基于视场角的遥感卫星成像多边形区域目标动态分解方法
潘耀;池忠明;饶启龙;罗达degree
【摘 要】考虑遥感卫星成像任务规划时对多边形区域目标的分解问题,提出了一种基于卫星视场角的区域目标动态分解方法.首先根据卫星的轨道特性,计算卫星对区域目标的可见时间窗口;在可见时间窗口内,计算卫星对区域目标的最大、最小有效观测角度;再以卫星的视场角为角度偏移量,同时考虑幅宽的动态变化,将区域目标分解成相互平行且幅宽不等的条带.仿真结果表明:文章提出的区域目标动态分解方法,能够将区域目标有效分解,与传统的区域目标分解方法相比,可明显提高遥感卫星对区域目标的观测效率.研究结果可为遥感卫星自主任务规划技术研究提供参考.%Considering the gmenting problem for remote nsing satellite imaging of polygon target,a dynamic gmenting method of polygon target bad on satellite FOV is propod.Firstly,the time windows of polygon target are calculated according to the characteristic of satellite orbit,and then the maximum and minimum effective obrving angles of polygon target are confirmed by the time windows.Lastly,considering the dynamic swath,polygon target is gmented into different
strips.Simulation results show that the method propod can improve the obrving efficiency of polygon target compared with the traditional method,and can be ud as a reference for remote nsing satellite autonomous mission planning.
【期刊名称】《航天器工程》
【年(卷),期】2017(026)003
【总页数】5页(P38-42)
【关键词】遥感卫星成像;多边形区域目标;卫星视场角;动态分解
congo
【作 者】潘耀;池忠明;饶启龙;罗达
【作者单位】上海卫星工程研究所,上海 201109;上海卫星工程研究所,上海 201109;上海卫星工程研究所,上海 201109;上海卫星工程研究所,上海 201109
【正文语种】香取慎吾中 文
【中图分类】V474.2
遥感卫星成像任务规划的目标类型主要有两类，分别是点目标和区域目标。区域目标的覆盖范围较大，卫星单次观测无法完成覆盖，必须先将其分解成一组成像条带集合，再安排卫星对条带进行观测。因此，区域目标分解是遥感卫星成像任务规划中的关键环节，分解方法在很大程度上影响了卫星对区域目标的观测效率。
目前，区域目标的分解方法主要有以下几种：①基于独立场景的点目标覆盖方法[1]，依据独立单景，将区域目标分解转化为集合覆盖问题；②基于固定宽度的条带分解方法[2-3]，依据卫星的飞行方向和成像幅宽，将区域目标分解为固定宽度的平行条带；③基于高斯投影的条带分解方法[4]，利用高斯投影将区域目标从大地坐标系转换到平面坐标系，在平面坐标系下对目标进行分解，再利用高斯反算将其转换到大地坐标系下；④基于预定义参考系的单景分解方法，依据定义的全球参考系将区域目标分解为多个独立的场景。这些分解方法处理的区域目标面积相对较小，对于经度差较大的区域目标分解误差较大；另外，采用高斯投影的分解方法时，要进行多次高斯投影及反向运算，计算量大，效率低。
针对以上区域目标分解方法的不足，本文提出了一种基于视场角的遥感卫星成像区域目标动态分解方法，可以对多边形区域目标进行有效地分解，得到卫星的姿态机动指令，并结
合算例进行仿真分析。本文的研究结果，可以为遥感卫星自主任务规划技术研究提供参考。
在解决多边形区域目标分解这一问题时，本文参考了文献[5]和文献[2]中提出的方法。文献[5]中设计了一种基于MapX的区域目标动态分解方法，采用立体几何的方法计算卫星对区域目标的覆盖范围，避免了由于高斯投影带来的巨大计算量，计算效率大大提高；但是，该方法得到的观测条带相互重叠，带来复杂的集合交运算。文献[2]中依据卫星的飞行方向和遥感器幅宽，将区域目标分解为固定宽度的平行条带，条带的宽度为固定值，方向相互平行，条带之间不存在重叠；但是，该方法没有考虑条带幅宽的动态变化。因此，本文将这两种方法结合起来，设计并实现了一种基于卫星视场角的多边形区域目标动态分解方法，并做出了如下改进：①按照固定的角度偏移量对区域目标进行分解，且偏移的角度就是卫星的视场角，同时考虑幅宽的动态变化[6]；条带方向与卫星飞行方向平行，条带之间不存在重复覆盖的情况，避免复杂的集合交运算，提高卫星对目标的观测效率。②采用立体几何的方法来计算观测条带的覆盖范围，避免高斯投影在大地坐标系与平面坐标系之间的反复变换，提高计算效率。
设待分解的多边形区域目标集合为T={T1,T2,…,TN}，分解后的条带集合为I={I1,I2,…,IN}。卫星侧摆机动角度范围为±g，卫星遥感器的视场角为Δg。条带分解时的角度偏移量为Δβ，且满足Δβ=Δg。卫星对区域目标Ti的时间窗口集合为Wi={wi,1,wi,2,…,wi,m}，即第i个区域目标的第m个时间窗口为wi,m。Ii,j,k为卫星在时间窗口wi,j内对区域目标Ti分解得到的第k条观测条带。βi,j,k和θi,j,k分别为卫星在时间窗口wi,j内对区域目标Ti分解得到的第k条观测条带的侧摆角和俯仰角。图1为本文提出的区域目标动态分解方法流程。
国外标志设计网站(1)根据卫星的轨道参数[7-9]，计算卫星对区域目标Ti的可见时间窗口集合Wi。
(2)遍历Wi中的每个可见时间窗口wi,j(1≤j≤m)，根据每个时间窗口对区域目标Ti进行分解。①计算在时间窗口wi,j内，卫星指向区域目标Ti的观测角度范围[10]，得到卫星对目标的最大侧摆角度gmax(i,j)和最小侧摆角度gmin(i,j)，最大俯仰角度θmax(i,j)和最小俯仰角度θmin(i,j)。②计算卫星对区域目标Ti的有效观测最小侧摆角度gS(i,j)和最大侧摆角度gE(i,j)，分别为式(1)和式(2)。③计算分解的条带数目n=(gE(i,j)-gS(i,j))/Δg，向上取整。按照不同的观测角度对区域目标进行分解。侧摆角βi,j,k从gS(i,j)开始，以Δβ=Δg为角度偏移量，俯仰角θi,j,k以Δθ=(θmax(i,j)-θmin(i,j))/(n-1)为角度偏移量，从θmax(i,j)开始，沿垂直于星下点轨
迹的方向进行偏移，直至gE(i,j)结束。④根据卫星对地覆盖区域的计算方法[6]，求得卫星对地覆盖条带的顶点坐标，从而得到了分解条带的坐标信息。⑤计算卫星对区域目标Ti在时间窗口wi,j内分解的条带集合Ii,j。
(3)将卫星对区域目标Ti在各个时间窗口内进行分解，得到条带集合Ii。
(4)依次分解其他区域目标，得到分解后的条带集合I={I1,I2,…,IN}，分解完毕，返回并输出结果。
abit
分解后的条带即为卫星的一个观测活动，可表示为
式中：p为观测条带的坐标信息。
英译汉
3.1 仿真条件设定
以我国中部地区某多边形区域作为研究对象，该区域目标的地理分布位置如图2所示。该区域目标的经纬度坐标及覆盖区域面积见表1。仿真中遥感卫星信息见表2。
correct
考虑单个轨道圈次内的任务规划问题，选取一个轨道圈次的时间为仿真场景时间。仿真开
始时间为2016-03-23T03：41：17(UTCG)，仿真结束时间为2016-03-23T05：28：32(UTCG)。利用STK软件求出卫星对区域目标的可见时间窗口为2016-03-23T04：08：40-04：30：48(UTCG)。
3.2 仿真结果及分析
利用本文中设计的区域目标动态分解方法，在仿真场景时间内对区域目标进行分解，得到了目标在星下点轨迹平面内的分解方案，如图3所示。由图3可知，卫星将区域目标分解为3个条带，基本能够完全覆盖区域目标，且各个条带之间不存在重复覆盖的情况；各个条带的宽度不同，且随着观测角度的变化而动态变化。各个观测条带的信息见表3。依据表3中各个条带的信息，即可生成卫星对区域目标观测的姿态机动指令。假设卫星沿着星下点轨迹方向向左侧摆为正，向右侧摆为负；向前俯仰为正，向后俯仰为负。
利用STK软件的覆盖性分析功能，计算卫星对区域目标的覆盖率，见表4。
为了验证本文设计的区域目标动态分解方法的优势，借助STK软件采用文献[2]中固定条带宽度的分解方法对区域目标进行分解，同时计算卫星对该区域目标的覆盖率，并将结果与
英语角主题
本文的结果进行比较。条带的宽度取卫星的星下点幅宽。表5为采用固定宽度的方法对区域目标分解得到的条带信息。其中，剩余视场角为卫星的实际视场角减去卫星的有效视场角。将本文的分解方法与文献[2]中的方法进行比较，见表6。
从表6中的结果可以发现，本文设计的区域目标分解方法在条带数目、剩余视场角、总覆盖率上都优于文献[2]中的方法。在条带数目上，本文方法比文献[2]中的方法要少1个条带，减小了由于频繁地机动对载荷可靠性的影响；在剩余视场角上，文献[2]中的方法，分解的条带宽度固定，导致卫星的观测视场有剩余，即有效观测视场角小于实际的视场角，造成资源浪费，而本文的方法剩余视场角为0°，即不存在视场剩余，提高了卫星的资源利用率；在总覆盖率上，文献[2]中的方法分解得到的条带覆盖率为83.80%，而本文方法得到的条带覆盖率达到了99.54%，比文献[2]中的方法提高了18.78%，基本能够完全覆盖区域目标。由表2可知，仿真中遥感卫星的视场角为16.30°，相对于传统的卫星来说，视场角较大。本文设计的区域目标动态分解方法，正是利用了卫星大视场的特点，同时考虑成像幅宽的动态变化，分解得到的条带数目少，条带覆盖率高，且条带之间不存在重复覆盖的情况，极大地提高了卫星对区域目标的观测效率。
文献[11]和文献[12]中均采用了高斯投影的方法来计算分解条带的位置信息。可以看出，该方法用到的高斯正算公式和高斯反算公式中均存在大量的逆运算和级数运算，当目标数量较多时，必然带来巨大的计算量，消耗大量的星载计算资源。而采用立体几何的方法计算观测条带的覆盖范围，计算公式中都是简单的代数运算和反函数运算，计算量小[5]。因此，将本文设计的区域目标分解方法与文献[5]中观测条带的计算方法结合使用，能够有效地提高遥感卫星任务规划时对区域目标成像的效率，有利于实现星上的自主任务规划。
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shake that本文设计的基于卫星视场角的区域目标动态分解方法，通过计算在可见时间窗口内卫星对区域目标的最大、最小有效观测角度，再以卫星的视场角为角度偏移量，将区域目标分解成相互平行且幅宽不同的条带，最终得到卫星对区域目标成像的姿态机动指令。仿真表明：该方法可以有效地解决大视场卫星对区域目标的分解问题，明显提高卫星对区域目标的观测效率，满足广域搜索等成像要求；同时，还降低了计算量，有利于实现遥感卫星的自主任务规划，减少地面对卫星的干预，提高卫星在轨运行的自主管理能力。
