一种基于静止轨道卫星快速成像仪观测区域规划系统的制作方法

1.本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种基于静止轨道卫星快速成像仪观测区域规划系统。


背景技术：

2.现有的卫星通过快速成像仪实现对地观测，快速成像仪的主要目的是在静止轨道对地球观测区域进行更高空间高分辨率、时间分辨率的成像能力，高频次的地气目标观测数据能够对快速变化的台风、强对流等极端天气实现很好的观测和监视作用，对预报员预报天气变化、提高气象业务服务能力有重要指导意义。现有的卫星载荷进行区域观测需要每次都重新生成观测任务，观测区域的大小也无法完全统一，虽然有的卫星观测区域规划可以做到观测范围大小统一，但是当观测目标中心点为某一个区域边角区域时会造成观测不完整。具体来说，当卫星观测仅有一种区域规划模式时，容易出现观测区域在观测目标边角位置，造成观测效果差的情况；每次新的区域规划均需重新规划观测范围，对后续产品生成造成影响；而且每次区域规划容易使得产品区域大小不一，每次区域规划不同时都需要修改卫星的产品生成系统参数。在卫星根据需求需要执行应急观测任务时，需重新编制任务时间表，而为了匹配相应的应急观测目标范围，卫星任务时间表生成耗时进一步增加，造成应急观测响应时间过长。
3.可见，为了使地球观测卫星更好地发挥作用，任务规划技术显得尤为关键，而在任务规划中具有重要作用的观测区域规划更需进一步优化，以更好的对待执行的观测任务进行排程、资源匹配，以及对卫星及其载荷的工作时域、空域和模式等进行确定，并依次制定详细工作计划，驱动卫星资源科学、高效地执行任务。
4.因此，为了满足静止轨道卫星观测任务的生成，需开发出一种卫星快速成像仪观测区域规划的系统，随时可根据客户需求完成自动区域规划，同时使得快速成像仪在应急观测常态化业务运行中，能够克服地面应用系统因为观测区域大小不断变化造成产品处理运算压力陡然增大的缺陷，实现满足观测需求的区域规划、为观测指定目标、合理规划卫星载荷观测区域提供依据。


技术实现要素：

5.为了解决现有的卫星观测中仅一种观测区域规划易出现对目标观测不完整、观测区域规划大小不统一造成产品处理运算繁杂、耗时长的问题，本技术实施例提供一种基于静止轨道卫星快速成像仪观测区域规划系统，可以根据客户需求完成区域规划，为卫星快速成像仪生成观测任务提供观测区域数据依据。
6.本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于静止轨道卫星快速成像仪观测区域规划系统，其特征在于，包括区域规划需求分系统、快速成像仪区域范围研判分系统、多阶累积区域规划分系统。
7.所述区域规划需求分系统以单位观测区域观测时间、单位观测区域观测纬度范
围、单位观测区域观测经度范围作为区域规划参数，并选择区域规划参数中的其中两个作为研判参数。
8.快速成像仪区域范围研判分系统将观测耗时最长的单位观测区域作为极限区域，以满足极限区域的观测任务需求为基础，根据区域规划需求分系统的研判参数来计算并确定单位观测区域范围大小。
9.多阶累积区域规划分系统通过将星下点设置在单位观测区域的不同位置来对快速成像仪的观测视场进行多次区域规划并生成相关数据，实现对观测视场的多阶累积区域规划，为卫星快速成像仪生成观测任务提供观测区域数据依据。
10.在一种具体的实施方案中，所述研判参数包含单位观测区域观测时间时，以另一研判参数设定单位观测区域在相应方向上的范围，再以未被选为研判参数的另一区域规划参数在相应方向上的范围为研判范围，设定研判范围初始值和迭代步进距离，连续多次观测极限区域，以极限区域观测任务时间小于单位观测区域观测时间不超过设定时间的研判范围为单位观测区域在该方向上的范围，从而确定单位观测区域范围大小。
11.在一种具体的实施方案中，不同区域规划模式下的单位观测区域范围大小相同，同一区域规划模式下相邻单位观测区域的相邻边平齐；快速成像仪的观测视场范围为矩形，快速成像仪的扫描镜从星下点开始运动，到任一单位观测区域完成观测，再回到星下点的历时为该单位观测区域观测耗时，所述观测耗时最长的极限区域是位于该矩形视场范围角部的单位观测区域。
12.在一种具体的实施方案中，所述多阶累积区域规划中，在每次区域规划中，依照相邻两个单位观测区域行列号不重叠的原则，以单位观测区域的矩形大小为空间裕度，向东南西北四个方向扩展至快速成像仪观测视场范围内所有区域，规划地球在观测视场内的成像区域及部分太空区域，计算生成区域规划原始数据。
13.在一种具体的实施方案中，所述区域规划原始数据包括在该区域规划模式下得到的各个单位观测区域的起始行号数据、结束行号数据、起始列号数据、结束列号数据、中心点行号数据、中心点列号数据。
14.在一种具体的实施方案中，所述多阶累积区域规划包括：
15.一阶累积规划模块，其包括中心点规划分模块、角点规划分模块、一阶累积规划计算模块，所述中心点规划分模块中，将星下点设在单位观测区域的中心点进行区域规划；所述角点规划分模块中，将星下点设在单位观测区域的角点进行区域规划；所述区域规划原始数据包含由一阶累积规划计算模块计算生成的一阶区域规划原始数据；
16.n阶累积规划模块，其包括南北边界n阶规划分模块、东西边界n阶规划分模块、n阶累积规划计算模块，所述南北边界n阶规划分模块中，将星下点设在单位观测区域的南北相邻边界2
n-1
等分点处进行区域规划；所述东西边界n阶规划分模块中，将星下点设在单位观测区域的东西相邻边界2
n-1
等分点处进行区域规划；所述区域规划原始数据包含由n阶累积规划计算模块计算生成n阶区域规划原始数据，其中n＝2，3，...，z；z为根据区域规划需要进行选择，z为大于1的整数；
17.动态多阶累积规划决策模块，其根据快速成像仪区域规划需求，针对各阶的累积区域规划进行动态决策，单独或自由组合选定各阶的区域规划原始数据以进行相关计算。
18.在一种具体的实施方案中，所述多阶累积区域规划分系统还包括多阶累积区域观
域边界计算分系统，其基于以视场范围内最少单位观测区域数量覆盖地球成像为规划原则，将多阶累积区域规划得到的区域规划原始数据进行计算，将中心点以及至少两个角点位于地球二维图像内的单位观测区域保留，得到多阶累积区域观域边界数据，并结合所述多阶累积区域规划中得到的各阶区域规划原始数据进行计算处理，生成对应的多阶累积规划数据。
19.在一种具体的实施方案中，所述多阶累积区域规划分系统还包括多阶累积区域规划地理信息计算分系统，其采用全球规范定义的静止轨道标称投影，地理坐标基于cgcs2000参考椭球计算，根据所述多阶累积规划数据中每个单位观测区域角点和中心点行列号信息，计算各单位观测区域四个角点经纬度地理信息以及中心点经纬度地理信息，如果角点或中心点不在视场范围内地球成像区域内，则该点坐标设为非法值，从而得到多阶累积规划地理信息数据。
20.在一种具体的实施方案中，所述多阶累积区域规划分系统还包括多阶累积区域规划信息递归分系统，其包含区域规划地理信息递归分模块、区域规划命名分模块、区域观测归一表生成分模块；
21.所述区域规划地理信息递归分模块基于多阶累积规划数据、多阶累积规划地理信息数据，递归成统一的区域规划递归数据，区域规划递归数据包含所有规划的单位观测区域的区域起始行号信息、区域结束行号信息、区域起始列号信息、区域结束列号信息、区域中心点行号信息、区域中心点列号信息、区域起始行号纬度地理信息、区域结束行号纬度地理信息、区域起始列号经度地理信息、区域结束列号经度地理信息、区域中心点行号纬度地理信息、区域中心点列号经度地理信息；
22.所述区域规划命名分模块基于区域规划递归数据，根据逐个规划的单位观测区域所在地理位置，依据自西向东，自北向南的原则，采用阿拉伯数字，逐个区域依次命名，每个单位观测区域具有唯一编号；
23.所述区域观测归一表生成分模块基于区域规划递归数据、单位观测区域编号数据，生成快速成像仪区域观测归一表数据，区域观测归一表数据包含所有规划的单位观测区域的区域编号数据信息、区域起始行号信息、区域结束行号信息、区域起始列号信息、区域结束列号信息、区域中心点行号信息、区域中心点列号信息、区域起始行号纬度地理信息、区域结束行号纬度地理信息、区域起始列号经度地理信息、区域结束列号经度地理信息、区域中心点行号纬度地理信息、区域中心点列号经度地理信息。
24.在一种具体的实施方案中，快速成像仪对所述单位观测区域的观测步骤为：
25.s1：快速成像仪扫描镜指向位置从星下点位置运动指向到单位观测区域的起始行、起始列位置；
26.s2：快速成像仪扫描镜由西向东扫描单位观测区域第一行至结束列位置后，指向到下一行开始列位置并由西向东扫描至该行结束列位置，依此循环扫描至单位观测区域结束行、结束列位置；
27.s3：快速成像仪扫描镜指向位置回到星下点，完成一次区域扫描。
28.本技术实施例的优点是：
29.1、基于本系统实现的多阶累积区域规划，解决了卫星观测中仅一种观测区域规划使得对目标观测不完整，造成观测效果差的问题，丰富了快速成像仪在执行任务时对观测
区域的选择。
30.2、基于本系统实现的多阶累积区域规划，不论目标观测区域大小，后续产品生成系统无需修改相关参数，在规划任务以及执行任务时仅需调用本系统规划得到的相关数据。
31.3、基于本系统实现的多阶累积区域规划，根据空间裕度最大、观测时间耗时最短原则，规划出观测范围大小统一的单位观测区域，不但优化了快速成像仪的区域观测模式以便于任务规划时选择目标观测范围，同时也进一步提高观测效率，提升观测响应速度。
32.4、本系统以单位观测区域观测时间、单位观测区域观测纬度范围、单位观测区域观测经度范围作为区域规划参数，提供相应的单位观测区域范围的划分模式，可满足不同的实际使用需求；在快速成像仪的观测视场内确定观测耗时最长的极限区域，以在满足各区域观测时长的情况下确定最大单位观测区域范围。
33.5、本系统的多阶累积区域规划可根据实际需求层次，实现不同阶数的区域规划，满足不同的观测范围需求，此外，不同区域规划模式下得到的相关单位观测区域信息数据可作为卫星任务生成的分析决策依据。
附图说明
34.图1为本发明的一种基于静止轨道卫星快速成像仪观测区域规划系统的一阶累积规划原始图；
35.图2为本发明的一种基于静止轨道卫星快速成像仪观测区域规划系统的一阶累积规划示意图；
36.图3为本发明的一种基于静止轨道卫星快速成像仪观测区域规划系统的二阶累积规划原始图；
37.图4为本发明的一种基于静止轨道卫星快速成像仪观测区域规划系统的二阶累积规划示意图；
38.图5为本发明的一种基于静止轨道卫星快速成像仪观测区域规划系统的多阶累积规划示意图；
39.图6为本发明的一种基于静止轨道卫星快速成像仪观测区域规划系统的快速成像仪区域范围研判分系统计算过程示意图；
40.图7为本发明的一种基于静止轨道卫星快速成像仪观测区域规划系统的快速成像仪扫描镜运动轨迹示意图；
41.图8为本发明的一种基于静止轨道卫星快速成像仪观测区域规划系统的快速成像仪区域观测任务生成示意图。
具体实施方式
42.本技术实施例通过提供一种基于静止轨道卫星快速成像仪观测区域规划系统，解决现有的卫星观测中仅一种观测区域规划易出现对目标观测不完整、观测区域规划大小不统一造成产品处理运算繁杂、耗时长的问题，总体思路如下：
43.本发明提供一种基于静止轨道卫星快速成像仪观测区域规划系统，包括区域规划需求分系统、快速成像仪区域范围研判分系统、多阶累积区域规划分系统。区域规划需求分
系统以单位观测区域观测时间、单位观测区域观测纬度范围、单位观测区域观测经度范围作为区域规划参数，并选择区域规划参数中的其中两个作为研判参数；快速成像仪区域范围研判分系统将观测耗时最长的单位观测区域作为极限区域，以满足极限区域的观测任务需求为基础，根据区域规划需求分系统的研判参数来计算并确定单位观测区域范围大小；多阶累积区域规划分系统通过将星下点设置在单位观测区域的不同位置来对快速成像仪的观测视场进行多次区域规划并生成相关数据，实现对观测视场的多阶累积区域规划，为卫星快速成像仪生成观测任务提供观测区域数据依据。本系统通过单位观测区域观测时间、单位观测区域观测纬度范围、单位观测区域观测经度范围这三个参数中的两个作为确定单位观测区域范围的依据，因静止轨道卫星的星下点位置确定，再通过将星下点与其所在的单位观测区域的相对位置进行变化设定，形成多种区域规划并生成相关数据，便于快速成像仪在执行任务时根据待观测目标区域的特点来选择区域规划得到的相应的单位观测区域。
44.当研判参数为单位观测区域观测纬度范围、单位观测区域观测经度范围时，根据维度范围和经度范围计算确定单位观测区域的范围大小。当研判参数包含单位观测区域观测时间时，以另一研判参数设定单位观测区域在相应方向上的范围，再以未被选为研判参数的另一区域规划参数在相应方向上的范围为研判范围，设定研判范围初始值和迭代步进距离，连续多次观测极限区域，以极限区域观测任务时间小于单位观测区域观测时间不超过设定时间的研判范围为单位观测区域在该方向上的范围，从而确定单位观测区域范围大小。具体地，本实施例研判参数为单位观测区域观测时间、单位观测区域观测纬度范围，快速成像仪区域范围研判分系统的研判方法是：以单位观测区域观测纬度范围设定单位观测区域南北范围；设定东西观测初始范围和迭代步进距离，连续多次观测极限区域，以极限区域观测任务时间小于单位观测区域观测时间不超过设定时间t的东西范围为单位观测区域的东西范围，其步骤如下：
45.s1：确定南北向观测范围；
46.s2：给定东西向初始范围；
47.s3：根据南北范围、东西范围确定极限区域坐标；
48.s4：连续计算极限区域观测任务时间；
49.s5：判断相邻两次极限区域观测任务时间与单位观测区域观测时间相比是否其中一次超时，一次不超时，如果仅有一次超时，以不超时情况下的极限区域的南北范围和东西范围为依据，转至步骤s8，否则转至下一步骤；
50.s6：判断相邻两次极限区域观测任务时间与单位观测区域观测时间相比是否两次都超时，如果超时，则缩小东西观测范围并转至步骤s3，如果都不超时则转至下一步骤；
51.s7：判断相邻两次极限区域观测任务时间与单位观测区域观测时间相比是否两次用时都相差小于t，如果不小于t，则增大东西观测范围并转至步骤s3，如果小于t则转至下一步骤；
52.s8：确定极限区域范围并作为单位观测区域范围。
53.在设定时间t为5s时，快速成像仪区域范围研判流程可参考如图6所示。
54.本例中，不同区域规划模式下的单位观测区域范围大小相同，同一区域规划模式下相邻单位观测区域的相邻边平齐；快速成像仪的观测视场范围为矩形，快速成像仪的扫
描镜从星下点开始运动，到任一单位观测区域完成观测，再回到星下点的历时为该单位观测区域观测耗时，在这种情况下，观测耗时最长的极限区域是位于该矩形视场范围角部的单位观测区域。具体地，请参阅图7，快速成像仪对单位观测区域的观测步骤为：
55.s1：快速成像仪扫描镜指向位置从星下点位置运动指向到单位观测区域的起始行、起始列位置；
56.s2：快速成像仪扫描镜由西向东扫描单位观测区域第一行至结束列位置后，指向到下一行开始列位置并由西向东扫描至该行结束列位置，依此循环扫描至单位观测区域结束行、结束列位置；
57.s3：快速成像仪扫描镜指向位置回到星下点，完成一次区域扫描。
58.多阶累积区域规划中，在每次区域规划中，依照相邻两个单位观测区域行列号不重叠的原则，以单位观测区域的矩形大小为空间裕度，向东南西北四个方向扩展至快速成像仪观测视场范围内所有区域，规划地球在观测视场内的成像区域及部分太空区域，计算生成区域规划原始数据。区域规划原始数据包括在该区域规划模式下得到的各个单位观测区域的起始行号数据、结束行号数据、起始列号数据、结束列号数据、中心点行号数据、中心点列号数据。
59.多阶累积区域规划包括一阶累积规划模块、n阶累积规划模块、动态多阶累积规划决策模块。一阶累积规划模块，其包括中心点规划分模块、角点规划分模块、一阶累积规划计算模块；请参阅图1，中心点规划分模块中，将星下点设在单位观测区域的中心点进行区域规划；角点规划分模块中，将星下点设在单位观测区域的角点进行区域规划；区域规划原始数据包含由一阶累积规划计算模块计算生成的一阶区域规划原始数据。n阶累积规划模块，其包括南北边界n阶规划分模块、东西边界n阶规划分模块、n阶累积规划计算模块；南北边界n阶规划分模块中，将星下点设在单位观测区域的南北相邻边界2
n-1
等分点处进行区域规划；东西边界n阶规划分模块中，将星下点设在单位观测区域的东西相邻边界2
n-1
等分点处进行区域规划；区域规划原始数据包含由n阶累积规划计算模块计算生成n阶区域规划原始数据，其中n＝2，3，...，z；z为根据区域规划需要进行选择，其中n为大于1的整数。需要指出的是，当根据区域规划需要，仅需进行一阶累积规划时，可不选择z，此时多阶累积区域规划的规划模块仅包括一阶累积规划模块；当根据区域规划需要，需进行二阶累积规划时，可选择z为2，此时多阶累积区域规划的规划模块包括一阶累积规划模块、二阶累积规划模块；具体地，二阶累积规划模块，其包括南北边界中心点规划分模块、东西边界中心点规划分模块、二阶累积规划计算模块；请参阅图3，南北边界中心点规划分模块中，将星下点设在单位观测区域的南北相邻边界中心点进行区域规划；东西边界中心点规划分模块中，将星下点设在单位观测区域的东西相邻边界中心点进行区域规划；区域规划原始数据包含由二阶累积规划计算模块计算生成二阶区域规划原始数据。因此，在z取更大的整数时，可依此类推，根据用户需求，在一阶累积规划、二阶累积规划基础上，以星下点为基准点，将星下点设在其所在单位观测区域和相邻单位观测区域的相邻边界1/4处、1/8处、1/16处，
…
，分别进行多种金字塔结构累积的区域规划，在原有区域规划数据基础上实现可持续多阶迭代区域规划，得到金字塔结构的穷举规划矩形观测区域。动态多阶累积规划决策模块，其根据快速成像仪区域规划需求，针对各阶的累积区域规划进行动态决策，单独或自由组合选定各阶的区域规划原始数据以进行相关计算。
60.多阶累积区域规划分系统还包括多阶累积区域观域边界计算分系统，其基于以视场范围内最少单位观测区域数量覆盖地球成像为规划原则，以载荷视场为中心，将多阶累积区域规划得到的区域规划原始数据进行计算，请参阅图2、图4、图5，其中图5中的多阶累积规划包括一阶累积规划和二阶累积规划，对于一阶区域规划原始数据、二阶区域规划原始数据、n阶区域规划原始数据等组合后的区域，将中心点以及至少两个角点位于地球二维图像内的单位观测区域保留，得到多阶累积区域观域边界数据，并结合多阶累积区域规划中得到的各阶区域规划原始数据进行计算处理，生成对应的多阶累积规划数据，多阶累积规划数据中包含一阶累积规划数据、二阶累积规划数据、n阶累积规划数据。
61.多阶累积区域规划分系统还包括多阶累积区域规划地理信息计算分系统，其采用全球规范定义的静止轨道标称投影，地理坐标基于cgcs2000参考椭球计算，根据多阶累积规划数据中每个单位观测区域角点和中心点行列号信息，计算各单位观测区域四个角点经纬度地理信息以及中心点经纬度地理信息，如果角点或中心点不在视场范围内地球成像区域内，则该点坐标设为非法值，从而得到多阶累积规划地理信息数据。具体地，本例中，多阶累积区域规划地理信息计算分系统包含一阶累积规划地理信息计算模块、二阶累积规划地理信息计算模块、n阶累积规划地理信息计算模块。一阶累积规划地理信息计算模块根据一阶累积规划行列号范围，逐个计算生成一阶累积规划地理信息数据，一阶累积规划地理信息数据包含一阶累积规划逐个区域的区域起始行号纬度地理信息、区域结束行号纬度地理信息、区域起始列号经度地理信息、区域结束列号经度地理信息、区域中心点行号纬度地理信息、区域中心点列号经度地理信息。二阶累积规划地理信息计算模块计算生成二阶累积规划地理信息数据，二阶累积规划地理信息数据包含二阶累积规划逐个区域的区域起始行号纬度地理信息、区域结束行号纬度地理信息、区域起始列号经度地理信息、区域结束列号经度地理信息、区域中心点行号纬度地理信息、区域中心点列号经度地理信息。n阶累积规划地理信息计算模块计算生成n阶累积规划地理信息数据，n阶累积规划地理信息数据包含n阶累积规划逐个区域的区域起始行号纬度地理信息、区域结束行号纬度地理信息、区域起始列号经度地理信息、区域结束列号经度地理信息、区域中心点行号纬度地理信息、区域中心点列号经度地理信息。
62.多阶累积区域规划分系统还包括多阶累积区域规划信息递归分系统，其包含区域规划地理信息递归分模块、区域规划命名分模块、区域观测归一表生成分模块。
63.区域规划地理信息递归分模块基于多阶累积规划数据、多阶累积规划地理信息数据，递归成统一的区域规划递归数据，区域规划递归数据包含所有规划的单位观测区域的区域起始行号信息、区域结束行号信息、区域起始列号信息、区域结束列号信息、区域中心点行号信息、区域中心点列号信息、区域起始行号纬度地理信息、区域结束行号纬度地理信息、区域起始列号经度地理信息、区域结束列号经度地理信息、区域中心点行号纬度地理信息、区域中心点列号经度地理信息。
64.区域规划命名分模块基于区域规划递归数据，根据逐个规划的单位观测区域所在地理位置，依据自西向东，自北向南的原则，采用阿拉伯数字，逐个区域依次命名，每个单位观测区域具有唯一编号。
65.区域观测归一表生成分模块基于区域规划递归数据、单位观测区域编号数据，生成快速成像仪区域观测归一表数据，区域观测归一表数据包含所有规划的单位观测区域的
区域编号数据信息、区域起始行号信息、区域结束行号信息、区域起始列号信息、区域结束列号信息、区域中心点行号信息、区域中心点列号信息、区域起始行号纬度地理信息、区域结束行号纬度地理信息、区域起始列号经度地理信息、区域结束列号经度地理信息、区域中心点行号纬度地理信息、区域中心点列号经度地理信息。
66.请参阅图8，快速成像仪在生成区域观测任务时，根据区域观测归一表数据的相关信息，生成与其对应的单位区域观测任务。当输入观测任务需求的经纬度后，提取包含区域观测归一表数据的区域查找表，计算满足任务的观测区域，找到对应规划区域的经纬度及行列号坐标信息，按照区域观测归一表数据中行列号信息进行观测。快速成像仪区域生成的任务信息应包括任务执行开始时间、任务执行结束时间、任务观测区域开始行列号位置、任务观测区域结束行列号位置、任务观测区域模式(不同模式下扫描镜头观测速度不同，例如扫描镜头扫描速度可分别为0.128
°
/s、0.256
°
/s、0.512
°
/s、1.024
°
/s)、任务结束后扫描镜返回位置等。
67.综上，本发明通过区域规划需求分系统、快速成像仪区域范围研判分系统、多阶累积区域规划分系统，根据客户需求对快速成像仪的观测视场进行多种区域规划并生成相关数据，为卫星快速成像仪生成观测任务提供观测区域数据依据，解决了现有的静止轨道卫星观测中仅一种观测区域规划易出现对目标观测不完整、观测区域规划大小不统一造成产品处理运算繁杂、耗时长的问题。
68.最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。