用静态网格描述的卫星动态条带区域拆分方法与流程

本发明涉及卫星观测技术领域，具体涉及一种用静态网格描述的卫星动态条带区域拆分方法。

背景技术：

遥感卫星执行区域观测任务时通常无法仅通过单次侦照完成，因而必须将将观测区域进行适当的条带拆分，以便实现高效的观测。

区域拆分主要有：1)区域经过单景分解，转化为集合覆盖问题；2)采用预定义的参考系统分解，参考系统按照一定坐标系将全球划分为不同编号的网格，区域分解相当于“数格子”；3)将区域按卫星飞行径向和载荷幅宽分解为固定宽度的平行条带；4)将区域按卫星特性分解为不同宽度的动态条带。四种方法由简到繁，各有利弊。前两种相当于利用静态网格描述卫星观测区域，方法简单，计算量小，但是由于不契合卫星载荷特性，难以推广到多星联合观测任务中去。后两种则主要依据卫星载荷特性，尤其是第四种能充分发挥卫星的观测能力，但是相应的代价是计算复杂，面对大量多星联合观测任务时求解效率迅速下降。为此，考虑用静态网格描述卫星观测区域，并对其进行动态拆分。

目前，地理格网的划分方法主要有两类：基于实际地理距离的划分方法和基于经纬度的划分方法。基于实际地理距离的划分方法需要通过计算才能明确每个网格单元四角点的经纬度值，且计算得到的经纬度值不是整数值，不方便使用，计算过程中精确度也有损失。同时，地球椭球面曲率造成n×n公里网格单元并不是正方形的而是梯形的，相邻网格之间有三角形缝隙，对这些大小不一的缝隙进行管理使这种格网划分方法变得复杂。此外，由于地球椭球面曲率的原因，在地球椭球面上，低纬度地区1°经度对应的距离比高纬度地区1°经度对应的距离要长，导致网格单元大小不统一，不方便管理和使用。而基于经纬度对地球椭球面进行网格划分，每个网格单元四角点的经纬度值是确定的，网格单元之间没有缝隙，网格单元大小统一，使用方便。并且由于直接使用经纬度作为网格划分的量度单位，可避免基于距离获取网格单元四角点的经纬度值的计算开销。

因此，亟需要一种能够实现卫星联合观测快速任务规划的区域条带拆分需求的用静态网格描述的卫星动态条带区域拆分方法。

技术实现要素：

技术问题

有鉴于此，本发明实施例提供用静态网格描述的卫星动态条带区域拆分方法，能够满足实现卫星联合观测快速任务规划的区域条带拆分需求，在不显著增加条带拆分计算量的前提下，动态地、快速地实现卫星观测条带拆分，从而最终满足卫星观测，尤其是多类型卫星联合观测的需求。

根据本发明的一个方面，公开了一种用静态网格描述的卫星动态条带区域拆分方法，该方法包括如下步骤：

根据卫星参数特性按照卫星轨迹动态生成观测条带；

利用静态网格划分观测条带；

计算网格与观测区域的观测收益。

在其中一个实施例中，所述利用静态网格划分描述观测条带的步骤，具体包括如下步骤：

根据卫星载荷观测幅宽，根据成像任务区域大小，设置基准网格长度；

基于经纬度将全球分层级划分网格；

根据预定编码规则对网格进行编码获得编码网格。

在其中一个实施例中，所述编码网格为以有层级的编码形式描述经纬度的编码网格。

在其中一个实施例中，所述网格移格性质为沿纬线圈或沿经线圈的编码递变或微调性质。

在其中一个实施例中，所述计算网格与观测区域的观测收益的步骤，包括如下步骤：

根据卫星运行轨迹，针对每个卫星分别获取条带元任务；

记录条带元任务要素；

计算所述元任务的观测收益；

将各条带元任务形成的所有编码网格进行最大化组合。

在其中一个实施例中，所述计算网格与观测区域的观测收益的步骤，还包括获取同一卫星的预定数目的轨道条带的步骤。

在其中一个实施例中，所述条带元任务要素包括卫星标识、子任务标识、时间窗口、侧摆角、元任务包含的网格编码中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述观测收益为元任务的覆盖性，所述计算所述元任务的覆盖性的步骤为按照预定判断准则，计算所述编码网格与观测区域的覆盖率。

在其中一个实施例中，所述预定判断准则包括如下步骤：

判断所述编码网格的四个角点的坐标是否属于观测区域；

如果所述编码网格的四个角点中至少有一个角点的坐标属于所述观测区域，则所述编码网格覆盖所述观测区域；进一步，如果四个角点的坐标均属于所述观测区域，则所述编码网格完全覆盖所述观测区域；

如果所述编码网格的四个角点均不属于观测区域，则进一步判断编码网格的四条边是否穿过观测区域；

如果存在编码网格的某一条边穿过观测区域，则所述编码网格覆盖所述观测区域；

如果编码网格的四条边均不穿过观测区域，则进一步判断观测区域中的任意一点是否在编码网格的四个角点的坐标包含的范围内；

如果观测区域中的任意一点在编码网格的四个角点的坐标包含的范围内，则所述编码网格覆盖所述观测区域。

采用上述技术方案，本发明至少可取得下述技术效果：本发明一种用静态网格描述的卫星动态条带区域拆分方法，首先根据卫星参数特性按照卫星轨迹动态生成观测条带，然后利用静态网格划分观测条带从而计算网格与观测区域的覆盖率。根据卫星的特性将区域观测任务动态地划分元任务能充分考虑卫星的能力特性和观测收益，特别适合多星联合观测时用于优选调度卫星任务。而利用静态网格将观测区域划分为若干子区域，并利用这些子区域统一描述各元任务，有利于对观测任务的统一描述及处理，避免成像目标以及成像区域覆盖在规划处理上的差异，在不显著增加条带拆分计算量的前提下，动态地、快速地实现卫星观测条带拆分，便于卫星访问计算规划时对任务的统一处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例用静态网格描述的卫星动态条带区域拆分方法流程图；

图2是图1所示实施例步骤S140的流程图；

图3是图1所示实施例步骤S160的流程图；

图4是本发明另一实施例编码网格对观测区域的覆盖性的方法流程图；

图5是本发明一实施例的记录观测区域角点网络编码的示意图；

图6是本发明一实施例的逐步移位检索曲边梯形纵边的示意图；

图7是本发明一实施例的逐行扫描判断编码网格对区域的覆盖性的示意图；

图8是本发明一实施例的观测区域的网格编码表示示意图；

图9是本发明一实施例的某卫星的极限观测窗口示意图；

图10是本发明一实施例的某卫星的元任务示意图。

贯穿附图，应该注意的是，相似的标号用于描绘相同或相似的元件、特征和结构。

具体实施方式

提供以下参照附图的描述来帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本公开的各种实施例。以下描述包括帮助理解的各种具体细节，但是这些细节将被视为仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可对本文所述的各种实施例进行各种改变和修改。另外，为了清晰和简洁，公知功能和构造的描述可被省略。

以下描述和权利要求书中所使用的术语和词汇不限于文献含义，而是仅由发明人用来使本公开能够被清晰和一致地理解。因此，对于本领域技术人员而言应该明显的是，提供以下对本公开的各种实施例的描述仅是为了示例性目的，而非限制由所附权利要求及其等同物限定的本公开的目的。

应该理解，除非上下文明确另外指示，否则单数形式也包括复数指代。因此，例如，对“组件表面”的引用包括对一个或更多个这样的表面的引用。

下面依据图1-3对本发明实施例作具体阐述说明。

图1是本发明一实施例用静态网格描述的卫星动态条带区域拆分方法流程图。

图2是图1所示实施例步骤S140的流程图。

图3是图1所示实施例步骤S160的流程图。

参考图1，本实施例所述的一种用静态网格描述的卫星动态条带区域拆分方法100，该方法100包括如下步骤：

步骤S120：根据卫星参数特性按照卫星轨迹动态生成观测条带。

其中，根据卫星姿态、轨道、载荷等参数特性动态生成观测条带。可以根据目前现有技术中的动态条带生产方法生产上述观测条带。

步骤S140：利用静态网格划分上述观测条带。

步骤S160：计算网格与观测区域的观测收益。

本发明一种用静态网格描述的卫星动态条带区域拆分方法100，首先根据卫星参数特性按照卫星轨迹动态生成观测条带，然后利用静态网格划分观测条带从而计算网格与观测区域的覆盖率。根据卫星的特性将区域观测任务动态地划分元任务能充分考虑卫星的能力特性和观测收益，特别适合多星联合观测时用于优选调度卫星任务。而利用静态网格将观测区域划分为若干子区域，并利用这些子区域统一描述各元任务，有利于对观测任务的统一描述及处理，避免成像目标以及成像区域覆盖在规划处理上的差异，在不显著增加条带拆分计算量的前提下，动态地、快速地实现卫星观测条带拆分，便于卫星访问计算规划时对任务的统一处理。

其中，参考图2，上述利用静态网格划分描述观测条带的步骤S140，具体包括如下步骤：

步骤S142：根据卫星载荷观测幅宽，根据成像任务区域大小，设置基准网格长度。

步骤S144：基于经纬度将全球分层级划分网格。

步骤S146：根据预定编码规则对网格进行编码获得编码网格。

其中，上述预定编码规则可以是现有技术中常规的编码规则。具体的，所述编码网格可以为以有层级的编码形式描述经纬度的编码网格。

其中，上述编码网格具有网格移格性质，为沿纬线圈或沿经线圈的编码递变或微调性质。

参考图3，其中，上述计算网格与观测区域的观测收益的步骤S160，包括如下步骤：

步骤S162：根据卫星运行轨迹，针对每个卫星分别获取条带元任务；

步骤S164：记录条带元任务要素。

其中，上述条带元任务要素包括卫星标识、子任务标识、时间窗口、侧摆角、元任务包含的网格编码中的一种或多种。

步骤S166：计算所述元任务的观测收益。

其中，所述计算网格与观测区域的覆盖率的步骤S160，还可以包括获取同一卫星的预定数目的轨道条带的步骤。

其中，上述观测收益为元任务的覆盖率，所述计算所述元任务的覆盖性的步骤为按照预定判断准则，计算所述编码网格与观测区域的覆盖率。

其中，上述条带元任务要素包括卫星标识、子任务标识、时间窗口、侧摆角、元任务包含的网格编码中的一种或多种。

上述预定判断准则为：判断所述编码网格的四个角点的坐标是否属于观测区域；如果所述编码网格的四个角点中至少有一个角点的坐标属于所述观测区域，则所述编码网格覆盖所述观测区域；进一步，如果四个角点的坐标均属于所述观测区域，则所述编码网格完全覆盖所述观测区域；如果所述编码网格的四个角点均不属于观测区域，则进一步判断编码网格的四条边是否穿过观测区域；如果存在编码网格的某一条边穿过观测区域，则所述编码网格覆盖所述观测区域；如果编码网格的四条边均不穿过观测区域，则进一步判断观测区域中的任意一点是否在编码网格的四个角点的坐标包含的范围内；如果观测区域中的任意一点在编码网格的四个角点的坐标包含的范围内，则所述编码网格覆盖所述观测区域。

在其他的实施例中，上述预定判断准则按照覆盖程度，可以包括完全覆盖判断准则和部分覆盖判断准则。

全覆盖判断准则为：判断所述编码网格的四个角点的坐标是否全部属于观测区域；如果是，则所述编码网格在观测区域内部。

部分覆盖判断准则为：判断所述编码网格的四个角点的坐标是否属于观测区域；如果所述编码网格的四个角点的坐标部分属于所述观测区域，则所述编码网格覆盖所述观测区域。

步骤S168：将各条带元任务形成的所有编码网格进行最大化组合。

图4是本发明另一实施例编码网格对观测区域的覆盖性的方法流程图。

图5是本发明一实施例的记录观测区域角点网络编码的示意图。

图6是本发明一实施例的逐步移位检索曲边梯形纵边的示意图。

图7是本发明一实施例的逐行扫描判断编码网格对区域的覆盖性的示意图。

图8是本发明一实施例的观测区域的网格编码表示示意图。

图9是本发明一实施例的某卫星的极限观测窗口示意图。

图10是本发明一实施例的某卫星的元任务示意图。

下面参考图4-10，下面对上述用静态网格描述的卫星动态条带区域拆分方法作进一步具体阐述。首先根据卫星参数特性按照卫星轨迹动态生成观测条带，然后利用静态网格划分观测条带从而计算网格与观测区域的覆盖率。本发明利用静态网格划分观测条带从而计算网格与观测区域的覆盖率的主要内容包括：

1)网格划分和编码方法

为回避基于地理距离的网格描述球面时遗留缝隙，参考我国在用遥感卫星载荷观测幅宽特点，以一定长度单位为基准，根据成像任务区域的大小进行设置，进一步基于经纬度将全球分层级划分网格，使任意坐标都能划入某一个网格中，并由唯一的10位编码表示。根据定义有分别沿纬线圈和沿经线圈的两条网格移格性质。同时，根据网格划分和编码方法，很容易计算各网格四个角点的经纬度坐标。

其中，分区和网格划分可以如表1所示，编码记号规则可以如表2所示。

表格1网格划分

表格2网格编码记号规则

根据定义有分别沿纬线圈和沿经线圈的两条网格移格性质。根据网格划分和编码方法定义有如下两条网格移格性质：

a)沿纬线圈顺次移格：LatCode不变，LonCode变化1格，沿西向东看移格前LonSign值，沿东向西看移格后LonSign值。

表格1沿纬线圈移格规则

b)沿经线圈顺次移格：主要变LatCode；LonCode仅在跨区时微调，不跨区时不变。

表格2沿经线圈移格规则(不跨区时)

表格3沿经线圈移格跨区LonCode微调规则

2)编码网格对区域的覆盖性

首先，判断网格Net(k)是否覆盖区域S，然后进一步判断覆盖区域S的网格Net(k)是完全覆盖(在区域内部)还是部分覆盖(在区域边界)。

参考图4，判断网格Net(k)是否覆盖观测区域S，步骤如下：

a)判断网格Net(k)的四个角点P11:(lat_1,lon_1)、P12:(lat_1,lon_2)、P21:(lat_2,lon_1)、P22:(lat_2,lon_2)是否属于区域S，若存在角点Pij(i,j＝1,2)∈区域S，则该网格能覆盖该区域；若四个角点均不属于该区域，则进入下一步判断。进一步，若四个角点均属于区域S，则说明该网格在该区域内部，标记该网格的编码Net(k)为“区域内部”，或称之为“完全覆盖”。

b)判断网格的四条边是否穿过区域，若有一条边s穿过区域S(即区域S中存在一点Q:(lat_Q,lon_Q)满足lat_Q＝lat_i,lon_Q在lon_1～lon_2之间或lon_Q＝lon_j,lat_Q在lat_1～lat_2之间,i,j＝1,2)，则该网格能覆盖区域S，记录该网格的编码Net(k)；若四条边均不穿越区域，则进入下一步判断。

c)判断观测区域S内的任意一点Q:(lat_Q,lon_Q)是否在网格Net(k)内部(即lat_Q在lat_1～lat_2之间且lon_Q在lon_1～lon_2之间)，若存在这样的一点，则该网格能覆盖观测区域，记录该网格的编码Net(k)；否则，该网格不能覆盖观测区域。

注意，所有能覆盖观测区域的网格中，除开“区域内部”的网格，剩下的都称之为“区域边界”，或“不完全覆盖”。

3)观测区域的编码网格划分

利用编码网格将成像区域分解为子区域，每一个子区域对应一个编码网格。同时，判断编码网格对观测区域的覆盖性。最终得到的区域的划分形式为两组网格的编码，第一组是区域内部的网格，第二组是观测区域边界的网格。

观测区域编码网格化步骤如下：

步骤1记录角点的网格编码：将观测区域S表述为曲边凸多边形(顶点记为P(i),i＝1,2,…)，记录其最西、最东顶点的经度和最北、最南顶点的纬度，分别记为：lon_w、lon_e、lat_n、lat_s。满足：

lat_n＝max{lat(i)}

lat_s＝min{lat(i)}

并有，观测区域不跨180°经线时：

lon_w＝min{lon(i)}

lon_e＝max{lon(i)}

观测区域跨越180°经线时：

lon_w＝min{lon(i)|lon(i)>0°}

lon_e＝max{lon(i)|lon(i)<0°}

利用lon_w、lon_e所在经线和lat_n、lat_s所在纬线构造曲边梯形。根据网格编码定义计算四个角点LT:(lat_n,lon_w)、RT:(lat_n,lon_e)、LB:(lat_s,lon_w)、RB:(lat_s,lon_e)所在的网格编码Net_nw、Net_ne、Net_sw、Net_se。如图5所示。

步骤2检索两条纵边的网格编码：检索方式为“逐步移位”法：从角点网格Net_nw和Net_ne开始各自往南分别逐格检索到角点网格Net_sw和Net_se。找到的网格分别为下一步逐行扫描的起止点。如图6所示。

步骤3逐行扫描判断网格对区域的覆盖性：从Net_nw出发，沿曲边梯形四条边所在网格作为起止点，向东、向南逐行扫描推进，判断所经过的网格是否覆盖原来的观测区域。如图7所示。

最终得到的区域的划分形式为一系列网格的编码，共分为两个组，第一组是区域内部的网格，第二组是观测区域边界的网格(覆盖观测区域的网格中除开区域内部的网格)。如图8所示。

4)观测区域的条带元任务划分

为更好地利用卫星资源，需根据卫星飞行轨迹，将由观测区域拆分成的所有编码网格重新进行最大化的组合，形成条带元任务。

为了实现多星联合观测，需对同一颗卫星的同一个载荷多算几轨条带，同时对不同卫星算出不同的观测条带，并记录卫星标识、子任务标识、时间窗口、侧摆角、元任务包含的网格编码等要素。

观测区域按卫星成像条带划分为编码网格表示的具体步骤如下：

计算卫星某一轨的星下点轨迹SSP，并在考虑侧摆条件下，找到两条极限视场中心线SSP’和SSP”。记地球半径记为R，卫星轨道高度记为H，最大侧摆角为η₀，SSP’和SSP”相距SSP均为d，满足

d＝R(π-arcsin((1+H/R)sinη₀)-η₀)

可将此式简化为

d＝Hη₀

步骤1在两条极限视场中心线的基础上找到卫星所能观测到的最外边线L_SSP’和R_SSP”，并求出极限时间窗口TW_m。如图9所示。记载荷视场角为φ，星下点到所能观测到的最外边线的地表弧段距离为

步骤2极限时间窗口TW_m是某轨卫星对观测区域的观测窗口上限，用于多星联合观测时，作为调度观测任务分配、合同拍卖观测子任务的参考窗口(真正卫星观测条带的观测窗口在这个窗口之内)。

步骤3在完成多星联合观测活动中对子任务的拍卖后，每颗卫星载荷的观测侧摆角η和真实观测窗口TW得以确定，从而得到参与观测的一系列星下点A1,A2,…,An。若记Ai的经纬度坐标为(lat_i,lon_i)，则观测条带可用线段{(lat’_i,lon’_i}和线段{(lat”_i,lon”_i)}围成的条带表示，其中，θ表示卫星的轨道倾角，有

这样得到的观测条带可以用与观测区域编码相同的方式进行元任务的编码,如图10所示。

最终得到的元任务是单星用来投标的依据，包括卫星标识、子任务标识、时间窗口、侧摆角、元任务包含的网格编码等要素。为了实现投标，需对同一颗卫星的同一个载荷多算几轨条带，并对不同卫星算不同的观测条带。

5)条带元任务对观测区域的覆盖性

利用编码网格分别计算对观测区域和条带元任务的覆盖性，粗略估算条带元任务对观测区域的覆盖率。这个覆盖率可进一步用于多星联合观测时快速计算不同卫星的观测收益。

对于观测区域网格的覆盖性属性，按“内部”和“边界”，可认为网格“完全覆盖”和“部分覆盖”区域。可以据此分别计数为1和1/2，粗略算得观测区域所占据的网格数。对于条带而言，对区域的覆盖是通过对编码网格的覆盖来实现的，并且条带包含的网格也分为“内部”和“边界”。

一个网格相对于区域和条带的关系有以下几种：

1)区域内部+条带内部：这部分观测区域能由条带完全覆盖，故条带的网格计数为1(＝1×1)。

2)区域内部+条带边界：这部分观测区域能由条带部分覆盖，故条带的网格计数为1/2(＝1/2×1)。

3)区域边界+条带内部：这部分观测区域能由条带完全覆盖，故条带的网格计数为1/2(＝1×1/2)。

4)区域边界+条带边界：这部分条带与观测区域的位置不明，完全覆盖、部分覆盖、不覆盖均有可能，粗略地将条带的网格计数为1/4(＝1/2×1/2)。

5)条带外部：这部分观测区域条带无法覆盖，故条带的网格计数为0。

表格4条带相对区域的覆盖性关系

根据条带与区域的相对关系对网格计数，可得到元任务的覆盖率计算公式：元任务覆盖率＝条带所占网格数/区域所占网格数。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)通过静态编码网格描述观测区域，并根据载荷特性对其进行动态拆分，有效降低了区域拆分的计算量，提升卫星任务规划的效率；

2)所拆分的动态条带能兼顾不同卫星载荷的幅宽、侧摆角乃至敏捷性等特点；

3)能快速计算不同卫星不同姿态等条件下的观测收益，尤其适用于多星联合观测的场景。

应该注意的是，如上所述的本公开的各种实施例通常在一定程度上涉及输入数据的处理和输出数据的生成。此输入数据处理和输出数据生成可在硬件或者与硬件结合的软件中实现。例如，可在移动装置或者相似或相关的电路中采用特定电子组件以用于实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。另选地，依据所存储的指令来操作的一个或更多个处理器可实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。如果是这样，则这些指令可被存储在一个或更多个非暂时性处理器可读介质上，这是在本公开的范围内。处理器可读介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光学数据存储装置。另外，用于实现本公开的功能计算机程序、指令和指令段可由本公开所属领域的程序员容易地解释。

尽管已参照本公开的各种实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可对其进行形式和细节上的各种改变。