CN108709540A - 一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法 - Google Patents

一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法 Download PDF

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刘云鹤
朱玛
余快
刘宁
杨国巍
李响
王丽俐
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Abstract

一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，涉及提升卫星的观测效能技术领域；包括如下步骤：步骤(一)、将地面待观测区域的封闭边界离散为N个待观测点；步骤(二)、测量获得卫星相对于惯性坐标系的位置r和速度v；步骤(三)、计算卫星在轨道坐标系中方向的单位矢量；步骤(四)、计算卫星的滚动角俯仰角θ；步骤(五)、将N个带观测点的经纬度信息集合[λl,σl]转换为卫星的姿态数组步骤(六)、计算每个正方形卫星相机视场4个顶点在本体坐标系下的姿态数值区域p；步骤(七)、判断矩阵Mij所有元素代表的方形卫星相机视场的姿态数值区域p选取或遗弃；本发明通过采用最优区域分解算法，见少无用或重复观测，最终提升了卫星的观测效能。

Description

一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法
技术领域
本发明涉及一种提升卫星的观测效能技术领域，特别是一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法。
背景技术
随着空间技术的发展，遥感卫星已经成为军事侦察、防灾减灾、气象勘测、环境监测等行动中获取情报信息的重要手段。与此同时，用户对遥感数据高时间、高空间分辨率的需求也日益紧迫，中低轨道遥感卫星很难实现高时间分辨率的连续成像观测任务，而高轨高分辨率光学遥感卫星可将较高像元分辨率和极高的时间分辨率相结合，通过灵活的指向控制，可在很短的时间内完成对广大区域的成像观测，是今后国际航天遥感领域发展的一个重要方向，也是提高我国对地光学遥感观测能力的重要手段。
遥感卫星的对地观测效能是用户关注重要指标之一，与此同时，用户提出的观测任务需求也多样化，为了更好的满足用户需求，更高效的完成用户提出的任务，第一步就需要对用户提出的观测区域进行最优分解，利用相机的有效视场，实现对目标区域的准确覆盖，同时还需避免重复覆盖或是无用覆盖。由于高轨光学遥感卫星为新一类对地观测卫星，目前国内的研究主要是面向一般低轨成像卫星观测区域分解算法，并没有明显针对静止轨道采用面阵传感器卫星的观测区域分解算法。
目前，我国在国家科技重大专项“高分辨率对地观测***”已经完成首颗地球同步轨道50m分辨率遥感卫星设计和研制工作，并与2015年12月发射，后续更高分辨率的地球同步轨道军用遥感卫星、高轨广域成像监视卫星、HEO光学预警/综合电子侦察卫星、高轨光学预警卫星等重点型号已经进行了相应的部署，尤其是在军用方面，用户对卫星时效性要求更为迫切，亟待提供一种可满足多类卫星的最优区域分解算法，提升遥感卫星对地观测效能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，通过采用最优区域分解算法，见少无用或重复观测，最终提升了卫星的观测效能。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，包括如下步骤：
步骤(一)、将地面待观测区域的封闭边界离散为N个待观测点；将N个带观测点的经纬度信息集合为[λl,σl]；其中，λl为第l个待观测点的经度；σl为第l个待观测点的纬度；3≤l≤N，且l为正整数；
步骤(二)、建立惯性坐标系OXYZ，根据步骤(一)中，第l个待观测点的经纬度[λl,σl]，获得第l个待观测点在惯性坐标系OXYZ下的位置坐标为R；并测量获得卫星相对于惯性坐标系的位置r和速度v；
步骤(三)、建立轨道坐标系O1X1Y1Z1，计算卫星在轨道坐标系O1X1Y1Z1中X1方向的单位矢量ux、Y1方向的单位矢量uy和Z1方向的单位矢量uz；
步骤(四)、建立卫星本体坐标系，计算卫星从轨道坐标系转换为本体坐标系的转换矩阵Lob；计算卫星的滚动角俯仰角θ；
步骤(五)、卫星相机的视场为正方形，边长为α；当正方形卫星相机视场的左下角对准其中一个待观测点时，根据步骤(四)计算得到本体坐标系下卫星的俯仰角为θ，滚动角为σ；将N个带观测点的经纬度信息集合[λl,σl]转换为卫星的姿态数组令θ0＝min(θl)，dθ＝max(θl)-θ0；其中，为卫星滚动角的最小值；为卫星滚动角相应方向的张角；θ0为卫星俯仰角的最小值；dθ为卫星俯仰角相应方向的张角；
步骤(六)、将多个正方形卫星相机视场按照NR行×NC列的方式，相邻排列成矩形矩阵Mij；其中，1≤i≤NR,且i为正整数；1≤j≤NC,且j为正整数；实现矩阵Mij覆盖地面待观测区域；计算矩阵Mij的行数NR和列数NC；根据步骤(五)，计算每个正方形卫星相机视场4个顶点在本体坐标系下的姿态数值区域p；矩形矩阵Mij中每个元素代表一个正方形卫星相机视场对应的姿态数值区域p；
步骤(七)、依次将姿态数组的值依次代入一个正方形卫星相机视场对应的姿态数值区域p；判断该方形卫星相机视场的姿态数值区域p选取或遗弃；重复i×j次，判断矩阵Mij所有元素代表的方形卫星相机视场的姿态数值区域p选取或遗弃。
在上述的一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，所述步骤(二)中，惯性坐标系的建立方法为：原点O为地球质心，X轴指向春分点，Z轴为地球自转轴并指向北极，Y轴根据右手法则确定。
在上述的一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，所述步骤(三)中，轨道坐标系的建立方法为：原点O1为卫星质心，Z1轴为卫星质心到地心，X1轴为航天器的速度方向，Y1轴根据右手法则确定。
在上述的一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，所述步骤(三)中，X1方向的单位矢量ux、Y1方向的单位矢量uy和Z1方向的单位矢量uz的计算方法为：
在上述的一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，所述步骤(四)中，本体坐标系的建立方法为：原点O2为卫星质心，X2轴垂直星箭分离面，沿卫星的纵轴方向；Z2轴在星箭分离面内，指向卫星对地面，Y2轴与X2、Z2构成右手法则。
在上述的一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，所述步骤(四)中，转换矩阵Lob的计算方法为：
计算地面点相对卫星的位置矢量h：
h＝R-r (2)
则：
式中，为地面点相对卫星位置矢量h的方向单位矢量；
又
式中，ψ为卫星的偏航角，ψ＝0；
为卫星的滚动角；
θ为卫星的俯仰角；
根据公式(3)和公式(4)计算得到：
在上述的一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，所述步骤(六)中，行数NR和列数NC的计算方法为：
NC＝ceil(θ/α) (7)
式中，ceil(*)为求不小于*的最小正整数；
卫星相机视场4个顶点在本体坐标系下的姿态数值区域p的计算方法为：
在上述的一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，所述步骤(七)中，判断某一个方形卫星相机视场的姿态数值区域p选取或遗弃的方法为：当姿态数组中的某一值落入姿态数值区域p时，选取该方形卫星相机视场的姿态数值区域p；否则遗弃。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明计算方法主要涉及多个高精度坐标系的转换关系，考虑了地球扁形、轨道摄动等影响因素，将成像点所在的地心纬度转换为卫星姿态角，避免在模型转换过程中带来的对目标定位精度影响；
(2)本发明的区域分解算法效率高、可靠性强，能够针对各类中高轨光学要求卫星的各种成像任务。
附图说明
图1为本发明最优分解流程示图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为最优分解流程示图，由图可知，一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，包括如下步骤：
步骤(一)、将地面待观测区域的封闭边界离散为N个待观测点；将N个带观测点的经纬度信息集合为[λl,σl]；其中，λl为第l个待观测点的经度；σl为第l个待观测点的纬度；3≤l≤N，且l为正整数。
步骤(二)、建立惯性坐标系OXYZ，惯性坐标系的建立方法为：原点O为地球质心，X轴指向春分点，Z轴为地球自转轴并指向北极，Y轴根据右手法则确定。根据步骤(一)中，第l个待观测点的经纬度[λl,σl]，获得第l个待观测点在惯性坐标系OXYZ下的位置坐标为R；并测量获得卫星相对于惯性坐标系的位置r和速度v。
步骤(三)、建立轨道坐标系O1X1Y1Z1，轨道坐标系的建立方法为：原点O1为卫星质心，Z1轴为卫星质心到地心，X1轴为航天器的速度方向，Y1轴根据右手法则确定。计算卫星在轨道坐标系O1X1Y1Z1中X1方向的单位矢量ux、Y1方向的单位矢量uy和Z1方向的单位矢量uz。
X1方向的单位矢量ux、Y1方向的单位矢量uy和Z1方向的单位矢量uz的计算方法为：
步骤(四)、建立卫星本体坐标系，本体坐标系的建立方法为：原点O2为卫星质心，X2轴垂直星箭分离面，沿卫星的纵轴方向；Z2轴在星箭分离面内，指向卫星对地面，Y2轴与X2、Z2构成右手法则。计算卫星从轨道坐标系转换为本体坐标系的转换矩阵Lob；计算卫星的滚动角俯仰角θ。
转换矩阵Lob的计算方法为：
计算地面点相对卫星的位置矢量h：
h＝R-r (2)
则：
式中，为地面点相对卫星位置矢量h的方向单位矢量；
又
式中，ψ为卫星的偏航角，ψ＝0；
为卫星的滚动角；
θ为卫星的俯仰角；
根据公式(3)和公式(4)计算得到：
步骤(五)、卫星相机的视场为正方形，边长为α；当正方形卫星相机视场的左下角对准其中一个待观测点时，根据步骤(四)计算得到本体坐标系下卫星的俯仰角为θ，滚动角为σ；将N个带观测点的经纬度信息集合[λl,σl]转换为卫星的姿态数组令θ0＝min(θl)，dθ＝max(θl)-θ0；其中，为卫星滚动角的最小值；为卫星滚动角相应方向的张角；θ0为卫星俯仰角的最小值；dθ为卫星俯仰角相应方向的张角；
步骤(六)、将多个正方形卫星相机视场按照NR行×NC列的方式，相邻排列成矩形矩阵Mij；其中，1≤i≤NR,且i为正整数；1≤j≤NC,且j为正整数；实现矩阵Mij覆盖地面待观测区域；计算矩阵Mij的行数NR和列数NC；根据步骤(五)，计算每个正方形卫星相机视场4个顶点在本体坐标系下的姿态数值区域p；矩形矩阵Mij中每个元素代表一个正方形卫星相机视场对应的姿态数值区域p；
行数NR和列数NC的计算方法为：
NC＝ceil(dθ/α) (7)
式中，ceil(*)为求不小于*的最小正整数；
卫星相机视场4个顶点在本体坐标系下的姿态数值区域p的计算方法为：
步骤(七)、依次将姿态数组的值依次代入一个正方形卫星相机视场对应的姿态数值区域p；判断该方形卫星相机视场的姿态数值区域p选取或遗弃；重复i×j次，判断矩阵Mij所有元素代表的方形卫星相机视场的姿态数值区域p选取或遗弃。判断某一个方形卫星相机视场的姿态数值区域p选取或遗弃的方法为：当姿态数组中的某一值落入姿态数值区域p时，选取该方形卫星相机视场的姿态数值区域p；否则遗弃。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(一)、将地面待观测区域的封闭边界离散为N个待观测点；将N个带观测点的经纬度信息集合为[λl,σl]；其中，λl为第l个待观测点的经度；σl为第l个待观测点的纬度；3≤l≤N，且l为正整数；
步骤(二)、建立惯性坐标系OXYZ，根据步骤(一)中，第l个待观测点的经纬度[λl,σl]，获得第l个待观测点在惯性坐标系OXYZ下的位置坐标为R；并测量获得卫星相对于惯性坐标系的位置r和速度v；
步骤(三)、建立轨道坐标系O1X1Y1Z1，计算卫星在轨道坐标系O1X1Y1Z1中X1方向的单位矢量ux、Y1方向的单位矢量uy和Z1方向的单位矢量uz；
步骤(四)、建立卫星本体坐标系，计算卫星从轨道坐标系转换为本体坐标系的转换矩阵Lob；计算卫星的滚动角俯仰角θ；
步骤(五)、卫星相机的视场为正方形，边长为α；当正方形卫星相机视场的左下角对准其中一个待观测点时，根据步骤(四)计算得到本体坐标系下卫星的俯仰角为θ，滚动角为σ；将N个带观测点的经纬度信息集合[λl,σl]转换为卫星的姿态数组令θ0＝min(θl)，dθ＝max(θl)-θ0；其中，为卫星滚动角的最小值；为卫星滚动角相应方向的张角；θ0为卫星俯仰角的最小值；dθ为卫星俯仰角相应方向的张角；
步骤(六)、将多个正方形卫星相机视场按照NR行×NC列的方式，相邻排列成矩形矩阵Mij；其中，1≤i≤NR,且i为正整数；1≤j≤NC,且j为正整数；实现矩阵Mij覆盖地面待观测区域；计算矩阵Mij的行数NR和列数NC；根据步骤(五)，计算每个正方形卫星相机视场4个顶点在本体坐标系下的姿态数值区域p；矩形矩阵Mij中每个元素代表一个正方形卫星相机视场对应的姿态数值区域p；
步骤(七)、依次将姿态数组的值依次代入一个正方形卫星相机视场对应的姿态数值区域p；判断该方形卫星相机视场的姿态数值区域p选取或遗弃；重复i×j次，判断矩阵Mij所有元素代表的方形卫星相机视场的姿态数值区域p选取或遗弃。
2.根据权利要求1所述的一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，其特征在于：所述步骤(二)中，惯性坐标系的建立方法为：原点O为地球质心，X轴指向春分点，Z轴为地球自转轴并指向北极，Y轴根据右手法则确定。
3.根据权利要求1所述的一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，其特征在于：所述步骤(三)中，轨道坐标系的建立方法为：原点O1为卫星质心，Z1轴为卫星质心到地心，X1轴为航天器的速度方向，Y1轴根据右手法则确定。
4.根据权利要求3所述的一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，其特征在于：所述步骤(三)中，X1方向的单位矢量ux、Y1方向的单位矢量uy和Z1方向的单位矢量uz的计算方法为：
5.根据权利要求1所述的一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，其特征在于：所述步骤(四)中，本体坐标系的建立方法为：原点O2为卫星质心，X2轴垂直星箭分离面，沿卫星的纵轴方向；Z2轴在星箭分离面内，指向卫星对地面，Y2轴与X2、Z2构成右手法则。
6.根据权利要求5所述的一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，其特征在于：所述步骤(四)中，转换矩阵Lob的计算方法为：
计算地面点相对卫星的位置矢量h：
h＝R-r (2)
则：
式中，为地面点相对卫星位置矢量h的方向单位矢量；
又
式中，ψ为卫星的偏航角，ψ＝0；
为卫星的滚动角；
θ为卫星的俯仰角；
根据公式(3)和公式(4)计算得到：
7.根据权利要求1所述的一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，其特征在于：所述步骤(六)中，行数NR和列数NC的计算方法为：
NC＝ceil(dθ/α) (7)
式中，ceil(*)为求不小于*的最小正整数；
卫星相机视场4个顶点在本体坐标系下的姿态数值区域p的计算方法为：
8.根据权利要求1所述的一种针对面阵成像的用户设定区域最优分解方法，其特征在于：所述步骤(七)中，判断某一个方形卫星相机视场的姿态数值区域p选取或遗弃的方法为：当姿态数组中的某一值落入姿态数值区域p时，选取该方形卫星相机视场的姿态数值区域p；否则遗弃。
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