基于区域相交的地面非规则区域卫星过境快速预报方法与流程

1.本发明属于卫星过境预报技术领域，具体涉及一种基于区域相交的地面非规则区域卫星过境快速预报方法。


背景技术：

2.在宇宙空间，有各种形状和不同大小的人造地球卫星在不停地运行，它们担负着侦察敌情、传送信息、探测地球资源等任务。卫星经过地面目标区域时，在视场约束下可以观测目标的时间范围称为可见时间窗口。它是卫星对地面目标执行观测任务的基础，任何观测任务都必须在可见窗口内执行，时间窗口计算具有重要的意义，可以为地面目标提供卫星过境时段。
3.针对地面上的非规则区域，传统的计算方法主要是射线投影法，其通过判断射线与非规则区域是否相交来实现卫星对地面非规则区域的可见性判断。然而，该方法需要循环迭代，计算效率较慢。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于区域相交的地面非规则区域卫星过境快速预报方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种基于区域相交的地面非规则区域卫星过境快速预报方法，包括：s1：计算大地坐标系下地面非规则区域外接圆的几何位置信息；s2：根据上述几何位置信息建立地面非规则区域外接圆的几何可见性模型，并进行几何可见性判断；s3：基于步骤s2得到的几何可见性判断结果，对卫星载荷特征与地面非规则区域相交的载荷可见性进行判断，并输出对应的时刻点集合。
5.在本发明的一个实施例中，步骤s1包括：s11：获取地面非规则区域n个顶点的经纬高坐标信息，并据此计算地面非规则区域外接圆圆心o的位置，计算公式如下：其中，、、分别表示圆心o的经纬高坐标信息，、、分别表示n个顶点的经纬高坐标信息，；s12：找出n个顶点中与圆心o的距离最大的顶点a，计算圆心o到顶点a的球面距离，以得到地面非规则区域外接圆的半径。
6.在本发明的一个实施例中，步骤s2包括：s21：基于卫星的空间位置信息、地心角以及所述地面非规则区域外接圆的几何位置信息建立该外接圆的几何可见性模型；s22：根据所述几何可见性模型计算地面非规则区域外接圆半径对应的地心角；s23：根据所述几何可见性模型计算不同时刻点对应的卫星的几何约束角；s24：计算不同时刻点对应的外接圆的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角；s25：当满足时，则判定卫星对外接圆区域几何可见，输出对应时刻点集合，。
7.在本发明的一个实施例中，步骤s24包括：24a) 将大地坐标系下的卫星经纬高和外接圆圆心o的位置经纬高转换为地心地固坐标系下的和；24b) 按照下式计算不同时刻点对应的外接圆圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角：其中，表示地球半径。
8.在本发明的一个实施例中，步骤s3包括：s31：在满足几何可见性的基础上，利用射线法判断卫星星下点x与地面非规则区域的位置关系；s32：若所述卫星星下点x的位置在地面非规则区域内部，则载荷可见，输出对应的时刻点集合，；否则，跳转至步骤s33；s33：计算点x到地面非规则区域的最短球面距离；s34：计算卫星圆锥载荷球面范围的半径；s35：当满足时，则载荷可见，输出对应的时刻点集合，；s36：整理和，得到最终的卫星过境时段。
9.在本发明的一个实施例中，所述步骤s31包括：在几何可见性窗口内，从卫星星下点x水平向右作射线，并与地面非规则区域相较于若干个点；若交点个数为偶数或者0时，则点x在地面非规则区域外部；若交点个数为奇数时，则点x在地面非规则区域内部。
10.在本发明的一个实施例中，所述步骤s33包括：33a) 从点x出发，在平面经纬度坐标系下计算卫星星下点到非规则区域所有顶点的距离，以得到距离最短的顶点d；33b) 取非规则区域上以d为端点的相邻两条线段da和dc；
33c) 计算点x到线段da的最短距离和点x到线段dc的最短距离；33d) 比较和的大小，并计算较小值对应的点位的经纬度坐标；33e) 根据较小值对应的点位经纬度坐标以及点x的坐标，计算最短的球面距离。
11.在本发明的一个实施例中，步骤33c)包括：计算和的角度；根据和的角度信息计算和，计算公式如下：，计算公式如下：其中，e和f分别为线段da和dc上的点。
12.在本发明的一个实施例中，步骤s34包括：34a) 根据卫星的侧摆角度计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角，计算公式如下：其中，为地球半径，为卫星空间位置信息中的高度信息，为卫星侧摆角；34b) 根据卫星圆锥载荷视场对应的地心角计算卫星圆锥载荷球面范围的半径，计算公式如下：。
13.本发明的有益效果：本发明一方面利用几何模型通过代数计算大幅减少了计算量，另一方面通过引入基于外接圆的几何可见性判断快速筛选出可见窗口时段，进一步减少了计算量，从而可以实现卫星过境快速预报，克服了传统侦察卫星对地面非规则目标区域可见性计算中插值、循环迭代带来的计算求解较慢问题，提高了计算效率。
14.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
15.图1是本发明实施例提供的一种基于区域相交的地面非规则区域卫星过境快速预报方法的流程示意图；图2是本发明实施例提供的非规则区域外接圆示意图；图3是本发明实施例提供的基于外接圆的几何可见性模型示意图；图4是本发明实施例提供的卫星星下点落在非规则区域内部示意图；图5是本发明实施例提供的卫星星下点与非规则区域最短距离示意图；图6是本发明实施例提供的射线法示意图；
图7是本发明实施例提供的点与区域的最短距离计算示意图。
具体实施方式
16.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
17.实施例一请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于区域相交的地面非规则区域卫星过境快速预报方法的流程示意图，其包括：s1：计算大地坐标系下地面非规则区域外接圆的几何位置信息。
18.s11：获取地面非规则区域n个顶点的经纬高坐标信息，并据此计算地面非规则区域外接圆圆心o的位置。
19.具体的，请参见图2，图2是本发明实施例提供的非规则区域外接圆示意图。已知非规则区域有n个顶点，其经纬高坐标分别为：、，
…
,则非规则区域的几何圆心o可以表示为：其中，、、分别表示圆心o的经纬高坐标信息，、、分别表示n个顶点的经纬高坐标信息，。
20.s12：找出n个顶点中与圆心o的距离最大的顶点a，计算圆心o到顶点a的球面距离，以得到地面非规则区域外接圆的半径。
21.首先，在平面经纬度坐标系下计算出o到所有顶点的距离，找出距离最大值对应的顶点a的位置。将大地坐标系下的o点坐标和a点坐标转化为地心地固坐标系下的和：式中，表示地球半径。
22.需要说明的是，平面经纬度坐标系为二维坐标系，其与大地坐标系下的经纬度数值一致。
23.然后，计算o点和a点对应的地心角：计算o点和a点的球面距离：
该距离即可作为地面非规则区域外接圆的半径。
24.s2：根据上述几何位置信息建立地面非规则区域外接圆的几何可见性模型，并进行几何可见性判断。
25.s21：基于卫星的空间位置信息、地心角以及所述地面非规则区域外接圆的几何位置信息建立该外接圆的几何可见性模型。
26.具体的，请参见图3，图3是本发明实施例提供的基于外接圆的几何可见性模型示意图，其中，oe表示地心，o表示地面非规则区域外接圆的圆心，s表示卫星质心，表示地面非规则区域外接圆半径对应的地心角，表示卫星圆锥载荷视场对应的地心角，表示地面圆形区域的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角，表示地球半径，r为卫星距离地心的距离。
27.s22：根据所述几何可见性模型计算地面非规则区域外接圆半径对应的地心角。
28.具体的，根据图3中的几何关系，采用弧度公式可得：s23：根据所述几何可见性模型计算不同时刻点对应的卫星的几何约束角。
29.首先，基于卫星的轨道根数文件（tle），采用sgp4轨道外推算法计算得到卫星不同时刻点在空间中所处的位置，包含大地坐标系下的经度、维度和高度。
30.然后，根据几何关系，可知：则几何约束角的计算公式为：s24：计算不同时刻点对应的外接圆的圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角。
31.具体的，根据几何关系可知：因此，可根据上式求解夹角，具体如下：24a) 将大地坐标系下的卫星经纬高和外接圆圆心o的位置经纬高转换为地心地固坐标系下的和，公式表示为：
则有：则有：24b) 按照下式计算不同时刻点对应的外接圆圆心位置、地心连线与卫星质心、地心连线的夹角：s25：当满足时，则判定卫星对外接圆区域几何可见，输出对应时刻点集合，。
32.本实施例通过引入基于外接圆的几何可见性判断可以快速筛选可见窗口时段，减少了计算量，提高了计算速度。
33.s3：基于步骤s2得到的几何可见性判断结果，对卫星载荷特征与地面非规则区域相交的载荷可见性进行判断，并输出对应的时刻点集合。
34.在本实施例中，基于区域相交对载荷可见性进行分析时，卫星载荷最大覆盖范围与地面非规则区域有交集时存在以下两种情况：情况1：卫星星下点落在非规则区域内部，则卫星载荷范围一定与非规则区域有交集，如图4所示。
35.情况2：卫星星下点距离非规则区域的最近距离d小于卫星载荷范围半径r，如图5所示。
36.因此，在满足几何可见性的基础上，进一步通过区域相交的情况判断载荷可见性。
37.具体的，步骤s3包括以下子步骤：s31：在满足几何可见性的基础上，利用射线法判断卫星星下点x与地面非规则区域的位置关系。
38.请参见图6，图6是本发明实施例提供的射线法示意图。具体的，在几何可见性窗口内，从卫星星下点x水平向右作射线，并与地面非规则区域相较于若干个点；若交点个数为偶数或者0时，则点x在地面非规则区域外部；若交点个数为奇数时，则点x在地面非规则区域内部。
39.s32：若所述卫星星下点x的位置在地面非规则区域内部，则载荷可见，输出对应的时刻点集合，；否则，跳转至步骤s33。
40.s33：计算点x到地面非规则区域的最短球面距离；具体的，如果卫星星下点x不在非规则区域内部，则需要进一步计算该点x到地面非规则区域的最短球面距离，具体如下：
33a) 从点x出发，在平面经纬度坐标系下计算卫星星下点到非规则区域所有顶点的距离，以得到距离最短的顶点d。
41.33b) 取非规则区域上以d为端点的相邻两条线段da和dc。
42.请参见图7，图7是本发明实施例提供的点与区域的最短距离计算示意图。
43.其中，点x、d以及线段da和dc构成了
△
xda和
△
xdc两个三角形。
44.33c) 计算点x到线段da的最短距离和点x到线段dc的最短距离；首先，计算和的角度，并判断其是否为钝角，计算公式如下：的角度，并判断其是否为钝角，计算公式如下：然后，根据和的角度信息计算和，计算公式如下：，计算公式如下：其中，e和f分别为线段da和dc上的点。
45.33d) 比较和的大小，并计算较小值对应的点位的经纬度坐标；具体的，在本实施例中，较小值对应的点位可以是d点、可以是e点，也可以是f点。
46.若较小值对应的点位为d点，则直返回最短距离xd和d点坐标：若较小值对应的点位为e点或者f点，则根据向量、或、计算e点或者f点的经纬度坐标，并返回最短距离xe或者xf。
47.具体的，以e点为例，通过d点坐标和下式计算得到e点坐标：具体的，以e点为例，通过d点坐标和下式计算得到e点坐标：33e) 根据较小值对应的点位经纬度坐标以及点x的坐标，计算最短的球面距离。
48.具体的，通过经纬度坐标转化，可计算出x点到d点、或e点、或f点的实际球面距离、或，并将其作为卫星星下点x距离非规则区域的最短距离为。
49.s34：计算卫星圆锥载荷球面范围的半径。
50.34a) 根据卫星的侧摆角度计算卫星圆锥载荷视场对应的地心角，计算公式如下：其中，为地球半径，为卫星空间位置信息中的高度信息，为卫星侧摆角；34b) 根据卫星圆锥载荷视场对应的地心角计算卫星圆锥载荷球面范围的半径，计算公式如下：s35：当满足时，则载荷可见，输出对应的时刻点集合，；s36：整理和，得到最终的卫星过境时段。
51.本发明一方面利用几何模型通过代数计算大幅减少了计算量，另一方面通过引入基于外接圆的几何可见性判断快速筛选出可见窗口时段，进一步减少了计算量，从而可以实现卫星过境快速预报，克服了传统侦察卫星对地面非规则目标区域可见性计算中插值、循环迭代带来的计算求解较慢问题，提高了计算效率。
52.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。