CN116781148A - 基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法和系统，属于卫星通信技术领域。该方法包括：计算出卫星在卫星轨道坐标系内的行列式坐标的向量；获取安装在卫星上的传感器上各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量；对各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量进行级联矩阵变换；获取卫星的最大视场角α；获取传感器的最大探测视场角β，获取卫星的探测范围覆盖情况；获取光滑地球表面的卫星覆盖范围；获取卫星覆盖的真实范围。本申请提供的方法和系统，便于在统一坐标系下进行卫星瞬时覆盖区的计算，考虑了地表的起伏，能够获取卫星覆盖的真实范围，准确率高且计算效率高、可满足大规模探测范围的实时计算。

Description

基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法和系统

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法和系统。

背景技术

卫星瞬时覆盖区指某一时刻卫星上的有效载荷能够观测的地球区域。瞬时覆盖区能实时准确描述卫星上某个有效载荷某一时刻的对地面覆盖状况。在军事上，基于卫星瞬时覆盖分析可以对军事目标实现进行隐蔽或探测，军事卫星进行侦察和反侦察研究，在民用上主要用于探测特定区域。

现有技术中，对卫星瞬时覆盖区进行分析时一般是基于卫星的星下点、传感器倾角等参数信息，采用逐步逼近的方式实现探测范围的计算，存在计算方程复杂，计算效率低等问题，不能满足大规模探测范围的实时计算。

发明内容

本发明意在提供一种基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法和系统，以解决现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题通过以下技术方案来实现。

本发明提供的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法，包括：

步骤S1：基于卫星星历和SGP4模型计算出卫星在卫星轨道坐标系内的行列式坐标的向量；

步骤S2：获取安装在卫星上的传感器上各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量，其中，传感器为具有透镜中心的传感器；

步骤S3：基于卫星在卫星轨道坐标系内的坐标对各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量进行级联矩阵变换，获取各个探测点在地心固定坐标系下的行列式坐标的向量；

步骤S4：通过SGP4模型计算出卫星到地球质心的瞬时距离及卫星的高度，并通过卫星到地球质心的瞬时距离获取卫星的最大视场角α；

步骤S5：获取传感器的最大探测视场角β，通过卫星的最大视场角α与传感器的最大探测视场角β之间的关系获取卫星的探测范围覆盖情况；

步骤S6：根据卫星的探测范围覆盖情况获取光滑地球表面的卫星覆盖范围；

步骤S7：根据地表的起伏对光滑地球表面的卫星覆盖范围的影响情况，获取卫星覆盖的真实范围。

在上述的方案中，步骤S3包括：

通过第一变换矩阵对各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量进行矩阵旋转变换，获取各个探测点在传感器坐标系下的行列式坐标的向量；

通过第二变换矩阵对各个探测点在传感器坐标系下的行列式坐标的向量进行平移变换，并通过第三变换矩阵对平移变换结果进行矩阵旋转变换，获取各个探测点在卫星坐标系下的行列式坐标的向量；

将各个探测点在卫星坐标系下的行列式坐标的向量和卫星在卫星轨道坐标系内的行列式坐标的向量代入至第四变换矩阵，获取各个探测点在卫星轨道坐标系下的行列式坐标的向量；

通过第五变换矩阵对各个探测点在卫星轨道坐标系下的行列式坐标的向量进行矩阵变换，获取各个探测点在地心惯性坐标系下的行列式坐标的向量；

通过第六变换矩阵对各个探测点在地心惯性坐标系下的行列式坐标的向量进行矩阵变换，获取各个探测点在地心固定坐标系下的行列式坐标的向量。

在上述的方案中，步骤S5包括：

建立传感器的透镜中心O_b与其在传感器成像平面上的投影的连线，并建立传感器的透镜中心O_b与地心O_e的连线，计算连线/>与连线O_bO_e之间的夹角γ；

获取传感器的最大探测视场角β，并对卫星的最大视场角α与传感器的最大探测视场角β进行大小比较；

通过比较结果、连线与连线O_bO_e之间的夹角γ与/>以及连线/>与连线O_bO_e之间的夹角γ与/>之间的关系获取卫星的探测范围覆盖情况。

在上述的方案中，通过比较结果、连线与连线O_bO_e之间的夹角γ与/>以及连线/>与连线O_bO_e之间的夹角γ与/>之间的关系获取卫星的探测范围覆盖情况包括：

在卫星的最大视场角α大于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围全覆盖；

在卫星的最大视场角α大于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围部分覆盖；

在卫星的最大视场角α大于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围未覆盖；

在卫星的最大视场角α小于等于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围全覆盖；

在卫星的最大视场角α小于等于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围部分覆盖；

在卫星的最大视场角α小于等于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围未覆盖。

在上述的方案中，步骤S6包括：

在卫星的探测范围覆盖情况为探测范围未覆盖时，光滑地球表面的卫星覆盖范围为0。

在上述的方案中，步骤S6还包括：

在卫星的探测范围覆盖情况为探测范围全覆盖且卫星的最大视场角α大于传感器的最大探测视场角β时，对传感器的透镜中心在传感器成像平面上的行列式坐标的向量进行级联矩阵变换，获取传感器的透镜中心在地心固定坐标系下的行列式坐标的向量，通过地心固定坐标系下各个探测点与传感器的透镜中心的连线计算其与地球的交点，顺序连接交点，对连接交点构成的区域作为滑地球表面的卫星覆盖范围。

在上述的方案中，步骤S6还包括：在卫星的探测范围覆盖情况为探测范围全覆盖且卫星的最大视场角α小于等于传感器的最大探测视场角β时，根据步骤S4中通过SGP4模型得到的卫星的高度计算出该高度对应的最大视场范围，将所述最大视场范围作为光滑地球表面的卫星覆盖范围。

在上述的方案中，步骤S6还包括：

在卫星的探测范围覆盖情况为探测范围部分覆盖时，根据步骤S4中通过SGP4模型得到的卫星的高度计算出该高度对应的最大视场范围，其中，所述最大视场范围由多个采样点的区域构成；

判断地心固定坐标系下各个探测点是否在地球表面有对应点，在有对应点的探测点与无对应点的探测点之间采用迭代方式形成插值点；

对所述最大视场范围中的采样点与形成的各个插值点的距离进行比较，获取与各个插值点的距离最近的采样点；

对与各个插值点的距离最近的采样点进行顺序连接，将连接采样点构成的区域作为滑地球表面的卫星覆盖范围。

在上述的方案中，步骤S7包括：

判断在各个探测点和其在地球表面上的对应点之间的连线上是否有地表的起伏对光滑地球表面的卫星覆盖范围的影响；

在地表的起伏对光滑地球表面的卫星覆盖范围有影响时，获取各个探测点和其在地球表面上的对应点之间的连线在地球表面的投影线；

通过DEM数据获取投影线上每个点的XYZ坐标，并计算投影线上每个点的的卫星高度角，获取卫星高度角最小时对应的投影线上的点；

将各个探测点对应的卫星高度角最小时对应的投影线上的点进行顺序连接，将连接区域作为卫星覆盖的真实范围。

本发明提供的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算系统，采用如上所述的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法进行卫星瞬时覆盖区计算，包括:

卫星坐标获取模块，用于基于卫星星历和SGP4模型计算出卫星在卫星轨道坐标系内的行列式坐标的向量；

探测点坐标获取模块，用于获取安装在卫星上的传感器上各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量，其中，传感器为具有透镜中心的传感器；

级联矩阵变换模块，用于基于卫星在卫星轨道坐标系内的坐标对各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量进行级联矩阵变换，获取各个探测点在地心固定坐标系下的行列式坐标的向量；

最大视场角获取模块，用于通过SGP4模型计算出卫星到地球质心的瞬时距离及卫星的高度，并通过卫星到地球质心的瞬时距离获取卫星的最大视场角α；

覆盖情况获取模块，用于获取传感器的最大探测视场角β，通过卫星的最大视场角α与传感器的最大探测视场角β之间的关系获取卫星的探测范围覆盖情况；

覆盖范围获取模块，用于根据卫星的探测范围覆盖情况获取光滑地球表面的卫星覆盖范围，并根据地表的起伏对光滑地球表面的卫星覆盖范围的影响情况，获取卫星覆盖的真实范围。

本发明实施例包括以下优点：

本发明实施例提供的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法和系统，通过对各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量进行级联矩阵变换，获取各个探测点在地心固定坐标系下的行列式坐标的向量，从而便于在统一坐标系下进行卫星瞬时覆盖区的计算；通过根据卫星的探测范围覆盖情况获取光滑地球表面的卫星覆盖范围，并根据地表的起伏对光滑地球表面的卫星覆盖范围的影响情况，获取卫星覆盖的真实范围，不仅采用不同方法在不同探测范围覆盖情况下获取光滑地球表面的卫星覆盖范围，还考虑了地表的起伏，从而能够获取卫星覆盖的真实范围，准确率高且计算效率高、可满足大规模探测范围的实时计算。

附图说明

图1是本发明的一种基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法的步骤图；

图2是本发明的原始传感器坐标系的示意图；

图3是本发明的旋转后的传感器坐标系的示意图；

图4是本发明的传感器坐标系到卫星坐标系的平移示意图；

图5是本发明的卫星轨道坐标系和卫星坐标系之间的变换示意图；

图6是本发明的卫星轨道坐标系与地心惯性坐标系之间的关系示意图；

图7是本发明的地心惯性坐标系与地心固定坐标系之间的变换示意图；

图8是本发明的透镜成像主光轴和地心与透镜中心连线重合的示意图；

图9是本发明的透镜成像主光轴和地心与透镜中心连线不重合且探测范围全覆盖的示意图；

图10是本发明的透镜成像主光轴和地心与透镜中心连线不重合且探测范围部分覆盖的示意图；

图11是本发明的透镜成像主光轴和地心与透镜中心连线不重合且探测范围未覆盖的示意图；

图12是本发明的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算系统的组成示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明提供一种基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法，包括：

步骤S1：基于卫星星历和SGP4模型计算出卫星在卫星轨道坐标系内的行列式坐标的向量。

步骤S2：获取安装在卫星上的传感器上各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量，其中，传感器为具有透镜中心的传感器，传感器上的探测点、探测范围中心点和传感器的透镜中心构成了一条直线。

步骤S3：基于卫星在卫星轨道坐标系内的坐标对各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量进行级联矩阵变换，获取各个探测点在地心固定坐标系下的行列式坐标的向量，其中，级联矩阵变换为：传感器坐标系->卫星坐标系->卫星轨道坐标系->地心惯性坐标系->地心固定坐标系。

其中，步骤S3包括：

通过第一变换矩阵对各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量进行矩阵旋转变换，获取各个探测点在传感器坐标系下的行列式坐标的向量。

如图2和图3所示，传感器坐标系到卫星坐标系下的变换需要经过平移和自身的旋转，因此传感器成像平面上的点到传感器坐标系下的变换需要经过旋转，为了灵活的调整探测范围，传感器在传感器坐标系内分别绕x、y、z按照一定的角度进行旋转，其中，第一变换矩阵为：，其中，/>为变换后坐标系内的坐标向量，/>为变换前传感器的坐标值，具体地：

,

,

,

其逆变换为：

;

通过第二变换矩阵对各个探测点在传感器坐标系下的行列式坐标的向量进行平移变换，并通过第三变换矩阵对平移变换结果进行矩阵旋转变换，获取各个探测点在卫星坐标系下的行列式坐标的向量。

如图4所示，传感器坐标系到卫星坐标系需要经过一定的坐标变换，其坐标变换矩阵是固定的，需要在其安装后进行标定，本发明只进行平移变换，其中，第二变换矩阵为：,

其中，,

其逆变换为：，/>为/>的逆变换。

第三变换矩阵为：，其中，/>、/>和/>变换矩阵参见传感器的变换矩阵，m2、n2和K2为卫星旋转的三个角度，其逆变换为：，/>对应为探测点在卫星坐标系下的行列式坐标的向量。

将各个探测点在卫星坐标系下的行列式坐标的向量和卫星在卫星轨道坐标系内的行列式坐标的向量代入至第四变换矩阵，获取各个探测点在卫星轨道坐标系下的行列式坐标的向量。

如图5所示，卫星轨道坐标系到卫星坐标系需要经过平移和旋转变换，第四变换矩阵为：，其中， X_s为探测点在卫星坐标系下的坐标，X_g为轨道坐标系内的点，/>为卫星在卫星轨道坐标系内的行列式坐标的向量，/>为在卫星轨道坐标系内通过z轴逆时针旋转卫星轨道切线的方向角，该角通过SGP4模型获得，为该点的真近点角θ，然后绕x轴旋转逆时针旋转90度，使卫星轨道坐标系和卫星坐标系重合，其中：

，

和/>为通过SGP4计算出来的卫星在卫星轨道坐标系内的坐标值的负值；

，

θ为真近点角；

，

卫星坐标系到卫星轨道坐标系的逆变换为：

，

通过第五变换矩阵对各个探测点在卫星轨道坐标系下的行列式坐标的向量进行矩阵变换，获取各个探测点在地心惯性坐标系下的行列式坐标的向量。

如图6所示，卫星轨道坐标系和地心惯性坐标系的坐标原点重合，从地心轨道坐标系到卫星坐标系变换，需要经过z轴旋转升交点赤经，使x轴指向升交点，再沿x轴逆时针旋转一个轨道倾角，使两个坐标系的z轴重合，最后再沿z轴旋转近地点角矩，使x轴和y轴与卫星坐标系的对应轴重合，第五变换矩阵为：

,

其中：

,

为两行星历中的升交点赤经；

,

为两行星历中的近地点角距；

,

i为两行星历中的轨道倾角；

其逆变换为

,

通过第六变换矩阵对各个探测点在地心惯性坐标系下的行列式坐标的向量进行矩阵变换，获取各个探测点在地心固定坐标系下的行列式坐标的向量。

如图7所示，地心惯性坐标系和地心固定坐标系的z轴重合，x轴之间角度为某个时刻的格林尼治恒星时角GAST，通过该时刻的格林尼治时间求得角度值，其中，第六变换矩阵为：

,

，

m3=GAST，其逆变换为：

综上，在传感器成像平面上的任意点变换到地心固定坐标系下的坐标变换矩阵为：

，

步骤S4：通过SGP4模型计算出卫星到地球质心的瞬时距离及卫星的高度，并通过卫星到地球质心的瞬时距离获取卫星的最大视场角α。

其中，

，r为地球半径，h为瞬时的卫星到地球质心的瞬时距离。

步骤S5：获取传感器的最大探测视场角β，通过卫星的最大视场角α与传感器的最大探测视场角β之间的关系获取卫星的探测范围覆盖情况。

如图8-图11所示，根据透镜成像主光轴和地心O_e与透镜中心O_b连线的关系分为两种情况：重合与不重合，其中不重合按照卫星的探测范围覆盖情况分为：全覆盖、部分覆盖和未覆盖。

其中，步骤S5包括：

建立传感器的透镜中心O_b与其在传感器成像平面上的投影的连线，并建立传感器的透镜中心O_b与地心O_e的连线，计算连线/>与连线O_bO_e之间的夹角γ；

获取传感器的最大探测视场角β，并对卫星的最大视场角α与传感器的最大探测视场角β进行大小比较；

通过比较结果、连线与连线O_bO_e之间的夹角γ与/>以及连线/>与连线O_bO_e之间的夹角γ与/>之间的关系获取卫星的探测范围覆盖情况。

具体地，通过比较结果、连线与连线O_bO_e之间的夹角γ与/>以及连线/>与连线O_bO_e之间的夹角γ与/>之间的关系获取卫星的探测范围覆盖情况包括：

在卫星的最大视场角α大于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围全覆盖；

在卫星的最大视场角α大于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围部分覆盖；

在卫星的最大视场角α大于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围未覆盖；

在卫星的最大视场角α小于等于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围全覆盖；

在卫星的最大视场角α小于等于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围部分覆盖；

在卫星的最大视场角α小于等于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围未覆盖。

步骤S6：根据卫星的探测范围覆盖情况获取光滑地球表面的卫星覆盖范围。

具体地，在卫星的探测范围覆盖情况为探测范围未覆盖时，光滑地球表面的卫星覆盖范围为0。

具体地，在卫星的探测范围覆盖情况为探测范围全覆盖且卫星的最大视场角α大于传感器的最大探测视场角β时，对传感器的透镜中心在传感器成像平面上的行列式坐标的向量进行级联矩阵变换，获取传感器的透镜中心在地心固定坐标系下的行列式坐标的向量，通过地心固定坐标系下各个探测点与传感器的透镜中心的连线计算其与地球的交点，顺序连接交点，对连接交点构成的区域作为滑地球表面的卫星覆盖范围。

具体地，在卫星的探测范围覆盖情况为探测范围全覆盖且卫星的最大视场角α小于等于传感器的最大探测视场角β时，根据步骤S4中通过SGP4模型得到的卫星的高度计算出该高度对应的最大视场范围，将所述最大视场范围作为光滑地球表面的卫星覆盖范围。

具体地，在卫星的探测范围覆盖情况为探测范围部分覆盖时，根据以下步骤获取光滑地球表面的卫星覆盖范围：

根据步骤S4中通过SGP4模型得到的卫星的高度计算出该高度对应的最大视场范围，其中，所述最大视场范围由多个采样点的区域构成；

判断地心固定坐标系下各个探测点是否在地球表面有对应点，在有对应点的探测点与无对应点的探测点之间采用迭代方式形成插值点；

对所述最大视场范围中的采样点与形成的各个插值点的距离进行比较，获取与各个插值点的距离最近的采样点；

对与各个插值点的距离最近的采样点进行顺序连接，将连接采样点构成的区域作为滑地球表面的卫星覆盖范围。

步骤S7：根据地表的起伏对光滑地球表面的卫星覆盖范围的影响情况，获取卫星覆盖的真实范围。

其中，步骤S7包括：

判断在各个探测点和其在地球表面上的对应点之间的连线上是否有地表的起伏对光滑地球表面的卫星覆盖范围的影响；

在地表的起伏对光滑地球表面的卫星覆盖范围有影响时，获取各个探测点和其在地球表面上的对应点之间的连线在地球表面的投影线；

通过DEM数据获取投影线上每个点的XYZ坐标，并计算投影线上每个点的的卫星高度角，获取卫星高度角最小时对应的投影线上的点；

将各个探测点对应的卫星高度角最小时对应的投影线上的点进行顺序连接，将连接区域作为卫星覆盖的真实范围。

如图12所示，本发明还提供一种基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算系统，采用如上所述的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法进行卫星瞬时覆盖区计算，包括:

卫星坐标获取模块，用于基于卫星星历和SGP4模型计算出卫星在卫星轨道坐标系内的行列式坐标的向量；

探测点坐标获取模块，用于获取安装在卫星上的传感器上各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量，其中，传感器为具有透镜中心的传感器；

级联矩阵变换模块，用于基于卫星在卫星轨道坐标系内的坐标对各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量进行级联矩阵变换，获取各个探测点在地心固定坐标系下的行列式坐标的向量；

最大视场角获取模块，用于通过SGP4模型计算出卫星到地球质心的瞬时距离及卫星的高度，并通过卫星到地球质心的瞬时距离获取卫星的最大视场角α；

覆盖情况获取模块，用于获取传感器的最大探测视场角β，通过卫星的最大视场角α与传感器的最大探测视场角β之间的关系获取卫星的探测范围覆盖情况；

覆盖范围获取模块，用于根据卫星的探测范围覆盖情况获取光滑地球表面的卫星覆盖范围，并根据地表的起伏对光滑地球表面的卫星覆盖范围的影响情况，获取卫星覆盖的真实范围。

此外，在本发明中涉及较多卫星的覆盖分析，计算过程相对复杂，显示中会出现卡顿现象，因此，需要考虑加速处理，因为每颗卫星的覆盖分析之间相互独立，符合并行计算计算任务的相互独立要求，因此可采用并行计算技术进行整体分析的加速，OpenMP基于CPU多核算力，编程简洁，本发明采用OpenMP并行计算接口进行加速处理，也可采用多线程技术，将覆盖分析放入辅助线程，进行异步处理，避免卡顿现象。

应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本申请所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1：基于卫星星历和SGP4模型计算出卫星在卫星轨道坐标系内的行列式坐标的向量；

步骤S2：获取安装在卫星上的传感器上各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量，其中，传感器为具有透镜中心的传感器；

步骤S3：基于卫星在卫星轨道坐标系内的坐标对各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量进行级联矩阵变换，获取各个探测点在地心固定坐标系下的行列式坐标的向量；

步骤S4：通过SGP4模型计算出卫星到地球质心的瞬时距离及卫星的高度，并通过卫星到地球质心的瞬时距离获取卫星的最大视场角α；

步骤S5：获取传感器的最大探测视场角β，通过卫星的最大视场角α与传感器的最大探测视场角β之间的关系获取卫星的探测范围覆盖情况；

步骤S6：根据卫星的探测范围覆盖情况获取光滑地球表面的卫星覆盖范围；

步骤S7：根据地表的起伏对光滑地球表面的卫星覆盖范围的影响情况，获取卫星覆盖的真实范围。

2.根据权利要求1所述的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法，其特征在于，步骤S3包括：

通过第一变换矩阵对各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量进行矩阵旋转变换，获取各个探测点在传感器坐标系下的行列式坐标的向量；

通过第二变换矩阵对各个探测点在传感器坐标系下的行列式坐标的向量进行平移变换，并通过第三变换矩阵对平移变换结果进行矩阵旋转变换，获取各个探测点在卫星坐标系下的行列式坐标的向量；

将各个探测点在卫星坐标系下的行列式坐标的向量和卫星在卫星轨道坐标系内的行列式坐标的向量代入至第四变换矩阵，获取各个探测点在卫星轨道坐标系下的行列式坐标的向量；

通过第五变换矩阵对各个探测点在卫星轨道坐标系下的行列式坐标的向量进行矩阵变换，获取各个探测点在地心惯性坐标系下的行列式坐标的向量；

通过第六变换矩阵对各个探测点在地心惯性坐标系下的行列式坐标的向量进行矩阵变换，获取各个探测点在地心固定坐标系下的行列式坐标的向量。

3.根据权利要求1所述的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法，其特征在于，步骤S5包括：

建立传感器的透镜中心O_b与其在传感器成像平面上的投影的连线 ，并建立传感器的透镜中心O_b与地心O_e的连线，计算连线/>与连线O_bO_e之间的夹角γ；

获取传感器的最大探测视场角β，并对卫星的最大视场角α与传感器的最大探测视场角β进行大小比较；

通过比较结果、连线与连线O_bO_e之间的夹角γ与/>以及连线/>与连线O_bO_e之间的夹角γ与/>之间的关系获取卫星的探测范围覆盖情况。

4.根据权利要求3所述的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法，其特征在于，通过比较结果、连线与连线O_bO_e之间的夹角γ与/>以及连线/>与连线O_bO_e之间的夹角γ与/>之间的关系获取卫星的探测范围覆盖情况包括：

在卫星的最大视场角α大于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围全覆盖；

在卫星的最大视场角α大于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围部分覆盖；

在卫星的最大视场角α大于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围未覆盖；

在卫星的最大视场角α小于等于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围全覆盖；

在卫星的最大视场角α小于等于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围部分覆盖；

在卫星的最大视场角α小于等于传感器的最大探测视场角β且时，探测范围覆盖情况为探测范围未覆盖。

5.根据权利要求4所述的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法，其特征在于，步骤S6包括：

在卫星的探测范围覆盖情况为探测范围未覆盖时，光滑地球表面的卫星覆盖范围为0。

6.根据权利要求5所述的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法，其特征在于，步骤S6还包括：

在卫星的探测范围覆盖情况为探测范围全覆盖且卫星的最大视场角α大于传感器的最大探测视场角β时，对传感器的透镜中心在传感器成像平面上的行列式坐标的向量进行级联矩阵变换，获取传感器的透镜中心在地心固定坐标系下的行列式坐标的向量，通过地心固定坐标系下各个探测点与传感器的透镜中心的连线计算其与地球的交点，顺序连接交点，将连接交点构成的区域作为滑地球表面的卫星覆盖范围。

7.根据权利要求6所述的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法，其特征在于，步骤S6还包括：在卫星的探测范围覆盖情况为探测范围全覆盖且卫星的最大视场角α小于等于传感器的最大探测视场角β时，根据步骤S4中通过SGP4模型得到的卫星的高度计算出该高度对应的最大视场范围，将所述最大视场范围作为光滑地球表面的卫星覆盖范围。

8.根据权利要求7所述的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法，其特征在于，步骤S6还包括：

在卫星的探测范围覆盖情况为探测范围部分覆盖时，根据步骤S4中通过SGP4模型得到的卫星的高度计算出该高度对应的最大视场范围，其中，所述最大视场范围由多个采样点的区域构成；

判断地心固定坐标系下各个探测点是否在地球表面有对应点，在有对应点的探测点与无对应点的探测点之间采用迭代方式形成插值点；

对所述最大视场范围中的采样点与形成的各个插值点的距离进行比较，获取与各个插值点的距离最近的采样点；

对与各个插值点的距离最近的采样点进行顺序连接，将连接采样点构成的区域作为滑地球表面的卫星覆盖范围。

9.根据权利要求1所述的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法，其特征在于，步骤S7包括：

判断在各个探测点和其在地球表面上的对应点之间的连线上是否有地表的起伏对光滑地球表面的卫星覆盖范围的影响；

在地表的起伏对光滑地球表面的卫星覆盖范围有影响时，获取各个探测点和其在地球表面上的对应点之间的连线在地球表面的投影线；

通过DEM数据获取投影线上每个点的XYZ坐标，并计算投影线上每个点的的卫星高度角，获取卫星高度角最小时对应的投影线上的点；

将各个探测点对应的卫星高度角最小时对应的投影线上的点进行顺序连接，将连接区域作为卫星覆盖的真实范围。

10.一种基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算系统，采用如权利要求1-9任一项所述的基于透镜成像的卫星瞬时覆盖区计算方法进行卫星瞬时覆盖区计算，其特征在于，所述系统包括:

卫星坐标获取模块，用于基于卫星星历和SGP4模型计算出卫星在卫星轨道坐标系内的行列式坐标的向量；

探测点坐标获取模块，用于获取安装在卫星上的传感器上各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量，其中，传感器为具有透镜中心的传感器；

级联矩阵变换模块，用于基于卫星在卫星轨道坐标系内的坐标对各个探测点在传感器成像平面上的行列式坐标的向量进行级联矩阵变换，获取各个探测点在地心固定坐标系下的行列式坐标的向量；

最大视场角获取模块，用于通过SGP4模型计算出卫星到地球质心的瞬时距离及卫星的高度，并通过卫星到地球质心的瞬时距离获取卫星的最大视场角α；

覆盖情况获取模块，用于获取传感器的最大探测视场角β，通过卫星的最大视场角α与传感器的最大探测视场角β之间的关系获取卫星的探测范围覆盖情况；

覆盖范围获取模块，用于根据卫星的探测范围覆盖情况获取光滑地球表面的卫星覆盖范围，并根据地表的起伏对光滑地球表面的卫星覆盖范围的影响情况，获取卫星覆盖的真实范围。