CN112348242B - 一种静止轨道遥感卫星区域划分及观测方法 - Google Patents

一种静止轨道遥感卫星区域划分及观测方法 Download PDF

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Abstract

本公开的一种静止轨道遥感卫星区域划分及观测方法，首先确定遥感卫星对目标区域观测的姿态角范围，然后逐步长增大姿态角，采用立体几何方法实时计算遥感卫星在该姿态角度下面阵视场的覆盖范围；完成目标区域划分后，按照“S”形观测方式生成观测序列。能够解决面阵成像静止轨道遥感卫星区域覆盖模式下区域划分和观测的问题，适应性强，能够充分发挥卫星的观测能力。

Description

一种静止轨道遥感卫星区域划分及观测方法
技术领域
本公开属于卫星遥感技术领域，特别涉及一种静止轨道遥感卫星区域划分及观测方法。
背景技术
地球静止轨道遥感卫星具有观测位置相对固定、时间分辨率高、不受过境时间约束等优点，一般携带大面阵遥感相机，成像模式包括全景普查模式、区域拼接模式、机动巡查模式、夜间探测模式等。随着技术的发展，地球静止轨道遥感卫星分辨率越来越高，在进行大范围普查或区域拼接工作时，如何进行区域划分及观测是当前需要解决的技术问题。
现有专利一种用于卫星观测的区域划分算法(CN102479289，2012年)根据卫星幅宽，采用条带划分方式，适用于低轨遥感卫星线阵成像的区域划分，不适合静止轨道的遥感卫星。一些低轨遥感卫星采用全球参考系符号坐标系统进行全球网格位置管理，文献“Landsat卫星WRS网格坐标位置估算方法的研究”(李锦萍等，测绘科学，2006)中介绍了Landsat卫星的WRS参考系和SPOT 卫星的GRS全球参考系。这种系统仅使用于该型卫星，不适合多星数据管理。静止轨道的气象卫星采取了预定义的参考系统分解，按照一定的坐标系，将全球划分为多个带有编号的网格，通过检索区域编号实现区域划分。
静止轨道的遥感卫星一般采取面阵成像模式，低轨遥感卫星的条带分割方法不适用；预定义的网格分割方式无法适应卫星轨道的动态变化特性，尤其是当静止轨道卫星存在一定轨道倾角时，在轨道的不同位置成像时，受地球曲率影响对同一区域观测时的视场大小会发生变化。采用预定义的网格分割方式会出现区域漏覆盖或重叠率过高等问题，不能充分发挥卫星的观测能力。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种静止轨道遥感卫星区域划分及观测方法，能够解决面阵成像静止轨道遥感卫星区域覆盖模式下区域划分和观测的问题，适应性强，能够充分发挥卫星的观测能力。
根据本公开的一方面，提出了一种静止轨道遥感卫星区域划分观测方法，所述方法包括：
S1：根据遥感卫星的目标区域确定所述遥感卫星姿态角包络，根据遥测卫星轨道参数计算遥测卫星在所述目标区域观测的最大滚动角和俯仰角，及最小滚动角和俯仰角；
S2：初始化遥感卫星的俯仰角为所述最小俯仰角、滚动角为最小滚动角、目标区域的分割结果集合为空；
S3：根据所述遥感卫星的俯仰角和滚动角计算遥感卫星的遥感相机光轴与地球表面的交点的经纬度，判断所述交点是否位于所述遥感卫星的目标区域内，如果所述交点位于所述遥感卫星的目标区域内，将所述交点的经纬度和姿态角添加到所述目标区域的分割结果集合中，并执行S5，否则执行S4；
S4：根据所述遥感卫星的俯仰角和滚动角计算遥感相机视场与地球表面的四个交点的经纬度，如果超过两个交点位于所述遥感卫星的目标区域内，将所述相机光轴对应的交点的经纬度和姿态角添加到所述目标区域的分割结果集合中；
S5：根据所述遥感卫星的俯仰角和滚动角，及设定的俯仰角和滚动角的步长更新遥感卫星的俯仰角和滚动角；
S6：重复执行S3，当所述遥感卫星的俯仰角大于目标区域观测的最大俯仰角，滚动角大于目标区域观测的最大滚动角时，完成对所述目标区域的划分；
S7：根据所述遥感卫星的姿态角采用“S”行观测线路对所述目标区域的分割结果集合中的姿态角阵列进行排序，得到遥感卫星区域划分观测序列。
在一种可能的实现方式中，所述根据遥测卫星轨道参数计算遥测卫星在所述目标区域观测的最大滚动角和俯仰角，及最小滚动角和俯仰角，包括：
S11：根据遥感卫星目标区域观测的目标点的经纬度计算得到所述目标点在地固坐标系下的位置矢量；
S12：根据所述遥感卫星和目标点在地固坐标系中的位置矢量计算遥感卫星在地固坐标系下的观测矢量；
S13：根据遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量和速度矢量，以及地球的角速度矢量计算所述遥感卫星在地固坐标系下的牵连速度矢量；
S14：根据所述遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量和牵连速度矢量计算所述遥感卫星轨道坐标系的单位矢量；
S15：根据所述遥感卫星轨道坐标系的单位矢量和所述遥感卫星在地固坐标系下的观测矢量计算遥测卫星在所述目标区域对目标点观测的最大滚动角和俯仰角，及最小滚动角和俯仰角。
在一种可能的实现方式中，根据所述遥感卫星的俯仰角和滚动角计算遥感卫星的遥感相机光轴与地球表面的交点的经纬度，判断所述交点是否位于所述遥感卫星的目标区域内，包括：
S31：根据所述遥感卫星的俯仰角和滚动角计算遥感卫星本体坐标系和地固坐标系的转换矩阵；
S32：根据遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量和速度矢量，计算所述遥感卫星轨道坐标系和地固坐标系的转换矩阵；
S33：根据遥感相机光轴在卫星本体坐标系的单位矢量计算所述遥感相机光轴在地固坐标系中的单位矢量；
S34：根据所述遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量和遥感相机光轴在地固坐标系中的单位矢量计算得到所述交点在地固坐标系的单位矢量；
S35：根据所述交点在地固坐标系的单位矢量计算所述交点的经纬度，并判断所述交点是否位于所述遥感卫星的目标区域内。
本公开的一种静止轨道遥感卫星区域划分及观测方法，首先确定遥感卫星对目标区域观测的姿态角范围，然后逐步长增大姿态角，采用立体几何方法实时计算遥感卫星在该姿态角度下面阵视场的覆盖范围；完成目标区域划分后，按照“S”形观测方式生成观测序列。能够解决面阵成像静止轨道遥感卫星区域覆盖模式下区域划分和观测的问题，适应性强，能够充分发挥卫星的观测能力。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出根据本公开一实施例的一种静止轨道遥感卫星区域划分及观测方法流程图；
图2示出根据本公开一实施例的步骤S1的方法流程图；
图3示出根据本公开一实施例的步骤S3的方法流程图；
图4示出根据本公开一实施例的一种静止轨道遥感卫星区域划分观测区域示意图；
图5示出根据本公开一实施例的一种静止轨道遥感卫星区域划分结果示意图；
图6示出根据本公开一实施例的一种静止轨道遥感卫星区域划分观测序列结果示意图；
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
图1示出根据本公开一实施例的一种静止轨道遥感卫星区域划分及观测方法流程图。该方法可以包括：
S1：根据遥感卫星的目标区域确定所述遥感卫星姿态角包络，根据遥测卫星轨道参数计算遥测卫星在所述目标区域观测的最大滚动角和俯仰角，及最小滚动角和俯仰角。
图4示出根据本公开一实施例的一种静止轨道遥感卫星区域划分观测区域示意图。如图4所示，静止轨道遥感卫星的定点经度为东经120°，轨道倾角为0°，遥感相机的视场角为0.20°。注入的目标区域为9边形，顶点的经纬度如下表1所示：
表1注入目标区域顶点经纬度
根据遥感卫星注入目标区域以及可以确定遥感卫星姿态角包络，且纬度最小值纬度最大值/>经度最小值λmin＝107.88°，经度最大值λmax＝120.22°。根据卫星当前轨道参数计算上述包络的最大滚动角θmax，最大俯仰角φmax，最小滚动角θmin和最小俯仰角φmin。
图2示出根据本公开一实施例的步骤S1的方法流程图。
在一示例中，如图2所示，根据遥测卫星轨道参数计算遥测卫星在所述目标区域观测的最大滚动角和俯仰角，及最小滚动角和俯仰角，可以包括：
S11：根据遥感卫星目标区域观测的目标点的经纬度计算得到所述目标点在地固坐标系下的位置矢量。
S12：根据所述遥感卫星和目标点在地固坐标系中的位置矢量计算遥感卫星在地固坐标系下的观测矢量；
S13：根据遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量和速度矢量，以及地球的角速度矢量计算所述遥感卫星在地固坐标系下的牵连速度矢量；
S14：根据所述遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量和牵连速度矢量计算所述遥感卫星轨道坐标系的单位矢量；
S15：根据所述遥感卫星轨道坐标系的单位矢量和所述遥感卫星在地固坐标系下的观测矢量计算遥测卫星在所述目标区域对目标点观测的最大滚动角和俯仰角，及最小滚动角和俯仰角。
举例来说，遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量为RS和速度矢量VS，遥感卫星目标区域观测的目标点经纬度为
根据公式能够根据目标点的经纬度计算得到目标点在地固坐标系中的位置矢量RT，其中RE为地球平均半径。
根据遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量为RS和目标点在地固坐标系中的位置矢量RT计算得到遥感卫星在地固坐标系下的观测矢量h，观测矢量h＝RT-RS，观测矢量h的单位矢量为uh。
根据遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量为RS和速度矢量VS以及地球的角速度矢量we计算得到遥感卫星在地固坐标系下的牵连速度矢量Vi， Vi＝VS+we×RS。
根据遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量RS和牵连速度矢量Vi计算所述遥感卫星轨道坐标系的单位矢量ux，uy，uz，
其中ux＝uy×uz。
根据所述遥感卫星轨道坐标系的单位矢量ux，uy，uz，以及遥感卫星在地固坐标系下的观测矢量uh计算遥测卫星在所述目标区域对目标点观测的滚动角θ和俯仰角φ，
θ＝arcsin(uh·ux)，
将遥测卫星在所述目标区域观测的目标点的最大点和最小点的两个位置的姿态角和/>分别代入到滚动校核俯仰角计算公式，得到遥测卫星在所述目标区域对目标点观测的最大滚动角θmax，最大俯仰角φmax，和最小滚动角θmin，最小俯仰角φmin。
S2：初始化遥感卫星的俯仰角为所述最小俯仰角、滚动角为最小滚动角、目标区域的分割结果集合为空。
在静止轨道遥感卫星区域划分过程中，初始化遥感卫星的俯仰角为最小俯仰角φmin、最小滚动角θmin。设置俯仰角的更新步长为Δφ，滚动角的更新步长为Δθ，更新步长略小于遥感相机的视场角，使相邻的网格之间有一定重叠。
目标区域的分割结果集合中俯仰角矩阵为φm×n，滚动角矩阵为θm×n，经度矩阵为λm×n，纬度矩阵为初始化目标区域的分割结果集合为零矩阵，其中， m为大于的最小整数，n为大于/>的最小整数。
S3：根据所述遥感卫星的姿态角和滚动角计算遥感卫星的遥感相机光轴与地球表面的交点的经纬度，判断所述交点是否位于所述遥感卫星的目标区域内，如果所述交点位于所述遥感卫星的目标区域内，将所述交点的经纬度和姿态角添加到所述目标区域的分割结果集合中，并执行S5，否则执行S4。
图3示出根据本公开一实施例的步骤S3的方法流程图。
在一示例中，如图3所示，根据所述遥感卫星的俯仰角和滚动角计算遥感卫星的遥感相机光轴与地球表面的交点的经纬度，判断所述交点是否位于所述遥感卫星的目标区域内，可以包括：
S31：根据所述遥感卫星的俯仰角和滚动角计算遥感卫星本体坐标系和地固坐标系的转换矩阵。
根据遥感卫星的滚动角θ和俯仰角φ计算遥感卫星本体坐标系和地固坐标系的转换矩阵Lob，
S32：根据遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量和速度矢量，计算所述遥感卫星轨道坐标系和地固坐标系的转换矩阵。
已知遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量RS、速度矢量为VS和三个单位矢量ux，uy，uz，则可以得到感卫星轨道坐标系和地固坐标系的转换矩阵为 Lfo，Lfo＝[ux,uy,uz]。
S33：根据遥感相机光轴在卫星本体坐标系的单位矢量计算所述遥感相机光轴在地固坐标系中的单位矢量。
遥感相机光轴在卫星本体坐标系中的单位矢量为Rcamb＝[0,0,1]T，则遥感相机光轴在地固坐标系的单位矢量Rcamf＝Lfo·Lob·Rcamb。
S34：根据所述遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量和遥感相机光轴在地固坐标系中的单位矢量计算得到所述交点在地固坐标系的单位矢量。
根据遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量RS和遥感相机光轴在地固坐标系的单位矢量Rcamf构造RS+xRcamf矢量，根据|RS+xRcamf|＝RE构造一元二次方程，求解一元二次方程得到x1、x2两个根，选取较小的一个根，比如为x1，则遥感相机光轴与地球表面的交点在地固坐标系中的矢量为 Rtarget＝RS+x1Rcamf。
S35：根据所述交点在地固坐标系的单位矢量计算所述交点的经纬度，并判断所述交点是否位于所述遥感卫星的目标区域内。
根据遥感相机光轴与地球表面的交点在地固坐标系中的矢量Rtarget计算交点的经纬度其中，λ＝arctan(Rtarget[2]/Rtarget[1]),/>判断该交点的经纬度/>判断交点是否在静止轨道遥感卫星注入的9边形目标区域内部。当该交点在静止轨道遥感卫星注入的9边形目标区域内部，执行步骤S5，否则执行步骤S4。
S4：根据所述遥感卫星的俯仰角和滚动角计算遥感相机视场与地球表面的四个交点的经纬度，如果超过两个交点位于所述遥感卫星的目标区域内，将所述相机光轴对应的交点的经纬度和姿态角添加到所述目标区域的分割结果集合中。
计算遥感卫星在当前姿态角下，根据步骤S31-S35，其中，将遥感相机光轴在地固坐标系中的单位矢量换成遥感相机视场在地固坐标系中的矢量，其它计算原理一样，能够计算得到遥感相机市场与地球表面的四个交点的经纬度，判断每个交点是否在静止轨道遥感卫星注入的多边目标区域内部，统计在目标区域内部的交点个数。如果超过两个交点位于所述遥感卫星的目标区域内，将所述相机光轴对应的交点的经纬度和姿态角添加到所述目标区域的分割结果集合中，执行步骤S5。
S5：根据所述遥感卫星的俯仰角和滚动角，及设定的俯仰角和滚动角的步长更新遥感卫星的俯仰角和滚动角。
假如遥感卫星当前的俯仰角为φi，滚动角为θj；保持滚动角θj不变，更新俯仰角为φi+1＝φi+Δφ；如果当前俯仰角φi+1超过最大俯仰角φmax时，更新滚动角为θi+1＝θi+Δθ，重置俯仰角为φi＝φmin。
S6：重复执行S3，当所述遥感卫星的俯仰角大于目标区域观测的最大俯仰角，滚动角大于目标区域观测的最大滚动角时，完成对所述目标区域的划分。
重复执行S3，能够完成对目标区域的划分，得到遥感卫星的矩阵俯仰角φm×n或滚动交θm×n，矩阵俯仰角φm×n或滚动交θm×n中非零值的个数即为遥感卫星的遥感相机的成像次数，记为num。区域划分结果如图5所示的静止轨道遥感卫星区域划分结果示意图。
S7：根据所述遥感卫星的姿态角采用“S”形观测线路对所述目标区域的分割结果集合中的姿态角阵列进行排序，得到遥感卫星区域划分观测序列。
假如遥感卫星的姿态角采用“S”形观测线路的观测序列为ObArr，目标区域的分割结果集合中姿态角矩阵中m≥n。
初始化观测序列ObArr为num列的矢量；找出目标区域的分割结果矩阵中第 1列和第n列中与遥感卫星当前的姿态角(φ0，θ0)最接近的一组姿态角(φ1，θ1)；将这组姿态角(φ1，θ1)存入观测序列ObArr；对目标区域的分割结果的俯仰角矩阵φm×n和滚动角θm×n按列进行排序，按照递增或递减的顺序将一整列的姿态角结果依次存入观测序列ObArr中，完成当前列之后，下一列的观测顺序与当前列相反，例如当前列采用递增顺序，则下一列采用递减顺序；重复上述操作，直至完成所有观测区域的覆盖，目标观测区域序列结果如图6所示。
如果目标区域的分割结果集合中姿态角矩阵中m＜n，按照目标区域的分割结果集合中姿态角矩阵中m≥n时的操作，将按列操作改为按行操作，直至完成所有观测区域的覆盖。
本公开的种静止轨道遥感卫星区域划分及观测方法，首先确定遥感卫星对目标区域观测的姿态角范围，然后逐步长增大姿态角，采用立体几何方法实时计算遥感卫星在该姿态角度下面阵视场的覆盖范围；完成目标区域划分后，按照“S”形观测方式生成观测序列。能够解决面阵成像的静止轨道遥感卫星区域覆盖模式下区域划分和观测的问题，适应性强，能够充分发挥卫星的观测能力。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (3)

1.一种静止轨道遥感卫星区域划分观测方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：根据遥感卫星的目标区域确定所述遥感卫星姿态角包络，根据遥测卫星轨道参数计算遥测卫星在所述目标区域观测的最大滚动角和最大俯仰角，及最小滚动角和最小俯仰角；
S2：初始化遥感卫星的俯仰角为所述最小俯仰角、滚动角为最小滚动角、目标区域的分割结果集合为空；
S3：根据所述遥感卫星的俯仰角和滚动角计算遥感卫星的遥感相机光轴与地球表面的交点的经纬度，判断所述交点是否位于所述遥感卫星的目标区域内，如果所述交点位于所述遥感卫星的目标区域内，将所述交点的经纬度和姿态角添加到所述目标区域的分割结果集合中，并执行S5，否则执行S4；
S4：根据所述遥感卫星的俯仰角和滚动角计算遥感相机视场与地球表面的四个交点的经纬度，如果超过两个交点位于所述遥感卫星的目标区域内，将所述相机光轴对应的交点的经纬度和姿态角添加到所述目标区域的分割结果集合中，执行步骤S5；
S5：根据所述遥感卫星的俯仰角和滚动角，及设定的俯仰角和滚动角的步长更新遥感卫星的俯仰角和滚动角；
S6：重复执行S3，当所述遥感卫星的俯仰角大于目标区域观测的最大俯仰角，滚动角大于目标区域观测的最大滚动角时，完成对所述目标区域的划分；
S7：根据所述遥感卫星的姿态角采用“S”行观测线路对所述目标区域的分割结果集合中的姿态角阵列进行排序，得到遥感卫星区域划分观测序列。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据遥测卫星轨道参数计算遥测卫星在所述目标区域观测的最大滚动角和俯仰角，及最小滚动角和俯仰角，包括：
S11：根据遥感卫星目标区域观测的目标点的经纬度计算得到所述目标点在地固坐标系下的位置矢量；
S12：根据所述遥感卫星和目标点在地固坐标系中的位置矢量计算遥感卫星在地固坐标系下的观测矢量；
S13：根据遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量和速度矢量，以及地球的角速度矢量计算所述遥感卫星在地固坐标系下的牵连速度矢量；
S14：根据所述遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量和牵连速度矢量计算所述遥感卫星轨道坐标系的单位矢量；
S15：根据所述遥感卫星轨道坐标系的单位矢量和所述遥感卫星在地固坐标系下的观测矢量计算遥测卫星在所述目标区域对目标点观测的最大滚动角和俯仰角，及最小滚动角和俯仰角。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述遥感卫星的俯仰角和滚动角计算遥感卫星的遥感相机光轴与地球表面的交点的经纬度，判断所述交点是否位于所述遥感卫星的目标区域内，包括：
S31：根据所述遥感卫星的俯仰角和滚动角计算遥感卫星本体坐标系和地固坐标系的转换矩阵；
S32：根据遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量和速度矢量，计算所述遥感卫星轨道坐标系和地固坐标系的转换矩阵；
S33：根据遥感相机光轴在卫星本体坐标系的单位矢量计算所述遥感相机光轴在地固坐标系中的单位矢量；
S34：根据所述遥感卫星在地固坐标系中的位置矢量和遥感相机光轴在地固坐标系中的单位矢量计算得到所述交点在地固坐标系的单位矢量；
S35：根据所述交点在地固坐标系的单位矢量计算所述交点的经纬度，并判断所述交点是否位于所述遥感卫星的目标区域内。
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