基于区域划分和局部网格嵌套的遥感卫星区域观测方法与流程

1.本发明属于遥感卫星任务观测领域，具体的说是一种基于区域划分和局部网格嵌套的遥感卫星区域观测方法。


背景技术：

2.遥感卫星，是用作在地球外层空间遥感平台的人造卫星。当遥感卫星沿地球同步轨道运行时，它能连续地对地球表面某些指定地域进行观测。遥感卫星获取的数据可应用到农业、林业、海洋、国土、环保、气象等领域。单颗卫星一次过境只能拍摄一个有限长度和宽度的条带区域，如果待观测的区域较大，则单颗卫星多次过境也难以完整观测整个区域。在这种情况下，必须调动多颗卫星同时规划以提供协同观测。
3.为了更好的利用现有的卫星观测资源，应当制定一个合理的计划，需要根据目标区域信息和卫星的参数来规划卫星在运行到达目标区域上空时的观测姿态、观测的起始时间以及结束时间，使得多颗卫星的协同观测的效果尽可能的满足观测需求。这是一类典型的运筹优化问题，存在迫切的现实需求。
4.这是一个与计算几何高度耦合的问题，在早期研究单个卫星的覆盖观测时，目标区域会被机械地划成几个紧密排列的平行条带。但由于不同卫星的轨道不统一，该方法仅适用于单颗卫星观测覆盖，不适合多颗卫星观测覆盖。在多卫星区域观测问题的处理中，网格离散化方法是目前区域处理的常用手段。然而，网格离散法在使用中很难直接确定最佳网格粒度，关于网格粒度的确定，在大多数实际应用中都是凭借经验确定的。当网格划分的粒度较大时，在此基础上构造出的条带会比较稀疏，不利于方案的组合；当网格划分的粒度较小时，会产生数量较大的网格，随之产生的条带不仅数量较大，在位置上的排列也非常密集，会造成较大的计算负担和搜索负担。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于区域划分和局部网格嵌套的遥感卫星区域观测方法，以期能达到计算资源消耗与解的最优性之间的平衡，以合适的计算资源得到多卫星的观测条带，从而能在实际环境下充分利用卫星资源，得到合适的多卫星协同观测方案。
6.本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
7.本发明一种基于区域划分和局部网格嵌套的遥感卫星区域观测方法的特点在于，用r表示待观测的目标区域，|r|表示所述目标区域r的面积大小；用c＝{c1,c2,...,c
i
,...,c
n
}表示按照时间排列的所有卫星的成像窗口，即观测机会，c
i
表示第i个观测机会，n表示观测机会的数量；
8.用b
i
表示第i个观测机会c
i
的最早观测开始时刻，用e
i
表示第i个观测机会c
i
的最晚观测结束时刻，用l
i
表示第i个观测机会c
i
对应的轨道在地球表面的投影直线，用w
i
表示第i个观测机会c
i
的最大偏转角度；
9.步骤1、获取第i个观测机会c
i
对应的轨道投影直线l
i
，最早观测开始时刻b
i
，最晚观测结束时刻e
i
，对应的轨道在地球表面的投影l
i
，最大偏转角度w
i
；
10.步骤2、计算第i个观测机会c
i
的最大观测区域
11.步骤2.1、在投影l
i
上找到b
i
时刻的对应位置投影点p
ib
，并过p
ib
点作与投影l
i
垂直的直线 l
ib
；
12.步骤2.2、在投影l
i
上找到e
i
时刻的对应位置投影点p
ie
，过p
ie
点作与投影l
i
垂直的直线l
ie
；
13.步骤2.3、计算第i个观测机会c
i
对应的卫星向左偏转角度为w
i
时，观测范围的左侧最远点 p
il
，过p
il
点作与投影l
i
平行的直线l
il
；
14.步骤2.4、计算第i个观测机会c
i
对应的卫星向右偏转角度为w
i
时，观测范围的右侧最远点 p
ir
，过p
ir
点作与投影l
i
平行的直线l
ir
；
15.步骤2.5、由四条直线l
ib
,l
ie
,l
il
和l
ir
构成的封闭区域即为第i个观测机会c
i
的最大观测区域 lr
ci
；
16.步骤3、根据最大观测区域将目标区域r划分成n个局部区域；其中，根据最大观测区域 lr
ci
划分得到第i个局部区域；
17.步骤4、令k表示网格层级，并初始化k＝1，对目标区域r进行统一的初级划分，得到目标区域r的初级网格，并作为第k层网格；
18.步骤5、构造第i个观测机会c
i
在第k层网格上的备选条带集合其中，表示第i个观测机会c
i
在第k层网格上构成的第j个备选条带，表示第i个观测机会c
i
在第k层构造出的备选条带的数量；
19.步骤6、对局部区域进行嵌套，用于构造新层级的备选条带集合：
20.步骤6.1、令i＝1；令k
max
表示最大嵌套层级数；
21.步骤6.2、设定第i个观测机会c
i
的最终嵌套层级k
i
∈[1,k
max
]中的一个随机整数；
[0022]
步骤6.3、如果k
i
＝1，则执行步骤6.4；否则，对第i个局部区域进行嵌套划分：
[0023]
步骤6.3.1、令k＝1，找到第k层网格中所有四个顶点都位于第i个局部区域内的单元格；
[0024]
步骤6.3.2、将所找到的单元格均划分成边长为原始边长1/2的完全相同的4个小单元格；
[0025]
步骤6.3.3、将k 1赋值给k，重复步骤6.3.2，直到k＝k
i
为止；
[0026]
步骤6.4、将i 1赋值给i，若i＜n，则重复步骤6.3；否则，表示在第i个局部区域上划分得到k
i
层网格，并转步骤7；
[0027]
步骤7、根据对应的局部区域为每个观测机会构造备选条带集合：
[0028]
步骤7.1、令i＝1；
[0029]
步骤7.2、在第i个观测机会c
i
对应的局部区域内根据最终划分得到的k
i
层网格构造条带，并将条带放入备选条带集合中；
[0030]
步骤7.3、从备选条带集合中随机选择一个条带；
[0031]
步骤7.4、将i 1赋值给i，返回步骤7.2，直到i＝n为止，从而由n个条带构成观测方案。
[0032]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0033]
本发明采用“分而治之”的思想提出局部区域的概念，即将整体目标区域按照卫星观测机会的最大观测范围划分成多个相互独立互不干扰的局部区域；不同的局部区域可使用不同粒度的网格进行离散，独立构造适合的条带；因为所有局部区域的网格都是基于共同的初级网格嵌套而来的，使得不同粒度的网格可以相互融合，在不同层级的网格上构造出的条带也可以同时存在，共同构成完整的观测方案，从而解决了区域目标网格粒度选择难的问题，提高了区域处理的灵活性，有助于以合适的计算资源得到较好的多卫星协同观测方案。
附图说明
[0034]
图1为本发明基于区域划分和局部网格嵌套的遥感卫星区域观测方法的流程图；
[0035]
图2为本发明多卫星区域目标协同观测图；
[0036]
图3为本发明局部区域划分图；
[0037]
图4为本发明局部区域网格嵌套图；
[0038]
图5为本发明观测方案图。
具体实施方式
[0039]
在本实施例中，如图2所示，一种基于区域划分和局部网格嵌套的遥感卫星区域观测方法，是应用于多颗卫星协同观测一个目标区域的规划中，其优化目标是使观测方案对区域目标的覆盖率尽可能大。用r表示待观测的目标区域，|r|表示所述目标区域r的面积大小；单个观测机会仅能覆盖目标区域的一小部分，因此需要由多个观测机会协同观测，用 c＝{c1,c2,...,c
i
,...,c
n
}表示按照时间排列的所有卫星通过待观测区域上空的成像窗口，即观测机会。c
i
表示第i个观测机会，n表示观测机会的数量；
[0040]
用b
i
表示第i个观测机会c
i
的最早观测开始时刻，用e
i
表示第i个观测机会c
i
的最晚观测结束时刻，用l
i
表示第i个观测机会c
i
对应的轨道在地球表面的投影的近似直线，用w
i
表示第i 个观测机会c
i
的最大偏转角度，在观测机会c
i
内卫星在垂直于飞行轨道的平面上向两侧偏转的角度不得大于w
i
；
[0041]
如图1所示，该遥感卫星区域观测方法是按如下步骤进行：
[0042]
步骤1、获取第i个观测机会c
i
对应的轨道投影直线l
i
，最早观测开始时刻b
i
，最晚观测结束时刻e
i
，对应的轨道在地球表面的投影l
i
，最大偏转角度w
i
；
[0043]
步骤2、计算第i个观测机会c
i
的最大观测区域
[0044]
步骤2.1、如图3所示，在投影l
i
上找到b
i
时刻的对应位置投影点p
ib
，并过p
ib
点作与投影 l
i
垂直的直线l
ib
；
[0045]
步骤2.2、在投影l
i
上找到e
i
时刻的对应位置投影点p
ie
，过p
ie
点作与投影l
i
垂直的直线l
ie
；
[0046]
步骤2.3、计算第i个观测机会c
i
对应的卫星向左偏转角度为w
i
时，观测范围的左侧最远点 p
il
，过p
il
点作与投影l
i
平行的直线l
il
；
[0047]
步骤2.4、计算第i个观测机会c
i
对应的卫星向右偏转角度为w
i
时，观测范围的右侧最远点 p
ir
，过p
ir
点作与投影l
i
平行的直线l
ir
；
[0048]
步骤2.5、由四条直线l
ib
,l
ie
,l
il
和l
ir
构成的封闭区域即为第i个观测机会c
i
的最大观测区域
[0049]
步骤3、根据最大观测区域将目标区域r划分成n个局部区域；其中，根据最大观测区域划分得到第i个局部区域；不同的局部区域之间可以存在重叠，但互不影响。局部区域的划分是抽象的，所以不同的局部区域之间可以存在重叠，但互不影响。如果机会c1和机会c2对应的局部区域和存在重叠，对局部区域进行从k到k 1层的划分仅仅意味着机会c1具备了构造出第k 1层条带的条件，对机会c2不会产生任何影响。
[0050]
步骤4、令k表示网格层级，并初始化k＝1，对目标区域r进行统一的初级划分，得到目标区域r的初级网格，并作为第k层网格；
[0051]
步骤5、参考专利《考虑传感器侧摆的多成像卫星区域覆盖任务规划方法》，构造第i个观测机会c
i
在第k层网格上的备选条带集合其中，表示第i个观测机会c
i
在第k层网格上构成的第j个备选条带，表示第i个观测机会c
i
在第k层构造出的备选条带的数量；
[0052]
步骤6、如图4所示，对局部区域进行嵌套，用于构造新层级的备选条带集合：
[0053]
步骤6.1、令i＝1；令k
max
表示最大嵌套层级数；
[0054]
步骤6.2、设定第i个观测机会c
i
的最终嵌套层级k
i
∈[1,k
max
]中的一个随机整数；
[0055]
步骤6.3、如果k
i
＝1，则执行步骤6.4；否则，对第i个局部区域进行嵌套划分：
[0056]
步骤6.3.1、令k＝1，找到第k层网格中所有四个顶点都位于第i个局部区域内的单元格；
[0057]
步骤6.3.2、将所找到的单元格均划分成边长为原始边长1/2的完全相同的4个小单元格；
[0058]
步骤6.3.3、将k 1赋值给k，重复步骤6.3.2，直到k＝k
i
为止；
[0059]
步骤6.4、将i 1赋值给i，若i＜n，则重复步骤6.3；否则，表示在第i个局部区域上划分得到k
i
层网格，并转步骤7；
[0060]
步骤7、根据对应的局部区域嵌套后的网格为每个观测机会构造备选条带集合；同步骤5，基于网格的条带构造方法可参考专利《考虑传感器侧摆的多成像卫星区域覆盖任务规划方法》：
[0061]
步骤7.1、令i＝1；
[0062]
步骤7.2、在第i个观测机会c
i
对应的局部区域内根据最终划分得到的k
i
层网格构造条带，并将条带放入备选条带集合中；
[0063]
步骤7.3、从备选条带集合中随机选择一个条带；
[0064]
步骤7.4、将i 1赋值给i，返回步骤7.2，直到i＝n为止，从而由n个条带构成观测方案, 如图5所示。