基于一次覆盖条带最大化的成像卫星区域目标覆盖方法技术

本发明专利技术提供一种基于一次覆盖条带最大化的成像卫星区域目标覆盖方法，卫星每次以预设的角度为步长更改侧视角度，以瞬时视场角对一次覆盖区域网格进行扫描覆盖，调整每次推扫覆盖到的网格点属性，每次推扫的侧视角和覆盖面积被记录后，覆盖区域网格属性值重置，最后选择覆盖网格面积最大推扫角度加入侧视方案；如果出现多个一次覆盖区域并且瞬时覆盖后的最大推扫面积相同，在目标区域中选择实际覆盖面积最大的侧视覆盖条带确定侧视角，否则选择最大推扫面积的瞬时覆盖确定侧视角。本发明专利技术提出的成像卫星区域目标覆盖方法可以有效处理规模较大的情况，对多种类成像卫星在复杂约束情况下的区域覆盖的时效性、覆盖率、分辨率等性能评价有了极大的提高。

Image Satellite Regional Target Coverage Method Based on Maximizing Primary Coverage Band

The invention provides an imaging satellite area target coverage method based on maximizing the primary coverage strip. Each time the satellite changes the lateral angle of view with the preset angle as the step size, scans the primary coverage area grid with the instantaneous field of view angle, adjusts the attributes of the grid points covered by each push, the lateral angle of view and the lateral angle of each push. After the coverage area is recorded, the grid attribute value of the coverage area is reset. Finally, the maximum sweep angle of the coverage area is selected to join the side-looking scheme. If there are multiple coverage areas and the maximum sweep area after instantaneous coverage is the same, the side-looking coverage strip with the largest actual coverage area is selected to determine the side-looking coverage strip in the target area. Angle of view, otherwise choose the instantaneous coverage of the largest push area to determine the lateral angle of view. The regional target coverage method of the imaging satellite proposed by the invention can effectively deal with large-scale situations, and greatly improves the performance evaluation of the time-effectiveness, coverage and resolution of the regional coverage of various imaging satellites under complex constraints.

【技术实现步骤摘要】
基于一次覆盖条带最大化的成像卫星区域目标覆盖方法
本专利技术涉及卫星目标覆盖领域，对多星多约束区域目标完全覆盖问题进行了研究，提供了基于一次覆盖条带最大化的成像卫星区域目标覆盖方法。
技术介绍
成像卫星在军事侦察、环境监测等领域有着广泛的应用。相比单颗成像卫星，多星构成的星座具有覆盖范围大、重访时间短、时间分辨率低及投资风险小等优点。目标覆盖是成像卫星的重要性能之一，目标覆盖面积的准确度严重影响到成像卫星的性能和数据计算的精确度，尤其是在多星多约束的情况下目标覆盖的精度更为重要。多星对于区域覆盖任务的规划及仿真分析主要完成的功能是基于某种规则寻找多星对该区域的最优或次优的覆盖方案，得到该方案后记录多星对该区域的覆盖任务的序列，该任务序列包含每个任务执行卫星的ID号、该任务执行的起始时间及终止时间、该任务执行时的传感器的侧摆角等序列信息。对于既定轨道的任务卫星对区域的覆盖率计算是根据已经安排好的任务序列，计算执行该任务序列结束后多星对该区域的覆盖率数据并记录该数据。卫星有效载荷是航天任务对象与航天系统之间的接口，有效载荷获取任务对象的信息，能量或物质，将信息和能量转变为便于卫星平台进行处理的形式，最后由平台将信息和能量传送到地面。有效载荷直接面对用户的需求，使用什么种类的有效载荷，有效载荷的性能如何，是卫星覆盖任务首先要分析的问题之一，只有选择好了有效载荷，轨道的设计及后续其他工作才能够进行。本文考虑的有效载荷为遥感有效载荷，包括CCD相机以及雷达SAR。卫星以推扫方式进行成像，以固定的空间轨道运动，在地面形成以星下点轨迹为中心线，由侧摆角、视场角和俯仰角等共同确定的成像覆盖条带。卫星成像问题可描述为：给定一段足够长时间T，编号为{1,…,m}的m颗成像卫星观测某个区域目标Area，这些卫星在时间T内有n次过境，每次过境持续时间tw＝[start,end]，称为时间窗口，n次过境活动组成一个窗口集W＝{tw1,tw2,…,twn}；一个时间窗口twi内，相应卫星以某个侧摆角度θi推扫形成条带覆盖区域Ai，twi＝[starti,endi]。从W中选出p个时间窗口tw1,tw2,…,twp，按开始时间start先后顺序排列，对应卫星条带序列{S1,S2,…,Sp}，在这p个时间窗口内条带覆盖区域A1,A2,…,Ap，其相应侧摆角序列Θ＝{θ1,θ2,…,θp}，获取时间t＝endp-start1。记区域目标Area对应区域A，令R＝S∩A,则多颗卫星对区域目标完全覆盖问题可表示为当R＝A时，t＝tmin。同时满足以下约束：①太阳高度角约束②成像分辨率约束③地面网格划分精度约束此时Θ＝{θ1,θ2,…,θp}侧摆角序列是卫星序列{S1,S2,…,Sp}的侧摆方案。对于该问题，卫星每次过境以不同侧视角度观测，对应不同的观测条带，取可选的观测带数目为K，取总的观测时间窗口数为N。以计算一个观测方案的时间为尺度，那么时间复杂度为O(KN)，即使K固定不变，该求解也需指数时间。因而，可以认为该问题为NP完备问题，其精确求解是很困难的，只能通过一定的方法求解一个近似的满意解。卫星区域覆盖分析方法主要有解析法、网格点法和基于几何运算的方法，目前最常用的是网格点法。区域覆盖本质是对网格点进行区域填充，然而此途径并不能判断边界网格是否严格落入覆盖填充区域，从而产生边界误差。各卫星以最大视场角计算条带依次对目标区域推扫覆盖，直到完全覆盖。只被覆盖一次的子区域为一次覆盖区域，一次覆盖区域中的点为最有可能遗漏的点，应该被优先覆盖。因此，要求卫星以瞬时视场角、不同的侧视角度对目标区域瞬时推扫覆盖，并根据覆盖策略选取合适的侧视角度加入观测方案。同时从区域目标中去掉选定观测角度推扫过的网格点，形成新的目标区域，然后重复该过程直至完全覆盖。
技术实现思路
针对上述存在的技术问题，本专利技术目的是提供基于一次覆盖条带最大化利用策略求解区域覆盖问题，该策略是以最大可视覆盖为目标，对区域进行一次完整的全覆盖，找出只被覆盖一次的区域。针对一次覆盖区域，以不同侧视角进行瞬时覆盖搜索，选择覆盖点数最多的侧视角度确定实际覆盖方案。算法复杂性不随问题规模扩大而显著增加，复杂度和搜索空间远小于遗传算法等智能算法。特别地，当区域离散网格化精度减小，取点数成指数倍增加时，该方法优势更加凸显。为达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于一次覆盖条带最大化的成像卫星区域目标覆盖方法，卫星每次以预设的角度为步长更改侧视角度，以瞬时视场角对一次覆盖区域网格进行扫描覆盖，每次推扫覆盖到的网格点属性t加1，未推扫的区域网格属性t不变，每次推扫的侧视角和覆盖面积被记录后，覆盖区域网格属性值重置，最后选择覆盖网格面积最大推扫角度加入侧视方案；如果出现多个一次覆盖区域，并且瞬时覆盖后的最大推扫面积相同时，卫星在目标区域中选择实际覆盖面积最大的侧视覆盖条带确定侧视角；否则，选择最大推扫面积的瞬时覆盖确定侧视角。而且，包括以下步骤，步骤1，拓展时间窗口语义，包括以下子步骤：步骤1.1，定义五元组d＝[开始时间,结束时间,卫星代号,侧视角度,一次覆盖标识]；步骤1.2，定义一次覆盖标识为-2、-1、0、1，分别表示时间窗口被分配、不可用、待分配、对应条带为一次覆盖条带，初始化为0；步骤2，预估并设定仿真时间段T；步骤3，设定网格精度划分网格，输入分辨率阀值、太阳高度角上下限、侧视步长δλ；步骤4，根据步骤2所设时间段T和步骤3所得太阳高度角约束，获取所有卫星对目标区域可视时间窗口，生成时间窗口五元组序列DS，DS中的所有五元组是按开始时间先后顺序排序的；步骤5，设扫描的区域M初始为区域目标所包含的网格集，设置M中所有网格点的属性t初始值为0；步骤6，重复执行以下子步骤，直至完全覆盖，实现区域步骤6.1，重复执行步骤(1)(2)(3)，直至找到一次覆盖状态或DS被遍历完毕：(1)每次从序列DS中按顺序取出一个五元组d，如果五元组d覆盖标识为-2或-1，则返回跳到步骤(1)按顺序取出下一个五元组d，否则执行下一步(2)；(2)五元组d覆盖标识置0，对五元组d所属卫星进行分辨率约束检验，方法如下：(3)元组d所属卫星以最大视场角计算条带，对区域M进行重叠覆盖；步骤6.2，如果没找到一次覆盖状态，则跳到步骤2，重新预估T或调整约束条件；步骤6.3，扫描区域M内所有网格点，如果扫描到的网格点的属性t＝1，则根据网格条带属性s置对应时间窗口五元组的覆盖标识为1。步骤6.4，遍历DS，对一次覆盖标识为1的时间窗口内五元组d，所属卫星在相同时间段以确定的瞬时视场角度，以δλ为步长，选择不同的侧视角度计算覆盖条带，依次对区域M进行推扫覆盖，确定最终的侧视角θ，更新元组d侧视角度为θ，置其覆盖标识为-2，记侧视角θ时的推扫区域网格集为m；步骤6.5，令M＝M-m，网格点属性值重置；步骤7，根据DS输出侧视序列方案，记输出为侧视序列方案条带集S＝{s1,s2,…,sn}。而且，在步骤7后进一步执行以下步骤进行优化，步骤8，覆盖步骤7输出的侧视序列方案条带集S＝{s1,s2,…,sn}，每个条带有固定的时间窗口和侧视角度；步骤9，s1,s2,…,sn以瞬时视场依次覆盖目标区域Area；步骤10，设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于一次覆盖条带最大化的成像卫星区域目标覆盖方法，其特征在于：卫星每次以预设的角度为步长更改侧视角度，以瞬时视场角对一次覆盖区域网格进行扫描覆盖，每次推扫覆盖到的网格点属性t加1，未推扫的区域网格属性t不变，每次推扫的侧视角和覆盖面积被记录后，覆盖区域网格属性值重置，最后选择覆盖网格面积最大推扫角度加入侧视方案；如果出现多个一次覆盖区域，并且瞬时覆盖后的最大推扫面积相同时，卫星在目标区域中选择实际覆盖面积最大的侧视覆盖条带确定侧视角；否则，选择最大推扫面积的瞬时覆盖确定侧视角。

【技术特征摘要】
1.一种基于一次覆盖条带最大化的成像卫星区域目标覆盖方法，其特征在于：卫星每次以预设的角度为步长更改侧视角度，以瞬时视场角对一次覆盖区域网格进行扫描覆盖，每次推扫覆盖到的网格点属性t加1，未推扫的区域网格属性t不变，每次推扫的侧视角和覆盖面积被记录后，覆盖区域网格属性值重置，最后选择覆盖网格面积最大推扫角度加入侧视方案；如果出现多个一次覆盖区域，并且瞬时覆盖后的最大推扫面积相同时，卫星在目标区域中选择实际覆盖面积最大的侧视覆盖条带确定侧视角；否则，选择最大推扫面积的瞬时覆盖确定侧视角。2.根据权利要求1所述基于一次覆盖条带最大化的成像卫星区域目标覆盖方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1，拓展时间窗口语义，包括以下子步骤：步骤1.1，定义五元组d＝[开始时间,结束时间,卫星代号,侧视角度,一次覆盖标识]；步骤1.2，定义一次覆盖标识为-2、-1、0、1，分别表示时间窗口被分配、不可用、待分配、对应条带为一次覆盖条带，初始化为0；步骤2，预估并设定仿真时间段T；步骤3，设定网格精度划分网格，输入分辨率阀值、太阳高度角上下限、侧视步长δλ；步骤4，根据步骤2所设时间段T和步骤3所得太阳高度角约束，获取所有卫星对目标区域可视时间窗口，生成时间窗口五元组序列DS，DS中的所有五元组是按开始时间先后顺序排序的；步骤5，设扫描的区域M初始为区域目标所包含的网格集，设置M中所有网格点的属性t初始值为0；步骤6，重复执行以下子步骤，直至完全覆盖，实现区域步骤6.1，重复执行步骤(1)(2)(3)，直至找到一次覆盖状态或DS被遍历完毕：(1)每次从序列DS中按顺序取出一个五元组d，如果五元组d覆盖标识为-2或-1，则返回跳到步骤(1)按顺序取出下一个五元组d，否则执行下一步(2)；(2)五元组d覆盖标识置0，对五元组d所属卫星进行分辨率约束检验，方法如下：(3)元组d所属卫星以最大视场角计算条带，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锋，蔡波，李肖冬，孙通，
申请(专利权)人：北京市遥感信息研究所，武汉大学，
类型：发明
国别省市：北京,11