优扫描参数，以确定出最优对地观测模式，从而解决静止轨道多频太赫兹探测仪在进行二维扫描时遇到的扫描效率和数据质量间的冲突问题。此外，在观测规划模型求解过程中，针对约束条件和目标函数难以直接计算的特点，设计了一种基于静止卫星标称投影的高效计算方法，同时将逐级搜索思想引入寻优算法，以解决模型解算速度和解算精度间的矛盾。

附图说明

图1为本公开实施例所提供的静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法的流程图；

图2为本公开实施例所提供的静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法中，静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描时间间隔示意图；

图3为本公开实施例所提供的静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法中，静止轨道多频太赫兹探测仪在S型慢扫描模式下的波束扫描轨迹示意图；

图4为本公开实施例所提供的静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法中，观测视场内网格被波束足迹覆盖的次数统计细节示意图；

图5为本公开实施例所提供的静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法中，条带内部网格标记细节示意图；

图6a为本公开实施例所提供的静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法中，Z型慢扫描模式下，条带重叠范围内同名点的最大扫描时间间隔示意图；

图6b为本公开实施例所提供的静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法中，S型慢扫描模式下，条带重叠范围内同名点的最大扫描时间间隔示意图；

图7为本公开实施例所提供的静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法中，采用逐级搜索算法搜索观测规划模型的全局最优解的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本公开的技术内容做进一步的详细说明。

为了解决静止轨道多频太赫兹探测仪通过其主波束进行二维扫描时遇到的扫描效率和数据质量间的冲突问题，如图1所示，本发明实施例提供了一种静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法，包括：

步骤10、设置静止轨道多频太赫兹探测仪的对地观测任务。

根据用户提出的观测需求，对静止轨道多频太赫兹探测仪的对地观测任务进行分类，可据此选取最为合适的对地观测任务。静止轨道多频太赫兹探测仪的对地观测任务的分类说明如下：

静止轨道微波数据可以实现对台风和强降水等灾害性天气系统的全天候、全天时连续监测，对临近天气预报、区域/全球数值天气预报和气候特征提供重要参数。为了满足不同的应用需求，以及完整的探测要求，静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测任务可设置为地球全圆盘(简称全圆盘)观测、中国及周边区域(简称中国区)观测、台风及特定区域观测、中小尺度区域观测和地标观测等几种主要类型。每种静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测任务的探测意义如下：

其中，全圆盘观测：以整个地球圆盘为观测目标，对大气进行三维温湿度结构探测，实现接近1/3地球表面积的观测。

中国区观测：以中国国土作为主要观测目标，覆盖中国陆地、海洋和邻近中国的周边区域，为区域数值天气预报提供较高时间分辨率的输入数据。

台风及特定区域观测：观测范围不小于1500km×1500km，以台风和流域性强降水等灾害性天气系统为观测目标，提供高时间分辨率的天气结构快速变化的观测数据，实现15分钟一次的连续观测。

中小尺度区域观测：观测范围不小于500km×500km，以局地强对流、局地暴雨等生命期较短的中小尺度天气系统为观测目标，发挥静止轨道探测的优势，实现3～5分钟一次的连续观测，在其生命期内提供高时间分辨率的大气微物理变化观测数据。

地标观测：为实现观测数据的高精度地理定位，需要定期安排地标观测任务，开展地标导航，进而修正定位偏差。

对以上5种静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测任务所需提供的数据进行分析，可以将这5种对地观测任务根据服务目标的要求归纳为两类：第一类为大范围大气三维结构探测，主要用于区域数值天气预报；第二类为对中小尺度天气系统进行逐样本观测，提供精化天气分析服务。

步骤20、建立观测规划模型，并根据对地观测任务，确定观测规划模型的所需满足的约束条件后，计算该观测规划模型及其约束条件的相关参数。

该步骤的实现过程为：

步骤201、建立观测规划模型，并设置该观测规划模型所需满足的约束条件。

静止卫星装载的多频太赫兹探测仪通过其主波束二维扫描时，为了实现对观测目标的不同覆盖的应用需求，需要研究静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描原理和对地观测任务类型，并分析影响波束扫描的主要约束，从而建立兼顾扫描效率和数据获取质量的对地观测模式任务规划模型(简称观测规划模型)。

因此，建立观测规划模型时，需要根据用户提出的静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测任务设置该对地观测任务下的观测规划模型需要满足的约束条件。

其中，建立观测规划模型的原因在于：观测规划的目标是使静止轨道多频太赫兹探测仪的波束以最短时间完成对观测视场的二维扫描。如果要达到该观测规划目标，就需要尽量的避免静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹对观测视场内同一位置的重复覆盖。因此观测规划模型的目标函数表示为：

f＝min{OCR(X)} (1)

上式中，为静止轨道多频太赫兹探测仪扫描速度的决策变量，/>为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度，/>为静止轨道多频太赫兹探测仪的滚动角位移；OCR(Overlapping Cover Ratio)为静止轨道多频太赫兹探测仪进行扫描后的重复覆盖率，具体定义为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹重叠覆盖的视场角范围占观测视场立体角的比率。

由于静止轨道多频太赫兹探测仪的对地观测任务有两种类型，下面详细说明每类对地观测任务下的观测规划模型需要满足的约束条件。

具体的说，第一类观测任务下的观测规划模型需要满足两类约束条件，其形式化描述如下：

上式中，f为观测规划模型的目标函数，s.t.为subject to，具体为对应的观测任务下的观测规划模型的约束条件。和/>分别为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度上界和滚动角位移上界；FCR_lb为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹对观测视场的覆盖率下界。FCR为静止轨道多频太赫兹探测仪进行扫描后的视场覆盖率，具体定义为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹所覆盖的视场角范围占观测视场立体角的比率。

第二类观测任务下的观测规划模型不仅要满足第一类观测任务下的观测规划模型的两类约束条件，还需要顾及诸如条带重叠率、观测目标运动速度等特殊约束，其形式化描述如下：

上式中，f为观测规划模型的目标函数，s.t.为subject to，具体为对应的观测任务下的观测规划模型的约束条件。和/>分别为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度和滚动角位移；/>和/>分别为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度上界和滚动角位移上界；FCR_lb为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹对观测视场的覆盖率下界。FCR为静止轨道多频太赫兹探测仪进行扫描后的视场覆盖率，具体定义为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹所覆盖的视场角范围占观测视场立体角的比率。SOR_lb为条带重叠率下界；SOR为条带重叠率，具体定义为相邻条带间波束扫描足迹重叠覆盖的视场角范围占条带内波束扫描足迹覆盖的视场角范围的比率。k_wub表示观测目标位移系数上界，k_w为观测目标位移系数，具体定义为观测目标位移相对于静止轨道多频太赫兹探测仪最高频率观测通道星下点分辨率的比例系数。

静止轨道多频太赫兹探测仪的波束进行二维扫描时可以采用两种扫描模式，分别为Z型慢扫描模式和S型慢扫描模式。其中，如图6所示，Z型慢扫描模式为卫星对着地球进行扫描时，以由南向北为指向进行对地球的全扫描，由西向东每扫描一行形成一个条带。即卫星对着地球进行扫描时，每一次扫描的方向相同。S型慢扫描模式为卫星对着地球进行扫描时，以由南向北为指向，由西向东扫描一行形成一个条带后，再由东向西扫描下一行形成下一个条带，然后再，由西向东扫描一行形成下一个条带，如此交替往复扫描。

在本公开的一个实施例中，如图2所示，以静止轨道多频太赫兹探测仪采用S型慢扫描模式为例，对位于条带重叠范围内的同名点(经过同一位置的多次扫描)，前后两次波束扫描之间存在不同大小的时间间隔。观测目标在最大扫描时间间隔内的位移不能超过一定限度，否则会对后续的拼幅成像产生重影、错位等不利影响。因此需要用观测目标位移系数k_w对观测目标的位移程度进行描述。

步骤202、计算观测规划模型及其所需满足的约束条件的相关参数。

观测规划模型及其所需满足的约束条件的相关参数，包括静止轨道多频太赫兹探测仪的波束覆盖指标FCR、SOR和OCR以及观测目标位移系数k_w。

通过静止卫星标称网格计算静止轨道多频太赫兹探测仪的波束覆盖指标FCR、SOR和OCR，并结合静止轨道多频太赫兹探测仪的对地扫描模式进行观测目标位移系数k_w的计算。

计算静止轨道多频太赫兹探测仪的波束覆盖指标FCR、SOR和OCR的过程为：

步骤2020：获取扫描时间范围内每一时刻对应的波束扫描足迹中心的标称网格坐标。

卫星对着地球进行全覆盖式扫描后，获取扫描时间范围内每一时刻对应的波束扫描足迹中心的标称网格坐标为静止轨道多频太赫兹探测仪相应时刻的波束扫描足迹中心的平面坐标，即静止轨道多频太赫兹探测仪相应时刻的波束指向地面某一位置的平面坐标。具体的说，由于卫星对着地球进行全覆盖式扫描的过程中，静止轨道多频太赫兹探测仪指向地面不同的位置时对应不同的指向信息，该指向信息包括静止轨道多频太赫兹探测仪在东西方向上的指向角度和南北方向上的指向角度。在不考虑任何偏差因素的情况下，将静止轨道多频太赫兹探测仪每一时刻的指向信息和当前卫星的轨道与姿态信息分别输入到理想定位模型，得到卫星对地全覆盖式扫描后的静止轨道多频太赫兹探测仪每一时刻的波束扫描足迹中心的大地坐标，通过标称投影正算将每一时刻的波束扫描足迹中心的大地坐标转换为相应的平面坐标，得到每一时刻的波束扫描足迹中心的标称网格坐标。其中，采用理想定位模型得到卫星对地全覆盖式扫描后的静止轨道多频太赫兹探测仪每一时刻的波束扫描足迹中心的大地坐标为现有成熟技术，在此不再赘述。

同样以静止轨道多频太赫兹探测仪采用S型慢扫描模式为例，如图3所示的S型慢扫描模式下的扫描轨迹，其中加粗的实心圆点表示去程和回程扫描过程中的扫描弧心起始位置。在旋转扫描与直线扫描相结合的波束扫描方式下，波束在预先建立的标称网格上的扫描轨迹，是匀速圆周运动和匀速直线运动两种运动轨迹的合成。因此根据运动分解原理，恢复对应扫描时刻的天线整体姿态信息，将当前时刻该天线整体姿态与轨道信息以及静止轨道多频太赫兹探测仪对应时刻的指向信息分别输入到理想定位模型，得到卫星对地全覆盖式扫描后的静止轨道多频太赫兹探测仪每一时刻的波束扫描足迹中心的大地坐标。

步骤2021：根据获取的波束扫描足迹中心的标称网格坐标和预先建立的标称网格，进行波束扫描足迹网格化分解，得到扫描时间范围内所有波束扫描足迹所覆盖的固定网格。

根据步骤2020得到的扫描时间范围内每一时刻对应的波束扫描足迹中心的标称网格坐标，可以得出波束扫描足迹中心在预先建立的标称网格上的位置分布。其中，预先建立的标称网格为卫星对地全覆盖式扫描拆分成网格的形式呈现。在该标称网格上，以获取的扫描时间范围内每一时刻对应的波束扫描足迹中心为圆心，以3dB波束宽度对应的标称网格数为直径，实现对每个波束扫描足迹网格化分解，即可得到3dB波束扫描足迹瞬时覆盖的标称网格。通过对扫描轨迹上的每个波束扫描足迹不断进行网格化分解，可以得到某个扫描时间范围内所有波束扫描足迹所覆盖的固定网格，从而为后续的波束覆盖指标FCR、SOR和OCR计算做准备。

步骤2022：在整个观测视场内统计网格被波束扫描足迹覆盖的次数，并分条带标记网格的覆盖情况。

在计算静止轨道多频太赫兹探测仪的波束覆盖指标视场覆盖率(FCR)、重叠覆盖率(OCR)时，需要在观测视场内统计网格g_x，y被波束扫描足迹覆盖的次数N(g_x，y)，统计细节如图4所示。图4为观测视场局部位置相互重叠覆盖的4个波束扫描足迹，图中数字表示每个网格的覆盖次数N(g_x，y)，N(g_x，y)＝0代表该网格未被波束扫描足迹所覆盖。

在计算条带重叠率(SOR)时，需要分条带标记网格g_x，y的覆盖情况C(g_x，y)，标记细节如图5所示。如果某个网格未被波束足迹所覆盖则将其标记为C(g_x，y)＝0，反之则将其标记为C(g_x，y)＝1。与图4最大的不同之处在于，无论某个网格被波束扫描足迹重复覆盖多少次，都用数字1对其进行标记。

步骤2023：根据网格被波束扫描足迹覆盖的次数和分条带标记网格的覆盖情况，分别计算出视场覆盖率、重叠覆盖率和条带重叠率。

根据整个观测视场内网格被波束扫描足迹覆盖的次数，分别计算视场覆盖率和重叠覆盖率，其中视场覆盖率计算公式如下：

上式中，card({N(g_x，y)≥1|g_x，y∈FOV})为观测视场内覆盖次数大于等于1的网格数。和/>分别为观测视场左上角和右下角的标称网格坐标。 为观测视场内的网格总数，该网格总数取整。

上式中，card({N(g_x，y)＞1|g_x，y∈FOV})为观测视场内覆盖次数大于1的网格数。 为观测视场内的网格总数，该网格总数取整。

根据分条带标记网格的覆盖情况，计算条带重叠率，计算公式如下：

上式中，card({C(g_x，y)＝1|g_x，y∈(UpperStrip∩LowerStrip)})为相邻条带内均被标记为1的网格数，card({C(g_x，y)＝1|g_x，y∈UpperStrip})为上侧或下侧条带内被标记为1的网格数。

对于观测目标位移系数k_w的计算，当执行第二类观测任务时，条带重叠范围内同名点的最大扫描时间间隔ΔT_ub不能过长，否则观测目标会在这段时间内产生较大位移，对后续拼幅成像产生不利影响。两种不同慢扫描模式下的ΔT_ub如图6所示。

通过下式可分别计算出Z/S型慢扫描模式下的ΔT_ub：

上式中，ΔT_{ub_oneway}为Z型慢扫描模式下，条带重叠范围内同名点的最大扫描时间间隔；ΔT_{ub_roundtrip}为S型慢扫描模式下，条带重叠范围内同名点的最大扫描时间间隔；为观测视场右下角的网格y坐标，R为扫描圆弧半径对应的网格数。Ω为波束圆锥扫描旋转角速度。T为最高频率观测通道对应的积分时间。N_q为扫描圆弧上的波束足迹个数。/>为扫描起点(扫描弧心起始位置)A_s的网格y坐标。/>为标称网格的角分辨率。t_u为相邻2次条带扫描任务间的固定时间间隔，也就是波束扫描下一条带前所需的调头换行时间。/>代表静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度。假设观测目标的平均移动速度为/>单位取为m/s，两种慢扫描模式下，观测目标在ΔT_ub内的观测目标位移系数k_w可表示为：

上式中，h为静止卫星的标称轨道高度。θ_3dB为的3dB波束扫描宽带；可以看出，k_w＞0，k_w的数值越小，说明观测目标在间隔时间ΔT内的移动距离就越小。

步骤30：将观测规划模型的相关参数带入到相应的对地观测任务下的观测规划模型及约束条件中，并进行模型优化求解，得到最优扫描参数，以确定出最优对地观测模式。

最优扫描参数为静止轨道多频太赫兹探测仪波束的最优扫描参数，包括最优扫描角速度与最优步进角位移。

根据用户提出的静止轨道多频太赫兹探测仪的对地观测任务，计算出该对地观测任务下的观测规划模型及其所需满足的约束条件的相关参数后，将该参数带入到对应的对地观测任务下的观测规划模型及其所需满足的约束条件中(公式(2)或公式(3)中)进行搜索效率优化求解，求解出使观测规划模型的目标函数f＝min{OCR(X)}取到最小值(波束重叠覆盖率最小，可以最大限度避免冗余覆盖)且满足约束条件s.t.时的决策变量 为最优扫描角速度，/>为最优步进角位移。

在对观测规划模型及其所需满足的约束条件进行搜索效率优化求解时，为提高搜索效率，如图7所示，可以采用逐级搜索思想设计寻优算法，即先以较大的角分辨率在标称网格上对决策变量的初始解空间进行粗粒度划分，并彻底搜索观测规划模型的全局最优解；再以之为中心选择一小片滑动窗口作为决策变量的下级解空间，并以较小的角分辨率在标称网格上对该级解空间进行细粒度划分。这样逐级搜索之后，就可以有效削减决策变量的解空间，从而在多项式时间内得到全局最优解，即得到静止轨道多频太赫兹探测仪的最优扫描参数。

由于静止轨道多频太赫兹探测仪不同的对地观测模式对应不同的扫描参数，因此，得到静止轨道多频太赫兹探测仪波束的最优扫描参数即可确定出静止轨道多频太赫兹探测仪的最优对地观测模式。

进一步地，本发明还提供一种静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现装置，包括处理器和存储器，还可以根据实际需要进一步包括通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件及输入/输出接口。其中，存储器、通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件及输入/输出接口均与该处理器连接。前已述及，存储器可以是静态随机存取存储器(SRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、可编程只读存储器(PROM)、只读存储器(ROM)、磁存储器、快闪存储器等；处理器可以是中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处(DSP)芯片等。其它通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件等均可以采用现有智能手机中的通用部件实现，在此就不具体说明了。

另一方面，在静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现装置中，处理器读取存储器中的计算机程序或指令，用于执行以下操作：

设置静止轨道多频太赫兹探测仪的对地观测任务。

建立观测规划模型，并根据对地观测任务，确定观测规划模型的所需满足的约束条件后，计算该观测规划模型及其约束条件的相关参数。

将观测规划模型的相关参数带入到相应的对地观测任务下的观测规划模型及约束条件中，并进行模型优化求解，得到最优扫描参数，以确定出最优对地观测模式。

本公开实施例所提供的静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法及装置根据用户提出的观测需求，设计静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测任务，建立观测规划模型及其所需满足的约束条件，使得建立观测规划模型兼顾扫描效率和数据获取质量，并对该观测规划模型进行模型优化求解，得到最优扫描参数，以确定出最优对地观测模式，从而解决静止轨道多频太赫兹探测仪在进行二维扫描时遇到的扫描效率和数据质量间的冲突问题。此外，在观测规划模型求解过程中，针对约束条件和目标函数难以直接计算的特点，设计了一种基于静止卫星标称投影的高效计算方法，同时将逐级搜索思想引入寻优算法，以解决模型解算速度和解算精度间的矛盾。

以上对本公开所提供的静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现方法及装置进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本公开实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本公开专利权的保护范围。

Claims (10)

1.一种静止轨道多频段太赫兹探测仪对地观测模式实现方法，其特征在于包括：

设置静止轨道多频太赫兹探测仪的对地观测任务；

建立观测规划模型，并根据对地观测任务，确定所述观测规划模型所需满足的约束条件后，计算所述观测规划模型及其约束条件的相关参数；其中，所述观测规划模型的目标函数表示为：

f＝min{OCR(X)}

上式中，为静止轨道多频太赫兹探测仪扫描速度的决策变量，/>为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度，/>为静止轨道多频太赫兹探测仪的滚动角位移；OCR为静止轨道多频太赫兹探测仪进行扫描后的重复覆盖率，具体定义为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹重叠覆盖的视场角范围占观测视场立体角的比率；

将所述观测规划模型的相关参数带入到相应的对地观测任务下的观测规划模型及约束条件中，并进行模型优化求解，得到最优扫描参数，以确定出最优对地观测模式。

2.如权利要求1所述的静止轨道多频段太赫兹探测仪对地观测模式实现方法，其特征在于：

第一类观测任务下的观测规划模型需要满足的约束条件为：

上式中，和/>分别为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度上界和滚动角位移上界；FCR_lb为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹对观测视场的覆盖率下界；FCR为静止轨道多频太赫兹探测仪进行扫描后的视场覆盖率，具体定义为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹所覆盖的视场角范围占观测视场立体角的比率。

3.如权利要求1所述的静止轨道多频段太赫兹探测仪对地观测模式实现方法，其特征在于：

第二类观测任务下的观测规划模型需要满足的约束条件为：

上式中，和/>分别为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度和滚动角位移；/>和分别为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度上界和滚动角位移上界；FCR_lb为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹对观测视场的覆盖率下界；FCR为静止轨道多频太赫兹探测仪进行扫描后的视场覆盖率，具体定义为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹所覆盖的视场角范围占观测视场立体角的比率；SOR_lb为条带重叠率下界；SOR为条带重叠率，具体定义为相邻条带间波束扫描足迹重叠覆盖的视场角范围占条带内波束扫描足迹覆盖的视场角范围的比率；k_wub为观测目标位移系数上界，k_w为观测目标位移系数，具体定义为观测目标位移相对于静止轨道多频太赫兹探测仪最高频率观测通道星下点分辨率的比例系数。

4.如权利要求1所述的静止轨道多频段太赫兹探测仪对地观测模式实现方法，其特征在于：

所述观测规划模型及其所需满足的约束条件的相关参数，包括静止轨道多频太赫兹探测仪的波束覆盖指标以及观测目标位移系数，所波束覆盖指标包括静止轨道多频太赫兹探测仪进行扫描后的视场覆盖率、条带重叠率和重复覆盖率。

5.如权利要求4所述的静止轨道多频段太赫兹探测仪对地观测模式实现方法，其特征在于：

计算所述静止轨道多频太赫兹探测仪进行扫描后的视场覆盖率、条带重叠率和重复覆盖率，包括：

获取扫描时间范围内每一时刻对应的波束扫描足迹中心的标称网格坐标；

根据所述波束扫描足迹中心的标称网格坐标和预先建立的标称网格，进行波束扫描足迹网格化分解，得到扫描时间范围内所有波束扫描足迹所覆盖的固定网格；

在整个观测视场内统计网格被波束扫描足迹覆盖的次数，并分条带标记网格的覆盖情况；

根据所述网格被波束扫描足迹覆盖的次数和所述分条带标记网格的覆盖情况，分别计算出所述视场覆盖率、所述重复覆盖率和所述条带重叠率。

6.如权利要求5所述的静止轨道多频段太赫兹探测仪对地观测模式实现方法，其特征在于：

所述波束扫描足迹中心的标称网格坐标为所述静止轨道多频太赫兹探测仪相应时刻的波束扫描足迹中心的平面坐标；

将所述静止轨道多频太赫兹探测仪的指向信息和当前卫星的轨道与姿态信息分别输入到理想定位模型，得到的波束扫描足迹中心的大地坐标经标称投影正算得到所述波束扫描足迹中心的平面坐标。

7.如权利要求5所述的静止轨道多频段太赫兹探测仪对地观测模式实现方法，其特征在于：

在所述标称网格上，以获取的扫描时间范围内每一时刻对应的波束扫描足迹中心为圆心，以3dB波束宽度对应的标称网格数为直径，对每个波束扫描足迹网格化分解。

8.如权利要求5所述的静止轨道多频段太赫兹探测仪对地观测模式实现方法，其特征在于：

根据所述整个观测视场内网格被波束扫描足迹覆盖的次数，分别计算视场覆盖率和重复覆盖率，其中视场覆盖率的计算公式如下：

上式中，card({N(g_x,y)≥1|g_x,y∈FOV})为观测视场内覆盖次数大于等于1的网格数，和/>分别为观测视场左上角和右下角的标称网格坐标， 为观测视场内的网格总数，该网格总数取整；

上式中，card({N(g_x,y)>1|g_x,y∈FOV})为观测视场内覆盖次数大于1的网格数, 为观测视场内的网格总数，该网格总数取整；

根据所述分条带标记网格的覆盖情况，计算条带重叠率，计算公式如下：

上式中，card({C(g_x,y)＝1|g_x,y∈(UpperStrip∩LowerStrip)})为相邻条带内均被标记为1的网格数，card({C(g_x,y)＝1|g_x,y∈UpperStrip})为上侧或下侧条带内被标记为1的网格数。

9.如权利要求5所述的静止轨道多频段太赫兹探测仪对地观测模式实现方法，其特征在于：

以观测目标的平均移动速度为单位取为m/s，在Z/S型慢扫描模式下，观测目标在最大扫描时间间隔ΔT_ub内的观测目标位移系数k_w，计算公式如下：

上式中，h为静止卫星的标称轨道高度，θ_3dB为的3dB波束扫描宽带；

在Z/S型慢扫描模式下，最大扫描时间间隔ΔT_ub，计算公式如下：

上式中，ΔT_{ub_oneway}为Z型慢扫描模式下，条带重叠范围内同名点的最大扫描时间间隔；ΔT_{ub_roundtrip}为S型慢扫描模式下，条带重叠范围内同名点的最大扫描时间间隔；为观测视场右下角的网格y坐标，R为扫描圆弧半径对应的网格数；ω为波束圆锥扫描旋转角速度，τ为最高频率观测通道对应的积分时间，N_q为扫描圆弧上的波束足迹个数，/>为扫描起点A_s的网格y坐标，/>为标称网格的角分辨率，t_u为相邻2次条带扫描任务间的固定时间间隔，/>为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度。

10.一种静止轨道多频太赫兹探测仪对地观测模式实现装置，包括处理器和存储器，所述处理器读取所述存储器中的计算机程序或指令，用于执行以下操作：

设置静止轨道多频太赫兹探测仪的对地观测任务；

建立观测规划模型，并根据对地观测任务，确定所述观测规划模型所需满足的约束条件后，计算所述观测规划模型及其约束条件的相关参数；其中，所述观测规划模型的目标函数表示为：

f＝min{OCR(X)}

上式中，为静止轨道多频太赫兹探测仪扫描速度的决策变量，/>为静止轨道多频太赫兹探测仪的俯仰角速度，/>为静止轨道多频太赫兹探测仪的滚动角位移；OCR为静止轨道多频太赫兹探测仪进行扫描后的重复覆盖率，具体定义为静止轨道多频太赫兹探测仪的波束扫描足迹重叠覆盖的视场角范围占观测视场立体角的比率；

将所述观测规划模型的相关参数带入到相应的对地观测任务下的观测规划模型及约束条件中，并进行模型优化求解，得到最优扫描参数，以确定出最优对地观测模式。