海洋卫星回归轨道确定方法及装置、存储介质与流程

[0001]
本申请实施例涉及一种海洋卫星回归轨道确定方法及装置、存储介质。


背景技术：

[0002]
海洋卫星遥感是天基调查、监测和观测海洋动力环境、海洋水色信息的有效手段。通过搭载雷达高度计、微波辐射计、微波散射计、真实孔径雷达、合成孔径雷达、相机等有效载荷可对海洋的风、浪、涡、潮、流等海洋动力环境参数以及海冰、水质、温度、赤潮、大洋渔场环境、海岸带环境等水色参数进行观测。
[0003]
海洋潮汐对人类的海上生产生活具有很大的影响，人类一直在试图理解并定性地描述潮汐现象和其变化规律。随着海洋卫星遥感技术的发展，如何从卫星观测信号中分离并提取潮汐信号，如何获取潮汐各分潮的调和参数成为研究人员关注的重要问题。卫星海洋测高技术的发展对潮汐研究起到了至关重要的作用，它从全球的角度反映了传统岸基离散观测所不能提示的潮汐现象。卫星测高系统可系统地提供卫星星下点轨迹上的潮汐参数分布。但是，由潮汐混叠引起的潮汐分潮不可分或者长时间不可分的情况没有得到足够的重视。
[0004]
潮汐混叠现象是卫星对潮汐采样率的不足造成的。潮汐是由潮汐分潮叠加而成的。由于潮汐的主要分潮为全日潮或半日潮，信号周期为一天或半天，频率约为1cycle/d或2cycle/d。根据采样定理可知若要提取潮汐信号其最低观测频率是nyquist频率，即各分潮频率的两倍。就固定的海面点而言，卫星对海面的采样间隔是轨道的回归周期。已发射的海洋系列卫星hy-1号和hy-2号卫星均运行在轨道倾角为98
°
左右的太阳同步轨道上，潮汐混叠现象较为严重。以hy-2号卫星为例，其轨道回归周期为14天，所能提取的信号最高频率为0.0020cycle/d，即表面上hy-2号卫星数据只能用于分析低频的、长周期的海洋变化参数。显然，对于周期主要为半天或一天的半日分潮和全日分潮，该采样频率无法重构如上的原潮汐信号。


技术实现要素：

[0005]
有鉴于此，本申请实施例提供一种海洋卫星回归轨道确定方法及装置、存储介质。
[0006]
根据本申请的第一方面，提供一种海洋卫星回归轨道确定方法，包括：
[0007]
根据卫星观测幅宽和重访周期内的运行圈数，确定不同刈幅的卫星实现全球全覆盖的最小回归天数；
[0008]
根据卫星的最小回归天数以及轨道参数，确定卫星的轨道高度、轨道倾角、交点周期、卫星运行圈数和卫星轨道回归周期；
[0009]
根据潮汐的各分潮进行潮汐混叠分析，确定潮汐混叠方程，将卫星轨道回归周期代入潮汐混叠方程，计算各分潮的混叠周期；
[0010]
基于各分潮的混叠周期计算各分潮混叠信号之间的会合周期；
[0011]
判断各分潮的混叠周期是否可分，若不可分重新确定卫星的轨道高度、轨道倾角、
交点周期、卫星运行圈数和卫星轨道回归周期，并重新计算各分潮的混叠周期以及各分潮混叠信号的会合周期，直至各分潮的混叠周期可分；
[0012]
若各分潮的混叠周期可分，则根据交点周期和升交点赤经进动角速度的运算方式来确定卫星轨道回归周期与对应的轨道高度、轨道交点周期、轨道倾角、轨道运行圈数，并将所确定的卫星轨道回归周期与对应的轨道高度、轨道交点周期、轨道倾角、轨道运行圈数作为海洋卫星的回归轨道设计参数。
[0013]
优选地，所述交点周期t
n
的运算公式为：
[0014][0015]
所述升交点赤经进动角速度的运算公式为：
[0016][0017]
其中，a为卫星到地心的距离；j2为j2项摄动力；r
e
＝6378km，为地球均半径；μ＝398600.5km3/s2，为地球引力常数，i为轨道倾角，e为轨道偏心率。
[0018]
优选地，所述计算各分潮的混叠周期，包括：
[0019]
对角速度为σ的海面周期性变化信号而言，在卫星的连续两次采样之间，某分潮的相角变化量为：
[0020][0021]
其中，t为卫星轨道回归周期，为在一个重访周期内分潮相位变化不足整周的部分，n为整数；
[0022]
通过下式确定混叠频率f
a
：
[0023][0024]
分潮的混叠周期t
a
为：
[0025][0026]
式中，mod表示取余，t
a
归算到-180
°
～180
°
区间内。
[0027]
优选地，所述基于各分潮的混叠周期计算各分潮混叠信号之间的会合周期，包括：
[0028]
两分潮混叠信号之间的会合周期t
q
为：
[0029][0030]
其中，t
ai
为分潮混叠信号i的周期，t
aj
为分潮混叠信号j的周期，取f
a
＝365/t
a
表示一年可观测的次数，上式转换为：
[0031]
f
q
≤|f
ai-f
aj
|；
[0032]
其中，f
ai
为分潮混叠信号i的频率，f
aj
为分潮混叠信号j的频率；
[0033]
对应地，所述判断各分潮的混叠周期是否可分，包括：
[0034]
设定f
q
的值，重新确定卫星的轨道高度、轨道倾角、交点周期、卫星运行圈数和卫星轨道回归周期，并重新计算各分潮的混叠周期以及各分潮混叠信号的会合周期，直至|f
ai-f
aj
|大于等于设定的f
q
的值，确定各分潮的混叠周期可分。
[0035]
根据本申请的第二方面，提供一种海洋卫星回归轨道确定装置，包括：
[0036]
第一确定单元，用于根据卫星观测幅宽和重访周期内的运行圈数，确定不同刈幅的卫星实现全球全覆盖的最小回归天数；
[0037]
第二确定单元，用于根据卫星的最小回归天数以及轨道参数，确定卫星的轨道高度、轨道倾角、交点周期、卫星运行圈数和卫星轨道回归周期；
[0038]
第三确定单元，用于根据潮汐的各分潮进行潮汐混叠分析，确定潮汐混叠方程；
[0039]
第一计算单元，用于将卫星轨道回归周期代入潮汐混叠方程，计算各分潮的混叠周期；
[0040]
第二计算单元，用于基于各分潮的混叠周期计算各分潮混叠信号之间的会合周期；
[0041]
判断单元，用于判断各分潮的混叠周期是否可分，若不可分触发第二确定单元、第三确定单元、第一计算单元和第二计算单元重新计算各分潮的混叠周期以及各分潮混叠信号的会合周期，直至各分潮的混叠周期可分；若各分潮的混叠周期可分，则触发第四确定单元；
[0042]
第四确定单元，用于根据交点周期和升交点赤经进动角速度的运算方式来确定卫星轨道回归周期与对应的轨道高度、轨道交点周期、轨道倾角、轨道运行圈数，并将所确定的卫星轨道回归周期与对应的轨道高度、轨道交点周期、轨道倾角、轨道运行圈数作为海洋卫星的回归轨道设计参数。
[0043]
优选地，所述交点周期t
n
的运算公式为：
[0044][0045]
所述升交点赤经进动角速度的运算公式为：
[0046][0047]
其中，a为卫星到地心的距离；j2为j2项摄动力；r
e
＝6378km，为地球均半径；μ＝398600.5km3/s2，为地球引力常数，i为轨道倾角，e为轨道偏心率。
[0048]
优选地，所述第一计算单元，还用于：
[0049]
对角速度为σ的海面周期性变化信号而言，在卫星的连续两次采样之间，某分潮的相角变化量为：
[0050][0051]
其中，t为卫星轨道回归周期，为在一个重访周期内分潮相位变化不足整周的部分，n为整数；
[0052]
通过下式确定混叠频率f
a
：
[0053][0054]
分潮的混叠周期t
a
为：
[0055][0056]
式中，mod表示取余，t
a
归算到-180
°
～180
°
区间内。
[0057]
优选地，所述第二计算单元，还用于：
[0058]
两分潮混叠信号之间的会合周期t
q
为：
[0059][0060]
其中，t
ai
为分潮混叠信号i的周期，t
aj
为分潮混叠信号j的周期，取f
a
＝365/t
a
表示一年可观测的次数，上式转换为：
[0061]
f
q
≤|f
ai-f
aj
|；
[0062]
其中，f
ai
为分潮混叠信号i的频率，f
aj
为分潮混叠信号j的频率；
[0063]
对应地，所述判断单元，还用于：
[0064]
设定f
q
的值，触发第二确定单元、第三确定单元、第一计算单元和第二计算单元重新计算各分潮的混叠周期以及各分潮混叠信号的会合周期，直至|f
ai-f
aj
|大于等于设定的f
q
的值，确定各分潮的混叠周期可分。
[0065]
根据本申请的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存取有计算机指令，其特征在于，所述指令被处理器执行时实现所述的海洋卫星回归轨道确定方法的步骤。
[0066]
本申请实施例提供的海洋卫星回归轨道确定方法及装置、存储介质，将潮汐混叠问题作为轨道重访周期设计的考虑因素，能够有效避免各分潮混叠周期长需长期观测和分潮不可分的情况，在兼顾海洋全覆盖的情况下运用卫星数据更快速、更方便地将潮汐信号从海洋观测数据中提取出来，更便于解算潮汐的调和参数。
附图说明
[0067]
图1为本申请实施例提供的海洋卫星回归轨道确定方法流程示意图；
[0068]
图2为本申请实施例提供的一个回归周期后赤道间隔与回归周期的关系示意图；
[0069]
图3本申请实施例提供的八个主要分潮的混叠周期与卫星回归周期的关系示意图；
[0070]
图4为本申请实施例提供的海洋卫星回归轨道确定装置的组成结构示意图。
具体实施方式
[0071]
潮汐理论上是由无数个分潮叠加而成的，但大部分分潮影响不大，大量的观测和实际应用表明，一般情况下最重要的八个较大的太阴、太阳全日半日分潮对解算潮汐具有关键影响。本申请实施例针对潮汐中的八个主要分潮即m2、n2、s2、k1、k2、o1、p1、q1进行潮汐混叠分析，并确定海洋卫星轨道重访周期设计方法，具体包括以下步骤：
[0072]
步骤001：全球海洋覆盖能力分析。若要实现全球潮汐观测，卫星必须具有覆盖全球海域的能力。卫星覆盖情况与卫星观测幅宽和一个重访周期内的运行圈数相关，根据对应的关系可计算得到刈幅宽度不同的卫星实现全球全覆盖的最小回归天数。
[0073]
步骤002：计算回归周期。以步骤001的最小回归天数作为输入参数，代入卫星轨道方程，采用matlab迭代计算卫星的轨道高度、轨道倾角、交点周期、卫星运行圈数和回归周期。
[0074]
步骤003：将步骤002计算的回归周期代入潮汐混叠方程，计算各分潮的混叠周期。
[0075]
步骤004：根据步骤003计算的各分潮混叠信号的会合周期。
[0076]
步骤005：以各分潮的混叠周期可分为依据，将步骤002至步骤004循环运行，直至满足可分性判据，交点周期和升交点赤经进动角速度的运算方式将合适的轨道回归周期与对应的轨道高度、轨道交点周期、轨道倾角、轨道运行圈数等信息，并将所确定的相关轨道信息作为海洋卫星回归轨道的相关设计参数。
[0077]
图1为本申请实施例提供的海洋卫星回归轨道确定方法流程示意图，如图1所示，本本申请实施例的海洋卫星回归轨道确定方法包括以下步骤：
[0078]
步骤01：全球海洋覆盖能力分析。由于卫星在高纬度地区更容易实现多次访问，通常认为当卫星地面轨迹和幅宽完全覆盖赤道时即可完成其他地区全覆盖。因此，在分析全球海洋覆盖能力时，只需分析卫星刈幅宽度、一个重访周期内的运行圈数以及赤道周长的关系即可，以100km、150km、200km幅宽为例，可得分析结果如图2所示。
[0079]
gap＝c-w
×
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0080]
其中：gap表示一个回归周期后赤道轨间距，c表示赤道总长度，w表示刈幅宽度，n表示一个回归周期卫星运行圈数。当运行一个回归周期扣赤道轨间距小于等于0即认为可实现全球海洋覆盖。
[0081]
步骤02：计算回归周期，具体包括以下步骤：
[0082]
1、计算约定回归周期(例如：可覆盖全球海域的最小回归天数)对应的卫星运行圈数。卫星运行圈数＝约定回归周期
×
卫星每天运行的圈数；
[0083]
2、计算卫星运行每一圈地面轨迹的经度差；
[0084]
3、计算轨道升交点赤经进动速度；
[0085]
4、计算轨道交点周期；
[0086]
5、计算轨道高度和倾角；
[0087]
6、计算准确回归周期。
[0088]
星下点轨迹周期性重叠的轨道定义为回归轨道。在这种轨道上运行的卫星，每隔相同的时间，会出现在相同地方的上空。这个时间间隔即为回归周期。海洋卫星通常选择这种轨道，可以对目标区域进行多次观察，定期得到目标区域的变化信息。
[0089]
假设卫星在赤道上的星下点地理经度相同时，卫星星下点轨迹就会处处重叠。卫星在赤道上的星下点地理经度运行一圈后的经度差是：
[0090][0091]
式中
△
λ是一圈后的地理经度差；t
n
是交点周期；ω
e
是地球自转角速度；为升交点赤经进动角速度。
[0092]
如果有n、d两个既约正整数，使得回归条件成立，即
[0093]
n
△
λ＝2πd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0094]
这样就会在d天以后，卫星运行n圈后星下点轨迹重叠。d为回归周期(天)。
[0095]
考虑j2项摄动力对卫星轨道的影响，交点周期t
n
和升交点赤经进动角速度为：
[0096][0097][0098]
式中a为卫星到地心的距离；r
e
＝6378km为地球均半径；μ＝398600.5km3/s2为地球引力常数，i为轨道倾角，e为轨道偏心率。
[0099]
将以上(3)式、(4)式、(5)式联立并迭代计算可以得到轨道根数a、i满足的条件，最后计算准确的回归周期。
[0100]
步骤03：计算分潮混叠周期。
[0101]
对角速度为σ(频率为)的海面周期性变化信号而言，在卫星的连续两次采样之间，某分潮的相角变化量为：
[0102][0103]
式中t为卫星轨道回归周期，为在一个重访周期内分潮相位变化不足整周的部分，，n为整数。
[0104]
可得混叠频率如下：
[0105][0106]
混叠周期为：
[0107][0108]
式中，mod表示取余，并把计算结果归算到-180
°
～180
°
区间内。
[0109]
参照图3，示出了本申请实施例提供的八个主要分潮的混叠周期与卫星回归周期的关系。
[0110]
步骤04：计算分潮之间的会合周期。
[0111]
两个分潮的会合周期为：
[0112][0113]
其中，t
ai
为分潮混叠信号i的周期，t
aj
为分潮混叠信号j的周期，取f
a
＝365/t
a
(cycle/year)表示一年可观测的次数，式(9)可转换为：
[0114]
f
q
≤|f
ai-f
aj
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0115]
其中，f
ai
为分潮混叠信号i的频率，f
aj
为分潮混叠信号j的频率。
[0116]
步骤005：设定f
q
的值，将步骤002至步骤004循环运行，直至|f
ai-f
aj
|大于等于设定的f
q
的值，按照公式(4)、(5)将合适的轨道回归周期与对应的轨道高度、轨道交点周期、轨道倾角、轨道运行圈数等信息，将所确定的卫星轨道回归周期与对应的轨道高度、轨道交点周期、轨道倾角、轨道运行圈数作为海洋卫星的回归轨道设计参数。
[0117]
图4为本申请实施例提供的海洋卫星回归轨道确定装置的组成结构示意图，如图4所示，本申请实施例提供的海洋卫星回归轨道确定装置包括：
[0118]
第一确定单元40，用于根据卫星观测幅宽和重访周期内的运行圈数，确定不同刈幅的卫星实现全球全覆盖的最小回归天数；
[0119]
第二确定单元41，用于根据卫星的最小回归天数以及轨道参数，确定卫星的轨道高度、轨道倾角、交点周期、卫星运行圈数和卫星轨道回归周期；
[0120]
第三确定单元42，用于根据潮汐的各分潮进行潮汐混叠分析，确定潮汐混叠方程；
[0121]
第一计算单元43，用于将卫星轨道回归周期代入潮汐混叠方程，计算各分潮的混叠周期；
[0122]
第二计算单元44，用于基于各分潮的混叠周期计算各分潮混叠信号之间的会合周期；
[0123]
判断单元45，用于判断各分潮的混叠周期是否可分，若不可分触发第二确定单元41、第三确定单元42、第一计算单元43和第二计算单元44重新计算各分潮的混叠周期以及各分潮混叠信号的会合周期，直至各分潮的混叠周期可分；若各分潮的混叠周期可分，则触发第四确定单元；
[0124]
第四确定单元46，用于根据交点周期和升交点赤经进动角速度的运算方式来确定卫星轨道回归周期与对应的轨道高度、轨道交点周期、轨道倾角、轨道运行圈数，并将所确定的卫星轨道回归周期与对应的轨道高度、轨道交点周期、轨道倾角、轨道运行圈数作为海洋卫星的回归轨道设计参数。
[0125]
作为一种实现方式，所述交点周期t
n
的运算公式为：
[0126][0127]
所述升交点赤经进动角速度的运算公式为：
[0128][0129]
其中，a为卫星到地心的距离；j2为j2项摄动力；r
e
＝6378km，为地球均半径；μ＝398600.5km3/s2，为地球引力常数，i为轨道倾角，e为轨道偏心率。
[0130]
作为一种实现方式，所述第一计算单元43，还用于：
[0131]
对角速度为σ的海面周期性变化信号而言，在卫星的连续两次采样之间，某分潮的相角变化量为：
[0132][0133]
其中，t为卫星轨道回归周期，为在一个重访周期内分潮相位变化不足整周的
部分，n为整数；
[0134]
通过下式确定混叠频率f
a
：
[0135][0136]
分潮的混叠周期t
a
为：
[0137][0138]
式中，mod表示取余，t
a
归算到-180
°
～180
°
区间内。
[0139]
作为一种实现方式，所述第二计算单元44，还用于：
[0140]
两分潮混叠信号之间的会合周期t
q
为：
[0141][0142]
其中，t
ai
为分潮混叠信号i的周期，t
aj
为分潮混叠信号j的周期，取f
a
＝365/t
a
表示一年可观测的次数，上式转换为：
[0143]
f
q
≤|f
ai-f
aj
|；
[0144]
其中，f
ai
为分潮混叠信号i的频率，f
aj
为分潮混叠信号j的频率；
[0145]
对应地，所述判断单元45，还用于：
[0146]
设定f
q
的值，触发第二确定单元41、第三确定单元42、第一计算单元43和第二计算单元44重新计算各分潮的混叠周期以及各分潮混叠信号的会合周期，直至|f
ai-f
aj
|大于等于设定的f
q
的值，确定各分潮的混叠周期可分。
[0147]
在本公开实施例中，图4示出的海洋卫星回归轨道确定装置中各个处理模块及单元执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
[0148]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存取有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现前述实施例的海洋卫星回归轨道确定方法的步骤。
[0149]
在本实施例中，至少一个处理器可以构成具有对一个或多个输入执行逻辑运算的电路的任何物理设备。例如，至少一个处理器可以包括一个或多个集成电路(ic)，包括专用集成电路(asic)、微芯片、微控制器、微处理器、中央处理单元(cpu)的全部或部分、图形处理单元(gpu)、数字信号处理器(dsp)、现场可编程门阵列(fpga)或者适于执行指令或执行逻辑运算的其它电路。由至少一个处理器执行的指令可以例如被预加载到与控制器集成的或嵌入在控制器中的存储器中，或者可以存储在分离的存储器中。存储器可以包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、硬盘、光盘、磁介质、闪存，其它永久、固定或易失性存储器，或者能够存储指令的任何其它机制。可选的是，至少一个处理器可以包括多于一个处理器。每个处理器可以具有相似的结构，或者处理器可以具有彼此电连接或断开的不同构造。例如，处理器可以是分离的电路或集成在单个电路中。当使用多于一个处理器时，处理器可以被配置为独立地或协作地操作。处理器可以以电、磁、光学、声学、机械或通过允许它们交互的其它手段来耦合。
[0150]
在本实施例中，非临时性计算机可读存储介质可以是rom、随机存取存储器(ram)、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。
[0151]
此外，本发明的特征和益处通过参考示例性实施例进行说明。相应地，本发明明确地不应局限于这些说明一些可能的非限制性特征的组合的示例性的实施例，这些特征可单独或者以特征的其它组合的形式存在。
[0152]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神以权利要求书为准。

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