CN116975504B - 一种用于卫星侦察覆盖区域目标的快速计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于卫星侦察覆盖区域目标的快速计算方法，包括利用卫星最大半径距离R_SateMaxAngle和最大边距maxR对卫星覆盖计算的范围进行一次筛选；利用角度∠ZOP、角度∠ZOA和角度∠POP'对卫星覆盖计算的范围进行二次筛选；利用目标多边形和卫星多边形对卫星覆盖计算的范围进行三次筛选；本发明针对大面积的区域目标，对卫星覆盖计算范围进行一次筛选、二次筛选和三次筛选，在针对区域目标计算分析时，极大的缩小卫星覆盖计算范围，使卫星覆盖计算范围具有目的性，可以在区域目标离散点密度要求的情况下，提高卫星覆盖计算速度和精度。

Description

一种用于卫星侦察覆盖区域目标的快速计算方法

技术领域

本发明涉及卫星侦察目标计算技术领域，尤其涉及一种用于卫星侦察覆盖区域目标的快速计算方法。

背景技术

卫星的侦察覆盖分析是空间信息分析领域常用的分析计算方法，常见的分析方法是将区域目标的边界点离散成密集的点集，计算卫星侦察是否能覆盖到目标点集，对于大面积的区域目标，一般指经度或纬度跨度大于10°的区域目标，一方面区域目标需要设置大量的离散点集，这增加了卫星覆盖计算次数，影响了计算效率；另一方面如果区域目标内离散点的密度不够，可能会造成实际卫星覆盖到了区域内，但无法判断出区域目标的情况，区域目标的卫星覆盖计算方法一般都需要大量运算，如果卫星覆盖计算区域过大，会导致卫星覆盖计算效率低下，对于实时性要求高的***，需要使用新的方法来提高计算效率和准确度；如何更好的确定区域目标的边界点区域，从而保证卫星侦察覆盖计算时只针对区域目标边界点内的范围，排除无关的计算区域，提高卫星侦察覆盖计算的速度和准确率，是需要解决的问题。

文献号为CN110276043B的专利文献公开一种基于边界点访问计算的区域目标访问计算方法，该计算方法虽然提到了区域目标边界点，但其并没有把边界点运用到对卫星侦察覆盖区域目标的快速计算上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于卫星侦察覆盖区域目标的快速计算方法，解决大面积区域目标卫星覆盖计算时，卫星覆盖计算范围大，导致卫星对无关区域的计算，降低了卫星覆盖区域计算的速度和精度。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种用于卫星侦察覆盖区域目标的快速计算方法，包括以下步骤：

S1、划分区域目标边界点，确定区域目标中心点Z和区域目标最远边界点A，计算中心点Z与最远边界点A的最大边距maxR，计算卫星地面覆盖范围的最大半径距离R_SateMaxAngle，利用卫星最大半径距离R_SateMaxAngle和最大边距maxR对卫星覆盖计算的范围进行一次筛选；

S2、以地心O为原点，计算卫星位置P与中心点Z的角度∠ZOP、中心点Z与最远边界点A最大包围角度∠ZOA，卫星位置为P与地球表面相切P'的角度∠POP',利用角度∠ZOP、角度∠ZOA和角度∠POP'对卫星覆盖计算的范围进行二次筛选；

S3、将区域目标的边界点和卫星地面覆盖范围的边界点分别投影到共同平面，获得目标多边形和卫星多边形，利用目标多边形和卫星多边形对卫星覆盖计算的范围进行三次筛选。

进一步地：所述最大半径距离R_SateMaxAngle获取的步骤包括：

S11、获取卫星的半长轴和倾角参数，计算卫星远地点半径R_Apogee，获取卫星远地点位置；

S12、计算卫星远地点位置与地球表面相切的夹角，获取卫星的最大视场半角SateMaxHalfAngle，

S13、根据最大视场半角SateMaxHalfAngle，计算卫星地面覆盖范围的最大半径距离R_SateMaxAngle；

SateMaxHalfAngle = acos(R_Earth / R_Apogee)

R_SateMaxAngle = SateMaxHalfAngle * R_Earth

其中R_Earth为地球半径，R_Apogee为卫星远地点半径。

进一步地：所述S1一次筛选的条件为：

卫星星下点P''与区域目标中心点Z的地面距离P''Z_Earth，

当P''Z_Earth>maxR+R_SateMaxAngle时，判定卫星无法覆盖到区域目标。

进一步地：所述S2二次筛选条件为：

当∠ZOP>∠ZOA+∠POP'时，判定卫星无法覆盖到区域目标。

进一步地：所述S3中，利用目标多边形和卫星多边形对卫星覆盖计算的范围进行三次筛选的过程为：

S31、建立与卫星地心垂线相垂直的法平面planB；

S32、将区域目标的边界点投影到法平面planB的坐标系获得目标多边形；

S33、将卫星地面覆盖范围的边界点转换到法平面planB的坐标系获得卫星多边形；

S34、利用目标多边形和卫星多边形对卫星覆盖计算的范围进行三次筛选。

进一步地：所述S32中将区域目标的边界点投影到法平面planB的坐标系获得目标多边形的过程还包括：

S321、区域目标的边界点采用J2000坐标系；

S322、建立J2000坐标系与法平面planB的坐标系的转换矩阵Mat1，

S323、将区域目标的边界点Point1转换到法平面planB的坐标系Point2，

则Point2 = Point1 ；

其中Mat1为J2000坐标系到法平面planB的坐标系的转换矩阵。

本发明的有益效果：

1、本发明针对大面积的区域目标，对卫星覆盖计算范围进行一次筛选、二次筛选和三次筛选，在针对区域目标计算分析时，极大的缩小卫星覆盖计算范围，分层筛选提高运算速度，使卫星覆盖计算范围具有目的性，可以在区域目标离散点密度要求的情况下，提高卫星覆盖计算速度和精度。

2、本发明通过分级优化物理可见的三级筛选算法，筛除不可见的卫星时段，排除无关的卫星覆盖计算范围，可以避免高频的调用坐标转换，运算速度快，卫星载荷覆盖范围只考虑与地球相交的投影点，并采用几何的方式判断是否可见，可以规避计算南北极过境和区域目标过大时导致的计算长耗时，可以较大程度的提高了算法的效率。

3、本发明一次筛选利用距离区域目标中心点Z的最大边距maxR，划定卫星覆盖计算范围，可以把卫星覆盖计算范围涵盖整个的区域目标，而不会出现区域目标计算区域的遗漏，保证了对区域目标的卫星覆盖计算的可靠性。

4、本发明二次筛选采用中心点Z与最远边界点A最大包围角度∠ZOA，通过判定∠ZOA与∠POP'直接的相交关系，使卫星覆盖计算范围得到进一步的确认，可以对一次筛选获取的区域目标范围进行进一步的修正，进一步保证了对区域目标的卫星覆盖计算的可靠性。

5、本发明三次筛选采用区域目标的边界点投影到法平面planB的坐目标多边形，卫星地面覆盖范围的边界点转换到planB的坐标系获得卫星多边形，通过计算目标多边形与卫星多边形的相交性，对卫星覆盖计算的范围进行三次筛选，可以对区域目标范围进行进一步的修正，进一步保证了对区域目标的卫星覆盖计算的可靠性。

附图说明

图1为本发明一次筛选区域目标和卫星载荷视场投影转换示意图；

图2为本发明二次筛选区域目标和卫星载荷视场投影转换示意图；

图3为本发明三次筛选区域目标和卫星载荷视场投影转换示意图之一；

图4为本发明三次筛选区域目标和卫星载荷视场投影转换示意图之二；

图5为本发明卫星载荷范围与地球位置关系示意图；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中表示，其中自始至终相同或类似的符号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解对本发明的限制。

如图1-图5所示，本发明公开一种用于卫星侦察覆盖区域目标的快速计算方法，包括以下步骤：

S1、划分区域目标边界点，确定区域目标中心点Z和区域目标最远边界点A，计算中心点Z与最远边界点A的最大边距maxR，计算卫星地面覆盖范围的最大半径距离R_SateMaxAngle，利用卫星最大半径距离R_SateMaxAngle和最大边距maxR对卫星覆盖计算的范围进行一次筛选；

S2、以地心O为原点，计算卫星位置P与中心点Z的角度∠ZOP、中心点Z与最远边界点A最大包围角度∠ZOA，卫星位置为P与地球表面相切P'的角度∠POP',利用角度∠ZOP、角度∠ZOA和角度∠POP'对卫星覆盖计算的范围进行二次筛选；

S3、将区域目标的边界点和卫星地面覆盖范围的边界点分别投影到共同平面，获得目标多边形和卫星多边形，利用目标多边形和卫星多边形对卫星覆盖计算的范围进行三次筛选。

如图1所示，本发明针对大面积的区域目标，区域目标沿地球曲面布置，往往具有不规则的形状，中心点Z可以采用区域目标的面积中心点，计算中心点Z与最远边界点A的最大边距maxR，以中心点Z和最大边距maxR形成的圆周范围可以涵盖全部区域目标，不会出现区域目标计算区域的遗漏，保证了对区域目标的卫星覆盖计算的可靠性。

一次筛选利用卫星最大半径距离R_SateMaxAngle，卫星运行在远地点半径R_Apogee时，此时卫星载荷覆盖范围的面积最大，大于卫星在轨道任意点的载荷覆盖范围的面积；采用卫星运行在远地点半径R_Apogee时，求卫星最大半径距离R_SateMaxAngle；

首先，获取卫星的半长轴和倾角参数，计算卫星远地点半径R_Apogee，获取卫星远地点位置；

然后，计算卫星远地点位置与地球表面相切的夹角，获取卫星的最大视场半角SateMaxHalfAngle，如图1所示的∠DOP，其中OP为卫星在远地点半径R_Apogee，D和D'为卫星覆盖最大边界在地球的投影点；

具体的如图1所示，最大视场半角SateMaxHalfAngle= acos(R_Earth / R_Apogee)，其中其中R_Earth为地球半径，R_Apogee为卫星远地点半径，最大视场半角SateMaxHalfAngle采用弧度制角度表示。

计算卫星地面覆盖范围的卫星的最大半径距离R_SateMaxAngle；

R_SateMaxAngle = SateMaxHalfAngle * R_Earth。

卫星星下点P''与区域目标中心点Z的地面距离P''Z_Earth，

当P''Z_Earth>maxR+R_SateMaxAngle时，判定卫星无法覆盖到区域目标。

此方法对卫星覆盖计算的范围进行一次筛选，其考虑了卫星远地点半径R_Apogee时卫星的卫星最大半径距离R_SateMaxAngle，以及区域目标的最大边距maxR，虽然保证了保证了对区域目标的卫星覆盖计算的可靠性，但涵盖的卫星覆盖计算区域依然较大，需要做二次筛选。

二次筛选如图2所示，采用角度判别对卫星覆盖计算区域进行二次筛选，

以地心O为原点，确定卫星位置P与中心点Z的角度∠ZOP，卫星位置为P与地球表面相切P'的角度∠POP',中心点Z与最远边界点A最大包围角度∠ZOA，利用角度∠ZOP、角度∠ZOA和角度∠POP'对卫星覆盖计算的范围进行二次筛选；

当∠ZOP>∠ZOA+∠POP'时，判定卫星无法覆盖到区域目标，此时卫星可视覆盖区域与区域目标没有交集，可以在卫星覆盖计算时，把这些没有交集的区域排除，提高卫星覆盖计算时的速度，二次筛选通过判定∠ZOA与∠POP'的相交关系，使卫星覆盖计算范围得到进一步的确认，卫星覆盖计算的范围得到缩小，但同时可以保证对区域目标的卫星覆盖计算的可靠性，不会遗漏区域目标的计算范围，可以对一次筛选获取的区域目标范围进行进一步的修正，进一步保证了对区域目标的卫星覆盖计算的可靠性。

为了进一步限定区域目标卫星覆盖计算的范围，三次筛选采用对目标多边形与卫星多边形的交集计算，来最终确定区域目标需要进行卫星覆盖计算的范围。

如图5所示，卫星的载荷视场范围与地球的位置关系一般包括全相交、不相交、包地球和部分相交几种情况，在计算卫星覆盖时，不需要计算地球以外的视场边界点，只计算与地球相交的载荷范围J2000坐标系下的点集。

如图3、图4所示，将区域目标的边界点和卫星地面覆盖范围的边界点分别投影到共同平面，获得目标多边形和卫星多边形，利用目标多边形和卫星多边形对卫星覆盖计算的范围进行三次筛选。

具体的，如图4所示，先建立与卫星地心垂线相垂直的法平面planB，法平面planB的Z轴：可以采用方向；X轴：/>×(/>+(1,1,1)) ；Y轴：/>×/>；可以通过把卫星地面覆盖范围的边界点转换到法平面planB的坐标系获得卫星多边形，把区域目标的边界点投影到法平面planB的坐标系获得目标多边形，利用目标多边形和卫星多边形的相交关系，对卫星覆盖计算的范围进行三次筛选。

将区域目标的边界点投影到法平面planB的坐标系获得目标多边形的过程可以采用，如图4所示，对区域目标的边界点采用J2000坐标系；先建立J2000坐标系与法平面planB的坐标系的转换矩阵Mat1，利用转换矩阵Mat1将区域目标的边界点Point1转换到法平面planB的坐标系成为Point2，Point2 = Point1 ；实现对区域目标的边界点到法平面planB的坐标系的快速投影。

对投影后的目标多边形和卫星多边形进行交集计算，如果目标多边形和卫星多边形不存在相交，说明卫星覆盖的范围与区域目标没有交集，可以把这些区域去除，卫星覆盖计算的范围得到进一步缩小，同时可以保证对区域目标的卫星覆盖计算的可靠性，不会遗漏区域目标的计算范围，可以对二次筛选获取的区域目标范围进行进一步的修正，进一步保证了对区域目标的卫星覆盖计算的可靠性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于卫星侦察覆盖区域目标的快速计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、划分区域目标边界点，确定区域目标中心点Z和区域目标最远边界点A，计算中心点Z与最远边界点A的最大边距maxR，计算卫星地面覆盖范围的最大半径距离R_SateMaxAngle，利用卫星最大半径距离R_SateMaxAngle和最大边距maxR对卫星覆盖计算的范围进行一次筛选；

S2、以地心O为原点，计算卫星位置P与中心点Z的角度∠ZOP、中心点Z与最远边界点A最大包围角度∠ZOA，卫星位置为P与地球表面相切P'的角度∠POP',利用角度∠ZOP、角度∠ZOA和角度∠POP'对卫星覆盖计算的范围进行二次筛选；

S3、将区域目标的边界点和卫星地面覆盖范围的边界点分别投影到共同平面，获得目标多边形和卫星多边形，利用目标多边形和卫星多边形对卫星覆盖计算的范围进行三次筛选；

所述S1一次筛选的条件为：

卫星星下点P''与区域目标中心点Z的地面距离为P''Z_Earth，

当P''Z_Earth>maxR+R_SateMaxAngle时，判定卫星无法覆盖到区域目标；

所述S2二次筛选条件为：

当∠ZOP>∠ZOA+∠POP'时，判定卫星无法覆盖到区域目标；

所述S3中，利用目标多边形和卫星多边形对卫星覆盖计算的范围进行三次筛选的过程为：

S31、建立与卫星地心垂线相垂直的法平面planB；

S32、将区域目标的边界点投影到法平面planB的坐标系获得目标多边形；

S33、将卫星地面覆盖范围的边界点转换到法平面planB的坐标系获得卫星多边形；

S34、利用目标多边形和卫星多边形对卫星覆盖计算的范围进行三次筛选。

2.根据权利要求1所述的一种用于卫星侦察覆盖区域目标的快速计算方法，其特征在于：所述最大半径距离R_SateMaxAngle获取的步骤包括：

S11、获取卫星的半长轴和倾角参数，计算卫星远地点半径R_Apogee，获取卫星远地点位置；

S12、计算卫星远地点位置与地球表面相切的夹角，获取卫星的最大视场半角SateMaxHalfAngle，

S13、根据最大视场半角SateMaxHalfAngle，计算卫星地面覆盖范围的最大半径距离R_SateMaxAngle；

SateMaxHalfAngle = acos(R_Earth / R_Apogee)

R_SateMaxAngle = SateMaxHalfAngle * R_Earth

其中R_Earth为地球半径，R_Apogee为卫星远地点半径。

3.根据权利要求1所述的一种用于卫星侦察覆盖区域目标的快速计算方法，其特征在于：所述S32中将区域目标的边界点投影到法平面planB的坐标系获得目标多边形的过程还包括：

S321、区域目标的边界点采用J2000坐标系；

S322、建立J2000坐标系与法平面planB的坐标系的转换矩阵Mat1，

S323、将区域目标的边界点Point1转换到法平面planB的坐标系Point2，

则Point2 = Point1 ；

其中Mat1为J2000坐标系到法平面planB的坐标系的转换矩阵。