阅读说明：本技术 一种基于地表模型图的星下点地表属性预报方法 (Earth surface model graph-based method for forecasting earth surface attributes of subsatellite points ) 是由 刘洁 黄缙 莫凡 田科丰 王淑一 周剑敏 陈超 程莉 杨晓龙 刘彤 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：一种基于地表模型图的星下点地表属性预报方法,属于航天器姿态控制领域,首先预装地表模型图,地表模型图采用等间隔的经度条带,每一个条带给出该条带区域内为“境内或者陆地”的地理纬度上限和下限,以简化星上地表定位算法。其次星上自主预报目标t时刻星下点的地理经度L和地理纬度δ。最后根据预装的中国境内地图进行境内或者境外的预报,根据预装的陆地地图进行陆地或者海洋的预报。本发明方法解决了存储DEM数字高程模型数据存储量较大、搜索算法对软件计算要求较高的问题。(A method for forecasting earth surface attributes of points under a satellite based on an earth surface model map belongs to the field of spacecraft attitude control. And secondly, autonomously forecasting the geographical longitude L and the geographical latitude of the subsatellite point at the target time t on the satellite. Finally, performing indoor or outdoor forecast according to a pre-installed Chinese indoor map, and performing land or ocean forecast according to a pre-installed land map. The method solves the problems that the storage capacity for storing DEM digital elevation model data is large, and the requirement of a search algorithm on software calculation is high.)

一种基于地表模型图的星下点地表属性预报方法

技术领域

本发明涉及一种基于地表模型图的星下点地表属性预报方法，属于航天器姿态控制领域，适用于有星下点属性预报要求的航天器。

背景技术

对于地表属性的预报，尤其是陆地/海洋的预报，目前现有的方法，一般为在星上专门存储DEM数字高程模型，根据星下点高程判断是否为陆地或海洋。该方法数据存储量很大，搜索算法对软件计算要求较高，且目前的DEM数字高程模型在纬度大于80度以上没有数据，无法进行准确的地表属性的判断。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于地表模型图的星下点地表属性预报方法，首先预装地表模型图，地表模型图采用等间隔的经度条带，每一个条带给出该条带区域内为“境内或者陆地”的地理纬度上限和下限，以简化星上地表定位算法。其次星上自主预报目标t时刻星下点的地理经度L和地理纬度δ。最后根据预装的中国境内地图进行境内或者境外的预报，根据预装的陆地地图进行陆地或者海洋的预报。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种基于地表模型图的星下点地表属性预报方法，在卫星上用于预报星下点地表属性，包括如下步骤：

S1、建立地表模型图，所述地表模型图按地理经度划分为多个经度条带；

S2、根据世界陆地地图在每个经度条带的边界上标记所有陆地区域的地理纬度上限和地理纬度下限；根据中国地图在中国所在的经度条带的边界上标记中国地理纬度上限和中国地理纬度下限；

S3、根据卫星的轨道，实时预报星下点坐标；利用星下点坐标在S3的经度条带范围，首先确定经度条带；然后在该经度条带内，确定星下点坐标与地理纬度上限和地理纬度下限的关系，预报星下点是处于陆地或海洋；在该经度条带内，确定星下点坐标与中国地理纬度上限和中国地理纬度下限的关系，预报星下点是否处于中国境内。

上述基于地表模型图的星下点地表属性预报方法，优选的，S1中，所述地表模型图按等地理经度间隔划分为多个经度条带。

上述基于地表模型图的星下点地表属性预报方法，优选的，S1中，所述地表模型图采用不超过1°作为等间隔，划分为多个经度条带。

上述基于地表模型图的星下点地表属性预报方法，优选的，S3中，在某一经度条带内，确定星下点坐标与地理纬度上限和地理纬度下限的关系，预报星下点是处于陆地或海洋的方法为：

将该经度条带的两个边界上的一组或多组地理纬度上限对应连接、一组或多组地理纬度下限对应连接，形成一个或多个凸多边形；当星下点坐标位于上述的任一凸多边形内，则预报星下点地表属性为陆地；

在某一经度条带内，确定星下点坐标与中国地理纬度上限和中国地理纬度下限的关系，预报星下点是否处于中国境内的方法为：

如果将该经度条带的两个边界上有中国地理纬度上限和中国地理纬度下限，则将一组或多组中国地理纬度上限对应连接、一组或多组中国地理纬度下限对应连接，形成一个或多个凸多边形；当星下点坐标位于上述的任一凸多边形内，则预报星下点处于中国境内。

上述基于地表模型图的星下点地表属性预报方法，优选的，在地理纬度上限对应连接、地理纬度下限对应连接时，采用线性插值，形成一个或多个凸多边形；在中国地理纬度上限对应连接、中国地理纬度下限对应连接时，采用线性插值，形成一个或多个凸多边形。

上述基于地表模型图的星下点地表属性预报方法，优选的，所述凸多边形为梯形。

上述基于地表模型图的星下点地表属性预报方法，优选的，所述地表模型图的纬度范围覆盖北纬90°到南纬90°。

上述基于地表模型图的星下点地表属性预报方法，优选的，S1中，所述地表模型图首先按等地理经度间隔划分为多个经度条带；

S2中，根据世界陆地地图在每个经度条带的边界上标记所有陆地区域的地理纬度上限和地理纬度下限，将每个经度条带的两个边界上的一组或多组地理纬度上限对应连接、一组或多组地理纬度下限对应连接，形成一个或多个陆地凸多边形；根据中国地图在中国所在的经度条带的边界上标记中国地理纬度上限和中国地理纬度下限，在中国所在的每个经度条带的两个边界上，将一组或多组中国地理纬度上限对应连接、一组或多组中国地理纬度下限对应连接，形成一个或多个中国境内凸多边形；

当相邻两个经度条带中陆地凸多边形数量相等且中国境内凸多边形数量相等，且该两个经度条带中的陆地凸多边形成对共用一条边，且该两个经度条带中的中国境内凸多边形成对共用一条边；每个成对的陆地凸多边形和中国境内凸多边形均包括8条边，除位于经度条带边界上的4条边，如果其余4条边分两组相交，每组相交的两条边的夹角为179°～181°，则返回S1将该相邻的两个经度条带合并为一个经度条带。

上述基于地表模型图的星下点地表属性预报方法，优选的，S1中，在相邻的两个经度条带合并前，所述地表模型图采用不超过0.2°作为等间隔，划分为多个经度条带。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明方法解决了存储DEM数字高程模型数据存储量较大、搜索算法对软件计算要求较高的问题；

(2)本发明方法是一种针对星下点地表属性预报的功能提出的新方法，基于高精度的地表模型图，可以给出高精度的预报结果，大大提高了航天器的自主任务规划能力；

(3)本发明还可以自适应调整经度条带宽度，降低地形简单区域的经度条带数量，保持地形复杂区域的经度条带数量，在提高准确性的前提下，提高了预报效率。

附图说明

图1为本发明方法的步骤流程图。

图2为本发明方法的原理示意图。

图3为本发明方法的验证结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

为保证高精度探测任务顺利实现，对卫星的姿态测量与控制能力均提出了较高的要求，在正常飞行过程中，对控制分系统提出了星下点地表属性预报的功能，地表属性预报功能要求预报星下点境内或者境外，陆地或者海洋。一种基于地表模型图的星下点地表属性预报方法，首先，预装地表模型图，地表模型图采用一定间隔的经度条带，每一个条带给出该条带区域内为“境内或者陆地”的地理纬度上限和下限，以简化星上地表定位算法。其次，星上自主预报目标t时刻星下点的地理经度L和地理纬度δ。最后，根据预装的中国境内地图进行境内或者境外的预报，根据预装的陆地地图进行陆地或者海洋的预报。本发明方法解决了存储DEM数字高程模型的数据存储量较大，搜索算法对软件计算要求较高的问题，该算法已经应用于CM-1卫星中对目标时刻星下点地表属性进行预报。

一种基于地表模型图的星下点地表属性预报方法，在卫星上用于预报星下点地表属性，包括如下步骤：

S1、建立地表模型图，所述地表模型图按地理经度划分为多个经度条带，经度间隔不超过1°；所述地表模型图的纬度范围覆盖北纬90°到南纬90°；

S2、根据世界陆地地图在每个经度条带的边界上标记所有陆地区域的地理纬度上限和地理纬度下限；根据中国地图在中国所在的经度条带的边界上标记中国地理纬度上限和中国地理纬度下限；

S3、根据卫星的轨道，实时预报星下点坐标；利用星下点坐标在S3的经度条带范围，首先确定经度条带；然后在该经度条带内，确定星下点坐标与地理纬度上限和地理纬度下限的关系，预报星下点是处于陆地或海洋；在该经度条带内，确定星下点坐标与中国地理纬度上限和中国地理纬度下限的关系，预报星下点是否处于中国境内。

S3中，在某一经度条带内，确定星下点坐标与地理纬度上限和地理纬度下限的关系，预报星下点是处于陆地或海洋的方法为：

将该经度条带的两个边界上的一组或多组地理纬度上限对应连接、一组或多组地理纬度下限对应连接，形成一个或多个凸多边形；当星下点坐标位于上述的任一凸多边形内，则预报星下点地表属性为陆地；

在某一经度条带内，确定星下点坐标与中国地理纬度上限和中国地理纬度下限的关系，预报星下点是否处于中国境内的方法为：

如果将该经度条带的两个边界上有中国地理纬度上限和中国地理纬度下限，则将一组或多组中国地理纬度上限对应连接、一组或多组中国地理纬度下限对应连接，形成一个或多个凸多边形；当星下点坐标位于上述的任一凸多边形内，则预报星下点处于中国境内。在地理纬度上限对应连接、地理纬度下限对应连接时，采用线性插值，形成一个或多个凸多边形；在中国地理纬度上限对应连接、中国地理纬度下限对应连接时，采用线性插值，形成一个或多个凸多边形。所述凸多边形为梯形。

S1中，所述地表模型图可以按等地理经度间隔划分为多个经度条带，也可以按不等地理经度间隔划分为多个经度条带。按不等地理经度间隔划分为多个经度条带的方法为：

首先按等地理经度间隔划分为多个经度条带，即采用不超过0.2°作为等间隔，划分为多个经度条带。然后在S2中，根据世界陆地地图在每个经度条带的边界上标记所有陆地区域的地理纬度上限和地理纬度下限，将每个经度条带的两个边界上的一组或多组地理纬度上限对应连接、一组或多组地理纬度下限对应连接，形成一个或多个陆地凸多边形；根据中国地图在中国所在的经度条带的边界上标记中国地理纬度上限和中国地理纬度下限，在中国所在的每个经度条带的两个边界上，将一组或多组中国地理纬度上限对应连接、一组或多组中国地理纬度下限对应连接，形成一个或多个中国境内凸多边形。当相邻两个经度条带中陆地凸多边形数量相等且中国境内凸多边形数量相等，且该两个经度条带中的陆地凸多边形成对共用一条边，且该两个经度条带中的中国境内凸多边形成对共用一条边；每个成对的陆地凸多边形和中国境内凸多边形均包括8条边，除位于经度条带边界上的4条边，如果其余4条边分两组相交，每组相交的两条边的夹角为179°～181°，则返回S1将该相邻的两个经度条带合并为一个经度条带。即对将相邻两个经度条带进行自适应合并(合并条件为：相邻两个经度条带内的所有地表属性均是相连接的，陆地部分合并后将属于一个整体陆地块，中国境内部分合并后属于一块整体的中国境内，此外还要求合并后的地表属性形状与合并前基本一致)，能够在保证地表特征精度的情况下，减少了经度条带的数量，同时也就大幅减少了纬度上下限的数量，降低了地表模型图的数据容量，有利于提高预报速度，并保持预报准确性。

实施例：

一种基于地表模型图的星下点地表属性预报方法，具体实施步骤如下，如图1所示：

1)首先预装地表模型图，包括中国地图和陆地地图。

Step1：将中国地图和世界每部分的陆地地表模型图用等经度间隔ΔL划分为很多经度条带，每一个经度条带上标记有效区域的地理纬度上限和地理纬度下限。

Step2：根据地表模型边界信息预装各部分地图。预装表示第i个地区的经度条带的一维数组Lon_i，表示第i个地区纬度下限的一维数组LatMin_i，表示第i个地区纬度上限的一维数组LatMax_i。对于地表复杂的区域，在同一个经度边界点Lon_i由多组地理纬度范围进行描述。为了便于进行预装地表模型图的在轨修改和调整，可以在有效区域经度条带范围外预留保留区域。

2)预报目标t时刻的地理经度L、地理纬度δ。

L＝atan(Y₈₄/X₈₄)；//地理经度

//地心纬度

δ＝atan(tan(δ^*)/(1-f_E)²)；//地理纬度

其中X₈₄，Y₈₄，Z₈₄为t时刻卫星在WGS84坐标系下的位置，常数

3)判断卫星星下点是否处于中国境内的方法为：

在中国地图覆盖的所有经度条带内，将每个经度条带的两个边界上的一组或多组中国地理纬度上限对应连接、中国地理纬度下限对应连接，形成一个或多个梯形的有效区域范围，即每个经度条带的两个边界上标记有效区域的中国地理纬度上限和中国地理纬度下限，将每个经度条带的两个边界上的中国地理纬度上限采用直线对应连接、中国地理纬度下限采用直线对应连接。如图2所示。

例如，其中一个边界上有3个中国地理纬度上限和3个中国地理纬度下限，另一个边界上也有3个中国地理纬度上限和3个中国地理纬度下限，则按从北纬向南纬的方向，依次对应连接两个边界上的3个中国地理纬度上限、对应连接两个边界上的3个中国地理纬度下限，形成3个凸多边形。其中每个边界上中国地理纬度上限的个数均相等，每个边界上中国地理纬度下限的个数也相等。该个数的确定方法为：在中国地图覆盖的所有经度条带内，统计每个经度条带的两个边界上的所有中国地理纬度上限和中国地理纬度下限的数量，以统计结果的最大值，作为最终确定的个数。

中国边界采用凸多边形描述，采用凸多边形能够有效的避免在边界地区总是出现陆地或海洋的频繁切换，既保证预报结果的准确性，又降低地表模型图的数据量；若卫星星下点的地理经度L和地理纬度δ在任一有效区域范围内，判断给出标志F_China。

Step1：F_China＝0；

Step2：判断地理经度L的范围：若L在Lon_i[1]～Lon_i[N]的范围内，则进行Step3～Step5的判断；

Step3：定位地理经度L位于Lon_i数组中的位置Num；

Num＝int((L-Lon_i[1])/ΔL)+1；

Step4：采用线性插值定位地理经度点L对应的第j组对应的纬度范围Lat_min_j和Lat_max_j；

Lat_min_j＝LatMin_i[Num]+(LatMin_i[Num+1]-LatMin_i[Num])*(L-Lon_i[Num])/ΔL；

Lat_max_j＝LatMax_i[Num]+(LatMax_i[Num+1]-LatMax_i[Num])*(L-Lon_i[Num])/ΔL。

Step5：判断地理纬度δ的范围：若δ在任意一组Lat_min_j～Lat_max_j的范围内，则F_China＝1；

4)根据预装的陆地地图进行陆地或海洋的判断，给出判断标志F_Land，与中国境内/中国境外的判断逻辑相同。对多个纬度范围的情况需要进行多次插值计算多组地理纬度上限和下限，并判断地理纬度δ是否在任一一组纬度上限/下限的范围内。

本实施例的应用例如下：

1)预装地表模型图，包括中国地图和陆地地图。中国地图示例如下：

Lon[89]＝{70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,…}；

Lat_min[89]＝{37.6665,36.6718,35.4367,34.7292,33.6595,29.7708,29.0217,28.7768,28.4219,27.7034,…}；//纬度下限

Lat_max[89]＝{40.1437,41.2619,41.6285,41.9633,42.2715,42.6553,45.6559,46.5141,47.0653,47.8532,…}；//纬度上限

2)预报目标t时刻的地理经度L、地理纬度δ：卫星运行于轨道高度490km的太阳同步轨道的卫星，预报t+5400秒的地理经度L＝75.25度，地理纬度δ＝38.73度；

3)根据预装的中国地图进行境内或境外的判断，给出判断标志F_China＝1；即预报卫星在中国境内；

4)根据预装的陆地地图进行陆地或海洋的判断，给出判断标志F_Land＝1；即预报星下点地表属性为陆地。如图3所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。