CN116466369A - 高低轨卫星可见时间窗口确定方法及装置 - Google Patents

高低轨卫星可见时间窗口确定方法及装置 Download PDF

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CN116466369A CN202310342127.0A CN202310342127A CN116466369A CN 116466369 A CN116466369 A CN 116466369A CN 202310342127 A CN202310342127 A CN 202310342127A CN 116466369 A CN116466369 A CN 116466369A
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曹晓芃
宋沛然
杜康宁
郭亚男
田澍
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    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本说明书涉及卫星探测技术领域，具体地公开了一种高低轨卫星可见时间窗口确定方法及装置，其中，该方法包括：获取高轨卫星参数、低轨卫星参数和任务起止时间；高轨卫星参数包括高轨卫星轨道参数以及高轨卫星轨迹点数据；低轨卫星参数包括低轨卫星轨道参数和低轨卫星轨迹点数据；建立低轨卫星轨迹点数据的R‑tree索引；根据高轨卫星轨迹点数据、高轨卫星轨道参数和低轨卫星轨道参数，构建搜索区域；利用搜索区域在R‑tree索引中进行搜索，得到地球无遮挡弧段；针对地球无遮挡弧段中多个低轨卫星轨迹点中各轨迹点进行可见性判断，确定高低轨卫星可见时间窗口。上述方案可以在降低计算可见时间窗口的计算量的同时保证计算精度。

Description

高低轨卫星可见时间窗口确定方法及装置
技术领域
本说明书涉及卫星探测技术领域，特别涉及一种高低轨卫星可见时间窗口确定方法及装置。
背景技术
高轨卫星位于赤道上方35800km的轨道，与地球保持相对静止，覆盖区域固定，由于轨道高度高，对地球视场大，故覆盖范围大。理论上3颗卫星即可覆盖除两极外的全球区域。中低轨道卫星是飞行高度小于1000km(低轨道)和介于1000～20000km之间(中轨道)的卫星，相对地球处于运动状态。高轨成像卫星能够对目标进行连续长时间跟踪监视，获取目标的连续定位信息及航速、航向信息，但由于轨道高度高，成像分辨率较低，无法对目标识别确认。低轨高分辨率成像卫星能够准确识别确认目标并精确定位，但受到成像幅宽限制，很难自主发现目标，需在其他信息引导下实现对目标的识别确认。因此，单一卫星探测手段很难满足当前复杂环境下态势感知和目标指示任务要求，需要高、低轨卫星协同引导、合理分工、有序配合，综合实现对目标的搜索发现、识别确认及跟踪监视等作战任务需求。同时，低轨卫星通过高轨卫星可明显提高数据传输时长和效率。
高轨卫星与低轨卫星的可见时间窗口是指低轨卫星在高轨卫星视场内的通讯持续期，高低轨卫星可见时间窗口的计算是高低轨卫星协同引导和数据传输的前提。在卫星任务规划、数传资源调度和天基目标监视等各种任务中，均需要可见时间窗口计算功能的支持。高效且精确地计算高低轨可见时间窗口有助于显著提升卫星任务规划的效率，因此具有重要的研究价值与工程意义。如何在降低计算量的同时保证精度也是可见时间窗口计算亟需解决的重要问题之一。
针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本说明书实施例提供了一种高低轨卫星可见时间窗口确定方法及装置，以在降低计算可见时间窗口的计算量的同时保证计算精度。
本说明书实施例提供了一种高低轨卫星可见时间窗口确定方法，包括：
获取高轨卫星参数、低轨卫星参数和任务起止时间；所述高轨卫星参数包括高轨卫星轨道参数以及高轨卫星轨迹点数据；所述低轨卫星参数包括低轨卫星轨道参数和低轨卫星轨迹点数据；
建立所述低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引；根据所述高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，构建搜索区域；
利用所述搜索区域在所述R-tree索引中进行搜索，得到地球无遮挡弧段；针对所述地球无遮挡弧段中的低轨卫星轨迹点进行可见性判断，确定高低轨卫星可见时间窗口。
在一个实施例中，建立所述低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引，包括：
初始化R-tree；
向所述R-tree中添加低轨卫星轨迹点数据中的轨迹点，确定添加该轨迹点之后体积增量最小的叶子节点；判断该叶子节点中的轨迹点的个数是否小于预设个数；若是，则将该轨迹点添加至该叶子节点中；否则，将该轨迹点和该叶子节点中的轨迹点按照体积增量最小原则分裂为两个叶子节点，依据分裂情况逐级向上调整父节点，并调整R-tree的结构；直至添加完所述低轨卫星轨迹点数据中的多个轨迹点。
在一个实施例中，根据所述高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，构建搜索区域，包括：
基于所述高轨卫星轨迹点数据和所述低轨卫星轨道参数，确定高轨卫星与地心之间的连线与低轨卫星轨道之间的第一交点位置参数；
根据所述高轨卫星轨道参数和低轨卫星轨道参数，计算高轨卫星与地球的切线跟低轨卫星轨道的第二交点位置参数；
依据所述第一交点位置参数和所述第二交点位置参数，构建搜索区域。
在一个实施例中，利用所述搜索区域在所述R-tree索引中进行搜索，得到地球无遮挡弧段，包括：
从所述R-tree索引的根节点开始，确定该根节点与所述搜索区域之间是否存在重叠，若是，则深入该根节点对应的子节点继续搜索，若搜索到叶子节点，则确定搜索到的叶子节点是否在所述搜索区域内，若是，则将该叶子节点添加至搜索结果中；直至与所述搜索区域相交的最小边界矩形均被访问；
根据所述搜索结果，生成地球无遮挡弧段。
在一个实施例中，针对所述地球无遮挡弧段中的低轨卫星轨迹点进行可见性判断，确定高低轨卫星可见时间窗口，包括：
将所述地球无遮挡弧段中包含的多个低轨卫星轨迹点按照对应的时间顺序进行排序，确定距离高轨卫星最近的第一低轨卫星轨迹点；
判断所述第一低轨卫星轨迹点是否满足可见性条件；
在判定所述第一低轨卫星轨迹点满足可见性条件的情况下，在所述地球无遮挡弧段从所述第一低轨卫星轨迹点对应的时刻往前往后使用二分搜索法进行搜索，以确定高低轨卫星可见时间窗口的可见起止时刻。
在一个实施例中，在判断所述第一低轨卫星轨迹点是否满足可见性条件之后，还包括：
在判定所述第一低轨卫星轨迹点不满足可见性条件的情况下，在所述地球无遮挡弧段从所述第一低轨卫星轨迹点对应的时刻往前往后判断是否存在可见时刻；
在不存在可见时刻的情况下，确定所述地球无遮挡弧段不存在可见时间窗口。
在一个实施例中，所述高轨卫星参数包括多个高轨卫星中各高轨卫星对应的高轨卫星轨道参数以及高轨卫星轨迹点数据；所述低轨卫星参数包括多个低轨卫星中各低轨卫星对应的低轨卫星轨道参数以及低轨卫星轨迹点数据；
相应的，在根据所述高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，构建搜索区域之前，还包括：
针对所述多个高轨卫星中各高轨卫星，构建所述各高轨卫星对应的子任务，得到多个子任务；将所述多个子任务分配至不同节点服务器并行执行；所述各高轨卫星对应的子任务包括该高轨卫星与所述各低轨卫星之间的高低轨卫星可见时间窗口确定任务。
本说明书实施例还提供了一种高低轨卫星可见时间窗口确定装置，包括：
获取模块，用于获取高轨卫星参数、低轨卫星参数和任务起止时间；所述高轨卫星参数包括高轨卫星轨道参数以及高轨卫星轨迹点数据；所述低轨卫星参数包括低轨卫星轨道参数和低轨卫星轨迹点数据；
索引模块，用于建立所述低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引；还用于根据所述高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，构建搜索区域；
确定模块，用于利用所述搜索区域在所述R-tree索引中进行搜索，得到地球无遮挡弧段；还用于针对所述地球无遮挡弧段中的低轨卫星轨迹点进行可见性判断，确定高低轨卫星可见时间窗口。
本说明书实施例还提供一种计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行指令的存储器，所述处理器执行所述指令时实现上述任意实施例中所述的高低轨卫星可见时间窗口确定方法的步骤。
本说明书实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被执行时实现上述任意实施例中所述的高低轨卫星可见时间窗口确定方法的步骤。
在本说明书实施例中，提供了一种高低轨卫星可见时间窗口确定方法，可以获取高轨卫星参数、低轨卫星参数和任务起止时间，所述高轨卫星参数包括高轨卫星轨道参数以及高轨卫星轨迹点数据，所述低轨卫星参数包括低轨卫星轨道参数和低轨卫星轨迹点数据，建立所述低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引，根据所述高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，构建搜索区域，利用所述搜索区域在所述R-tree索引中进行搜索，得到地球无遮挡弧段；针对所述地球无遮挡弧段中的低轨卫星轨迹点进行可见性判断，确定高低轨卫星可见时间窗口。上述方案中，通过构建低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引，只考虑无地球遮挡范围内的卫星轨迹点，可减少大量计算量，仿真结果证明了该算法可见精度上与STK持平，效率上是以1ms为时间步长的跟踪传播法耗时的10000倍，保证算法的可靠性与高效性，可以为卫星任务规划提供理论指导。此外，在实际应用中，可以采用并行计算的方式，以实现快速计算。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本说明书的进一步理解，构成本说明书的一部分，并不构成对本说明书的限定。在附图中：
图1示出了高低轨卫星与地球遮挡关系示意图；
图2示出了天线方位角和俯仰角的示意图；
图3示出了本说明书一实施例中的高低轨卫星可见时间窗口确定方法的流程图；
图4示出了本说明书一实施例中的R-tree搜索框构建示意图；
图5示出了本说明书一实施例中的R-tree构建流程示意图；
图6示出了本说明书一实施例中的高低轨卫星可见时间窗口确定装置的示意图；
图7示出了本说明书一实施例中的计算机设备的示意图。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本说明书的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本说明书，而并非以任何方式限制本说明书的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本说明书公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本领域的技术人员知道，本说明书的实施方式可以实现为一种系统、装置设备、方法或计算机程序产品。因此，本说明书公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。
本说明书实施例提供了一种高低轨卫星可见时间窗口确定方法。高轨卫星和低轨卫星建立数据传输链路之前，双方天线要指向对方，卫星间相对位置、低轨卫星姿态、天线安装方式都影响双方的可视性。基于高轨卫星与低轨卫星的位置，计算地球遮挡性及低轨卫星的中继天线指向方位角和俯仰角，当二者均在约束范围内，且高低轨卫星没有地球遮挡时，即认为低轨卫星与高轨卫星可视。
请参考图1，示出了高低轨卫星与地球遮挡关系示意图。如图1所示，当低轨卫星处于AB段时，低轨卫星与高轨卫星存在地球遮挡。
之后，可以计算低轨卫星天线指向角。由于天线运动是基于天线坐标系，所以需要将所有矢量转换到天线坐标系下运算。地心惯性坐标系到质心轨道坐标系转换阵为COI：
从质心轨道坐标系到卫星本体系转换阵为CBO：
式中：为滚动角；θ为俯仰角；ψ为偏航角，ω为近地点幅角，f为真近点角，i为卫星轨道倾角，Ω为升交点赤经。
从星体坐标系到天线坐标系的转换阵CAB。低轨卫星中继天线指向矢量在天线坐标系下的计算如下：
式中，[xTU yTU zTU]为低轨卫星中继天线到高轨卫星的指向矢量；[xT yT zT]和[xUyU zU]分别为高轨卫星和低轨卫星在地心惯性系的位置。
请参考图2，示出了天线方位角和俯仰角的示意图。如图2所示，假设天线绕X轴旋转方位角α，绕Y轴旋转俯仰角β指向高轨卫星。
天线方位角和俯仰角计算如下：
基于低轨卫星与高轨卫星的位置以及低轨卫星姿态，在计算得到的中继天线指向角α、β均在约束范围内，并且没有地球遮挡时，即认为低轨卫星与高轨卫星可见。
图2示出了本说明书一实施例中高低轨卫星可见时间窗口确定方法的流程图。虽然本说明书提供了如下述实施例或附图所示的方法操作步骤或装置结构，但基于常规或者无需创造性的劳动在所述方法或装置中可以包括更多或者更少的操作步骤或模块单元。在逻辑性上不存在必要因果关系的步骤或结构中，这些步骤的执行顺序或装置的模块结构不限于本说明书实施例描述及附图所示的执行顺序或模块结构。所述的方法或模块结构的在实际中的装置或终端产品应用时，可以按照实施例或者附图所示的方法或模块结构连接进行顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至分布式处理环境)。
具体地，如图3所示，本说明书一种实施例提供的高低轨卫星可见时间窗口确定方法可以包括以下步骤：
步骤S301，获取高轨卫星参数、低轨卫星参数和任务起止时间；所述高轨卫星参数包括高轨卫星轨道参数以及高轨卫星轨迹点数据；所述低轨卫星参数包括低轨卫星轨道参数和低轨卫星轨迹点数据。
本实施例中的方法可以应用于计算机设备。计算机设备可以是服务器或者服务器集群等。可以获取高轨卫星参数、低轨卫星参数和任务起止时间。
高轨卫星参数可以包括高轨卫星轨道参数以及高轨卫星轨迹点数据。高轨卫星轨道参数可以包括高轨卫星轨道半径或者高轨卫星轨道高度等参数。高轨卫星轨迹点数据可以包括高轨卫星在地心惯性系下高轨卫星轨迹点数据和地固坐标系下的高轨卫星轨迹点数据。在地固坐标系下，高轨卫星的轨迹点默认为静止不动的，也就是说，地固坐标系下的高轨卫星轨迹点数据是一个位置坐标。
低轨卫星参数可以包括低轨卫星轨道参数以及低轨卫星轨迹点数据。低轨卫星轨道参数可以包括低轨卫星轨道半径或者低轨卫星轨道高度等参数。低轨卫星轨迹点数据可以是低轨卫星在地心惯性系下的低轨卫星轨迹点数据和地固坐标系下的低轨卫星轨迹点数据。
任务起止时刻可以用于表征可见时间窗口确定方法所针对的任务时间段范围。
在一些实施例中，服务器可以接收客户端发送的任务请求，任务请求中可以包括高轨卫星标识和低轨卫星标识以及任务起止时刻。响应于任务请求，服务器可以获取过轨卫星标识对应的高轨卫星参数和低轨卫星标识对应的低轨卫星参数。这些参数可以存储在服务器本地或者存储在数据库是服务器中。
步骤S302，建立所述低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引；根据所述高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，构建搜索区域。
可以基于地固坐标系下的低轨卫星轨迹点数据，建立对应的R-tree索引。
可以基于地固坐标系下的高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，确定无地球遮挡的大致区域，得到搜索区域。请参考图4，示出了R-tree搜索框构建示意图。在一个实施例中，如图4所示，可以将包含AGB弧面对应的低轨卫星轨迹点的区域确定为搜索区域。
步骤S303，利用所述搜索区域在所述R-tree索引中进行搜索，得到地球无遮挡弧段；针对所述地球无遮挡弧段中的低轨卫星轨迹点进行可见性判断，确定高低轨卫星可见时间窗口。
在建立搜索区域之后，可以利用所述搜索区域在所述低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引中进行搜索，得到多个无遮挡的低轨卫星轨迹点，生成地球无遮挡弧段。针对所述地球无遮挡弧段中的低轨卫星轨迹点进行可见性判断，确定高低轨卫星可见时间窗口。进行可见性判断可以是计算各轨迹点对应的低轨卫星天线到高轨卫星的指向矢量，确定指向矢量对应的角度是否满足天线方位角和俯仰角的约束范围，若满足，则确定可见。在进行可见性判断时，可以利用地心惯性系下的低轨卫星轨迹点数据和地心惯性系下的高轨卫星轨迹点数据，计算各轨迹点对应的低轨卫星天线到高轨卫星的指向矢量。
上述实施例中，通过构建低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引，只考虑无地球遮挡范围内的卫星轨迹点，可减少大量计算量，仿真结果证明了该算法可见精度上与STK持平，效率上是以1ms为时间步长的跟踪传播法耗时的10000倍，保证算法的可靠性与高效性，可以为卫星任务规划提供理论指导。
在本说明书一些实施例中，建立所述低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引，可以包括：初始化R-tree；向所述R-tree中添加低轨卫星轨迹点数据中的轨迹点，确定添加该轨迹点之后体积增量最小的叶子节点；判断该叶子节点中的轨迹点的个数是否小于预设个数；若是，则将该轨迹点添加至该叶子节点中；否则，将该轨迹点和该叶子节点中的轨迹点按照体积增量最小原则分裂为两个叶子节点，依据分裂情况逐级向上调整父节点，并调整R-tree的结构；直至添加完所述低轨卫星轨迹点数据中的多个轨迹点。
R-tree是一种高度平衡的树形数据结构，常用于空间多维信息索引，如地理坐标和多边形区域等，用来访问多维对象组成的空间数据，可实现对任意空间位置的高效搜索。其包含两类节点：叶子节点和非叶子节点。每一个节点由若干个索引项构成。对于叶子节点，索引项由空间数据对象及包围其节点全部空间数据对象的最小包围框(MinimumBounding Box,MBB)构成。对于非叶子节点，索引项指向其子节点并包含一个MBB，该外接框包围了子节点上所有索引项的MBB。R-tree需设定节点索引项的最大数目M。
请参考图5，示出了R-tree构建流程示意图。具体地，如图5所示，当向R-tree中插入新的轨迹点时，需遍历R-tree所有叶子节点，找到添加新轨迹点坐标后MBB体积增量最小的叶子节点，若叶子节点中原有轨迹点数小于M，则直接插入；若等于M，则需要将此叶子节点分裂为两个新节点，其中包括原叶子节点中的轨迹点及新插入的轨迹点。依据分裂情况依次向上调整父节点，若导致根节点容量大于M，需要将现有根节点分裂为两个节点，并生成一个新的根节点，R-tree的深度加一，调整整个R-tree的结构。节点分裂时也需遵循MBB体积增量最小原则，即：新插入的轨迹点与叶子节点原有轨迹点两两组合，作为体对角线的端点构成MBB，选取其中体积最大的MBB中的两个轨迹点分别放入分裂后的两个新叶子节点，此时两个新叶子节点的最小外接框为一个体积为0的特殊MBB。剩余轨迹点依次与两个节点中的MBB构成新的MBB，与原MBB相比，选取其中体积增量最小的轨迹点放入对应节点中，重复上述步骤，直至轨迹点全部插入，得到完整的R-tree索引。通过上述方式，可以构建低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引。
在本说明书一些实施例中，利用所述搜索区域在所述R-tree索引中进行搜索，得到地球无遮挡弧段，可以包括：从所述R-tree索引的根节点开始，确定该根节点与所述搜索区域之间是否存在重叠，若是，则深入该根节点对应的子节点继续搜索，若搜索到叶子节点，则确定搜索到的叶子节点是否在所述搜索区域内，若是，则将该叶子节点添加至搜索结果中；直至与所述搜索区域相交的最小边界矩形均被访问；根据所述搜索结果，生成地球无遮挡弧段。
由于R-tree对空间数据的分割，因此在R-tree中数据的检索效率可大幅提高，从根节点开始，对于搜索路径上的每个节点，遍历其MBB，如果与搜索框相交对其对应的子节点继续搜索，直到所有相交的MBB都被访问。针对搜索到的叶子节点，尝试比较搜索框与它的MBB和数据，如果该叶子节点的数据在搜索框中，则把它加入搜索结果。因此对任意空间位置，利用该结构可以高效搜索满足条件的轨迹点集合。
在本说明书一些实施例中，根据所述高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，构建搜索区域，可以包括：基于所述高轨卫星轨迹点数据和所述低轨卫星轨道参数，确定高轨卫星与地心之间的连线与低轨卫星轨道之间的第一交点位置参数；根据所述高轨卫星轨道参数和低轨卫星轨道参数，计算高轨卫星与地球的切线跟低轨卫星轨道的第二交点位置参数；依据所述第一交点位置参数和所述第二交点位置参数，构建搜索区域。
请继续参考图4，示出了R-tree搜索框建立示意图。可以基于所述高轨卫星轨迹点数据(这里指的是地固坐标系下的高轨卫星轨迹点数据)和所述低轨卫星轨道参数，确定高轨卫星与地心之间的连线与低轨卫星轨道之间的第一交点位置参数，即G的坐标数据。可以根据所述高轨卫星轨道参数和低轨卫星轨道参数，计算高轨卫星与地球的切线跟低轨卫星轨道的第二交点位置参数，即A和B的坐标数据。可以依据所述第一交点位置参数和所述第二交点位置参数，构建搜索区域。
在一个实施例中，三维R-tree中使用的空间搜索区域为以地球中心O与高轨卫星的连线在低轨卫星轨道上的交点G为中心的正方体，结合高轨卫星飞行轨道高度HT与低轨卫星飞行轨道高度HL、地球半径RE，根据卫星可见性判断必要条件中给出的高低轨卫星与地球遮挡关系，将正方体的边长大小设为两倍的AG，可以保证R-tree中搜索得到的低轨卫星轨迹点中包含高轨卫星与低轨卫星无地球遮挡弧段内对应的低轨卫星轨迹点。其中，
其中，
在本说明书一些实施例中，针对所述地球无遮挡弧段中的低轨卫星轨迹点进行可见性判断，确定高低轨卫星可见时间窗口，可以包括：将所述地球无遮挡弧段中包含的多个低轨卫星轨迹点按照对应的时间顺序进行排序，确定距离高轨卫星最近的第一低轨卫星轨迹点；判断所述第一低轨卫星轨迹点是否满足可见性条件；在判定所述第一低轨卫星轨迹点满足可见性条件的情况下，在所述地球无遮挡弧段从所述第一低轨卫星轨迹点对应的时刻往前往后使用二分搜索法进行搜索，以确定高低轨卫星可见时间窗口的可见起止时刻。
在任务起止时刻对应的时间段大于低轨卫星的运行周期的情况下，低轨卫星在任务起止时刻对应的时间段内可能绕地球旋转不止一周，因此，得到的地球无遮挡弧段包括多个地球无遮挡弧段。在得到地球无遮挡弧段之后，可以将每个地球无遮挡弧段内包含的多个低轨卫星轨迹点按照对应的时间顺序进行排序。通过二分搜索，可以找到每个地球无遮挡弧段中距离高轨卫星最近的低轨卫星轨迹点。可以检验该轨迹点对应时刻的高低轨卫星是否可见。若可见，以该轨迹点对应的可见时刻为起点，向前以及向后同时使用二分法搜索可见时间窗口的起止时刻。由于时间是连续的，所以起止时刻的精度由选取的插值精度确定。若某时刻目标在卫星的可见范围内，其前一时刻目标不在卫星的可见范围内，则此时刻为可见开始时刻；若某时刻目标在卫星的可见范围内，其下一时刻目标不在卫星的可见范围内，则此时刻为可见结束时刻。
在本说明书一些实施例中，在判断所述第一低轨卫星轨迹点是否满足可见性条件之后，还包括：在判定所述第一低轨卫星轨迹点不满足可见性条件的情况下，在所述地球无遮挡弧段从所述第一低轨卫星轨迹点对应的时刻往前往后判断是否存在可见时刻；在不存在可见时刻的情况下，确定所述地球无遮挡弧段不存在可见时间窗口。
若距离高轨卫星最近的低轨卫星轨迹点对应的时刻不可见，则以该时刻为起点，向前以及向后遍历此弧段内其他时刻，计算可见性，若不存在可见时刻，则舍弃此弧段。若存在可见时刻，则计算可见起止时刻。
在本说明书一些实施例中，基于R-tree索引的高低轨卫星可见时间窗口计算步骤可以包括以下步骤。
步骤1，建立低轨卫星的R-tree索引。
步骤2，根据高低轨卫星位置信息，构建搜索区域，通过R-tree搜索所有可能的无地球遮挡弧段对应的低轨卫星轨迹点集合。
步骤3，将每个潜在可见弧段内的轨迹点按时间排序，通过二分搜索，找到距离高轨卫星最近的低轨卫星轨迹点。
步骤4，检验该轨迹点对应时刻的高低轨卫星是否可见：
a若可见，执行步骤5；
b若不可见，则以此时刻为起点，向前以及向后遍历此弧段内其他时刻，计算可见性，若不存在可见时刻，舍弃此弧段；否则执行步骤5。
步骤5，计算可见起止时刻。以可见时刻为起点，向前以及向后同时使用二分法搜索可见时间窗口的起止时刻。由于时间是连续的，所以起止时刻的精度由选取的插值精度确定。若某时刻目标在卫星的可见范围内，其前一时刻目标不在卫星的可见范围内，则此时刻为可见开始时刻；若某时刻目标在卫星的可见范围内，其下一时刻目标不在卫星的可见范围内，则此时刻为可见结束时刻。
随着卫星数量的增多以及用户需求的不断扩大，多星组网的联合观测已成为研究的热点问题，对准确性和效率上提出了更高的要求。因此针对多颗高轨卫星与多颗低轨卫星间可见性计算问题，借鉴分治思想，在实际任务执行时，可以将任务信息根据服务配置分配到不同节点服务器，每台服务器处理分配的任务，最后将所有节点任务执行结果汇总输出。
因此，在本说明书一些实施例中，所述高轨卫星参数包括多个高轨卫星中各高轨卫星对应的高轨卫星轨道参数以及高轨卫星轨迹点数据；所述低轨卫星参数包括多个低轨卫星中各低轨卫星对应的低轨卫星轨道参数以及低轨卫星轨迹点数据；相应的，在根据所述高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，构建搜索区域之前，还包括：针对所述多个高轨卫星中各高轨卫星，构建所述各高轨卫星对应的子任务，得到多个子任务；将所述多个子任务分配至不同节点服务器并行执行；所述各高轨卫星对应的子任务包括该高轨卫星与所述各低轨卫星之间的高低轨卫星可见时间窗口确定任务。
可以根据卫星的配置信息，将总任务信息先拆解为多卫星子任务，结合并行计算，将卫星子任务再分解为单对单的可见性求解问题，最终所有子问题结果汇总为总任务结果，构成基于R-tree的高低轨卫星可见时间窗口实时计算算法。其主要计算步骤如下：
步骤1，高轨卫星子任务构建。构建低轨卫星轨迹点R-tree索引，每个高轨卫星子任务中包含全部低轨卫星。此外子任务中还包含高轨卫星信息、低轨卫星的R-tree索引、任务开始和结束时间等信息。
步骤2，并行求解高低轨卫星可见时间窗口信息，针对每个高轨卫星子任务，将观测任务分解。
步骤3，根据高低轨卫星位置信息，构建搜索区域，通过R-tree搜索所有可能的无地球遮挡弧段对应的低轨卫星轨迹点集合。
步骤4，将每个潜在可见弧段内的轨迹点按时间排序，通过二分搜索，找到距离高轨卫星最近的轨迹点。
步骤5，检验该轨迹点对应时刻的高低轨卫星是否可见：
a.若可见，执行步骤6；
b.若不可见，则以此时刻为起点，向前以及向后遍历此弧段内其他时刻，计算可见性，若不存在可见时刻，舍弃此弧段；否则执行步骤6。
步骤6，计算可见起止时刻。以可见时刻为起点，向前以及向后同时使用二分法搜索可见时间窗口的起止时刻。由于时间是连续的，所以起止时刻的精度由选取的插值精度确定。若某时刻目标在卫星的可见范围内，其前一时刻目标不在卫星的可见范围内，则此时刻为可见开始时刻；若某时刻目标在卫星的可见范围内，其下一时刻目标不在卫星的可见范围内，则此时刻为可见结束时刻。
步骤7，合并输出卫星子任务结果。
下面将本实施例中的方法与跟踪传播法和STK软件的结果进行对比。以STK的结果作为基准，精度确认至1ms，括号内为本算法的结果与STK结果的偏差，正值表示得到的可见开始时刻在STK结果之后，或者得到的可见时间窗口持续时间比STK结果长；相反，负值表示得到的可见开始时刻在STK结果之前，或者得到的可见时间窗口持续时间比STK结果短。
仿真起始时刻与卫星轨道根数对应时刻均为2022-03-23 16:00:00.000(UTCG)，仿真结束时刻为2022-03-24 16:00:00.000(UTCG)，仿真时长为1天，卫星轨道位置推算步进为1s，线性插值时刻精度为1ms，设R-tree中节点最大容量M＝4，中继天线方位角与俯仰角转动范围均为-90°～+90°。开发语言为java，运行环境为Intel(R)Xeon(R)CPU E5-2640v4@2.40GHz的计算机。
本实施例中，设置卫星根数信息如下面的表1所示。
表1
卫星 半长轴/km 离心率 轨道倾角/° 近地点幅角/° 升交点赤经/° 平近点角/°
Leo 7009.835 0 97.814 0 204.456 44.242
Geo 42166.3 0 0 0 181.121 0
请参考表2，示出了高轨卫星观测低轨卫星可见时间窗口信息对比结果。
表2
窗口编号 可见开始时刻 可见持续时长
1 2022-03-23 17:18:07.572(-0.015) 873.616(0.008)
2 2022-03-23 18:55:25.723(-0.001) 886.261(0.014)
3 2022-03-24 03:50:42.485(-0.006) 887.839(0.018)
4 2022-03-24 05:28:14.121(-0.005) 873.508(0.005)
5 2022-03-24 07:05:30.374(-0.002) 581.584(0.002)
由上述内容可知，本实施例中，通过引入R-tree索引，只考虑无地球遮挡范围内的卫星轨迹点，可减少大量计算量，仿真结果证明了该算法可见精度上与STK持平，效率上是以1ms为时间步长的跟踪传播法耗时的10000倍，保证算法的可靠性与高效性，可以为卫星任务规划提供有力帮助。并在实际应用中采用并行计算的方式，以实现快速计算。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。具体的可以参照前述相关处理相关实施例的描述，在此不做一一赘述。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
基于同一发明构思，本说明书实施例中还提供了一种高低轨卫星可见时间窗口确定装置，如下面的实施例所述。由于高低轨卫星可见时间窗口确定装置解决问题的原理与高低轨卫星可见时间窗口确定方法相似，因此高低轨卫星可见时间窗口确定装置的实施可以参见高低轨卫星可见时间窗口确定方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。图6是本说明书实施例的高低轨卫星可见时间窗口确定装置的一种结构框图，如图6所示，包括：获取模块601、索引模块602和确定模块603，下面对该结构进行说明。
获取模块601用于获取高轨卫星参数、低轨卫星参数和任务起止时间；所述高轨卫星参数包括高轨卫星轨道参数以及高轨卫星轨迹点数据；所述低轨卫星参数包括低轨卫星轨道参数和低轨卫星轨迹点数据；
索引模块602用于建立所述低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引；还用于根据所述高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，构建搜索区域；
确定模块603用于利用所述搜索区域在所述R-tree索引中进行搜索，得到地球无遮挡弧段；还用于针对所述地球无遮挡弧段中的低轨卫星轨迹点进行可见性判断，确定高低轨卫星可见时间窗口。
在本说明书一些实施例中，索引模块可以具体用于：初始化R-tree；向所述R-tree中添加低轨卫星轨迹点数据中的轨迹点，确定添加该轨迹点之后体积增量最小的叶子节点；判断该叶子节点中的轨迹点的个数是否小于预设个数；若是，则将该轨迹点添加至该叶子节点中；否则，将该轨迹点和该叶子节点中的轨迹点按照体积增量最小原则分裂为两个叶子节点，依据分裂情况逐级向上调整父节点，并调整R-tree的结构；直至添加完所述低轨卫星轨迹点数据中的多个轨迹点。
在本说明书一些实施例中，索引模块还可以具体用于：基于所述高轨卫星轨迹点数据和所述低轨卫星轨道参数，确定高轨卫星与地心之间的连线与低轨卫星轨道之间的第一交点位置参数；根据所述高轨卫星轨道参数和低轨卫星轨道参数，计算高轨卫星与地球的切线跟低轨卫星轨道的第二交点位置参数；依据所述第一交点位置参数和所述第二交点位置参数，构建搜索区域。
在本说明书一些实施例中，确定模块可以具体用于：从所述R-tree索引的根节点开始，确定该根节点与所述搜索区域之间是否存在重叠，若是，则深入该根节点对应的子节点继续搜索，若搜索到叶子节点，则确定搜索到的叶子节点是否在所述搜索区域内，若是，则将该叶子节点添加至搜索结果中；直至与所述搜索区域相交的最小边界矩形均被访问；根据所述搜索结果，生成地球无遮挡弧段。
在本说明书一些实施例中，确定模块还可以具体用于：将所述地球无遮挡弧段中包含的多个低轨卫星轨迹点按照对应的时间顺序进行排序，确定距离高轨卫星最近的第一低轨卫星轨迹点；判断所述第一低轨卫星轨迹点是否满足可见性条件；在判定所述第一低轨卫星轨迹点满足可见性条件的情况下，在所述地球无遮挡弧段从所述第一低轨卫星轨迹点对应的时刻往前往后使用二分搜索法进行搜索，以确定高低轨卫星可见时间窗口的可见起止时刻。
在本说明书一些实施例中，在判断所述第一低轨卫星轨迹点是否满足可见性条件之后，还包括：在判定所述第一低轨卫星轨迹点不满足可见性条件的情况下，在所述地球无遮挡弧段从所述第一低轨卫星轨迹点对应的时刻往前往后判断是否存在可见时刻；在不存在可见时刻的情况下，确定所述地球无遮挡弧段不存在可见时间窗口。
在本说明书一些实施例中，所述高轨卫星参数包括多个高轨卫星中各高轨卫星对应的高轨卫星轨道参数以及高轨卫星轨迹点数据；所述低轨卫星参数包括多个低轨卫星中各低轨卫星对应的低轨卫星轨道参数以及低轨卫星轨迹点数据；相应的，所述装置还可以包括任务分配模块，任务分配模块可以具体用于：在索引模块根据所述高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，构建搜索区域之前，针对所述多个高轨卫星中各高轨卫星，构建所述各高轨卫星对应的子任务，得到多个子任务；将所述多个子任务分配至不同节点服务器并行执行；所述各高轨卫星对应的子任务包括该高轨卫星与所述各低轨卫星之间的高低轨卫星可见时间窗口确定任务。
从以上的描述中，可以看出，本说明书实施例实现了如下技术效果：通过构建低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引，只考虑无地球遮挡范围内的卫星轨迹点，可减少大量计算量，仿真结果证明了该算法可见精度上与STK持平，效率上是以1ms为时间步长的跟踪传播法耗时的10000倍，保证算法的可靠性与高效性，可以为卫星任务规划提供理论指导。此外，在实际应用中，可以采用并行计算的方式，以实现快速计算。
本说明书实施方式还提供了一种计算机设备，具体可以参阅图7所示的基于本说明书实施例提供的高低轨卫星可见时间窗口确定方法的计算机设备组成结构示意图，所述计算机设备具体可以包括输入设备71、处理器72、存储器73。其中，所述存储器73用于存储处理器可执行指令。所述处理器72执行所述指令时实现上述任意实施例中所述的高低轨卫星可见时间窗口确定方法的步骤。
在本实施方式中，所述输入设备具体可以是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。所述输入设备可以包括键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、语音输入装置等；输入设备用于把原始数据和处理这些数的程序输入到计算机中。所述输入设备还可以获取接收其他模块、单元、设备传输过来的数据。所述处理器可以按任何适当的方式实现。例如，处理器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式等等。所述存储器具体可以是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。所述存储器可以包括多个层次，在数字系统中，只要能保存二进制数据的都可以是存储器；在集成电路中，一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫存储器，如RAM、FIFO等；在系统中，具有实物形式的存储设备也叫存储器，如内存条、TF卡等。
在本实施方式中，该计算机设备具体实现的功能和效果，可以与其它实施方式对照解释，在此不再赘述。
本说明书实施方式中还提供了一种基于高低轨卫星可见时间窗口确定方法的计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序指令，在所述计算机程序指令被执行时实现上述任意实施例中所述高低轨卫星可见时间窗口确定方法的步骤。
在本实施方式中，上述存储介质包括但不限于随机存取存储器(Random AccessMemory,RAM)、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、缓存(Cache)、硬盘(Hard DiskDrive,HDD)或者存储卡(Memory Card)。所述存储器可以用于存储计算机程序指令。网络通信单元可以是依照通信协议规定的标准设置的，用于进行网络连接通信的接口。
在本实施方式中，该计算机存储介质存储的程序指令具体实现的功能和效果，可以与其它实施方式对照解释，在此不再赘述。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本说明书实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本说明书实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本说明书的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。
以上所述仅为本说明书的优选实施例而已，并不用于限制本说明书，对于本领域的技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高低轨卫星可见时间窗口确定方法，其特征在于，包括：
获取高轨卫星参数、低轨卫星参数和任务起止时间；所述高轨卫星参数包括高轨卫星轨道参数以及高轨卫星轨迹点数据；所述低轨卫星参数包括低轨卫星轨道参数和低轨卫星轨迹点数据；
建立所述低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引；根据所述高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，构建搜索区域；
利用所述搜索区域在所述R-tree索引中进行搜索，得到地球无遮挡弧段；针对所述地球无遮挡弧段中的低轨卫星轨迹点进行可见性判断，确定高低轨卫星可见时间窗口。
2.根据权利要求1所述的高低轨卫星可见时间窗口确定方法，其特征在于，建立所述低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引，包括：
初始化R-tree；
向所述R-tree中添加低轨卫星轨迹点数据中的轨迹点，确定添加该轨迹点之后体积增量最小的叶子节点；判断该叶子节点中的轨迹点的个数是否小于预设个数；若是，则将该轨迹点添加至该叶子节点中；否则，将该轨迹点和该叶子节点中的轨迹点按照体积增量最小原则分裂为两个叶子节点，依据分裂情况逐级向上调整父节点，并调整R-tree的结构；直至添加完所述低轨卫星轨迹点数据中的多个轨迹点。
3.根据权利要求1所述的高低轨卫星可见时间窗口确定方法，其特征在于，根据所述高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，构建搜索区域，包括：
基于所述高轨卫星轨迹点数据和所述低轨卫星轨道参数，确定高轨卫星与地心之间的连线与低轨卫星轨道之间的第一交点位置参数；
根据所述高轨卫星轨道参数和低轨卫星轨道参数，计算高轨卫星与地球的切线跟低轨卫星轨道的第二交点位置参数；
依据所述第一交点位置参数和所述第二交点位置参数，构建搜索区域。
4.根据权利要求1所述的高低轨卫星可见时间窗口确定方法，其特征在于，利用所述搜索区域在所述R-tree索引中进行搜索，得到地球无遮挡弧段，包括：
从所述R-tree索引的根节点开始，确定该根节点与所述搜索区域之间是否存在重叠，若是，则深入该根节点对应的子节点继续搜索，若搜索到叶子节点，则确定搜索到的叶子节点是否在所述搜索区域内，若是，则将该叶子节点添加至搜索结果中；直至与所述搜索区域相交的最小边界矩形均被访问；
根据所述搜索结果，生成地球无遮挡弧段。
5.根据权利要求1所述的高低轨卫星可见时间窗口确定方法，其特征在于，针对所述地球无遮挡弧段中的低轨卫星轨迹点进行可见性判断，确定高低轨卫星可见时间窗口，包括：
将所述地球无遮挡弧段中包含的多个低轨卫星轨迹点按照对应的时间顺序进行排序，确定距离高轨卫星最近的第一低轨卫星轨迹点；
判断所述第一低轨卫星轨迹点是否满足可见性条件；
在判定所述第一低轨卫星轨迹点满足可见性条件的情况下，在所述地球无遮挡弧段从所述第一低轨卫星轨迹点对应的时刻往前往后使用二分搜索法进行搜索，以确定高低轨卫星可见时间窗口的可见起止时刻。
6.根据权利要求5所述的高低轨卫星可见时间窗口确定方法，其特征在于，在判断所述第一低轨卫星轨迹点是否满足可见性条件之后，还包括：
在判定所述第一低轨卫星轨迹点不满足可见性条件的情况下，在所述地球无遮挡弧段从所述第一低轨卫星轨迹点对应的时刻往前往后判断是否存在可见时刻；
在不存在可见时刻的情况下，确定所述地球无遮挡弧段不存在可见时间窗口。
7.根据权利要求1所述的高低轨卫星可见时间窗口确定方法，其特征在于，所述高轨卫星参数包括多个高轨卫星中各高轨卫星对应的高轨卫星轨道参数以及高轨卫星轨迹点数据；所述低轨卫星参数包括多个低轨卫星中各低轨卫星对应的低轨卫星轨道参数以及低轨卫星轨迹点数据；
相应的，在根据所述高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，构建搜索区域之前，还包括：
针对所述多个高轨卫星中各高轨卫星，构建所述各高轨卫星对应的子任务，得到多个子任务；将所述多个子任务分配至不同节点服务器并行执行；所述各高轨卫星对应的子任务包括该高轨卫星与所述各低轨卫星之间的高低轨卫星可见时间窗口确定任务。
8.一种高低轨卫星可见时间窗口确定装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取高轨卫星参数、低轨卫星参数和任务起止时间；所述高轨卫星参数包括高轨卫星轨道参数以及高轨卫星轨迹点数据；所述低轨卫星参数包括低轨卫星轨道参数和低轨卫星轨迹点数据；
索引模块，用于建立所述低轨卫星轨迹点数据的R-tree索引；还用于根据所述高轨卫星轨迹点数据、所述高轨卫星轨道参数和所述低轨卫星轨道参数，构建搜索区域；
确定模块，用于利用所述搜索区域在所述R-tree索引中进行搜索，得到地球无遮挡弧段；还用于针对所述地球无遮挡弧段中的低轨卫星轨迹点进行可见性判断，确定高低轨卫星可见时间窗口。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器以及用于存储处理器可执行指令的存储器，所述处理器执行所述指令时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述指令被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
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