CN118153915A - 基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法、设备及介质，涉及电数字数据处理技术领域，用以解决现有技术基于地球模型计算卫星最大覆盖范围时存在误差的问题。方法包括：基于地球对应的椭球模型构建低轨遥感卫星与地球间的椭球模型星地关系，并根据低轨遥感卫星的预设需求筹划确定对应的实际成像需求；根据实际成像需求确定指定卫星轨道圈号以及用于获取低轨遥感卫星位置的时间间隔，并按照时间间隔计算低轨遥感卫星在指定卫星轨道圈号下对应的卫星实际位置以得到对应的卫星位置数组；基于椭球模型星地关系计算卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的最大覆盖范围。

Description

基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法、设备及介质

技术领域

本申请涉及电数字数据处理技术领域，尤其涉及基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法、设备及介质。

背景技术

卫星遥感技术(satellite remote sensing)作为现代空间技术与地球科学相结合的产物，自诞生以来就在多个领域展现出了巨大的应用潜力。利用人造地球卫星作为遥感平台，实现对地球和低层大气的光学和电子观测，已成为获取地球表面信息的重要手段。随着技术的不断进步，遥感卫星在国民经济和国防建设中的作用日益凸显，其提供的数据广泛应用于气象监测、资源调查、城市规划、环境保护等多个领域。

在遥感卫星的应用中，轨道覆盖范围是一个核心概念。轨道覆盖范围包括瞬时覆盖范围和最大覆盖范围两种概念。瞬时覆盖范围描述了卫星在某一时刻对地观测成像所能覆盖的区域，而最大覆盖范围则代表了卫星在整个轨道周期内所能拍摄的最大区域。这两种范围在卫星成像需求筹划中具有重要的参考价值。

目前，主流的遥感卫星通常采用太阳同步轨道，并搭载有SAR（合成孔径雷达）和光学载荷。在计算遥感卫星的最大覆盖范围时，通常会根据卫星的轨道状态、最大测摆范围等参数，结合星地几何关系进行计算。然而，这些计算方法往往基于简化的地球模型，如将地球视为球体。然而，实际上地球是一个椭球体，因此基于球体的计算方法会带来一定的误差。

发明内容

本申请实施例提供了基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法、设备及介质，用以解决现有技术将地球视为球体，并基于地球模型计算遥感卫星的最大覆盖范围，但是地球实际是个椭球体，因此存在一定的误差的技术问题。

一方面，本申请实施例提供了基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法，包括：

基于地球对应的椭球模型，构建低轨遥感卫星与地球之间的椭球模型星地关系，并根据所述低轨遥感卫星的预设需求筹划，确定对应的实际成像需求；

根据所述实际成像需求，确定指定卫星轨道圈号以及用于获取所述低轨遥感卫星位置的时间间隔，并按照所述时间间隔，计算所述低轨遥感卫星在指定卫星轨道圈号下对应的卫星实际位置，以得到对应的卫星位置数组；

基于所述椭球模型星地关系，计算所述卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的最大覆盖范围。

在本申请的一种实现方式中，所述基于所述椭球模型星地关系，计算所述卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的最大覆盖范围之后，所述方法还包括：

构建所述低轨遥感卫星的飞行姿态角度，并确定卫星实际位置在地理坐标系中对应的卫星坐标；所述飞行姿态角度包括偏航角、仰俯角和滚转角；

将所述飞行姿态角度和所述卫星坐标转换至卫星地心固定坐标系中，并确定所述低轨遥感卫星在所述卫星地心固定坐标系下的单位方向向量；

基于预设函数对所述单位方向向量与所述地球对应的椭球模型进行相交计算，并根据计算结果中两个相交点与观察点之间的距离，在两个相交点中确定出所述观察点与地球之间的目标相交点；所述观察点对应的是低轨遥感卫星的卫星实际位置；

获取所述目标相交点在所述卫星地心固定坐标系下的坐标值，并将所述卫星地心固定坐标系下的坐标值转换为所述地理坐标系下的坐标值，以得到所述地理坐标系下的地面覆盖点。

在本申请的一种实现方式中，所述按照所述时间间隔，计算所述低轨遥感卫星在指定卫星轨道圈号下对应的卫星实际位置，以得到对应的卫星位置数组之后，所述方法还包括：

根据所述预设需求筹划，确定所述低轨遥感卫星对应的实际成像能力范围，以及所述实际成像能力范围对应的卫星纬度阈值；

确定出所述卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的经纬度坐标，并针对每个卫星实际位置，确定所述卫星实际位置对应的经纬度坐标中的纬度值；

根据所述卫星实际位置的纬度值与所述卫星纬度阈值之间的大小关系，对所述卫星位置数组进行过滤，以将所述纬度值超出所述卫星纬度阈值的卫星实际位置进行剔除。

在本申请的一种实现方式中，所述根据所述卫星实际位置的纬度值与所述卫星纬度阈值之间的大小关系，对所述卫星位置数组进行过滤，以将所述纬度值超出所述卫星纬度阈值的卫星实际位置进行剔除之后，所述方法还包括：

基于卫星实际位置中的位置获取时间，确定当前时刻卫星实际位置对应的当前纬度值以及下一时刻卫星实际位置对应的下一纬度值，并将所述当前纬度值与所述下一纬度值进行比较；

根据比较结果，确定所述低轨遥感卫星对应的升降轨情况，并根据所述升降轨情况，将过滤之后的卫星位置数组拆分为升轨数组和降轨数组；

若所述低轨遥感卫星为光学成像载荷，[1]则将所述升轨数组对应的卫星实际位置进行删除。

在本申请的一种实现方式中，所述按照所述时间间隔，计算所述低轨遥感卫星在指定卫星轨道圈号下对应的卫星实际位置，以得到对应的卫星位置数组，具体包括：

确定所述低轨遥感卫星对应的TLE轨道根数，基于所述TLE轨道根数并通过SGP4算法，计算所述低轨遥感卫星在所述TLE轨道根数下的星下点位置；星下点用于表示所述低轨遥感卫星的中心和地心的连线与地面的交点；

按照所述时间间隔，计算所述星下点位置，以确定所述低轨遥感卫星在指定卫星轨道圈号下对应的卫星实际位置；

在所述预设需求筹划对应的一个时间跨度内，确定基于所述时间间隔获取的多个卫星实际位置，并将所述多个卫星实际位置存储至卫星位置数组中。

在本申请的一种实现方式中，所述将所述卫星地心固定坐标系下的坐标值转换为所述地理坐标系下的坐标值，以得到所述地理坐标系下的地面覆盖点之后，所述方法还包括：

基于卫星实际位置中的经纬度坐标，获得对应地面覆盖点的经度值，并确定所述经度值对应的正负值情况，以确定经度值为负值的待处理地面覆盖点；

为所述待处理地面覆盖点的经度值增加指定度数，以将所述待处理地面覆盖点对应的经度值转化为正值，使得所述最大覆盖范围对应的地面覆盖点转换至同一覆盖面；

在所述同一覆盖面上构建转化后的地面覆盖点对应的覆盖多边形，并将所述覆盖多边形在所述同一覆盖面上进行可视化展示。

在本申请的一种实现方式中，所述基于所述椭球模型星地关系，计算所述卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的最大覆盖范围，具体包括：

在所述低轨遥感卫星为SAR载荷卫星的情况下，基于所述椭球模型星地关系，确定所述SAR载荷卫星在左右视成像时对应的最大波束入射角和最小波束入射角；

根据所述最大波束入射角和所述最小波束入射角，计算所述SAR载荷卫星对应的最大覆盖范围，以得到所述SAR载荷卫星的最大覆盖范围对应的两个条带。

在本申请的一种实现方式中，所述基于所述椭球模型星地关系，计算所述卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的最大覆盖范围，具体包括：

在所述低轨遥感卫星为光学载荷卫星的情况下，基于所述预设需求筹划对应的实际成像需求，确定所述光学载荷卫星对应的测摆角度以及视场角度，并基于所述椭球模型星地关系，确定所述光学载荷卫星对应的星下点；

确定所述光学载荷卫星基于所述测摆角度与所述椭球模型的地平线之间的测摆交点，以及所述光学载荷卫星基于所述视场角度与所述椭球模型的地平线之间的视场交点，并根据所述测摆交点、所述视场交点和所述星下点，计算所述光学载荷卫星对应的最大覆盖范围。

另一方面，本申请实施例还提供了基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算设备，所述设备包括：

至少一个处理器；

以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法。

另一方面，本申请实施例还提供了一种非易失性计算机存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被执行时，实现如上述的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法。

本申请实施例提供了基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法、设备及介质，至少包括以下有益效果：

通过采用椭球模型来模拟地球，可以更准确地描述低轨遥感卫星与地球之间的几何关系，有助于减少使用球体模型所带来的误差，并且，根据预设需求筹划来确定实际成像需求，可以确保卫星成像任务更加精确和有针对性；根据实际成像需求确定卫星轨道圈号和用于获取低轨遥感卫星位置的时间间隔，可以精确地追踪低轨遥感卫星的位置变化，有助于在任务规划阶段预测和评估卫星的覆盖范围，并基于卫星位置数组为后续的成像任务提供准确的位置数据；通过利用椭球模型星地关系，可以更准确地确定预设需求筹划下的最大覆盖范围类型，有助于评估卫星在不同位置和轨道圈号下的成像能力，根据最大覆盖范围类型，计算每个卫星实际位置对应的最大覆盖范围，可以为后续的任务规划和资源分配提供准确的数据支持。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种椭球模型星地关系示意图；

图3为本申请实施例提供的一种SAR载荷卫星工作原理示意图；

图4为本申请实施例提供的一种卫星左侧视瞬时成像示意图；

图5为本申请实施例提供的一种低轨遥感卫星的飞行姿态角度概念示意图；

图6为本申请实施例提供的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算设备的内部结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法、设备及介质，解决了现有技术将地球视为球体，并基于地球模型计算遥感卫星的最大覆盖范围，但是地球实际是个椭球体，因此存在一定的误差的技术问题。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本申请实施例提供的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法的流程示意图。

本申请实施例涉及的分析方法的实现可以为终端设备，也可以为服务器，本申请对此不作特殊限制。为了方便理解和描述，以下实施例均以服务器为例进行详细描述。

需要说明的是，该服务器可以是单独的一台设备，可以是有多台设备组成的系统，即，分布式服务器，本申请对此不做具体限定。

如图1所示，本申请实施例提供的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法，包括：

101、基于地球对应的椭球模型，构建低轨遥感卫星与地球之间的椭球模型星地关系，并根据低轨遥感卫星的预设需求筹划，确定对应的实际成像需求。

服务器通过获取低轨遥感卫星的实际需求，并根据所获取的实际需求确定出低轨遥感卫星的需求筹划，能够降低低轨遥感卫星成像任务的复杂性，并且，还能够在需求筹划确定出低轨遥感卫星的实际成像需求。

在一个实施例中，为准确模拟低轨遥感卫星与地球之间的几何关系，采用WGS-84椭球模型作为地球的代表，该模型考虑了地球的扁率，因此更贴近实际形状。在此基础上，构建低轨遥感卫星与地球之间的椭球模型星地关系。针对一颗低轨遥感卫星，其需求筹划要求每天对特定区域进行成像。根据这一需求，确定实际成像需求为每天上午10点至下午2点对该区域进行连续成像。

图2为本申请实施例提供的一种椭球模型星地关系示意图。如图2所示，S表示低轨遥感卫星，球体表示地球对应的椭球模型，P点表示观察点，G表示连线OS和观察点地平线之间的交点，O点表示基于椭球模型的地球的地心，Re表示观察点P与地心O之间的距离，h表示交点G与低轨遥感卫星S之间的距离，d表示观察点P与连线OS之间的垂直距离，α为最大下视角，β表示地心O和低轨遥感卫星S的连线与地心O和观察点P的连线之间的夹角，γ表示低轨遥感卫星S和观察点P的连线与观察点地平线之间的夹角。

102、根据实际成像需求确定指定卫星轨道圈号以及用于获取低轨遥感卫星位置的时间间隔，并按照时间间隔，计算低轨遥感卫星在指定卫星轨道圈号下对应的卫星实际位置，以得到对应的卫星位置数组。

在低轨遥感卫星的任务规划中，需求筹划是一个至关重要的环节，涉及根据用户的需求和卫星的能力，来确定卫星成像任务的时间范围、轨道圈号和成像范围。为了满足这些需求，需要对卫星的轨道和覆盖范围进行详细的拆分和分析。

首先，服务器根据需求筹划的要求，确定低轨遥感卫星成像任务的时间范围。需要说明的是，时间范围通常是以天为单位进行规划的。因此，在规划过程中，默认选取一天，即24小时，作为时间跨度来进行任务筹划。

其次，在确定时间范围之后，需根据卫星轨道圈号来拆分轨道范围，卫星轨道圈号表示低轨遥感卫星发射以后绕地球公转的圈数，每个轨道圈都有其特定的覆盖范围，一个卫星轨道圈号表示一个时间跨度。因此，通过拆分卫星轨道圈号能够更准确地确定低轨遥感卫星在不同时间段内的覆盖范围。最后，根据拆分后的卫星轨道圈号和成像范围能够进行具体的任务规划，并通过合理的任务规划，确保低轨遥感卫星在有限的时间内，最大程度地满足用户的需求，同时实现资源的优化配置和高效利用。需要说明的是，本申请实施例中的任务规则包括确定低轨遥感卫星卫星在每个轨道圈内的成像目标、成像时间、成像方式等。

具体地，在本申请的一个实施例中，首先，服务器通过确定低轨遥感卫星的TLE（Two Line Elements）轨道根数，可以精确地描述卫星在轨道上的位置和运动状态。需要说明的是，本申请实施例中的TLE轨道根数包括六个关键参数，这些参数提供了关于卫星轨道形状、大小、位置和速度的信息。轨道根数也叫轨道要素，是用来描述卫星在空间中的运动特性的，即卫星的向径和速度可以表达成轨道根数的函数，可以确定卫星轨道面在空间的位置，决定轨道的大小、形状和空间的方位，同时给出计量运动时间的起算点，具体地描述了卫星运动的基本规律。

接着，利用SGP4（Simplified General Perturbations 4）算法对这些轨道根数进行计算，可以精确地预测卫星在任何给定时间点的位置。SGP4是一个广泛使用的算法，考虑了地球的非球形形状、大气阻力等多种摄动因素，从而提高了预测的准确性。最后，通过计算星下点位置，可以确定卫星在地球表面的直接投影点，这样能够提高卫星位置预测的准确性，并为后续的遥感成像任务提供了精确的目标点信息。需要说明的是，本申请实施例中的星下点是卫星的中心和地球质心连线与地球表面的交点，对于遥感卫星来说，星下点代表卫星成像的中心点或目标点。

在确定低轨遥感卫星的星下点位置之后，根据预设需求筹划中的时间间隔，定时获取这些星下点位置数据，可以确保在任务执行期间，始终掌握卫星的实际位置和运动状态。通过定时获取星下点位置，可以确保遥感卫星在指定的轨道圈号下始终按照预设的需求筹划进行成像任务，对于确保成像质量、提高任务效率以及避免任务冲突等方面都具有重要意义。这样不仅能够提高遥感卫星任务执行的准确性和效率，还能够确保卫星始终按照预设的需求筹划进行工作。

在预设需求筹划的一个时间跨度内，例如一天或一段时间，定时获取并存储多个卫星实际位置，可以建立一个完整的卫星位置数组，卫星位置数组中包含卫星在整个时间跨度内的所有位置信息。通过将这些位置信息存储到卫星位置数组中，能够为后续的任务分析、优化和决策提供了全面的位置数据支持，提高了任务分析的准确性和决策的有效性。例如，可以根据这个位置数组来评估卫星的覆盖范围、成像质量以及任务执行的可行性等。

在本申请的一个实施例中，服务器在根据时间间隔，计算低轨遥感卫星在指定卫星轨道圈号下对应的卫星实际位置，以得到对应的卫星位置数组之后，通过参考预设需求筹划，能够准确理解遥感卫星的任务目标和成像需求，有助于确定卫星的实际成像能力范围，即卫星在特定条件下能够清晰成像的地理区域。然后，根据成像能力范围，可以进一步确定卫星纬度阈值，确保了卫星的成像资源被高效利用，避免了对超出其成像能力范围的区域进行无效成像。需要说明的是，本申请实施例中的卫星纬度阈值通常是一个地理纬度范围，用于定义卫星能够有效成像的最低和最高纬度。

服务器通过确定卫星位置数组中每个卫星实际位置的经纬度坐标，能够精确地知道卫星在地球上的具体位置，通过比较卫星实际位置的纬度与预设的卫星纬度阈值，可以判断该位置是否在卫星的有效成像范围内。如果卫星的实际位置超出了这个范围，特别是位于高纬度地区，那么其成像效果可能会受到影响。通过对卫星位置数组进行过滤，剔除那些高纬度且不在成像能力范围内的卫星实际位置，可以确保剩余的卫星位置都是有效的，并且能够更好地满足成像需求。这不仅提高了成像任务的效率，还确保了成像质量。

在本申请的一个实施例中，服务器在根据时间间隔，计算低轨遥感卫星在指定卫星轨道圈号下对应的卫星实际位置，以得到对应的卫星位置数组之后，通过考虑卫星实际位置中的位置获取时间，能够精确地确定卫星在特定时间点的纬度，即纬度。由于卫星在轨道上持续移动，其纬度会随时间变化，通过比较当前时刻和下一时刻的纬度，不仅能够了解卫星在这两个时间点之间的运动方向，还能够判断卫星是在向北移动（升轨）还是向南移动（降轨），这对于了解卫星的飞行轨迹和规划成像任务至关重要。因为不同的轨道方向可能会影响成像的质量和覆盖范围，所以根据比较结果，将卫星的飞行轨迹分为升轨和降轨两种情况，有助于更准确地规划卫星的成像任务，从而更有效地利用卫星资源。需要说明的是，本申请实施例中的升轨指的是卫星从南向北移动，而降轨则是从北向南移动。

当低轨遥感卫星配备光学成像载荷时，由于光学成像载荷在某些情况下可能无法成像，如强烈阳光直射或夜间，因此需要对成像时间进行限制。在升轨时，卫星从南向北移动，可能会遇到太阳直射的情况，导致光学成像载荷无法正常工作。此时需要通过删除升轨数组中对应的卫星实际位置，避免在不适合成像的时间段内安排任务，从而提高成像任务的成功率和质量。

103、基于椭球模型星地关系，计算卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的最大覆盖范围。

具体地，在本申请的一个实施例中，当低轨遥感卫星搭载合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）载荷时，能够不受天气和光照条件的影响进行成像。对于SAR载荷卫星，波束入射角是一个关键参数，它决定了雷达信号照射到地面时的角度，进而影响到成像的质量和覆盖范围。在椭球模型星地关系的基础上，通过分析SAR载荷卫星的轨道和姿态，可以确定SAR载荷在左右视成像时的最大波束入射角和最小波束入射角，这有助于了解SAR载荷在不同成像模式下的性能特点，从而优化成像任务规划，并且，通过确定最大和最小波束入射角有助于避免成像时的地形遮挡问题，提高成像的完整性和准确性。

在确定SAR载荷卫星的最大和最小波束入射角之后，可以进一步计算其对应的最大覆盖范围。需要说明的是，本申请实施例中的最大覆盖范围表示SAR载荷卫星在一次成像任务中能够覆盖的地面区域大小。服务器通过计算最大覆盖范围，可以确保SAR载荷卫星在任务执行过程中能够充分利用其成像能力，避免对超出其覆盖能力的区域进行无效成像。因为SAR载荷在左右视成像模式下，会形成两个相对的覆盖条带，所以SAR载荷卫星对应的最大覆盖范围通常呈现为两个条带状区域。了解这两个条带的具体位置和范围，有助于更好地规划和管理SAR载荷的成像任务，提高成像效率和质量。

图3为本申请实施例提供的一种SAR载荷卫星工作原理示意图。如图3所示，根据SAR载荷卫星的成像原理可知，SAR载荷卫星实际的覆盖范围是由最大波束入射角和最小波束入射角决定的。由于SAR载荷卫星的扫描方向是侧视的，星下点无法成像，因此最大成像覆盖范围是两个条带区域。并且，由于SAR载荷卫星的成像不收太阳日照影响，因此SAR载荷卫星的最大覆盖范围不受卫星轨道升降轨影响。

针对光学载荷卫星，根据预设需求筹划，例如需要观测的特定地区、分辨率要求、成像模式等，可以确定光学载荷卫星需要执行的具体成像任务，有助于精确设定卫星的测摆角度和视场角度，以满足成像需求。测摆角度是卫星为了对准目标区域而需要调整的姿态角，而视场角度是光学载荷能够观察到的地面区域的范围，这些参数的设置直接影响到成像质量和覆盖范围。基于椭球模型星地关系，可以更加准确地确定光学载荷卫星的星下点，即卫星与地球质心连线与地球表面的交点。

在确定测摆角度和视场角度之后，可以进一步分析这些参数与椭球模型地平线之间的关系。通过分析测摆交点和视场及交点，能够更准确地计算光学载荷卫星的最大覆盖范围，此时最大覆盖范围指的是在给定测摆角度和视场角度下，卫星能够成像的地面区域的最大面积。了解最大覆盖范围有助于优化任务规划，确保卫星在任务执行期间能够覆盖到所有需要成像的区域，同时避免资源浪费和无效成像。需要说明的是，本申请实施例中的测摆交点是指卫星在测摆过程中与地平线相交的点，而视场交点则是光学载荷的视场边缘与地平线相交的点。

图4为本申请实施例提供的一种卫星左侧视瞬时成像示意图。同理，卫星也可以右侧视瞬时成像，在卫星右侧视瞬时成像时，点S和点S'不变，A、B、C三个点参考SS'连线，镜像到右侧，得到右侧视瞬时成像对应的A'、B'、C'三个点。如图4所示，最大覆盖范围包括光学载荷卫星对应的最大覆盖范围，以及SAR载荷卫星对应的最大覆盖范围。

对于光学载荷卫星来说，瞬时最大覆盖范围为=AS'（左侧视）+A'S'（右侧视），其中，AS'和A'S'是基于SS'对称的。θ表示载荷相机的视场角度，θ是固定值，β表示卫星平台的测摆角度，β有对应的取值范围，最大值不超过90°，S表示低轨遥感卫星的卫星位置，S'表示低轨遥感卫星的星下点位置，即低轨遥感卫星和地心的连线与地球表面的交点。在计算光学载荷卫星的瞬时最大覆盖范围时，β取最大值βmax，也是固定值。在卫星左侧视瞬时成像场景中，A表示β为最大值时视场最左边界线和地球的交点，C表示β为最大值时视场最右边界线和地球的交点，B表示β为最大值时视场中心线和地球的交点。

对于SAR载荷卫星来说，瞬时最大覆盖范围=AC（左侧视）+A'C'（右侧视）。θ=远视角-近视角，β表示中心视角。在卫星左侧视瞬时成像场景中，A表示雷达波束角远视角最大值时，波束线和地球的交点，B是雷达波束角近视角最小时，波束线和地球的交点；C是中心点视角和地球的交点。

在本申请的一个实施例中，服务器在基于椭球模型星地关系，计算卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的最大覆盖范围之后，通过构建低轨遥感卫星的飞行姿态角度，能够确保卫星准确指向观测目标，偏航角、仰俯角和滚转角这三个姿态角能够全面描述低轨遥感卫星在三维空间中的方向。通过确定卫星实际位置在地理坐标系中的坐标，能够清楚卫星在地球上的确切位置，确保了卫星的姿态和位置信息的准确性，为后续的坐标转换和相交计算提供了基础数据。服务器将飞行姿态角度和卫星坐标转换至卫星地心固定坐标系是为了方便后续的计算和分析，卫星地心固定坐标系通常是卫星的局部坐标系。在卫星地心固定坐标系下，可以确定卫星的单位方向向量，能够将复杂的地球和卫星关系简化为更易于处理的数学模型。需要说明的是，本申请实施例中的单位方向向量表示低轨遥感卫星在观测方向上的单位长度。

在一个实施例中，在一个低轨遥感卫星的任务中，服务器首先构建该卫星的飞行姿态角度。这些角度主要包括偏航角、仰俯角和滚转角。偏航角描述了卫星在水平面上的方向，仰俯角表示卫星相对于水平面的倾斜程度，而滚转角则描述了卫星绕其自身轴线的旋转。通过卫星上的传感器和姿态控制系统，可以实时获取这些角度数据。

接下来，服务器需要确定卫星在地理坐标系中的实际位置。地理坐标系通常使用经度、纬度和高度来表示地球上的任意一点。通过卫星上的全球定位系统（GPS）或其他导航设备，可以得到卫星的精确位置坐标。

在得到飞行姿态角度和卫星坐标之后，将行姿态角度和卫星坐标转换至卫星地心固定坐标系中。需要说明的是，卫星地心固定坐标系是一个以地球中心为原点，固定于地球并且不随地球自转而转动的坐标系。在卫星地心固定坐标系下，可以确定卫星的单位方向向量，它代表了卫星的指向方向。

然后，服务器利用预设的函数对单位方向向量与地球的椭球模型进行相交计算。需要说明的是，地球的椭球模型是一个更接近于地球实际形状的几何模型，它考虑了地球赤道半径和极半径的差异。通过相交计算，服务器可以确定结算结果中的两个相交点，这两个相交点分别代表了从低轨遥感卫星出发，沿其指向方向，与地球表面相交的两个点。

接下来，服务器需要确定观察点与地球之间的目标相交点。需要说明的是，观察点对应的是低轨遥感卫星的卫星实际位置，具体可以是低轨遥感卫星上的相机或其他传感器。服务器根据两个相交点与观察点之间的距离来判断哪个是目标相交点。通常，选择距离观察点更近的交点作为目标相交点。

最后，服务器获取目标相交点在卫星地心固定坐标系下的坐标值，并将其转换为地理坐标系下的坐标值。这样，就得到了地理坐标系下的地面覆盖点，即卫星拍摄或观测到的地面位置。

图5为本申请实施例提供的一种低轨遥感卫星的飞行姿态角度概念示意图。如图5所示，heading表示偏航角，pitch表示俯仰角，roll表示滚转角，飞行姿态角度是描述飞机或者卫星等飞行器的瞬时状态。针对光学载荷卫星而言，偏航角是光学载荷卫星前后位置向量的和与正北的夹角，俯仰角是0，滚转角是光学载荷卫星最大测摆角与二分之一光学载荷卫星视场角的和，光学载荷卫星中的滚转角左侧为正，右侧为负。针对SAR载荷卫星而言，偏航角是SAR载荷卫星前后位置向量的和与正北的夹角，俯仰角是0，滚转角是SAR载荷卫星左右侧视成像时的最大波束入射角和最小波束入射角。

由于地球表面离地球质心最远之处并非海拔最高的珠穆朗玛峰，而是位于赤道上的厄瓜多尔钦博拉索山的山顶得沿贯穿两极的地轴方向稍扁，赤道上方贯穿两极的地轴方向稍扁，赤道上空离地球质心最远之处并非海拔最高的珠穆朗玛峰，而是位于赤道上的厄瓜多尔钦博拉索山的山顶得沿贯穿两极的地轴方向稍扁，因此考虑地球椭球模型对于精确计算相交点非常重要。服务器通过预设函数，可以模拟单位方向向量与地球椭球模型之间的相交情况，通过预设函数能够考虑到地球的形状为椭球以及卫星的观测方向，从而计算出观察点与地球相交的具体位置，这样确保了相交计算的准确性，为后续的坐标转换和地面覆盖点的确定提供了关键信息。

服务器获取目标相交点在卫星地心固定坐标系下的坐标值是为了后续能够将其转换回地理坐标系，将最终的地面覆盖点在地理坐标系下进行表示，进而能够获得低轨遥感卫星在地理坐标系下的地面覆盖点，并且能够直观地了解卫星的观测范围和成像效果。

服务器通过卫星实际位置中的经纬度坐标，能够精确地确定地面覆盖点的地理位置。由于位于本初子午线以西的地面覆盖点的经度值为负，因此通过确定经度的正负值有助于识别位于本初子午线以西的地面覆盖点，这样能够为后续的经度转换提供基础数据，确保处理过程的准确性和针对性。需要说明的是，经度作为地理位置的一个重要参数，能够指示地面覆盖点在东西方向上的具体位置。

在处理负值经度时，服务器通过增加指定度数可以将其转化为正值，这样所有地面覆盖点的经度都将变为正值，这样确保了最大覆盖范围对应的地面覆盖点转换至同一覆盖面，避免了因经度正负值不同而产生的覆盖重叠或遗漏问题，进而能够得到一个连续、统一的覆盖面，提高了数据处理的准确性和效率。需要说明的是，本申请实施例中的指定度数选用是360度。

通过构建转化后地面覆盖点对应的覆盖多边形，能够直观地展示卫星的最大覆盖范围，更好地理解卫星的观测能力和地面覆盖情况。通过在同一覆盖面上进行可视化展示，能够更加清晰地看到各个地面覆盖点的分布和覆盖范围，有助于分析和优化卫星的观测策略，提高了数据分析和应用的直观性和便捷性，确保了卫星遥感数据处理的准确性和效率。

以上为本申请提出的方法实施例。基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算设备，其结构如图6所示。

图6为本申请实施例提供的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算设备的内部结构示意图。如图6所示，设备包括：

至少一个处理器；

以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；

其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够：

基于地球对应的椭球模型，构建低轨遥感卫星与地球之间的椭球模型星地关系，并根据低轨遥感卫星的预设需求筹划，确定对应的实际成像需求；

根据实际成像需求，确定指定卫星轨道圈号以及用于获取低轨遥感卫星位置的时间间隔，并按照时间间隔，计算低轨遥感卫星在指定卫星轨道圈号下对应的卫星实际位置，以得到对应的卫星位置数组；

基于椭球模型星地关系，计算卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的最大覆盖范围。

本申请实施例还提供了一种非易失性计算机存储介质，存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令被执行时能够：

基于地球对应的椭球模型，构建低轨遥感卫星与地球之间的椭球模型星地关系，并根据低轨遥感卫星的预设需求筹划，确定对应的实际成像需求；

根据实际成像需求，确定指定卫星轨道圈号以及用于获取低轨遥感卫星位置的时间间隔，并按照时间间隔，计算低轨遥感卫星在指定卫星轨道圈号下对应的卫星实际位置，以得到对应的卫星位置数组；

基于椭球模型星地关系，计算卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的最大覆盖范围。

本申请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。尤其，对于设备和介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本申请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。

本申请实施例提供的设备和介质与方法是一一对应的，因此，设备和介质也具有与其对应的方法类似的有益技术效果，由于上面已经对方法的有益技术效果进行了详细说明，因此，这里不再赘述设备和介质的有益技术效果。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器 (CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器 (RAM) 和/或非易失性内存等形式，如只读存储器 (ROM) 或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存 (PRAM)、静态随机存取存储器 (SRAM)、动态随机存取存储器 (DRAM)、其他类型的随机存取存储器 (RAM)、只读存储器 (ROM)、电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘 (DVD) 或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体 (transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法，其特征在于，所述方法包括：

基于地球对应的椭球模型，构建低轨遥感卫星与地球之间的椭球模型星地关系，并根据所述低轨遥感卫星的预设需求筹划，确定对应的实际成像需求；

根据所述实际成像需求，确定指定卫星轨道圈号以及用于获取所述低轨遥感卫星位置的时间间隔，并按照所述时间间隔，计算所述低轨遥感卫星在指定卫星轨道圈号下对应的卫星实际位置，以得到对应的卫星位置数组；

基于所述椭球模型星地关系，计算所述卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的最大覆盖范围。

2.根据权利要求1所述的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法，其特征在于，所述基于所述椭球模型星地关系，计算所述卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的最大覆盖范围之后，所述方法还包括：

构建所述低轨遥感卫星的飞行姿态角度，并确定卫星实际位置在地理坐标系中对应的卫星坐标；所述飞行姿态角度包括偏航角、仰俯角和滚转角；

将所述飞行姿态角度和所述卫星坐标转换至卫星地心固定坐标系中，并确定所述低轨遥感卫星在所述卫星地心固定坐标系下的单位方向向量；

基于预设函数对所述单位方向向量与所述地球对应的椭球模型进行相交计算，并根据计算结果中两个相交点与观察点之间的距离，在两个相交点中确定出所述观察点与地球之间的目标相交点；所述观察点对应的是低轨遥感卫星的卫星实际位置；

获取所述目标相交点在所述卫星地心固定坐标系下的坐标值，并将所述卫星地心固定坐标系下的坐标值转换为所述地理坐标系下的坐标值，以得到所述地理坐标系下的地面覆盖点。

3.根据权利要求1所述的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法，其特征在于，所述按照所述时间间隔，计算所述低轨遥感卫星在指定卫星轨道圈号下对应的卫星实际位置，以得到对应的卫星位置数组之后，所述方法还包括：

根据所述预设需求筹划，确定所述低轨遥感卫星对应的实际成像能力范围，以及所述实际成像能力范围对应的卫星纬度阈值；

确定出所述卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的经纬度坐标，并针对每个卫星实际位置，确定所述卫星实际位置对应的经纬度坐标中的纬度值；

根据所述卫星实际位置的纬度值与所述卫星纬度阈值之间的大小关系，对所述卫星位置数组进行过滤，以将所述纬度值超出所述卫星纬度阈值的卫星实际位置进行剔除。

4.根据权利要求3所述的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法，其特征在于，所述根据所述卫星实际位置的纬度值与所述卫星纬度阈值之间的大小关系，对所述卫星位置数组进行过滤，以将所述纬度值超出所述卫星纬度阈值的卫星实际位置进行剔除之后，所述方法还包括：

基于卫星实际位置中的位置获取时间，确定当前时刻卫星实际位置对应的当前纬度值以及下一时刻卫星实际位置对应的下一纬度值，并将所述当前纬度值与所述下一纬度值进行比较；

根据比较结果，确定所述低轨遥感卫星对应的升降轨情况，并根据所述升降轨情况，将过滤之后的卫星位置数组拆分为升轨数组和降轨数组；

若所述低轨遥感卫星为光学成像载荷，则将所述升轨数组对应的卫星实际位置进行删除。

5.根据权利要求1所述的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法，其特征在于，所述按照所述时间间隔，计算所述低轨遥感卫星在指定卫星轨道圈号下对应的卫星实际位置，以得到对应的卫星位置数组，具体包括：

确定所述低轨遥感卫星对应的TLE轨道根数，基于所述TLE轨道根数并通过SGP4算法，计算所述低轨遥感卫星在所述TLE轨道根数下的星下点位置；星下点用于表示所述低轨遥感卫星的中心和地心的连线与地面的交点；

按照所述时间间隔，计算所述星下点位置，以确定所述低轨遥感卫星在指定卫星轨道圈号下对应的卫星实际位置；

在所述预设需求筹划对应的一个时间跨度内，确定基于所述时间间隔获取的多个卫星实际位置，并将所述多个卫星实际位置存储至卫星位置数组中。

6.根据权利要求2所述的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法，其特征在于，所述将所述卫星地心固定坐标系下的坐标值转换为所述地理坐标系下的坐标值，以得到所述地理坐标系下的地面覆盖点之后，所述方法还包括：

基于卫星实际位置中的经纬度坐标，获得对应地面覆盖点的经度值，并确定所述经度值对应的正负值情况，以确定经度值为负值的待处理地面覆盖点；

为所述待处理地面覆盖点的经度值增加指定度数，以将所述待处理地面覆盖点对应的经度值转化为正值，使得所述最大覆盖范围对应的地面覆盖点转换至同一覆盖面；

在所述同一覆盖面上构建转化后的地面覆盖点对应的覆盖多边形，并将所述覆盖多边形在所述同一覆盖面上进行可视化展示。

7.根据权利要求1所述的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法，其特征在于，所述基于所述椭球模型星地关系，计算所述卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的最大覆盖范围，具体包括：

在所述低轨遥感卫星为SAR载荷卫星的情况下，基于所述椭球模型星地关系，确定所述SAR载荷卫星在左右视成像时对应的最大波束入射角和最小波束入射角；

根据所述最大波束入射角和所述最小波束入射角，计算所述SAR载荷卫星对应的最大覆盖范围，以得到所述SAR载荷卫星的最大覆盖范围对应的两个条带。

8.根据权利要求1所述的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法，其特征在于，所述基于所述椭球模型星地关系，计算所述卫星位置数组中每个卫星实际位置对应的最大覆盖范围，具体包括：

在所述低轨遥感卫星为光学载荷卫星的情况下，基于所述预设需求筹划对应的实际成像需求，确定所述光学载荷卫星对应的测摆角度以及视场角度，并基于所述椭球模型星地关系，确定所述光学载荷卫星对应的星下点；

确定所述光学载荷卫星基于所述测摆角度与所述椭球模型的地平线之间的测摆交点，以及所述光学载荷卫星基于所述视场角度与所述椭球模型的地平线之间的视场交点，并根据所述测摆交点、所述视场交点和所述星下点，计算所述光学载荷卫星对应的最大覆盖范围。

9.基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算设备，其特征在于，所述设备包括：

至少一个处理器；

以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1-8任一项所述的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法。

10.一种非易失性计算机存储介质，存储有计算机可执行指令，其特征在于，所述计算机可执行指令被执行时，实现如权利要求1-8任一项所述的基于椭球模型的卫星最大覆盖范围计算方法。