CN114494895A - 一种面向高轨卫星超大范围区域搜索的推扫方法 - Google Patents

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Abstract

一种面向高轨卫星超大范围区域搜索的推扫方法。步骤1：初始化任务场景；步骤2：选择区域推扫的起点；步骤3：确定成像的范围；步骤4：判断推扫模式；步骤5：计算高轨卫星相机成像视场中心位置的经纬度坐标；步骤6：完成推扫成像；步骤7：判断是否越过区域经纬度范围；步骤8：根据视场中心经纬度位置判断是否任务结束。通过对区域的划分和推扫路径规划实现目标搜索。本发明针对难以通过单景覆盖的广阔监测区域进行大范围区域内的搜索与监控任务。

Description

一种面向高轨卫星超大范围区域搜索的推扫方法
技术领域
本发明属于高轨卫星对地观测领域；具体涉及一种面向高轨卫星超大范围区域搜索的推扫方法、运行装置、计算机设备及存储介质。
背景技术
高轨遥感卫星区域目标观测是卫星对地观测研究领域一项重要的内容，基于成像视野广的特点，高轨卫星可以获得大范围内的目标信息，对视野内的目标进行有效的监控。然而，由于单个高轨卫星的成像视野依然有限，对地表超大范围的监控无法通过单个高轨卫星的一个成像视场得到满足，对大范围内运动的目标无法保证通过单一成像场景实现目标的捕获与监视。因此，需要设计一种针对高轨卫星的区域目标搜索方法，来实现超大范围内目标的捕获与监视功能。
对于海域监测和国土边境监视等超大范围内目标捕获与监视等应用场景，高轨卫星可通过对目标区域的边界进行确定，然后根据高轨卫星的成像视野进行多个小区域划分，继而对于多个目标区域，按照最优的成像路径进行推扫。规划推扫成像路径的同时，需要计算出卫星成像时所需的姿态角，根据所得的姿态角序列和卫星机动时间参数就可计算出卫星机动时间，以及生成相应任务工作序列。
发明内容
本发明提供了一种面向高轨卫星超大范围区域搜索的推扫方法，针对难以通过单景覆盖的广阔监测区域进行大范围区域内的搜索与监控任务。
本发明提供了一种面向高轨卫星区域搜索的推扫运行装置，针对难以通过单景覆盖的广阔监测区域进行大范围区域内的搜索与监控任务。
本发明提供了一种计算机设备。
本发明提供了一种非临时性计算机可读存储介质。
本发明通过以下技术方案实现：
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫方法，所述推扫方法包括以下步骤：
步骤1：输入需要搜索的区域位置、卫星的初始姿态以及其轨道信息和相机成像的参数信息初始化任务场景；
步骤2：根据输入的需要搜索的区域位置，计算区域对应的最大经纬度和最小经纬度，根据高轨卫星相机的初始经纬度位置，选择区域推扫的起点；
步骤3：根据卫星姿态计算相机成像视场的宽度，确定成像的范围；
步骤4：根据起始推扫点或上一次推扫信息判断推扫模式为纵向推扫还是横向推扫；由左上点或右上点为推扫起点则选择向下纵向推扫，如从下点开始选择首先向上推扫；
步骤5：计算高轨卫星相机成像视场中心位置的经纬度坐标；
步骤6：根据步骤五所得经纬度坐标结果，控制卫星完成纵向或横向推扫成像，卫星进行姿态机动，指向待观测视场中心；
步骤7：卫星每完成一次推扫机动后，判断是否越过区域的经纬度范围，若是，则返回步骤4，若否直接进入步骤8；
步骤8：根据视场中心经纬度位置判断是否任务结束，若否，则返回步骤4，若是，则直接结束任务。
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫方法，所述步骤1具体为，其中区域位置信息由位于一系列区域边界上的点的经纬度坐标表示，假设有n个边界点信息，则区域位置信息矩阵X＝{(lon1，lat1),(lon2，lat2)···(lonn，latn)}，卫星初始姿态表示为
Figure BDA0003377824990000021
轨道高度为h，相机信息主要包括相机成像的视场角θ。
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫方法，所述步骤2具体为，
最大经度lonmax＝max{lon1···lonn}
最小经度lonmin＝min{lon1···lonn}
最大纬度latmax＝max{lat1···latn}
最小纬度latmin＝min{lat1···latn}
由相机初始姿态指向的经纬度坐标决定对该区域的推扫起点，判断该坐标到区域左上点，右上点，左下点，右下点的距离，选择距离最近的点作为推扫的起始点。
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫方法，所述步骤3具体为，
对给定的高轨卫星位置、姿态以及相机的视场角信息，包括r,v,u,Re,θ计算出相机视场四个角位置上边界点的坐标，求出横或纵方向上的最小者作为当前状态下相机的视场宽度。
顶点经度坐标：lon＝arctan(RyRx)
顶点纬度坐标：lat＝arctan(Rz)
Figure BDA0003377824990000031
其中
h2＝u*H*ver
姿态变换矩阵：
Figure BDA0003377824990000032
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫方法，由左下到右下到右上再到左上的方向矢量ver分别为：
Figure BDA0003377824990000033
Figure BDA0003377824990000034
Figure BDA0003377824990000035
Figure BDA0003377824990000036
由此根据下式求得四个顶点坐标：
顶点坐标X＝(lon，lat)
最终求得视场宽度：
camoralen＝min{|X1-X2|，|X1-X4|，|X3-X2|，|X3-X4|}。
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫方法，所述步骤5具体为，纵向推扫：纵向机动，保持经度不变，纬度变化由此时计算出的视场宽度决定
Figure BDA0003377824990000041
横向推扫：横向机动，保持纬度不变，经度变化由此时计算出的视场宽度决定
Figure BDA0003377824990000042
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫运行装置，所述推扫运行装置包括
推扫起点选择模块，用于选择推扫起点；
成像模块，用于卫星姿态计算相机成像；
推扫判断模块，根据起始推扫点或上一次推扫信息判断推扫模式为纵向推扫还是横向推扫；
计算模块，用于计算高轨卫星相机成像视场中心位置的经纬度坐标；
控制模块，用于控制卫星完成推扫成像；
判断模块，用于判断推扫任务是否完成。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器质性所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述任一项所述方法的步骤。
本发明的有益效果是：
本发明实现了利用一颗高轨卫星完成对广阔区域目标的推扫搜索任务，解决了高轨卫星资源稀缺的情况下，对大范围区域进行全覆盖观测的问题。
本发明以卫星实际姿态所对应的相机视场完成每个独立观测区域的划分，在保证目标区域被全部观测到的情况下，卫星机动的次数最少，实现了能量最优，节约了卫星资源。
附图说明
图1为本发明提出的面向高轨卫星超大范围区域搜索的推扫方法工作过程图。
图2为本发明具体测试实例中选择的观测区域，新疆区域的轮廓图。
图3为根据本方法所确定的推扫路径。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例1
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫方法，所述推扫方法包括以下步骤：
步骤1：输入需要搜索的区域位置、卫星的初始姿态以及其轨道信息和相机成像的参数信息初始化任务场景；
步骤2：根据输入的需要搜索的区域位置，计算区域对应的最大经纬度和最小经纬度，根据高轨卫星相机的初始经纬度位置，选择区域推扫的起点；
步骤3：根据卫星姿态计算相机成像视场的宽度，确定成像的范围；
步骤4：根据起始推扫点或上一次推扫信息判断推扫模式为纵向推扫还是横向推扫；由左上点或右上点为推扫起点则选择向下纵向推扫，如从下点开始选择首先向上推扫；
步骤5：计算高轨卫星相机成像视场中心位置的经纬度坐标；
步骤6：根据步骤五所得经纬度坐标结果，控制卫星完成纵向或横向推扫成像，卫星进行姿态机动，指向待观测视场中心；
步骤7：卫星每完成一次推扫机动后，判断是否越过区域的经纬度范围，若是，则返回步骤4，若否直接进入步骤8；
步骤8：根据视场中心经纬度位置判断是否任务结束，若否，则返回步骤4，若是，则直接结束任务。
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫方法，所述步骤1具体为，其中区域位置信息由位于一系列区域边界上的点(包括区域的东西南北四个方向的顶点以及其他边界上的确定点)的经纬度坐标表示,假设有n个边界点信息，则区域位置信息矩阵X＝{(lon1，lat1),(lon2，lat2)···(lonn，latn)}，卫星初始姿态表示为
Figure BDA0003377824990000051
轨道高度为h，相机信息主要包括相机成像的视场角θ。
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫方法，所述步骤2具体为，
最大经度lonmax＝max{lon1···lonn}
最小经度lonmin＝min{lon1···lonn}
最大纬度latmax＝max{lat1···latn}
最小纬度latmin＝min{lat1···latn}
由相机初始姿态指向的经纬度坐标决定对该区域的推扫起点，判断该坐标到区域左上点，右上点，左下点，右下点的距离，选择距离最近的点作为推扫的起始点。
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫方法，所述步骤3具体为，
对给定的高轨卫星位置、姿态以及相机的视场角信息，包括r，v，u，Re，θ计算出相机视场四个角位置上边界点的坐标，求出横或纵方向上的最小者作为当前状态下相机的视场宽度。
顶点经度坐标：lon＝arctan(RyRx)
顶点纬度坐标：lat＝arctan(Rz)
Figure BDA0003377824990000061
其中
h2＝u*H*ver
姿态变换矩阵：
Figure BDA0003377824990000062
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫方法，由左下到右下到右上再到左上的方向矢量ver分别为：
Figure BDA0003377824990000063
Figure BDA0003377824990000064
Figure BDA0003377824990000065
Figure BDA0003377824990000071
由此根据下式求得四个顶点坐标：
顶点坐标X＝(lon，lat)
最终求得视场宽度：
camoralen＝min{|X1-X2|，|X1-X4|，|X3-X2|，|X3-X4|}。
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫方法，所述步骤5具体为，纵向推扫：纵向机动，保持经度不变，纬度变化由此时计算出的视场宽度决定
Figure BDA0003377824990000072
横向推扫：横向机动，保持纬度不变，经度变化由此时计算出的视场宽度决定
Figure BDA0003377824990000073
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫运行装置，所述推扫运行装置包括
推扫起点选择模块，用于选择推扫起点；
成像模块，用于卫星姿态计算相机成像；
推扫判断模块，根据起始推扫点或上一次推扫信息判断推扫模式为纵向推扫还是横向推扫；
计算模块，用于计算高轨卫星相机成像视场中心位置的经纬度坐标；
控制模块，用于控制卫星完成推扫成像；
判断模块，用于判断推扫任务是否完成。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器质性所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述任一项所述方法的步骤。
实施例2
一种面向高轨卫星区域搜索的推扫方法，所述推扫方法包括以下步骤：
步骤1：输入需要搜索的区域位置，卫星的初始姿态以及其轨道信息和相机成像的参数信息等初始化任务场景；
卫星为地球同步轨道卫星，相机成像视场角0.43deg，初始指向坐标(74°,43°)，新疆区域如图1所示，其关键的位置信息矩阵
X＝{(73.4°，39.2°)，(87.29°，49.2°)，(79.1°，34.5°)，(96.3°，42.87)}
步骤2：根据输入的区域信息，计算区域对应的最大最小经纬度，根据高轨卫星相机的初始经纬度位置，选择区域推扫的起点；
lonmin＝73.4°
lonmax＝96.3°
latmin＝34.5°
latmax＝49.2°
初始指向坐标距离最小经度最近，故可以选择左上角作为整个推扫过程起始点，起始点对应的坐标(73.4°，42.8°)。
步骤3：根据卫星姿态计算相机成像视场的宽度，确定成像的范围；
cameralen＝1.453
步骤4：根据起始推扫点或上一次推扫信息判断推扫模式为纵向推扫还是横向推扫；由左上点或右上点为推扫起点则选择向下纵向推扫，如从下点开始可选择首先向上推扫；
本实例中选择从左上点开始，首先进行纵向推扫。
步骤5：计算高轨卫星相机成像视场中心位置的经纬度坐标；
Φ1＝(73.4°，41.28°)
步骤6：根据指令完成纵向或横向推扫成像，卫星进行姿态机动，指向待观测视场中心；
步骤7：每完成一次推扫机动后，判断是否越过却与经纬度范围，若是，则返回步骤4，若否直接进入步骤8；
步骤8：根据视场中心经纬度位置判断是否任务结束，若否，则返回步骤4，若是，则直接结束任务。
本发明提出的面向高轨卫星超大范围区域搜索的推扫方法可以应用于多种领域的卫星区域观测任务，尤其是遥感卫星的区域搜索任务。例如高轨遥感卫星对海上区域的安全排查，对危险目标的搜索捕获任务等。
表1为整个推扫过程中，卫星的姿态机动详细情况的完整记录
Figure BDA0003377824990000091
Figure BDA0003377824990000101
Figure BDA0003377824990000111
Figure BDA0003377824990000121
Figure BDA0003377824990000131
Figure BDA0003377824990000141
Figure BDA0003377824990000151

Claims (9)

1.一种面向高轨卫星超大范围区域搜索的推扫方法，其特征在于，所述推扫方法包括以下步骤：
步骤1：输入需要搜索的区域位置、卫星的初始姿态以及其轨道信息和相机成像的参数信息初始化任务场景；
步骤2：根据输入的需要搜索的区域位置，计算区域对应的最大经纬度和最小经纬度，根据高轨卫星相机的初始经纬度位置，选择区域推扫的起点；
步骤3：根据卫星姿态计算相机成像视场的宽度，确定成像的范围；
步骤4：根据起始推扫点或上一次推扫信息判断推扫模式为纵向推扫还是横向推扫；由左上点或右上点为推扫起点则选择向下纵向推扫，如从下点开始选择首先向上推扫；
步骤5：计算高轨卫星相机成像视场中心位置的经纬度坐标；
步骤6：根据步骤五所得经纬度坐标结果，控制卫星完成纵向或横向推扫成像，卫星进行姿态机动，指向待观测视场中心；
步骤7：卫星每完成一次推扫机动后，判断是否越过区域的经纬度范围，若是，则返回步骤4，若否直接进入步骤8；
步骤8：根据视场中心经纬度位置判断是否任务结束，若否，则返回步骤4，若是，则直接结束任务。
2.根据权利要求1所述一种面向高轨卫星超大范围区域搜索的推扫方法，其特征在于，所述步骤1具体为，其中区域位置信息由位于一系列区域边界上的点的经纬度坐标表示，假设有n个边界点信息，则区域位置信息矩阵X＝{(lon1，lat1)，(lon2，lat2)···(lonn，latn)}，卫星初始姿态表示为
Figure FDA0003377824980000011
轨道高度为h，相机信息主要包括相机成像的视场角θ。
3.根据权利要求1所述一种面向高轨卫星超大范围区域搜索的推扫方法，其特征在于，所述步骤2具体为，
最大经度lonmax＝max{lon1···lonn}
最小经度lonmin＝min{lon1···lonn}
最大纬度latmax＝max{lat1···latn}
最小纬度latmin＝min{lat1···latn}
由相机初始姿态指向的经纬度坐标决定对该区域的推扫起点，判断该坐标到区域左上点，右上点，左下点，右下点的距离，选择距离最近的点作为推扫的起始点。
4.根据权利要求1所述一种面向高轨卫星超大范围区域搜索的推扫方法，其特征在于，所述步骤3具体为，
对给定的高轨卫星位置、姿态以及相机的视场角信息，包括r，v，u，Re，θ计算出相机视场四个角位置上边界点的坐标，求出横或纵方向上的最小者作为当前状态下相机的视场宽度。
顶点经度坐标：lon＝arctan(RyRx)
顶点纬度坐标：lat＝arctan(Rz)
Figure FDA0003377824980000021
其中
h2＝u*H*ver
姿态变换矩阵：
Figure FDA0003377824980000022
5.根据权利要求4所述一种面向高轨卫星超大范围区域搜索的推扫方法，其特征在于，由左下到右下到右上再到左上的方向矢量ver分别为：
Figure FDA0003377824980000023
Figure FDA0003377824980000024
Figure FDA0003377824980000025
Figure FDA0003377824980000031
由此根据下式求得四个顶点坐标：
顶点坐标X＝(lon，lat)
最终求得视场宽度：
camoralen＝min{|X1-X2|，|X1-X4|，|X3-X2|，|X3-X4|}。
6.根据权利要求1所述一种面向高轨卫星超大范围区域搜索的推扫方法，其特征在于，所述步骤5具体为，纵向推扫：纵向机动，保持经度不变，纬度变化由此时计算出的视场宽度决定
Figure FDA0003377824980000032
横向推扫：横向机动，保持纬度不变，经度变化由此时计算出的视场宽度决定
Figure FDA0003377824980000033
7.一种面向高轨卫星区域搜索的推扫运行装置，其特征在于，所述推扫运行装置包括推扫起点选择模块，用于选择推扫起点；
成像模块，用于卫星姿态计算相机成像；
推扫判断模块，根据起始推扫点或上一次推扫信息判断推扫模式为纵向推扫还是横向推扫；
计算模块，用于计算高轨卫星相机成像视场中心位置的经纬度坐标；
控制模块，用于控制卫星完成推扫成像；
判断模块，用于判断推扫任务是否完成。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器质性所述计算机程序时实现权利要求1-6中任一项所述方法的步骤。
9.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1-6中任一项所述方法的步骤。
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