一种长时段大区域遥感卫星快速覆盖方法及系统

1.本发明涉及卫星遥感技术技术领域，尤其是涉及一种长时段大区域遥感卫星快速覆盖方法及系统。


背景技术：

2.随着遥感数据在各领域的应用越来越广，近年来国内外遥感卫星的数量也得到了迅猛发展，在成像卫星资源充足的情况下，针对大区域目标如何合理的进行多星多载荷覆盖分析是遥感卫星任务规划中亟需解决的重难点问题。
3.目前观测区域多星多载荷覆盖分析主要过程是将区域目标转化为点目标，对点目标进行窗口计算，再对计算后的窗口按照覆盖优先、时间优先、成像质量优先等策略进行覆盖选择，进而形成区域目标多星多载荷覆盖方案。区域目标转化为点目标的方法以等幅宽划分和网格划分为主，等幅宽划分顾名思义是将区域目标按照卫星载荷幅宽宽度平行星下线划分，多星区域覆盖方案是在单星等幅宽划分基础上经过窗口计算和优化选择而来(如图1所示)；网格划分是将区域目标按照小于幅宽大小的网格粒度进行网格化划分(如图2所示)，接着通过网格点可见性计算获得覆盖条带，通过对覆盖条带的优化选择获得多星区域覆盖方案。以上两种区域覆盖方法虽然能够获得多星区域覆盖方案，但是计算资源要求高，计算耗时长，只能适应短期、有限区域目标，对于长周期、大型区域目标存在覆盖不全的问题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是怎样对长周期、大型区域目标快速覆盖的问题，提出了一种长时段大区域遥感卫星快速覆盖方法及系统。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
6.一种长时段大区域遥感卫星快速覆盖方法，包括以下步骤：
7.步骤1:建立地面区域目标对遥感卫星可见时间表；
8.步骤2：根据所述地面区域目标对遥感卫星可见时间表确定拟覆盖的地面区域目标在其生命周期内最早有可见机会的卫星集合o
′
t min
；
9.步骤3：根据优化目标对卫星集合o
′
tmin
中的卫星进行排序，依次使排序后的每颗卫星对当前剩余目标区域进行模拟拍摄，得到每颗卫星的拍摄条带并加入到覆盖方案中；所述当前剩余目标区域是指前一颗卫星将剩余目标区域与已经覆盖的条带相减后剩余的目标区域；
10.步骤4：计算卫星集合o
′
tmin
中所有卫星对目标区域模拟拍摄后的剩余目标区域；
11.步骤5：对所述剩余目标区域重复执行步骤1至3，直至所述剩余目标区域被全部覆盖或到达区域目标生命周期结束时间，输出覆盖方案f。
12.进一步地，步骤2中确定地面区域目标在其生命周期内最早有可见机会的卫星集合的确定方法是：
13.步骤2.1：确定目标区域网格点集合；
14.步骤2.2：根据所确定的目标区域网格点集合计算目标区域网格点在卫星轨道周期内的可见情况；
15.步骤2.3：根据目标区域在卫星轨道周期内的可见情况，计算在时刻t时目标区域的可见卫星集合；
16.步骤2.4：根据在时刻t时目标区域的可见卫星集合计算对目标区域可见的卫星集合和时间。
17.进一步地，步骤2.1中确定目标区域网格点集合的方法是：
18.将目标区域所覆盖的网格点作为网格点集合p，再通过卫星的轨道倾角和卫星最小幅宽从目标区域网格点集合p中选择特征网格点，形成特征网格点集合p',其中所述特征网格点是指过目标区域几何中心点的纬线，目标区域网格点集合p中距离上述纬线小于等于一个网格大小的网格点；
19.p
′
＝{p
′1,p
′2,p
′3,...,p
′n}，
20.n为特征网格点的数量。
21.进一步地，步骤2.2中计算目标区域在卫星轨道周期内的可见情况的方法是：
22.查询遥感卫星可见时间表，获得特征网格点p
′i|p
′i∈p
′
对所有卫星的可见时间表m
p
′i；
23.则地面区域目标特征网格点集合p'对所有卫星的可见时间表集合m
p
′
为每个特征网格点的可见时间表的并集
24.m
p
′
＝m
p
′1∪m
p
′2∪m
p
′3...∪m
p
′n|p
′n∈p
′
。
25.进一步地，步骤2.3中计算在时刻t目标区域的可见卫星集合的方法是：
26.步骤2.3.1:计算在时刻t对特征网格点p
′i具有可见机会的卫星集合；
27.遍历特征网格点p
′i对所有卫星的可见时间表m
p
′i，m
p
′i中的每一个元素vm表示特征网格点p
′i对卫星sm的可见时间，计算在时刻t特征网格点p
′i对卫星sm可见时间表基准时间t
0m
的偏移量t
′
；
28.t
′
＝(t-t
0m
)/t
sm
，t
sm
为卫星sm的轨道回归周期，单位为天；
29.如果t
′
∈dm|dm∈vm，那么卫星sm在时刻t对特征网格点p
′i可见，将卫星sm加入到在时刻点t对特征网格点p
′i可见的卫星集合s
p
′i，将p
′i加入到卫星sm在时刻点t可见网格点集合dm表示卫星sm对特征网格点基于时间t
0m
的在一个轨道周期内的可见偏移量，为小于轨道回归周期的若干自然数集合；
30.步骤2.3.2:计算在时刻点t对区域目标具有可见机会的卫星集合。
31.遍历m
p
′
中的每个元素，按照步骤2.3.1步骤执行计算可见卫星集合，那么在时刻点t对区域目标具有可见机会的卫星集合为每个特征网格点可见卫星集合的交集，表示为o
t
＝s
p
′1∩s
p
′2∩s
p
′2∩...∩s
p
′n。
32.进一步地，步骤2.4中计算对区域目标最早可见的卫星集合和时间的方法是：
33.如果结果o
t
中有元素，那么本次计算结束，对区域目标最早可见的卫星集合记为o
′
t min
，最早可见时间记为t
min
；
34.如果o
t
中没有元素，将t+1后赋值给t，重复步骤2.3计算，其中t+1≤te，te表示当前
目标区域需要采集的时段的结束时间，1单位为天，表示1天，区域目标的可见集合o
t+1
，直到计算出o
t+1
中有元素，或时间条件不满足。
35.进一步地，步骤3中所述优化目标是指：覆盖优先、时间优先、成像质量优先。
36.进一步地，步骤3的具体方法是:
37.步骤3.1：如果覆盖优先，对区域目标最早可见的卫星集合o
′
t min
中的卫星按照卫星幅宽从大到小排序；
38.如果时间优先，对o
′
t min
按照降交点地方时从早到晚排序；
39.如果成像质量优先，对o
′
t min
按照分辨率从高到低进行排序；
40.步骤3.2：依次遍历o
′
t min
中的卫星，当前卫星标记为sc，以sc的轨道倾角作为倾斜角,通过sc在时刻t
min
的可见网格点p
′c|p
′c∈p
sct min
创建直线l并加入直线集合l中，形成卫星sc轨道倾角作为倾斜角并且过可见网格点的直线集合l；
41.步骤3.3：遍历l，计算直线l|l∈l与目标区域相交线段距离(如果相切相交线段长度为0)，找到最长的交线段，并以交线段端点为中心点，垂直于交线段，延长卫星sc幅宽的一半，生成包含四个顶点的条带q
sc
，如果条带顶点在区域目标内，那么延线段方向延长条带，直到四个顶点不在区域目标内,最后确定的条带标记为q
′
sc
，将该条带加入到覆盖方案f
′
中；
42.步骤3.4：用目标区域和计算的条带区域求差，获得剩余未覆盖区域，再用o
′
t min
中的其它卫星对未覆盖区域进行模拟拍摄计算覆盖条带，进而获得o
′
t min
对区域的覆盖方案f
′
，并将方案f
′
加入到方案f中，如果没有剩余区域，那么f就是该区域多星覆盖方案并输出，如果存在剩余区域，转步骤4。
43.本发明还提供了一种长时段大区域遥感卫星快速覆盖系统，包括以下步骤：
44.遥感卫星可见时间表构建模块:用于建立地面区域目标对遥感卫星可见时间表；
45.计算可见机会卫星模块：用于根据所述地面区域目标对遥感卫星可见时间表确定拟覆盖的地面区域目标在其生命周期内最早有可见机会的卫星集合o
′
t min
；
46.模拟拍摄条带覆盖模块：用于根据优化目标对卫星集合o
′
t min
中的卫星进行排序，依次使排序后的每颗卫星对当前剩余目标区域进行模拟拍摄，得到每颗卫星的拍摄条带并加入到覆盖方案中；所述剩余目标区域是指前一颗卫星将剩余目标区域与已经覆盖的条带相减后剩余的目标区域；
47.剩余目标区域计算模块：用于计算卫星集合o
′
t min
中所有卫星对目标区域模拟拍摄后的剩余目标区域；
48.覆盖方案输出模块：用于对所述剩余目标区域使用遥感卫星可见时间表构建模块、计算可见机会卫星模块、模拟拍摄条带覆盖模块进行计算，直至所述剩余目标区域被全部覆盖或到达区域目标生命周期结束时间，输出覆盖方案f。
49.采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
50.本发明提供的一种长时段大区域遥感卫星快速覆盖方法及系统，通过建立和维护全球网格遥感卫星可见时间表和网格化地面区域目标的网格特征点，确定出地面区域目标在其生命周期内最早有可见机会的卫星集合，这里通过预先建立可见时间表将实时计算转化为数据查询，降低区域目标覆盖分析时的计算复杂度，提高计算性能；然后根据优化目标对当天可见的卫星进行排序，依次对排序后的当天可见的卫星进行目标区域模拟拍摄，得
到最早条带覆盖方案，这里通过缩小计算时段、计算资源来降低计算复杂度，提高计算性能；然后将对目标区域模拟拍摄后未拍摄到的剩余目标区域继续按照前面的方法进行模拟拍摄获取覆盖条带，这里通过逐渐求解缩小问题的方式，降低整体计算复杂度，提高计算性能。使用本发明的方法可以对长周期大区域的遥感观测区域目标进行快速全覆盖划分。
附图说明
51.图1为等幅宽划分示意图；
52.图2为网格划分示意图；
53.图3为本发明系统流程图；
54.图4为本发明实施例示出的确定区域目标在其生命周期内最早有可见机会的卫星集合的流程图；
55.图5为条带划分示意图。
具体实施方式
56.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
57.图1至图5示出了本发明一种长时段大区域遥感卫星快速覆盖方法的具体实施例，如图3所示，
58.步骤1:建立地面区域目标对遥感卫星可见时间表；
59.本实施例中，将地球表面采用geosot剖分方法进行网格划分，获得网格集合p，构建每个网格点对每颗卫星的可见时间表vm，进而组成网格点对所有卫星的可见时间表m；
60.m＝{v1,v2,v3,...,vy}；
[0061]vm
＝{sm,t
0m
,dm}
[0062]dm
表示卫星sm对网格点基于时间t
0m
的在一个轨道周期内的可见偏移量，为小于轨道回归周期的若干自然数集合；sm表示只有一个对地观测有效载荷的卫星；t
0m
表示卫星sm可见时间偏移量的基准时间(可以任意选取过去某个时间点)；y表示卫星个数。
[0063]
步骤2：根据所述地面区域目标对遥感卫星可见时间表确定拟覆盖的地面区域目标在其生命周期内最早有可见机会的卫星集合o
′
t min
，如图4所示；
[0064]
本实施例中，步骤2中确定地面区域目标在其生命周期内最早有可见机会的卫星集合的确定方法是：
[0065]
步骤2.1：确定目标区域网格点集合。
[0066]
本实施例中，确定目标区域网格点集合的方法是：
[0067]
将目标区域所覆盖的网格点作为网格点集合p，再通过卫星的轨道倾角和卫星最小幅宽从目标区域网格点集合p中选择特征网格点，形成特征网格点集合p',其中所述特征网格点是指过目标区域几何中心点的纬线，目标区域网格点集合p中距离上述纬线小于等于一个网格大小的网格点。
[0068]
p
′
＝{p
′1,p
′2,p
′3,...,p
′n}，
[0069]
n为特征网格点的数量。
[0070]
步骤2.2：根据所确定的目标区域网格点集合计算区域网格点在卫星轨道周期内的可见情况。
[0071]
本实施例中计算目标区域在卫星轨道周期内的可见情况的方法是：
[0072]
查询遥感卫星可见时间表，获得特征网格点p
′i|p
′i∈p
′
对所有卫星的可见时间表m
p
′i；
[0073]
则地面区域目标特征网格点集合p'对所有卫星的可见时间表集合m
p
′
为每个特征网格点的可见时间表的并集
[0074]mp
′
＝m
p
′1∪m
p
′2∪m
p
′3...∪m
p
′n|p
′n∈p
′
。
[0075]
步骤2.3：根据目标区域在卫星轨道周期内的可见情况，计算在时刻t时目标区域的可见卫星集合；
[0076]
本实施例中，计算在时刻t目标区域的可见卫星集合的方法是：步骤步骤2.3.1:计算在时刻t对特征网格点p
′i具有可见机会的卫星集合；
[0077]
遍历特征网格点p
′i对所有卫星的可见时间表m
p
′i，m
p
′i中的每一个元素vm表示特征网格点p
′i对卫星sm的可见时间，计算在时刻t特征网格点p
′i对卫星sm可见时间表基准时间t
0m
的偏移量t
′
；
[0078]
t
′
＝(t-t
0m
)/t
sm
，t
sm
为卫星sm的轨道回归周期，单位为天；
[0079]
如果t
′
∈dm|dm∈vm，那么卫星sm在时刻t对特征网格点p
′i可见，将卫星sm加入到在时刻点t对特征网格点p
′i可见的卫星集合s
p
′i，将p
′i加入到卫星sm在时刻点t可见网格点集合dm表示卫星sm对特征网格点基于时间t
0m
的在一个轨道周期内的可见偏移量，为小于轨道回归周期的若干自然数集合；
[0080]
步骤2.3.2:计算在时刻点t对区域目标具有可见机会的卫星集合。
[0081]
遍历m
p
′
中的每个元素，按照步骤2.3.1步骤执行计算可见卫星集合，那么在时刻点t对区域目标具有可见机会的卫星集合为每个特征网格点可见卫星集合的交集，表示为o
t
＝s
p
′1∩s
p
′2∩s
p
′2∩...∩s
p
′n。
[0082]
步骤2.4：根据在时刻t时目标区域的可见卫星集合计算对目标区域可见的卫星集合和时间。
[0083]
本实施例中计算对区域目标最早可见的卫星集合和时间的方法是：
[0084]
如果结果o
t
中有元素，那么本次计算结束，对区域目标最早可见的卫星集合记为o
′
t min
，最早可见时间记为t
min
；
[0085]
如果o
t
中没有元素，将t+1后赋值给t，重复步骤2.3计算，其中t+1≤te，te表示当前目标区域需要采集的时段的结束时间，1单位为天，表示1天，区域目标的可见集合o
t+1
，直到计算出o
t+1
中有元素，或时间条件不满足。
[0086]
步骤3：根据优化目标对卫星集合o
′
t min
中的卫星进行排序，依次使排序后的每颗卫星对当前剩余目标区域进行模拟拍摄，得到每颗卫星的拍摄条带并加入到覆盖方案中；所述当前剩余目标区域是指前一颗卫星将剩余目标区域与已经覆盖的条带相减后剩余的目标区域。
[0087]
本实施例中的优化目标是指：覆盖优先、时间优先、成像质量优先。
[0088]
步骤3.1：如果覆盖优先，对区域目标最早可见的卫星集合o
′
t min
中的卫星按照卫星幅宽从大到小排序；
[0089]
如果时间优先，对o
′
t min
按照降交点地方时从早到晚排序；
[0090]
如果成像质量优先，对o
′
t min
按照分辨率从高到低进行排序。
[0091]
步骤3.2：依次遍历o
′
t min
中的卫星，当前卫星标记为sc，以sc的轨道倾角作为倾斜角,通过sc在时刻t
min
的可见网格点p
′c|p
′c∈p
sct min
创建直线l并加入集合l中，形成卫星sc轨道倾角作为倾斜角并且过可见网格点的直线集合l，如图5所示。
[0092]
步骤3.3：遍历l，计算直线l|l∈l与目标区域相交线段距离(如果相切相交线段长度为0)，找到最长的交线段，并以交线段端点为中心点，垂直于交线段，延长卫星sc幅宽的一半，生成包含四个顶点的条带q
sc
，如果条带顶点在区域目标内，那么延线段方向延长条带，直到四个顶点不在区域目标内,最后确定的条带标记为q
′
sc
，将该条带加入到覆盖方案f
′
中；
[0093]
步骤3.4：用目标区域和计算的条带区域求差，获得剩余未覆盖区域，再用o
′
t min
中的其它卫星对未覆盖区域进行模拟拍摄计算覆盖条带，进而获得o
′
t min
对区域的覆盖方案f
′
。并将方案f
′
加入到方案f中，如果没有剩余区域，那么f就是该区域多星覆盖方案并输出，如果存在剩余区域，转步骤4。
[0094]
本实施例通过根据优化目标对可见卫星集合中的卫星进行排序，然后依次遍历每颗卫星使当前卫星对目标区域进行模拟拍摄，得到覆盖条带，剩余区域再使用其他卫星进行模拟拍摄，得到多星覆盖方案，从而可以快速选择出一条覆盖最大的条带。
[0095]
步骤4：对所述剩余目标区域重复执行步骤1至3，直至所述剩余目标区域被全部覆盖或到达区域目标生命周期结束时间。
[0096]
本发明还提供了一种长时段大区域遥感卫星快速覆盖系统，包括以下步骤：
[0097]
遥感卫星可见时间表构建模块:用于建立拟覆盖的地面区域目标对遥感卫星可见时间表；
[0098]
计算可见机会卫星模块：用于根据所述地面区域目标对遥感卫星可见时间表确定地面区域目标在其生命周期内最早有可见机会的卫星集合o
′
t min
；
[0099]
模拟拍摄条带覆盖模块：用于根据优化目标对卫星集合o
′
t min
中的卫星进行排序，依次使排序后的每颗卫星对当前剩余目标区域进行模拟拍摄，得到每颗卫星的拍摄条带并加入到覆盖方案中；所述剩余目标区域是指前一颗卫星将剩余目标区域与已经覆盖的条带相减后剩余的目标区域；
[0100]
剩余目标区域计算模块：用于计算卫星集合o
′
t min
中所有卫星对目标区域模拟拍摄后的剩余目标区域；
[0101]
覆盖方案输出模块：用于对所述剩余目标区域使用遥感卫星可见时间表构建模块、计算可见机会卫星模块、模拟拍摄条带覆盖模块进行计算，直至所述剩余目标区域被全部覆盖或到达区域目标生命周期结束时间，输出覆盖方案f。
[0102]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。