一种用于卫星观测的区域划分方法 【技术领域】
本发明涉及卫星观测技术领域， 特别是涉及一种用于卫星观测 ( 例如对地观测 ) 的区域划分方法。背景技术
根据地面目标的类型差异， 成像卫星调度问题的研究主要可分为面向点目标的卫 星调度问题 ( 观测目标全部为点目标 ) 和面向目标区域的卫星调度问题 ( 观测目标全部为 目标区域 ) 两大类。对于目标区域， 卫星通常无法单次完成观测， 必须经过合理划分后才能 进行高效观测。
区域划分的目的是将大面积区域分割为多个可由单颗卫星一次性完成的子任务。 目前， 对目标区域主要有以下四种分解方法 ： ①将区域分解转化为集合覆盖问题， 依据单景 分解， 经过分解后， 目标区域调度被转化为针对这些独立场景的点目标调度 ； ②采用预定义 的参考系统分解， 参考系统按照一定的坐标系， 将全球划分为多个带有编号的场景。 按照预 定义的参考系统对区域进行分解时， 只需要检索与目标区域相关的场景， 并进行规划即可 ； ③依据卫星的飞行径向和遥感器幅宽， 将区域分解为固定宽度的平行条带。
采用所述三种方法必须提前确定分解的参数 ( 单景大小、 条带宽度及划分方向 )， 并采用固定参数进行分解。当使用多颗卫星观测目标区域时， 由于不同卫星在轨道倾角及 星载遥感器幅宽等参数上均存在差异， 若采用这些分解方法， 将不能体现不同卫星的性能 差异， 不能充分发挥卫星的观测能力， 会降低对目标区域的观测效率。因此， 只适用于单颗 卫星对目标区域观测的情况。 发明内容
本发明的目的在于提供一种新的用于卫星观测的区域划分方法。 本发明的区域划 分方法的基本思想是 ： 采用立体几何方法计算卫星在某侧视角度下， 对目标区域的覆盖范 围； 按照每颗卫星的遥感器幅宽以及飞行径向， 在多个时间窗口内对目标区域进行重复分 解， 即在每次卫星飞过目标区域时重新分解。此方法依据不同卫星遥感器性能参数分解区 域， 考虑了不同卫星遥感器性能的差异， 能够充分发挥不同卫星的观测能力。
因此， 本发明提供一种对用于卫星观测的区域划分方法， 其用于根据卫星的性能 参数 ( 例如侧摆角、 视场角 ) 及飞行径向来对目标区域进行划分。所述方法包括如下步骤 ：
步骤 1 ： 根据卫星的性能参数， 确定所述卫星对目标区域进行观测的有效区域 ；
步骤 2 ： 确定所述有效区域所对应的最小观测侧摆角与最大观测侧摆角 ；
步骤 3 ： 初始化当前侧摆角， 使得当前侧摆角等于最小观测侧摆角， 以及初始化结 果子区域集合， 使得结果子区域集合为空 ；
步骤 4 ： 更新结果子区域集合， 将当前侧摆角加入结果子区域集合 ；
步骤 5 ： 更新当前侧摆角， 使得当前侧摆角增加， 增加的量等于设定的粒度角 ；
步骤 6 ： 判断当前侧摆角与所述粒度角之和是否小于最大观测侧摆角， 如果小于最大观测侧摆角， 转步骤 4， 否则转步骤 7 ； 以及
步骤 7 ： 更新结果子区域集合， 将当前侧摆角加入结果子区域集合， 从而将所述有 效区域划分为与所述结果子区域集合中的各侧摆角相对应的观测条带。
从而， 通过所述方法， 将目标区域 ( 或者目标区域的有效区域 ) 分解为以侧摆角表 示的观测条带。 侧摆角表示的区域为从侧摆角 ( 含 ) 至侧摆角与粒度角之和 ( 含 ) 的条带， 其中， 此条带未限定开始时间和结束时间。
所述方法具有以下的优点 ：
(1) 采用侧摆角表示卫星在某侧视角度下对任务的覆盖范围， 而不是采用投影到 平面坐标系的方式。从而克服了高斯投影在任务经度差上的限制。
(2) 依据卫星每次经过任务时， 对区域的可观测范围 ( 即有效区域 )， 按照星载遥 感器的不同观测角度而非固定宽度对任务进行分解， 更加精确。
(3) 所述方法适用于多颗卫星对目标区域的观测。
其中， 所述有效区域是指所述目标区域中的可由卫星进行观测的区域。对于不同 性能参数的卫星， 在其它条件相同的情况下， 有效区域可能是不同的。 由于卫星在整个侧摆 范围内不一定对目标区域可见， 在进行分解前必须先判断遥感器观测范围与目标区域是否 有交集， 如果有交集， 则计算卫星对目标区域的可见观测范围， 否则， 卫星无法观测该目标 区域， 无须进行分解或划分。也就是说， 所述步骤 1 可以进一步包括 ： 确定所述有效区域是 否为空， 如果所述有效区域为空， 则终止所述方法， 并输出空的结果子区域集合。 优选地， 步骤 3 可以进一步包括下述步骤 ： 判定目标区域的所述有效区域对应的 最大观测侧摆角与最小观测侧摆角之差是否小于等于所述粒度角， 如果是， 则转步骤 7。
优选地， 所述用于卫星观测的区域划分方法进一步包括计算与所述子区域集合中 的各侧摆角相对应的时间窗口的步骤。
优选地， 通过下述步骤来计算与一个侧摆角相对应的时间窗口 ：
步骤 S1 ： 计算与所述一个侧摆角相对应的观测条带与目标区域的交点 ；
步骤 S2 ： 计算包含在观测条带内的目标区域顶点 ；
步骤 S3 ： 计算所述各交点和所述各顶点在星下点轨迹上的垂足 ；
步骤 S4 ： 采用线性插值求出各垂足对应的星下点所对应的时刻 ；
步骤 S5 ： 比较所述各时刻大小， 以得出所述各时刻中的最小时刻和最大时刻。
优选地， 采用下述步骤来计算所述交点和所述顶点中的目标点 P 在星下点轨迹上 的垂足 ：
步骤 S30 ： 获取线段 ST， 线段 ST 为星下线上包括目标点 P 在星下线上的投影点的 线段， ST 为线段的两个端点，
步骤 S31 ： 求出线段 ST 的中点 M， 计算 PM 的长度， 转步骤 S 32 ；
步骤 S32 ： 将点 M 左移微小距离 Δd， 得到 ML， 计算 PML 的长度， 转步骤 S33 ；
步骤 S33 ： 如果 PML ＜ PM， 将点 P 作为起点 S， 转步骤 1， 否则， 转步骤 S34 ；
步骤 S34 ： 将点 M 右移微小距离 Δd， 得到 MR， 计算 PMR 的长度， 转步骤 S35 ；
步骤 S35 ： 如果 PMR ＜ PM， 将点 M 作为终点 T， 转步骤 1， 否则， 点 M 即为 P 点垂足， 结束计算。
优选地， 采取下式计算所述垂足 M 在星下线上对应的时刻 ：
tv ＝ ts+dv(te-ts)/d 式中
ts 为点 S 对应的星下点时刻，
te 为点 T 对应的星下点时刻，
d 为线段 ST 的长度，
dv 为线段 SVP 的长度。
优选地， 所述设定粒度角为根据卫星性能和观测要求设定的最大粒度角。
优选地， 所述步骤 1 进一步包括 ： 确定所述有效区域是否为空， 如果所述有效区域 为空， 则终止所述方法， 并输出空的结果子区域集合。
优选地， 所述粒度角为卫星视场角的 90％至 100％。
优选地， 所述粒度角为卫星视场角的 95％。
在另一个示例方法中， 以一定的粒度角 δ 划分目标区域的方法如下 ：
步骤 1 ： 初始化当前侧摆角和子区域集合， α ＝ α1， T′＝ Φ ；
步骤 2 ： 更新分解后的子区域集合， T′＝ T′∪ α ；
步骤 3 ： 更新当前侧摆角， α ＝ α+δ ；
步骤 4 ： 判断 α 是否小于 α2， 如果小于， 转步骤 2 ；
步骤 5 ： 更新当前侧摆角， α ＝ α2 ；
步骤 6 ： 更新分解后的子区域集合， T′＝ T′∪ α ；
步骤 7 ： 输出 T′， 结束分解。 附图说明
图 1 是根据本发明一实施例的方法对示例目标区域进行划分后的结果示意图。 图 2 是目标区域分解示意图。 图 3 是根据本发明一实施例的划分方法的示意性流程图。 图 4 是根据本发明一实施例的划分方法中的计算时间窗口示意图。 图 5 是根据本发明一实施例的划分方法中垂足计算方法的示意图。 图 6 是计算垂足对应的星下点时刻示意图。具体实施方式
根据本发明的一实施例， 用于根据卫星的性能参数及飞行径向来对目标区域进行 划分的方法包括如下步骤 ： 步骤 1 ： 根据卫星的性能参数， 确定所述卫星对目标区域进行观 测的有效区域。 步骤 2 ： 确定所述有效区域所对应的最小观测侧摆角与最大观测侧摆角。 步 骤3： 初始化当前侧摆角， 使得当前侧摆角等于最小观测侧摆角， 以及初始化结果子区域集 合， 使得结果子区域集合为空。步骤 4 ： 更新结果子区域集合， 将当前侧摆角加入结果子区 域集合。步骤 5 ： 更新当前侧摆角， 使得当前侧摆角增加， 增加的量等于设定的粒度角。步 骤6： 判断当前侧摆角与所述粒度角之和是否小于最大观测侧摆角， 如果小于最大观测侧 摆角， 转步骤 4， 否则转步骤 7。步骤 7 ： 更新结果子区域集合， 将当前侧摆角加入结果子区 域集合， 从而将所述有效区域划分为与所述结果子区域集合中的各侧摆角相对应的观测条 带。
图 1 是采用上述方法进行划分后的结果示意图。在图 1 中虚线围合的区域为目标区域， 三个实线围合条带代表区域划分结果， 右侧的带箭头线段表示卫星星下点轨迹。 也就 是说， 在图示的示例中， 整个目标区域都在所述卫星 ( 可以是多个卫星中的某个卫星 ) 的有 效观测范围之内。也就是说， 整个目标区域都是有效区域， 都在星载遥感器的观测范围之 内。划分的结果为三个与卫星星下点轨迹 ( 或称为卫星星下点轨迹线 ) 平行的条带 ( 带有 开始时间和结束时间的条带 )。
在图 1 中示出的目标区域示例中， 目标区域位于卫星星下点轨迹线的左侧。但是 目标区域也可以位于卫星星下点轨迹线的右侧， 或者可以跨过卫星星下点轨迹， 分布于卫 星星下点的左右两侧。在进一步的实施例中， 所述目标区域可以是由两个或更多个分离区 域组成的， 在此情况下， 对于每个分离区域分别执行上述的划分方法。而且， 目标区域也可 以是任何形状。
图 1 中示出相邻条带具有重叠部分。所述重叠部分的大小可以根据具体需要设 置。或者， 在某些实施例中， 可以不设置所述重叠部分。
需要指出的是， 对目标区域的划分， 实际上是对有效区域的划分。在上述的方法 中， 可以在步骤 1 中进一步包括下述步骤 ： 确定所述有效区域是否为空， 如果所述有效区域 为空， 则终止所述方法， 并输出空的结果子区域集合。 β ＝ αmax+θ/2 摄影点轨迹
β ＝ αmax-θ/2 摄影点轨迹
卫星的最小观测角 βmin 和最大观测角 βmax 与遥感器侧摆范围 [αmin， αmax] 以及 视场角 θ 的关系如下 ：
βmin ＝ αmin-θ/2
βmax ＝ αmax+θ/2
也就是说， 卫星的最大观察范围由卫星的最小观测角 βmin 和最大观测角 βmax 限 定， 进一步地由与遥感器侧摆范围以及视场角 θ 限定。目标区域的有效区域就是目标区域 落在所述最大观察范围内的部分。需要指出的是， 粒度角通常设置为等于视场角 ( 没有重 叠部分 ) 或略小于视场角 ( 有重叠部分 )。为了特定的观测要求 ( 例如较高的精度 )， 可以 将视场角或粒度角设置为更小的值。在一优选实施例中， 所述设定粒度角为根据卫星性能 和观测要求设定的最大粒度角， 从而可以获得较高的观测效率。在一个实施例中所述粒度 角为卫星视场角的 90％至 100％， 此区间为包括两个端点的闭区间。优选地， 所述粒度角为 卫星视场角的 95％。
图 3 是根据本发明一实施例的划分方法的示意性流程图。该流程图对应于上述的 从步骤 1 至步骤 7 的区域划分方法。
在进一步的实施例中， 所述方法进一步包括计算与所述子区域集合中的所述侧摆 角相对应的时间窗口的步骤。从而， 将目标区域划分为如图 1 中所示的三个带有开始部分 和结束部分的条带。每个条带的开始部分和结束部分均以对应的时间表示。即， 划分后的 区域 ( 例如， 在此实施例中为三个带有开始部分和结束部分的条带 ) 以侧摆角和时间窗口 表示。
需要指出的是， 由于地球表面为曲面， 不能采用平面几何知识计算交点和垂足。 MapX( 可参考 《MapXtreme2005 中文开发指南》 ) 提供了求交点的函数 IntersectNodes 和 判断点是否在区域内的函数 ContainsPoint， 采用 IntersectNodes 函数可以得到观测条带
与目标区域的所有交点， 即图 4 中的 B， C， D， E 四点， 采用 ContainsPoint 函数可以确定 A， F 两点在观测条带内。
参见图 4， 具体而言， 可以采用下述步骤来计算与一个所述侧摆角相对应的时间窗 口： 步骤 S1 ： 计算与所述指定侧摆角相对应的观测条带与目标区域的交点 ； 步骤 S2 ： 计算 包含在观测条带内的目标区域顶点 ； 步骤 S3 ： 计算所述各交点和所述各顶点在星下点轨迹 上的垂足 ； 步骤 S4 ： 采用线性插值求出各垂足对应的星下点所对应的时刻 ； 步骤 S5 ： 比较 所述各时刻大小， 以得出所述各时刻中的最小时刻和最大时刻。 从而， 得到与一个侧摆角相 对应的时间窗口。对于每个侧摆角， 执行上述操作。以得到与每个侧摆角相对应的时间窗 口。
如图 5 所示， P 点为需要求垂足的点， 线段 ST 为星下点轨迹， VP 即为所求的垂足 点。线段 ST 的选取与目标区域有关， 即选取与目标区域相交的一段星下点轨迹， 或一轨星 下线。采用下述步骤来计算所述交点和所述顶点中的目标点 P 在星下点轨迹上的垂足 ： 步 骤 S30 ： 获取线段 ST， 线段 ST 为星下线上包括目标点 P 在星下线上的投影点的线段， ST 为 线段的两个端点， 步骤 S31 ： 求出线段 ST 的中点 M， 计算 PM 的长度， 转步骤 S 32 ； 步骤 S 32 ： 将点 M 左移微小距离 Δd， 得到 ML， 计算 PML 的长度， 转步骤 S 33 ； 步骤 S 33 ： 如果 PML ＜ PM， 将点 P 作为起点 S， 转步骤 1， 否则， 转步骤 S 34 ； 步骤 S 34 ： 将点 M 右移微小距离 Δd， 得到 MR， 计算 PMR 的长度， 转步骤 S 35 ； 步骤 S 35 ： 如果 PMR ＜ PM， 将点 M 作为终点 T， 转步骤 1， 否则， 点 M 即为 P 点垂足， 结束计算。
由于卫星绕地球做匀速运动， 可以采取线性插值的方法计算垂足在星下线上对应 的时刻。如图 6 所示， 采取下式计算所述垂足 M 在星下线上对应的时刻 ：
tv ＝ ts+dv(te-ts)/d
式中
ts 为点 S 对应的星下点时刻，
te 为点 T 对应的星下点时刻，
d 为线段 ST 的长度，
dv 为线段 SVP 的长度。