一种基于云图的遥感卫星大区域拍摄规划方法与流程

1.本发明属于卫星遥感技术领域，涉及遥感卫星拍摄任务规划方法，具体是涉及一种基于云图的遥感卫星大区域拍摄规划方法。


背景技术：

2.遥感作为一种获取地球表面地物信息的主要手段，凭借其信息量丰富、覆盖面积大等特点，已经广泛应用于农业、林业、环境、地质、海洋、气象、测绘等各个领域。卫星任务规划是指通过考虑各种资源和需求等因素合理安排卫星的拍摄任务和数传任务，是卫星日常运控管理的主要工作。
3.卫星待拍摄的目标通常包括点目标和区域目标两种类型。由于点目标可被卫星一次拍摄覆盖，因此点目标拍摄任务的规划比较简单。而区域目标是需要卫星多次拍摄才能将其覆盖的目标，以中国为例，全国陆地范围的高分辨率数据覆盖通常是长周期的拍摄任务。另外，由于天气因素特别是云雾覆盖等影响，并不是所有拍摄数据都能获取有效的地物信息，区域内复杂的天气云量因素为任务规划增加了难度。因此，如何规划选择区域目标的每次具体的拍摄任务一直是任务规划领域的一大难题。
4.遥感卫星特别是光学遥感卫星执行拍摄任务的常用工作模式为线阵推扫，区域目标的拍摄需要被分解为多个单次推扫拍摄的子条带。传统的区域拍摄规划通常采用区域预分解的方法。第一种常用的分解方法是依据卫星的轨迹方向和遥感器幅宽，将区域分解为固定宽度的平行条带，该方法虽然简单易行，但仅适用于单颗卫星或轨道倾角相同、幅宽相同的同类型号卫星，并且使多个条带间的任务调度趋于复杂化。第二种常用的分解方法是根据卫星的实际过境机会，将区域分解成对应具体过境窗口的多个条带，该方法直接将拍摄条带分配给具体的过境窗口，内含条带间的调度过程，而且适用于多颗卫星。无论是基于卫星幅宽的直接分解方法，还是基于卫星过境机会的各种优化分解方法，区域分解时均未考虑区域的天气云量因素，卫星成像资源的有效利用率和区域覆盖任务的整体效率一般较低，仅适用于区域拍摄覆盖分析，不适用于实际的卫星大区域任务规划。因此，开发一种基于云图的大区域拍摄规划方法对合理使用卫星成像资源具有很大实用价值。


技术实现要素：

5.为解决传统的大区域目标分解规划方法由于云量导致的数据获取有效率低、区域覆盖效率低的问题，本发明提供一种基于云图的遥感卫星大区域拍摄规划方法，该方法是在卫星对大区域的每个过境窗口内分解区域。不同于传统的区域预分解方法，该方法将预报的云量信息作为选择拍摄范围的重要的参考因素，可看作是一种基于每次过境窗口云量信息的动态分解方法。本发明的主要目的是使每次拍摄任务都能获取区域内最大的有效覆盖面积，从而提高区域目标的整体覆盖效率。
6.为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：
7.一种基于云图的遥感卫星大区域拍摄规划方法，包括以下步骤：
8.步骤一：确定原始大区域目标范围和未拍摄范围，并在二维地图上同步显示所述原始大区域目标范围和所述未拍摄范围，以及设置规划条件，所述规划条件包括规划时段、卫星资源和侧摆角度限制；
9.步骤二：加载卫星轨迹，并计算卫星的可拍摄范围，并在所述二维地图上显示所述可拍摄范围和卫星地面轨迹；
10.步骤三：根据过境窗口对应的云图、所述可拍摄范围和所述未拍摄范围选择优选拍摄条带；
11.步骤四：微调所述优选拍摄条带的拍摄时长和侧摆角度，并根据微调后的优选拍摄条带的精确可见窗口信息、所述拍摄时长和所述侧摆角度生成拍摄任务。
12.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
13.相比于传统的大区域目标分解规划方法，为解决由云量导致的数据获取有效率低、区域覆盖效率低的问题，本发明所提出的一种基于云图的遥感卫星大区域拍摄规划方法根据每次过境窗口的云量信息即云图对大区域进行动态分解，利用预报的区域云图、有效数据底图等参考信息精确规划每次过境窗口的拍摄条带，选择成像条件较优的优选拍摄条带，提高了卫星对大区域目标拍摄的单次数据获取成功率和整体区域覆盖效率，并且有效减少卫星成像资源的浪费，完全满足规划遥感卫星对大区域需求的拍摄任务。由此规划方法规划的拍摄任务的数据有效率平均可达65％，明显高于传统的忽视云量的区域预分解方法，大区域整体覆盖效率也有显著提升。
附图说明
14.图1为本发明实施例提供的一种基于云图的遥感卫星大区域拍摄规划方法的流程示意图；
15.图2为原始大区域目标范围和未拍摄范围示意图；
16.图3为卫星地面轨迹和可拍摄范围示意图。
具体实施方式
17.下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
18.在其中一个实施例中，如图1所示，本发明提供一种基于云图的遥感卫星大区域拍摄规划方法，该方法包括以下步骤：
19.步骤一：区域目标未拍摄范围更新，设置规划条件
20.在本步骤中，首先确定原始大区域目标范围，然后根据原始大区域目标范围和已经有效获取的数据覆盖范围确定未拍摄范围，对大区域目标未拍摄范围进行更新，作为大区域拍摄规划的输入对象，并在二维地图上同步显示原始大区域目标范围和未拍摄范围。根据具体的规划业务要求设置规划条件，其中规划条件包括规划时段、卫星资源和侧摆角度限制。
21.步骤二：加载卫星轨迹，生成显示卫星可拍摄范围
22.在本步骤中，加载卫星轨迹，并计算卫星的可拍摄范围，并在二维地图上显示可拍摄范围和卫星地面轨迹。
23.可选地，步骤二具体包括以下步骤：
24.步骤二一：卫星轨道预报
25.以卫星的瞬时轨道根数为输入，通过构建卫星的摄动力模型，建立卫星运动方程，使用数值积分方法预报卫星的位置和速度，核心思路是由加速度积分求速度，由速度积分求位置，最终得到卫星轨道预报结果。卫星摄动力模型包含地球引力、日月引力、大气阻力和太阳光压等，可满足目标可见窗口计算等业务的精度要求。
26.步骤二二：大区域过境窗口和可拍摄范围计算
27.根据卫星轨道预报结果，即卫星规划时段内任意时刻的位置和速度，计算卫星对原始大区域目标范围的过境窗口，并根据侧摆角度限制和卫星载荷的视场角计算过境窗口对应的可拍摄范围，该可拍摄范围是以对应的卫星地面轨迹为中心线的条形区域。
28.步骤二三：显示卫星地面轨迹和可拍摄范围
29.根据卫星对大区域的可拍摄范围的计算结果，将卫星过原始大区域目标范围时段的地面轨迹和可拍摄范围的条形区域显示在二维地图上。
30.步骤三：选择优选拍摄条带
31.在本步骤中，根据过境窗口对应的云图、可拍摄范围和未拍摄范围辅助选择优选拍摄条带。
32.可选地，步骤三具体包括以下步骤：
33.步骤三一：选择一个过境窗口；
34.对于较大的区域，卫星一天内对其过境可能不止一次。根据实际的应用需求，从多个过境窗口中选择一个过境窗口，被选择的过境窗口用于进行后续的拍摄条带优选等操作。
35.步骤三二：加载显示过境窗口时间的云图
36.本实施例中云量预报使用的基础数据源是由中国气象局数值预报中心提供的nc文件，可以预报全球任意位置未来几天的云量情况。由计算的过境窗口时间的云量形成全球范围的云图，加载过境窗口对应的云图，并在二维地图上显示加载的云图。
37.步骤三三：优选此次过境窗口的拍摄条带
38.结合二维地图上已经显示的云图、可拍摄范围和未拍摄范围的底图等信息选择优选拍摄条带，该优选拍摄条带的云量小、未覆盖范围大。在选择的过境窗口的可拍摄范围内，通过点击地图操作选择待拍摄条带的中心点，卫星任务规划系统后台将自动拾取地图上该位置的经纬度信息，并快速计算卫星对该点的精确可见窗口和侧摆角度。
39.步骤四：微调优选拍摄条带，并据此安排拍摄任务
40.优选拍摄条带基本确定后，可通过微调优选拍摄条带的拍摄时长和侧摆角度来微调条带的长度和精确位置，微调完成后，根据微调后的优选拍摄条带的精确可见窗口信息、拍摄时长和侧摆角度创建具体的拍摄需求并生成拍摄任务。
41.相比于传统的大区域目标分解规划方法，为解决由云量导致的数据获取有效率低、区域覆盖效率低的问题，本实施例所提出的一种基于云图的遥感卫星大区域拍摄规划方法根据每次过境窗口的云量信息即云图对大区域进行动态分解，利用预报的区域云图、有效数据底图等参考信息精确规划每次过境窗口的拍摄条带，选择成像条件较优的优选拍摄条带，提高了卫星对大区域目标拍摄的单次数据获取成功率和整体区域覆盖效率，并且有效减少卫星成像资源的浪费，完全满足规划遥感卫星对大区域需求的拍摄任务。由此规
划方法规划的拍摄任务的数据有效率平均可达65％，明显高于传统的忽视云量的区域预分解方法，大区域整体覆盖效率也有显著提升。
42.下面给出本发明的基于云图的遥感卫星大区域拍摄规划方法在卫星的实际任务规划中的应用实例。
43.步骤1，区域目标未拍摄范围更新，设置规划条件
44.选取“光谱星全球一张图非洲一区”(图2中虚线框内区域范围)为实施样例，如图2所示，原始大区域目标范围是非洲一区陆地范围即图2中实线框内区域范围，实线框内区域范围中的白色区域范围是已经有效获取的数据覆盖范围，剩余黑色区域范围即为未拍摄范围。
45.规划时段设置为2021年7月6日5点至2021年7月7日5点，卫星资源选择吉林一号光谱01星和光谱02星，侧摆角度限制在15度以内，默认成像时长设置为100秒，侧摆间隔设置为0.05度。
46.步骤2，加载卫星轨迹，生成显示卫星可拍摄范围
47.步骤2.1卫星轨道预报：
48.以光谱01星和光谱02星2021年7月5日的轨道根数为输入进行轨道预报外推，得到两颗卫星在7月6日和7月7日两天的位置、速度等数据即得到卫星轨道预报结果，卫星轨道预报结果用于计算卫星对大区域的过境窗口。
49.步骤2.2大区域过境窗口和可拍摄范围计算：
50.根据卫星轨道预报结果，即卫星在规划时段内任意时刻的位置和速度，计算卫星对大区域的过境情况，两颗卫星星下线过大区域共计4个过境窗口。根据最大侧摆角和卫星载荷的视场角计算过境窗口对应的可拍摄范围，该可拍摄范围是以卫星地面轨迹为中心线的条形区域。
51.步骤2.3显示卫星地面轨迹和可拍摄范围：
52.将卫星过大区域时段的地面轨迹和可拍摄范围的条形区域显示在二维地图上。如图3所示，若将4个条形区域从右至左分别标记为1～4，其中条形区域1～4依次对应4次过境窗口，条形区域2、4对应的卫星是光谱01星，条形区域1、3对应的卫星是光谱02星。
53.步骤3，选择优选拍摄条带
54.步骤3.1从多个过境窗口中选择一个进行操作：
55.从4个过境窗口中选择条形区域2进行后续的拍摄条带优选等操作，窗口的时间区间为7月6日18:25:07～18:49:30。
56.步骤3.2加载显示过境窗口时间的云图：
57.计算过境窗口时间附近18:30:00时刻全球位置的云量值，云量值以云量百分比的形式呈现，将其等分为十级。根据每一个经纬度网格中预报的云量值和对应等级，形成可直观显示的云量热力图，简称云图。在二维地图上叠加显示云图，并以不同颜色代表不同的云量，例如蓝色表示云量较少，有利于数据拍摄，红棕色表示云量较大，不利于数据拍摄。
58.步骤3.3优选此次过境窗口的拍摄条带：
59.结合地图上已经显示的云图信息、可拍摄范围信息和未拍摄区域范围信息，选择云量小并且可获取较大面积数据的拍摄条带作为优选拍摄条带。优选拍摄条带中心点经纬度为(21.480,23.906)，卫星任务规划系统自动计算卫星对该点的精确可见窗口和侧摆角
度，可见时间为18:36:01，侧摆角度为-8.79度，拍摄时长为100秒。
60.步骤4，微调优选拍摄条带，并据此安排拍摄任务
61.优选拍摄条带基本确定后，可微调拍摄时长和侧摆角度。由于条带前后区域的云量也较小，所以将拍摄时长延长为130秒，侧摆角度则无需再调整。最后，根据优选拍摄条带的详细信息添加拍摄需求并安排卫星拍摄任务。
62.卫星拍摄任务规划后，卫星根据指令执行成像任务和数传任务，地面站接收卫星下传的原始数据并传回卫星数据中心，数据中心进行数据的生产处理。在此次任务的拍摄结果中，31景产品数据中，仅有2景的云量超过20％，全部数据的整体云量覆盖占比约5％，此次任务拍摄的数据整体有效率约95％，达到了本发明规划方法的预期效果。
63.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
64.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。