基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法及设备

摘要

本发明提供了一种基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法及设备，包括：步骤1、输入目标覆盖区域，对区域进行六边形离散化处理；步骤2、读入星座中每颗卫星参数，利用轨道六根数计算星下点轨迹；步骤3、利用视线方程计算出每颗卫星的对地覆盖模型，进行实时仿真计算；步骤4、随机选取特定时刻计算星座瞬时对目标区域覆盖率，并计算平均覆盖率；步骤5、以计算得到的平均覆盖率为优化目标，采用改进的模拟退火算法，搜索满足该目标且所需卫星数目最少的构型。本发明通过基于六边形离散化技术和模拟退火算法建立了相应的求解模型，对满足最大观测面积需求的星座构型进行优化设计，并且可以输出多种不同卫星星座构型以供选择。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及遥感技术领域，尤其涉及一种基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法及设备。

背景技术

卫星对地成像覆盖技术应用广泛且具有重要意义。在星座优化设计过程中，需要使用多颗成像卫星协同对单个较大的区域目标进行成像观测。为保证卫星对特定目标或区域的覆盖，同时减少完成任务所需成本，设计合理的卫星对地成像覆盖星座分布十分重要。如在一个短的时间区内，用户部门急需某一个较大区域的影像数据，但由于给定的时间过短，且覆盖机会的数量较少，即使使用全部的覆盖机会，也无法将该区域完整地拍摄下来。因此，开发一种基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法及设备，可以有效克服上述相关技术中的缺陷，就成为业界亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法及设备。

第一方面，本发明的实施例提供了一种基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法，包括：步骤1、输入目标覆盖区域，对区域进行六边形离散化处理；步骤2、读入星座中每颗卫星参数，利用轨道六根数计算星下点轨迹；步骤3、利用视线方程计算出每颗卫星的对地覆盖模型，进行实时仿真计算；步骤4、随机选取特定时刻计算星座瞬时对目标区域覆盖率，并计算平均覆盖率；步骤5、以计算得到的平均覆盖率为优化目标，采用改进的模拟退火算法，搜索满足该目标且所需卫星数目最少的构型。

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法，所述步骤2中的利用轨道六根数计算星下点轨迹，包括：

其中，a为轨道高度，e为轨道倾角，Ω为升交点赤径，i为偏心率，ω为近地点幅角，M为真近点角，λ为星下点位置参数赤经，

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法，在所述利用轨道六根数计算星下点轨迹之后，还包括：

其中，T为卫星运行周期，Δλ

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法，所述步骤4中的随机选取特定时刻计算星座瞬时对目标区域覆盖率，包括：判断各六边形网格与卫星覆盖带相交情况,以有交六边形网格数除以全部网格数作为当前时刻覆盖率,通过随机选取不同时刻的卫星运行情况计算瞬时覆盖率，然后计算瞬时覆盖率的平均值得到平均覆盖率。

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法，所述步骤5中的以计算得到的平均覆盖率为优化目标，采用改进的模拟退火算法，搜索满足该目标且所需卫星数目最少的构型，包括：步骤5.1、给定一个较高的初始温度T＝T

第二方面，本发明的实施例提供了一种基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型装置，包括：第一主模块，用于输入目标覆盖区域，对区域进行六边形离散化处理；第二主模块，用于读入星座中每颗卫星参数，利用轨道六根数计算星下点轨迹；第三主模块，用于利用视线方程计算出每颗卫星的对地覆盖模型，进行实时仿真计算；第四主模块，用于随机选取特定时刻计算星座瞬时对目标区域覆盖率，并计算平均覆盖率；第五主模块，用于以计算得到的平均覆盖率为优化目标，采用改进的模拟退火算法，搜索满足该目标且所需卫星数目最少的构型。

第三方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法。

第四方面，本发明的实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法。

本发明实施例提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法及设备，通过基于六边形离散化技术和模拟退火算法建立了相应的求解模型，提出了新的求解策略，对满足最大观测面积需求的星座构型进行优化设计，并且可以输出多种不同卫星星座构型以供选择。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法流程图；

图2为本发明实施例提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的卫星星下点在地球上的各个位置参数效果示意图；

图5为本发明实施例提供的六边形网格覆盖分析方法效果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

为尽可能地使覆盖效率最大化，希望制定一个星座优化设计方案，在消耗资源最少的情况下，达到对目标区域平均覆盖率的要求。该问题即为资源有限情形下，基于覆盖面积评估的卫星星座构型优化问题。针对该问题，基于六边形离散化技术和模拟退火算法建立了相应的求解模型，提出一种新的求解策略，对满足最大观测面积需求的星座构型进行优化设计，同时输出多种不同卫星星座构型以供选择。基于这种思想，本发明实施例提供了一种基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法，参见图1，该方法包括：步骤1、输入目标覆盖区域，对区域进行六边形离散化处理；步骤2、读入星座中每颗卫星参数，利用轨道六根数计算星下点轨迹；步骤3、利用视线方程计算出每颗卫星的对地覆盖模型，进行实时仿真计算；步骤4、随机选取特定时刻计算星座瞬时对目标区域覆盖率，并计算平均覆盖率；步骤5、以计算得到的平均覆盖率为优化目标，采用改进的模拟退火算法，搜索满足该目标且所需卫星数目最少的构型。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法，所述步骤2中的利用轨道六根数计算星下点轨迹，包括：

其中，a为轨道高度，e为轨道倾角，Ω为升交点赤径，i为偏心率，ω为近地点幅角，M为真近点角，λ为星下点位置参数赤经，

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法，在所述利用轨道六根数计算星下点轨迹之后，还包括：

其中，T为卫星运行周期，Δλ

在另一实施例中，步骤1、输入目标覆盖区域，对区域进行六边形离散化处理；步骤2、读入星座中每颗卫星参数，利用轨道六根数计算星下点轨迹，为了在满足对目标区域的覆盖需求同时具有良好的全球覆盖性能，实施例选用Walker星座构型作为基本构型，搜索该状态空间内的最优解。其他星座的求解也可使用本发明步骤5中的算法进行计算。设一个Walker星座的构型码为：N/P/F(卫星数目/轨道平面数/相位因子)，则星座中任意一颗编号为m的卫星的升交点赤经Ω

(5)式中，S为每个轨道平面上的卫星数，P

当仅考虑地球自转的影响时，根据卫星轨道六根数，可以直接求得卫星星下点的赤经和赤纬，图4所示为卫星星下点在地球上的各个位置参数。当考虑到J

步骤3、利用视线方程计算出每颗卫星的对地覆盖模型，进行实时仿真计算

步骤4、随机选取特定时刻计算星座瞬时对目标区域覆盖率，再计算平均覆盖率

选取卫星运行任意时刻，如图5所示，若矩形ABCD和矩形abcd为当前卫星覆盖带，判断各六边形网格与卫星覆盖带相交情况,以有交六边形网格数除以全部网格数作为当前时刻覆盖率,通过随机选取不同时刻的卫星运行情况计算瞬时覆盖率，然后计算这组瞬时覆盖率的平均值得到平均覆盖率。在另一实施例中，选择30个卫星运行周期内的50个随机时刻计算瞬时覆盖率。

步骤5、以上述步骤计算得到的平均覆盖率为优化目标，采用改进的模拟退火算法，搜索满足该目标且所需卫星数目最少的构型。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法，所述步骤4中的随机选取特定时刻计算星座瞬时对目标区域覆盖率，包括：判断各六边形网格与卫星覆盖带相交情况,以有交六边形网格数除以全部网格数作为当前时刻覆盖率,通过随机选取不同时刻的卫星运行情况计算瞬时覆盖率，然后计算瞬时覆盖率的平均值得到平均覆盖率。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法，所述步骤5中的以计算得到的平均覆盖率为优化目标，采用改进的模拟退火算法，搜索满足该目标且所需卫星数目最少的构型，包括：步骤5.1、给定一个较高的初始温度T＝T

本发明实施例提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法，通过基于六边形离散化技术和模拟退火算法建立了相应的求解模型，提出了新的求解策略，对满足最大观测面积需求的星座构型进行优化设计，并且可以输出多种不同卫星星座构型以供选择。

本发明各个实施例的实现基础是通过具有处理器功能的设备进行程序化的处理实现的。因此在工程实际中，可以将本发明各个实施例的技术方案及其功能封装成各种模块。基于这种现实情况，在上述各实施例的基础上，本发明的实施例提供了一种基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型装置，该装置用于执行上述方法实施例中的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型方法。参见图2，该装置包括：第一主模块，用于输入目标覆盖区域，对区域进行六边形离散化处理；第二主模块，用于读入星座中每颗卫星参数，利用轨道六根数计算星下点轨迹；第三主模块，用于利用视线方程计算出每颗卫星的对地覆盖模型，进行实时仿真计算；第四主模块，用于随机选取特定时刻计算星座瞬时对目标区域覆盖率，并计算平均覆盖率；第五主模块，用于以计算得到的平均覆盖率为优化目标，采用改进的模拟退火算法，搜索满足该目标且所需卫星数目最少的构型。

本发明实施例提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型装置，采用图2中的若干模块，通过基于六边形离散化技术和模拟退火算法建立了相应的求解模型，提出了新的求解策略，对满足最大观测面积需求的星座构型进行优化设计，并且可以输出多种不同卫星星座构型以供选择。

需要说明的是，本发明提供的装置实施例中的装置，除了可以用于实现上述方法实施例中的方法外，还可以用于实现本发明提供的其他方法实施例中的方法，区别仅仅在于设置相应的功能模块，其原理与本发明提供的上述装置实施例的原理基本相同，只要本领域技术人员在上述装置实施例的基础上，参考其他方法实施例中的具体技术方案，通过组合技术特征获得相应的技术手段，以及由这些技术手段构成的技术方案，在保证技术方案具备实用性的前提下，就可以对上述装置实施例中的装置进行改进，从而得到相应的装置类实施例，用于实现其他方法类实施例中的方法。例如：

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型装置，还包括：第一子模块，用于实现所述步骤2中的利用轨道六根数计算星下点轨迹，包括：

其中，a为轨道高度，e为轨道倾角，Ω为升交点赤径，i为偏心率，ω为近地点幅角，M为真近点角，λ为星下点位置参数赤经，

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型装置，还包括：第二子模块，用于实现在所述利用轨道六根数计算星下点轨迹之后，还包括：

其中，T为卫星运行周期，Δλ

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型装置，还包括：第三子模块，用于实现所述步骤4中的随机选取特定时刻计算星座瞬时对目标区域覆盖率，包括：判断各六边形网格与卫星覆盖带相交情况,以有交六边形网格数除以全部网格数作为当前时刻覆盖率,通过随机选取不同时刻的卫星运行情况计算瞬时覆盖率，然后计算瞬时覆盖率的平均值得到平均覆盖率。

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的基于实时覆盖面积评估的卫星星座构型装置，还包括：第四子模块，用于实现所述步骤5中的以计算得到的平均覆盖率为优化目标，采用改进的模拟退火算法，搜索满足该目标且所需卫星数目最少的构型，包括：步骤5.1、给定一个较高的初始温度T＝T

本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，如图3所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)、通信接口 (Communications Interface)、至少一个存储器(memory)和通信总线，其中，至少一个处理器，通信接口，至少一个存储器通过通信总线完成相互间的通信。至少一个处理器可以调用至少一个存储器中的逻辑指令，以执行前述各个方法实施例提供的方法的全部或部分步骤。

此外，上述的至少一个存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个方法实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括： U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等) 执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。基于这种认识，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本专利中，术语"包括"、"包含"或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括……"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。