一种基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法技术

一种基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法，首先建立卫星在指定轨道上指向待观测目标点的姿态俯仰角和滚动角计算方程，计算当观测俯仰角为0°时对应的时间tr和滚动角φr；针对构成目标区域多边形的若干顶点，按照上述方法依次计算各顶点对应的tr和φr，找出tr和φr的最大值和最小值，采用卫星相机视场角对φr最大值和最小值之间的区间进行分割，得到若干条分割线；根据分割线和tr的最大值和最小值，计算得到分割条带的4个顶点经纬度坐标以及中线起止点经纬度坐标；该方法计算精度高，复杂度低，提高了卫星观测目标条带分割的准确度和计算效率，并且具备在计算能力有限的星载计算机上实现的条件。

【技术实现步骤摘要】
一种基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法
本专利技术属于卫星地面任务管理与自主任务管理领域，涉及光学遥感卫星观测任务预处理技术，针对推扫成像式敏捷光学遥感卫星的工作模式，基于相机指向观测目标时卫星姿态的计算方法，提出了一种将任意形状观测目标划分为基本观测条带的算法，可用于敏捷光学卫星地面任务规划系统和自主任务规划系统设计与实现。
技术介绍
遥感卫星在轨应用阶段需要对大量观测目标进行成像。由于遥感卫星的规划调度问题具有很高的计算复杂度，目前遥感卫星的地面应用部门普遍采用任务规划技术对遥感卫星资源进行调度。任务预处理是遥感卫星规划调度的一个重要环节，其目的是根据卫星轨道、载荷视场等参数，将用户输入的具有不规则几何特征的观测目标分割为一个或多个可一次观测覆盖的条带，以便于对各条带的观测活动进行编排。敏捷光学遥感卫星是一类具有绕任意轴大角度快速姿态机动能力的卫星，可通过俯仰和侧摆方向的姿态机动，实现对星下点轨迹两侧大范围区域的多模式成像。由于敏捷光学遥感卫星通常采用分辨率为米级至亚米级的高分辨率相机，相机视场角通常较小，因此对于观测目标预处理的精度要求也比较高。目前地面任务规划系统采用以星下点轨迹平行线为基准的方法对观测目标进行分割，其基本的流程是：首先构造一组观测目标临近地区的星下点轨迹近似“平行线”，每条“平行线”为一组离散的经纬度点构成的折线，第一条和最后一条“平行线”与观测区域两侧对齐，“平行线”间距为相机幅宽乘以一定的比率，以满足条带拼接时的重叠度以及误差要求，最后根据平行线对条带区域的切割情况计算出各条带4个顶点的经纬度坐标。该算法一方面在建立计算模型是进行了大量假设和近似处理，因此计算精度方面存在一定的不足。由于星下点轨迹实际上是一条球面曲线，并不存在“平行线”，并且该算法没有考虑地球扁率对条带划分结果的影响，因此该算法误差较大，如果用于敏捷卫星的任务规划，需要引入较大的余量来弥补计算精度的不足，必然带来卫星应用效能的降低。另一方面，由于该算法需要通过计算一系列的经纬度点构建若干条“平行线”，计算的复杂度较高，难以在计算能力有限的星载计算机中实现，在卫星自主管理
的应用受到了限制。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对敏捷卫星任务规划对观测目标分割的需求，提供了一种基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法，解决了现有方法条带分割精度不足、计算复杂度较高、在卫星自主管理
的应用受限的问题。本专利技术的技术解决方案是：一种基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法，步骤如下：1）设tr时刻卫星指向待测目标点T时，卫星的观测俯仰角θ为0，观测滚动角为定义tr为标称观测时刻，为标称侧摆角，并计算获得标称观测时刻tr和标称侧摆角11）建立待测目标点T在J2000坐标系下位置与观测时间的关系方程T＝LeiTTe，上标T表示矩阵转置；其中Lei为J2000坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，Te为待测目标点T在WGS84坐标系下的位置；12）根据当圈整秒时刻ti对应的卫星在J2000坐标系下轨道位置矢量RECI(ti)，计算获得各轨道位置与观测目标点的距离(i＝0,1…N)；在中搜索得到最小点，记为初步标称观测时刻tre，初步标称观测时刻tre对应的卫星位置记为标称观测位置RECI(tre)；13）建立卫星的观测俯仰角θ与观测时刻t的函数关系θ(t)；131）计算获得J2000坐标下卫星指向待测目标点T的矢量STi＝LeiTTe-RECI，并转换到轨道系表示为STo＝Loi×STi，其中Loi为J2000坐标系到轨道坐标系的转换矩阵；132）设卫星偏航角保持0度，卫星相对于轨道坐标系的姿态采用312转序描述的俯仰角为滚动角为STo，x、STo，y、STo，z分别表示STo在x、y、z三个坐标轴上的分量；133）根据步骤132）建立关系θ(t)；14）采用二分法求解θ(t)＝0的标称观测时刻tr；15）将标称观测时刻tr带入获得标称侧摆角2）按照步骤1）依次计算获得待测目标中所有目标顶点的标称观测时刻tr和标称侧摆角找出标称观测最大时刻tmax，标称观测最小时刻tmin，标称最大侧摆角标称最小侧摆角在标称最大侧摆角和标称最小侧摆角之间划分为n个区间，其中ceiling表示向上取整，ηf为卫星相机有效视场；计算获得n个区间的边界线i＝0,...,n；3）对于某一个条带i＝1,...,n，计算得到该条带的特征点，所述特征点包括四个顶点分别为：以及中线起止点为：根据得到的特征点计算获得该条带的特征点对应的地理经纬度；4）重复步骤3）获得所有条带的特征点对应的地理经纬度。本专利技术与现有技术相比的优点在于：（1）本专利技术方法针对条带分割线计算，将曲面多边形的分割问题转化到平面坐标系，解决了现有技术采用星下点轨迹“平行线”作为条带分割线的不足，消除了现有技术将地表曲面近似为平面引入的误差；（2）本专利技术方法针对分割线及条带特征点计算，采用标称观测点的侧摆角作为条带分割的依据，在标称观测时刻和观测侧摆角计算过程中引入了地球扁率的影响，消除了现有技术采用地球理想球面模型引入的误差；（3）本专利技术方法与现有技术相比，计算复杂度低，具备移植到现有的卫星星载计算机的条件，能够作为光学遥感卫星自主任务管理系统的一个关键组成部分。附图说明图1为本专利技术的算法流程图；图2为标称观测时间和标称侧摆角定义示意图；图3为标称观测坐标系下条带划分原理图；图4为实施例条带化分结果在STK场景展示图。具体实施方式本专利技术基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法，包括（A）标称观测时刻及侧摆角计算；（B）条带边界线计算；（C）条带特征点计算。详细步骤如下：（一）标称观测时刻及侧摆角计算本专利技术采用基于标称侧摆角和标称观测时刻的方法对目标条带进行划分。如图2所示，假设tr时刻卫星指向目标T时，卫星的观测俯仰角θ为0，观测滚动角为则称tr为标称观测时刻，为标称侧摆角。标称观测时刻tr的计算过程如下：1）建立待测目标点T在J2000坐标系下位置与观测时间的关系方程由于地球非球形影响，给定待测目标点T对应的地理经纬度相应的地心经纬度为：f为地球扁率，取1/298.257。待测目标点地心距为RE＝6378137m，为地球标称赤道半径。则T在WGS84坐标系下的位置为转换到J2000坐标系下位置坐标为：TTLeiTTeLei为J2000坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵。2）根据轨道预报数据，初步搜索标称观测时刻根据标称观测时刻的定义，在观测俯仰角为零的时刻，相机光轴与卫星在J2000坐标系下轨道位置矢量RECI(ti)、观测目标矢量T共面，卫星位置与观测目标点位置达到最小值，所以标称观测时刻可以通过搜索轨道位置与观测目标点距离的最小值得到。对于轨道预报环节给出的当圈整秒时刻ti对应的卫星轨道位置矢量RECI(ti)，可以依次得到各轨道位置与观测目标点的距离：经过搜索得到最小点即为初步标称观测时刻tre，相应位置为标称观测位置RECI(tre)。3）建立卫星的观测俯仰角θ与观测时刻t的函数关系对于任意时刻卫星对目标T的观测角度可由以下过程计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法，其特征在于步骤如下：1）设tr时刻卫星指向待测目标点T时，卫星的观测俯仰角θ为0，观测滚动角为φr，定义tr为标称观测时刻，φr为标称侧摆角，并计算获得标称观测时刻tr和标称侧摆角φr；11）建立待测目标点T在J2000坐标系下位置与观测时间的关系方程T＝LeiTTe，上标T表示矩阵转置；其中Lei为J2000坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，Te为待测目标点T在WGS84坐标系下的位置；12）根据当圈整秒时刻ti对应的卫星在J2000坐标系下轨道位置矢量RECI(ti)，计算获得各轨道位置与观测目标点的距离(i＝0,1…N)；在中搜索得到最小点，记为初步标称观测时刻tre，初步标称观测时刻tre对应的卫星位置记为标称观测位置RECI(tre)；13）建立卫星的观测俯仰角θ与观测时刻t的函数关系θ(t)；131）计算获得J2000坐标下卫星指向待测目标点T的矢量STi＝LeiTTe‑RECI，并转换到轨道系表示为STo＝Loi×STi，其中Loi为J2000坐标系到轨道坐标系的转换矩阵；132）设卫星偏航角保持0度，卫星相对于轨道坐标系的姿态采用312转序描述的俯仰角为滚动角为STo，x、STo，y、STo，z分别表示STo在x、y、z三个坐标轴上的分量；133）根据步骤132）建立关系θ(t)；14）采用二分法求解θ(t)＝0的标称观测时刻tr；15）将标称观测时刻tr带入获得标称侧摆角φr；2）按照步骤1）依次计算获得待测目标中所有目标顶点的标称观测时刻tr和标称侧摆角φr，找出标称观测最大时刻tmax，标称观测最小时刻tmin，标称最大侧摆角φmax，标称最小侧摆角φmin；在标称最大侧摆角φmax和标称最小侧摆角φmin之间划分为n个区间，其中ceiling表示向上取整，ηf为卫星相机有效视场；计算获得n个区间的边界线φ‾i=]]>φmax+φmin-nηf2+iηf,]]>i＝0,...,n；3）对于某一个条带i＝1,...,n，计算得到该条带的特征点，所述特征点包括四个顶点分别为：以及中线起止点为：根据得到的特征点计算获得该条带的特征点对应的地理经纬度；4）重复步骤3）获得所有条带的特征点对应的地理经纬度。...

【技术特征摘要】
1.一种基于指向姿态的敏捷卫星观测目标条带分割方法，其特征在于步骤如下：1)设tr时刻卫星指向待测目标点T时，卫星的观测俯仰角θ为0，观测滚动角为φr，定义tr为标称观测时刻，φr为标称侧摆角，并计算获得标称观测时刻tr和标称侧摆角φr；11)建立待测目标点T在J2000坐标系下位置与观测时间的关系方程T＝LeiTTe，上标T表示矩阵转置；其中Lei为J2000坐标系到WGS84坐标系的坐标转换矩阵，Te为待测目标点T在WGS84坐标系下的位置；12)根据当圈整秒时刻ti对应的卫星在J2000坐标系下轨道位置矢量RECI(ti)，计算获得各轨道位置与观测目标点的距离在中搜索得到最小点，记为初步标称观测时刻tre，初步标称观测时刻tre对应的卫星位置记为标称观测位置RECI(tre)；13)建立卫星的观测俯仰角θ与观测时刻t的函数关系θ(t)；131)计算获得J2000坐标下卫星指向待测目标点T的矢量STi＝LeiTTe-RECI，并转换到轨道系表示为STo＝Loi×STi，其中Lo...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢松，于文进，刘思远，杨芳，
申请(专利权)人：航天东方红卫星有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11