在轨卫星对特定区域目标观测的快速计算方法与流程

本发明属于在轨航天器测控管理领域，涉及一种在轨卫星对地面区域目标观测的计算方法。

背景技术：

随着高光谱遥感技术的发展，可见光、红外光和微波等对地观测卫星广泛应用于资源勘查、地形测图、灾情动态监测等领域。为了实现对地面目标密集覆盖和多载荷观测，通过多星组网的方式，对地观测卫星可以多种载荷联合对地面目标进行观测。组网观测需要快速制定观测计划，缩短任务规划响应时间，合理调度资源，提高观测效率，而快速准确的计算出观测卫星对地面区域目标的覆盖能力是提高规划响应的关键技术之一。以前使用的方法：一是将地面区域作为点目标，计算卫星对地面观测点的覆盖能力，计算结果与实际观测覆盖时间存在较大误差；二是将区域目标看成点集，遍历求解波束对点集的覆盖合集，这种方法计算量巨大，是制约快速响应与规划的因素之一。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种观测卫星对多边形区域覆盖的快速判定方法，以多边形闭合图形描述地面区域，达到了对地面区域目标观测覆盖的计算，具有计算快速、精度较高的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)对于给定区域目标，以n边形表示其区域形状，n为大于1的正整数；已知n边形的n个顶点的大地坐标为(li,bi,hi)，i＝1,2,3,...,n，其中，l为大地经度，b为大地纬度，h为高程；载荷波束中心点e的大地坐标为(le,be,he)，地固系位置矢量为计算n边形的n个顶点在地固系的位置矢量为其中，re表示地球赤道椭球面的长半轴，rp表示地球极半径；

2)采用欧氏长度法对卫星覆盖区域目标的判据为其中，fe为载荷在地面目标方向的覆盖能力，n边形n个顶点的位置矢量与e点的位置矢量

3)采用矢距法对卫星覆盖区域目标的判据为(∪di)≤fe，其中，矢量在矢量的投影当n＞2时，n边形区域n条边在地固系的位置矢量

4)采用投影法对卫星覆盖区域目标进行判断时，首先进行集合初选，对于不满足(||l||0≤le≤||l||∞)∩(||b||0≤be≤||b||∞)的载荷波束中心点e直接丢弃，||l||∞＝max(li)，||b||∞＝max(bi)，||l||0＝min(li)，||b||0＝min(bi)；满足的载荷波束中心点e，则进一步判断，e点与n边形相邻两个顶点围成的三角形se,i,i-1的投影面积是否满足其中s为n边形的投影面积，若满足则具备覆盖能力；

5)对于给定区域目标，满足步骤2)、3)、4)中任意判据之一，即说明观测卫星具备对区域目标的覆盖能力。

本发明的有益效果是：用多边形表示地面区域，通过载荷波束中心点与多边形的矢量关系判断观测卫星对地面区域目标的覆盖，判断准则简洁明了，约束条件少，有效避免了将地面区域作为点目标计算结果与观测时间误差过大，同时解决了以点集表示区域目标遍历求解时的超大计算量以及实时性差的问题。本发明所述的判断准则具有计算快速、计算精度高的优点，可实时快速制定卫星观测计划，缩短任务规划响应时间，更符合测控工程的实际应用。

附图说明

图1是本方法计算流程图。

图2是欧氏长度法在五边形区域矢量覆盖示意图。

图3是矢距法在五边形区域矢量覆盖示意图。

图4是投影法在五边形区域矢量覆盖示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

观测任务中地面观测的区域目标形状可分为规则形状和不规则形状，由于观测区域目标的长度远小于地球半径，本发明中将区域目标看作一个平面，以多边形平面闭合图形描述地面区域目标的规则或不规则形状，根据多边形与观测卫星波束的几何关系，设计了欧氏长度法、矢距法及投影法三种判据，依据三种判据的合集可对卫星覆盖区域目标进行快速准确判定。

具体计算流程如下：

对于给定区域目标s，以n(n＝2,...,n，n为正整数)边形表示其区域形状。已知n边形的n个顶点大地测量的大地坐标为(li,bi,hi)，i＝1,2,3,...,n，其中，l为大地经度，b为大地纬度，h为高程；载荷波束中心点e地固系位置矢量为其中，坐标原点为地球质心o，x的方向为地球质心指向格林尼治子午圈，z指向北极的国际惯用原点，x,y,z成右手系。

1.区域目标位置矢量

n边形的n个顶点在地固系的位置矢量为

其中，re—地球赤道椭球面的长半轴；

rp—地球极半径；

2.欧氏长度法判据

n边形n个顶点的位置矢量与e点的位置矢量

当n＝2时，多边形平面表示圆形区域，此时有半径为

令

则

当n＞2时，则

则欧氏长度法对卫星覆盖区域目标的判据为：

其中，fe为载荷在地面目标方向的覆盖能力。

3.矢距法判据

当n＞2时，n边形区域n条边在地固系的位置矢量为：

其中i-1的取值空间为：

则矢量在矢量的投影di(i＝1,2,3,…,n)为：

其中i-1的取值空间同上。

则矢距法对卫星覆盖区域目标的判据为：

(∪di)≤fe(i＝1,2,3,…,n)。

4.投影法判据

4.1.集合初选

已知载荷波束中心点e地固系位置矢量为(其中：坐标原点为地球质心o，x的方向为地球质心指向格林尼治子午圈，z指向北极的国际习用原点，x,y,z成右手系)，其大地坐标为(le,be,he)。

有：

||l||∞＝max(li)，||b||∞＝max(bi)；

||l||0＝min(li)，||b||0＝min(bi)；

则：

(||l||0≤le≤||l||∞)∩(||b||0≤be≤||b||∞)。

若载荷波束中心点e不满足上式则直接丢弃，满足上式则进行下一步的判断。

4.2.投影法判据

若n边形的投影面积为s，n边形相邻两个顶点与符合集合初选条件的e点围成的三角形为se,i,i-1，则三角形se,i,i-1的投影面积为si：

其中i-1的取值空间同上。

则投影法对卫星覆盖区域目标的判据为：

通过以上分析可知，对于给定目标区域s，满足上面三个判据条件之一，即上述三个判据的合集则为观测卫星对区域目标的覆盖。

已知某卫星a对地面目标s观测，下面以a对s某一天的观测覆盖为例，以具体实例给出实施过程。

已知某卫星a星载载荷波束中心点e的地固系坐标序列(单位：千米)：

载荷在地面目标方向的覆盖能力为533.305km。

地面区域目标s以五边形区域表示，其各顶点的大地坐标为：j1(55.6,281.5,0)、j2(57.5,272.1,0)、j3(49.2,276.0,0)、j4(53.1,277.9，0)、j5(47.1,276.5,0)，这五点构成五边形区域。

1.顶点矢量

五边形5个顶点的地固系坐标矢量分别为：

j1:(701511.675,-3542892.850,5239409.733)；

j2:(125876.965,-3432851.928,5356022.617)；

j3:(436471.456,-4152748.507,4805121.687)；

j4:(527482.768,-3801363.453,5077233.157)；

j5:(492383.096,-4321590.972,4649339.572)；

2.卫星a对区域目标s的覆盖

starttime(utc)stoptime(utc)

2016-07-0907:46:412016-07-0907:52:08；

2016-07-0918:30:472016-07-0918:36:20。