CN104581144B - 一种星载线阵推扫相机全视场积分时间确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种星载线阵推扫相机全视场积分时间确定方法，步骤为：(1)获取全要素建模仿真输入数据；(2)建立高精度通用成像模型，成像模型参数包括场景成像观测时间范围、卫星轨道、姿态、卫星测量坐标系、卫星本体系单个像元指向角、观测区域高程数据；(3)成像模型数据获取与数据处理；(4)重复步骤(1)‑步骤(3)，逐个像元计算出遥感器焦面不同位置像元对应视场处积分时间，对相机全视场积分时间进行确定。本发明综合考虑地球自转、地球曲率、地形起伏因素，精确计算相机焦面不同位置处像元积分时间，为分析大视场相机全视场不同积分时间分组方式对成像质量的影响，制定合理的积分时间调整策略提供了依据。

Description

一种星载线阵推扫相机全视场积分时间确定方法

技术领域

本发明涉及一种星载线阵推扫相机全视场积分时间确定方法，特别是一种针对保证成像质量的星载单台单投影中心中等空间分辨率大视场相机或光学敏捷卫星上搭载的多台单投影中心高空间分辨率相机视场拼接组成的宽幅相机，该方法给出了相机全视场焦平面不同位置像元视向对应视场积分时间确定结果。

背景技术

在光学遥感领域，以电荷藕合器件(Charge Coupled Device，简称CCD)作为焦面探测器的传输型线阵推扫式空间相机日趋成为主流，广泛应用于陆地国土资源勘查、海事搜索和识别、大气环境监测、应急救灾、灾害预警与灾后评估等业务领域。为满足用户单颗卫星高时间分辨率的要求，光学相机焦平面常采用多片CCD探测器拼接、光学系统则采用单投影中心的大视场离轴光学系统，实现大幅宽。光学敏捷卫星则采用多个参数相同的单投影中心镜头组成大视场高分辨率相机，结合卫星平台灵活的机动能力，通过连续机动，实现高时间分辨率的对地观测。

星载CCD相机焦面电荷转移过程中为避免出现非正常像移模糊现象，要求相机成像时，焦平面上每个像元的行扫速率与景物的运动速率要严格同步，即经过一个行周期时间，相机各个像元对应的景物的像在焦平面上恰好移动一行。我们称一个行周期(曝光积分)时间为积分时间，用T_int表示。通常单投影中心CCD相机积分时间计算公式为：

Tint＝(d/f)/(V_g/L) ………..公式(1)

上式中：T_int为相机积分时间，单位ms；d为CCD像元尺寸，单位um；f为相机焦距，单位mm，d/f称为瞬时视场角(Instantaneous Field of View，IFOV)；V_g为摄影点地速，单位为km/s；L为摄影点斜距，单位km，V_g/L称为速高比。其中：摄影点地速(V_g)定义为地表摄影点相对于相机焦平面中心的运动速度在平行于焦平面内的分量，该矢量的方向在过摄影点平行于焦平面的平面内；摄影点斜距(L)定义为在摄影轴线上，从相机投影中心到摄影点之间的距离。

由公式(1)可知，相机特定视场对应像元的积分时间与焦面探测器像元尺寸(d)、相机焦距(f)、摄影点地速(V_g)和摄影点斜距(L)有关。瞬时视场角(IFOV)和相机视场角有关。相机采用不同类型光学系统时内方位元素(包括相机的主距和主点坐标)定义不同。如图1所示，对经典透射式等视场不偏置的同轴光学系统，其主点定义为CCD线阵所在直线与垂直于该直线且过投影中心的直线的交点，主距定义为镜头投影中心到主点之间的距离；如图2所示，对视场偏置的离轴光学系统，其主点定义为过投影中心的直线与CCD方向垂直交点，主距定义为镜头投影中心到主点之间的距离。

相机摄影点地速(V_g)和摄影点斜距(L)则与相机成像时刻卫星轨道、姿态、相机不同视场对应焦面像元的指向角、相机观测角度、地球自转、地球曲率、地形起伏和数字表面高程等相关。此外，受CCD器件、成像电路规模、卫星等限制，相机不能做到对焦平面上每个像元单独设置积分时间，往往采用单台相机或单片CCD使用一个积分时间的方式，各个像元实际执行的积分时间与理论积分时间不一致，导致摄影目标的像在焦平面上出现非正常像移，使得相机成像质量降低。为保证相机成像质量，需要全面考虑上述相关影响因素，精确对相机全视场的积分时间进行计算和分析。

对相关文献检索如下：马天波等，《科学级TDICCD相机的行频精度》，光学精密工程，2010(18),2028～2034；陈绍龙，《侧摆摄影偏流角和速高比的计算模型》，航天器工程，2010(19),37～39；王运等，《基于差分法的空间相机像移速度矢量计算》，光学精密工程，2011(19),1054～1059；樊超等，《速高比对TDICCD相机的影响分析》，兵工学报，2007(28),817～819。上述文献中，对星载相机积分时间的关键要素像移速度或速高比进行了计算，有的推导了相机侧摆时焦平面各像元的像移速度求解公式，建立了侧摆角度与像移大小的一般关系式。缺点是这些推导中简化了瞬时视场角(IFOV)和视场角之间的关系，成像模型对特定的光学系统针对性强，卫星成像模型不具有通用性，另外，部分文献在特定卫星姿态下对积分时间进行计算过程时，并未考虑地球曲率，这对积分时间的计算精度均有影响。

发明内容

本发明技术的解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星载线阵推扫相机全视场积分时间确定方法，该方法给出了相机全视场焦平面不同位置像元视向对应视场积分时间确定结果，特别是针对采用不同形式光学系统的星载单台单投影中心中等空间分辨率大视场相机或光学敏捷卫星上搭载的多台单投影中心高空间分辨率相机视场拼接组成的宽幅相机，解决了大视场相机全视场高精度积分时间确定问题。

本发明的技术解决方案：一种星载线阵推扫相机全视场积分时间确定方法，步骤如下：

1)获取全要素建模仿真输入数据；

11)确定相机成像观测时间范围和场景仿真时间间隔Delta_T；所述的相机成像观测时间范围包括成像开始时间、结束时间；

12)获取卫星轨道参数，包括轨道历元时刻对应的半长轴、倾角、偏心率、右升交点赤经、近地点幅角、真近地点角；根据上述参数确定对应的轨道外推算法；

13)获取卫星姿态参数；包括卫星本体相对轨道坐标系的滚动、俯仰、偏航三轴姿态角数据或姿态四元数矩阵数据；

14)定义相机测量坐标系原点O为相机光学系统投影中心；+OY方向为焦面CCD线阵方向；+OZ为相机光轴方向，与焦平面垂直；+OX为相机推扫方向，为+OY与+OZ叉乘方向；获取相机测量坐标系像元指向角数据；

15)获取相机焦面单个像元沿相机推扫方向的瞬时视场角；

16)获取相机和卫星本体之间的安装矩阵参数；

17)定义卫星测量坐标系原点与相机测量坐标系原点O重合，卫星测量坐标系坐标基为卫星CCD线阵方向、卫星光轴方向、卫星推扫方向；根据步骤16)得到的安装矩阵参数和步骤14)建立的相机测量坐标系，获取卫星测量坐标系坐标基数据；

18)获取卫星本体系下单个像元指向角数据；

18a)计算获得相机测量坐标系下单个像元方向矢量；

18b)定义卫星本体坐标系原点O为卫星质心，卫星+OX、+OY、+OZ三轴为卫星的三个惯性主轴，成右手正交系；其中+OX为滚动轴，指向飞行方向，+OZ为偏航轴，沿径向指向地心，+OY为俯仰轴，+OY为+OZ与+OX叉乘方向；根据步骤16)得到的安装矩阵参数，计算获得卫星本体坐标系下单个像元方向矢量；

18c)根据步骤18b)得到的卫星本体坐标系下单个像元方向矢量，计算获得卫星本体坐标系下相机焦面单个像元指向角；

19)利用步骤18c)得到的卫星本体坐标系像元指向角数据，在卫星本体系下创建相应视场的传感器，完成相机焦面单个像元的视向建模；

110)设定观测区域高程数据；

2)根据步骤1)获取的全要素参数数据，建立高精度通用成像模型，成像模型参数包括场景成像观测时间范围、卫星轨道、姿态、卫星测量坐标系、卫星本体系单个像元指向角、观测区域高程数据；

3)成像模型数据获取与数据处理；

31)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内卫星空间位置数据

32)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内卫星测量坐标系坐标基卫星光轴方向向量数据

33)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内单个像元视向与地球椭球交汇时摄影点位置数据

34)摄影点地速计算；

34a)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤33)获取的摄影点位置数据t+Delta_T时摄影点位置数据计算得到t时刻相机焦面单个像元视向对应视场摄影点合速度其中：

式中，为摄影点合速度向量，-表示向量和向量作减法运算；

34b)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤32)获取的卫星测量坐标系坐标基向量数据和步骤34a)计算得到的摄影点合速度数据，计算得到t时刻相机焦面单个像元视向对应视场摄影点地速值其中：

式中，为向量的模，×为向量和向量叉乘；

35)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤31)获取的卫星空间位置数据和步骤33)获取的摄影点位置数据计算得到t时刻相机焦面单个像元视向对应视场摄影点斜距值L_n(t)；其中：

$L\_n\left(t\right)=\sqrt{\underset{j=X,Y,Z}{\mathrm{\Σ}}{(\mathrm{Sat}\_\mathrm{Pos}\_j\left(t\right)-\mathrm{InterPoint}\_n\_j\left(t\right))}^2}$

式中，表示求平方根，∑表示求和，Sat_Pos_j(t)(j＝X,Y,Z)分别表示向量在X,Y,Z三个方向的分量，InterPoint_n_j(t)(j＝X,Y,Z)分别表示向量在X,Y,Z三个方向的分量；

36)利用步骤15)获取的瞬时视场角和步骤18c)获得的卫星本体坐标系下相机焦面单个像元指向角，计算获得相机焦面单个像元视向对应视场处等效瞬时视场角Equ_IFOV_n；

37)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤34b)获取的单个像元视向对应视场摄影点地速值步骤35)获取的摄影点斜距值L_n(t)、步骤36)获取的等效瞬时视场角Equ_IFOV_n，计算得到t时刻相机焦面单个像元视向对应视场处积分时间Tint_n(t)；其中：

式中，n为焦面CCD像元编号，为向量的模，/表示做除法运算；

4)重复步骤1)-步骤3)，逐个像元计算出不同成像时刻遥感器焦面不同位置像元对应视场处积分时间。

所述步骤36)中等效瞬时视场角的具体形式为：Equ_IFOV_n＝cos(PHY(n))·tan(PHY(n)+IFOV(n))-sin(PHY(n))；其中，n为焦面CCD像元编号；cos表示三角余弦函数；IFOV(n)为相机焦面单个像元沿推扫方向的瞬时视场角；sin表示三角正弦函数，PHY(n)为相机测量坐标系下单个像元视向沿推扫方向的指向角，即单个像元视向与光轴沿推扫方向的夹角。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法建模要素全面。本发明从空间相机遥感图像获取原理出发，综合考虑相机不同视场处瞬时视场角、像元指向角以及卫星平台等影像获取系统和地球自转、地球曲率、地形起伏等被观测物体地物目标环境因素，计算建模要素更全面。

(2)本发明方法适用范围广。本发明以相机全视场焦面不同位置处像元的指向角为基础，结合相机在卫星本体上的安装关系、卫星轨道、卫星姿态、卫星工作模式等，建立卫星通用成像模型，可广泛应用于同轴、离轴等不同类型光学系统遥感器建模和积分时间的计算与分析。

(3)本发明方法计算精度高。在相机成像时刻，通过对空间相机、卫星平台等影像获取系统和地球自转、地球曲率等被观测物体地物目标环境因素全要素建模与约束，提高了相机全视场焦面不同位置处像元积分时间的计算精度。

(4)本发明可结合卫星工程研制中卫星姿态机动后对成像质量影响分析需求，对卫星如卫星姿态机动偏流角补偿、卫星侧摆、卫星俯仰和卫星侧摆俯仰后相机全视场焦面不同位置处像元的积分时间进行计算，为卫星机动后成像姿态控制策略和星上相机积分时间的实时调整提供了一种新的验证手段。

附图说明

图1为本发明的典型同轴光学系统相机内方位元素定义示意图；

图2为本发明的典型离轴光学系统相机内方位元素定义示意图；

图3为本发明的相机全视场积分时间确定流程图；

图4为本发明的相机测量坐标系下单个像元指向角示意图；

图5为本发明的卫星本体坐标系下单个像元方向矢量(视向)示意图；

图6为本发明的积分时间确定原理示意图；

图7a为本发明的不同时刻卫星空间位置X方向分量示意图；

图7b为本发明的不同时刻卫星空间位置Y方向分量示意图；

图7c为本发明的不同时刻卫星空间位置Z方向分量示意图；

图8a为本发明的不同时刻卫星光轴方向向量X方向分量示意图；

图8b为本发明的不同时刻卫星光轴方向向量Y方向分量示意图；

图8c为本发明的不同时刻卫星光轴方向向量Z方向分量示意图；

图9a为本发明的不同时刻摄影点位置X方向分量示意图；

图9b为本发明的不同时刻摄影点位置Y方向分量示意图；

图9c为本发明的不同时刻摄影点位置Z方向分量示意图；

图10a为本发明的不同时刻摄影点合速度X方向分量示意图；

图10b为本发明的不同时刻摄影点合速度Y方向分量示意图；

图10c为本发明的不同时刻摄影点合速度Z方向分量示意图；

图11为本发明的不同时刻摄影点地速示意图；

图12为本发明的不同时刻摄影点斜距示意图；

图13为本发明的不同时刻单个像元1对应视场处积分时间示意图；

图14a为本发明的不同时刻单个像元27000对应视场处积分时间示意图；

图14b为本发明的不同时刻单个像元27000对应视场处积分时间示意图。

具体实施方式

本发明一种星载线阵推扫相机全视场积分时间确定方法，提供了一种星载线阵推扫相机全视场积分时间计算方法，特别是一种针对保证成像质量的星载单台单投影中心中等空间分辨率大视场相机或光学敏捷卫星上搭载的多台单投影中心高空间分辨率相机视场拼接组成的宽幅相机，该方法给出了相机全视场焦平面不同位置像元视向对应视场积分时间确定结果。本发明根据相机光学系统特性、像元指向角、相机在卫星上的布局、卫星轨道、卫星姿态、卫星工作模式等，综合考虑地球自转、地球曲率、地形起伏等因素，高精度计算与确定相机焦面不同位置处像元积分时间。

本发明中地心惯性坐标系的原点O为地心，X轴指向春分点，Z轴指向赤道面北极，Y轴构成右手正交系。地心固联坐标系指原点O为地心，且与地球自旋一同运动的固联坐标系，其X轴指向赤道面与格林威治子午面的相交线，其Z轴指向赤道面北极，Y轴与Z轴和X轴构成右手正交系。卫星轨道坐标系原点O为卫星质心，Z轴指向地心方向，Y轴指向轨道面负法线方向，X轴与Y轴和Z轴构成右手正交系。

本方法涉及的仿真和计算工具为卫星工具包STK(Satellite Tool Kit)软件和MATLAB软件。其中，相机观测场景高精度建模仿真和积分时间计算数据通过STK来获取，软件之间所有的数据和指令交互、积分时间计算则通过MATLAB进行。如图3所示，本发明方法中星载线阵推扫相机全视场积分时间的确定过程如下。

1)获取全要素建模仿真输入数据

11)确定相机成像观测时间范围和场景仿真时间间隔Delta_T；所述的相机成像观测时间范围包括成像开始时间、结束时间。

根据观测区域或目标需求，结合光学遥感卫星图像获取能力，确定相机开机成像时机的时间范围，包括成像开始时间、结束时间，时间采用协调世界时(Universal TimeCoordinated，UTC)，时间数据格式采用“年-月-日小时：分钟：秒.微秒”的方式，场景仿真时间间隔Delta_T不低于1微秒，不超过1秒。

12)获取卫星轨道参数，包括轨道历元时刻对应的半长轴、倾角、偏心率、右升交点赤经、近地点幅角、真近地点角；根据上述参数确定对应的轨道外推算法。

13)获取卫星姿态参数；包括卫星本体相对轨道坐标系的滚动、俯仰、偏航三轴姿态角数据或姿态四元数矩阵数据。

确定相机开机成像时机的时间范围内，三轴稳定对地观测卫星姿态参数。卫星姿态参数包括地心惯性坐标系下卫星本体相对轨道坐标系的按特定转序的滚动、俯仰、偏航等三轴姿态角数据或姿态四元数矩阵数据。根据卫星对相机偏流角补偿要求和方式，确定卫星相应姿态参数。

14)定义相机测量坐标系原点O为相机光学系统投影中心；+OY方向为焦面CCD线阵方向；+OZ为相机光轴方向，与焦平面垂直；+OX为相机推扫方向，为+OY与+OZ叉乘方向；获取相机测量坐标系像元指向角数据。

如图4所示，定义相机测量坐标系原点O为相机光学系统投影中心(即后节点)，+OY方向为焦面CCD线阵方向+OZ为相机光轴方向与焦平面垂直。+OX为相机推扫方向为+OY与+OZ叉乘方向，定义符合右手定则。

根据相机光学系统特性，确定相机全视场焦面不同位置像元在相机测量坐标系下的在Y方向和X方向的指向角(PHX、PHY)。

在卫星设计阶段，相机全视场焦面不同位置像元指向角可通过光学系统设计软件给出；在卫星研制阶段，相机全视场指向角可通过相机内方位元素测试获得；卫星在轨时，相机全视场像元指向角可通过在轨几何检校解算后获得。

在卫星不同研制阶段根据上述方法获得的指向角通常为特定视场或位置处像元指向角数据，为了获得全视场像元指向角，可采用多项式拟合的方式，得到以焦面像元编号(n)为变量，焦面不同位置像元在相机测量坐标系下的指向角。以三次多项式拟合为例，相机全视场焦面不同位置像元在相机测量坐标系下的在Y方向和X方向的指向角(PHX、PHY)拟合函数如下。

PHX(n)＝X_3×n³+X_2×n²+X_1×n+X_0

PHY(n)＝Y_3×n³+Y_2×n²+Y_1×n+Y_0

其中，n为相机焦面CCD像元编号，X_i、Y_i(i＝0,1,2,3)为多项式系数。

15)获取相机焦面单个像元沿相机推扫方向的瞬时视场角。

确定相机焦面不同位置处像元沿相机推扫方向的瞬时视场角(IFOV)。瞬时视场角为焦面像元相对投影中心的张角，在卫星设计阶段，可通过光学系统设计软件给出；在卫星研制阶段，可通过相机推扫方向瞬时视场角标定或测试获得。

16)获取相机和卫星本体之间的安装矩阵参数。

确定相机和卫星本体之间的安装矩阵参数相机在卫星本体上的安装参数通常以一个3×3的矩阵给出。

在卫星设计阶段，通常根据光学遥感卫星相机成像质量要求，给出合适的相机安装矩阵设计值；在卫星研制阶段，通过卫星精测确定相机与卫星本体之间的安装关系，获得实际的相机安装矩阵参数。

17)定义卫星测量坐标系原点与相机测量坐标系原点O重合，卫星测量坐标系坐标基为卫星CCD线阵方向、卫星光轴方向、卫星推扫方向；根据步骤16)得到的安装矩阵参数和步骤14)建立的相机测量坐标系，获取卫星测量坐标系坐标基数据。

定义卫星测量坐标系原点与相机测量坐标系原点O重合，卫星测量坐标系坐标基为卫星CCD线阵方向卫星光轴方向卫星推扫方向

利用相机安装矩阵参数和相机测量坐标系，得到卫星测量坐标系坐标基为：

其中，×表示矩阵乘法，^T表示将行向量转置为列向量。

18)获取卫星本体系下单个像元指向角数据。

18a)计算获得相机测量坐标系每个像元方向矢量。

相机测量坐标系下，记光轴为单位矢量，相机焦面每个像元的方向矢量(即视向)为：

LOS_Cam(n)＝[tan(PHY(n))-tan(PHX(n))1]^T

其中，n为相机焦面CCD像元编号，^T表示将行向量转置为列向量。

18b)定义卫星本体坐标系原点O为卫星质心，卫星+OX、+OY、+OZ三轴为卫星的三个惯性主轴，成右手正交系；其中+OX为滚动轴，指向飞行方向，+OZ为偏航轴，沿径向指向地心，+OY为俯仰轴，+OY为+OZ与+OX叉乘方向；根据步骤16)得到的安装矩阵参数，计算获得卫星本体坐标系下单个像元方向矢量。

如图5所示，卫星本体坐标系下，每个像元的方向矢量矩阵(Sat_LOS)为：

$\mathrm{Sat}\_\mathrm{LOS}\left(n\right)=M_{\mathrm{Cam}}^{\mathrm{Body}}\×{\left[\begin{array}{ccc}\tan \left(\mathrm{PHY}\left(n\right)\right)& -\tan \left(\mathrm{PHX}\left(n\right)\right)& 1\end{array}\right]}^T={\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{SatX}\left(n\right)& \mathrm{SatY}\left(n\right)& \mathrm{SatZ}\left(n\right)\end{array}\right]}^T$

其中，n为焦面CCD像元编号，为相机安装矩阵，×表示矩阵乘法，tan表示三角正切函数，^T表示将行向量转置为列向量。

18c)根据步骤18b)得到的卫星本体坐标系下单个像元方向矢量，计算获得卫星本体坐标系下相机焦面单个像元指向角。

卫星本体坐标系下，相机全视场焦面不同位置像元的指向角(Sat_PHX、Sat_PHY)为：

Sat_PHX(n)＝-atan(SatY(n)/SatZ(n))

Sat_PHY(n)＝atan(SatX(n)/SatZ(n))

其中，n为焦面CCD像元编号，atan表示反三角正切函数。

19)利用步骤18c)得到的卫星本体坐标系像元指向角数据，在卫星本体系下创建相应视场的传感器，完成相机焦面单个像元的视向建模。

根据卫星本体坐标系像元指向角数据(Sat_PHX(n)、Sat_PHY(n))，在STK中利用传感器对象工具(Sensor)，创建卫星本体系下相应视场的传感器，对相机焦面单个像元的视向建模。

为计算相机不同视场的积分时间，可根据相机实际计算视场的需要，重复特定视场传感器建模过程，逐个视场完成建模和仿真。

110)设定观测区域高程数据。

根据观测区域或目标需求，根据数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)数据库，设定相应的数字高程参数。

2)根据步骤1)获取的全要素参数数据，建立高精度通用成像模型，成像模型参数包括场景成像观测时间范围、卫星轨道、姿态、卫星测量坐标系、卫星本体系单个像元指向角、观测区域高程数据。

3)成像模型数据获取与数据处理。

31)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内卫星空间位置数据

在地心固联坐标系下，间隔Delta_T秒，获取仿真时间内不同成像时刻t时卫星空间位置数据卫星空间位置数据的三个分量为X方向分量(Sat_Pos_X(t)，矩阵第1列)、Y方向分量(Sat_Pos_Y(t)，矩阵第2列)和Z方向分量(Sat_Pos_Z(t)，矩阵第3列)。

32)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内卫星测量坐标系坐标基卫星光轴方向向量数据

33)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内单个像元视向与地球椭球交汇时摄影点位置数据

在地心固联坐标系下，间隔Delta_T秒，获取仿真时间内不同成像时刻t时像元n视向与地球椭球交汇时摄影点位置数据摄影点位置数据的三个分量为X方向分量(InterPoint_n_X(t)，矩阵第1列)、Y方向分量(InterPoint_n_Y(t)，矩阵第2列)和Z方向分量(InterPoint_n_Z(t)，矩阵第3列)。其中，n为相机焦面像元编号。

34)摄影点地速计算。

34a)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤33)获取的摄影点位置数据t+Delta_T时摄影点位置数据计算得到t时刻相机焦面单个像元视向对应视场摄影点合速度其中：

式中，为摄影点合速度向量，-表示向量和向量作减法运算。

34b)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤32)获取的卫星测量坐标系坐标基向量数据和步骤34a)计算得到的摄影点合速度数据，计算得到t时刻相机焦面单个像元视向对应视场摄影点地速值其中：

式中，为向量的模，×为向量和向量叉乘。

35)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤31)获取的卫星空间位置数据和步骤33)获取的摄影点位置数据计算得到t时刻相机焦面单个像元视向对应视场摄影点斜距值L_n(t)。其中：

$L\_n\left(t\right)=\sqrt{\underset{j=X,Y,Z}{\mathrm{\Σ}}{(\mathrm{Sat}\_\mathrm{Pos}\_j\left(t\right)-\mathrm{InterPoint}\_n\_j\left(t\right))}^2}$

式中，表示求平方根，∑表示求和，Sat_Pos_j(t)(j＝X,Y,Z)分别表示向量在X,Y,Z三个方向的分量，InterPoint_n_j(t)(j＝X,Y,Z)分别表示向量在X,Y,Z三个方向的分量。摄影点斜距如图6所示。

36)利用步骤15)获取的瞬时视场角和步骤18c)获得的卫星本体坐标系下相机焦面单个像元指向角，计算获得相机焦面单个像元视向对应视场处等效瞬时视场角Equ_IFOV_n。

如图6所示，相机焦面单个像元视向对应视场处等效瞬时视场角(Equ_IFOV_n)计算为：

Equ_IFOV_n＝cos(PHY(n))·tan(PHY(n)+IFOV(n))-sin(PHY(n))

其中，n为焦面CCD像元编号；cos表示三角余弦函数；IFOV(n)为相机焦面单个像元沿推扫方向的瞬时视场角；sin表示三角正弦函数，PHY(n)为相机测量坐标系下单个像元视向沿推扫方向的指向角，即单个像元视向与光轴沿推扫方向的夹角。

37)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤34b)获取的单个像元视向对应视场摄影点地速值步骤35)获取的摄影点斜距值L_n(t)、步骤36)获取的等效瞬时视场角Equ_IFOV_n，计算得到t时刻相机焦面单个像元视向对应视场处积分时间Tint_n(t)。其中：

式中，n为焦面CCD像元编号，为向量的模，/表示做除法运算。

4)重复步骤1)-步骤3)，逐个像元计算出遥感器焦面不同位置像元对应视场处积分时间。

以一颗搭载有大视场离轴线阵推扫光学相机的光学遥感卫星为例，给出具体算例如下：

1)获取全要素建模仿真输入数据；

11)确定相机成像观测时间范围和场景仿真时间间隔Delta_T。

成像开始时间：2014-7-206:46:55.000(UTC)

成像结束时间：2014-7-207:31:31.500(UTC)

场景仿真时间间隔Delta_T：0.5秒

12)获取卫星轨道参数，包括轨道历元时刻对应的半长轴、倾角、偏心率、右升交点赤经、近地点幅角、真近地点角；根据上述参数确定对应的轨道外推算法。

轨道类型：太阳同步轨道；

轨道历元时刻(UTC):1Jul 201413:37:45.000；

轨道半长轴：7148.14km；

轨道倾角：98.4818deg；

轨道偏心率：1.8921e-016；

轨道右升交点赤经：241.778deg；

近地点幅角：0deg；

真近地点角：7.95139e-016deg；

轨道外推算法：高精度轨道外推算法(HPOP)。

13)获取卫星姿态参数；包括卫星本体相对轨道坐标系的滚动、俯仰、偏航三轴姿态角数据或姿态四元数矩阵数据。

姿态控制：对地定向三轴稳定；

姿态转序：312；

地心惯性系下卫星本体相对轨道坐标系滚动、俯仰、偏航三轴姿态角：

卫星滚动角：5°、卫星俯仰角：5°、卫星偏航角：0°；

相机偏流角补偿方式：以相机中心视场为参考，卫星偏航机动补偿偏流角。

14)定义相机测量坐标系原点O为相机光学系统投影中心；+OY方向为焦面CCD线阵方向；+OZ为相机光轴方向，与焦平面垂直；+OX为相机推扫方向，为+OY与+OZ叉乘方向；获取相机测量坐标系像元指向角数据。

通过光学系统设计软件给出，相机测量坐标系下，焦面3个不同位置处像元指向角和相机推扫方向瞬时视场角，如下表1所示。

表1相机测量坐标系下焦面不同位置处像元指向角和相机推扫方向瞬时视场角

焦面单个像元编号n	PHX，°	PHY，°	IFOV，urad
				1	-35	10	25
27000	0	8	25
				54000	35	10	25

15)获取相机焦面单个像元沿相机推扫方向的瞬时视场角

相机焦面不同位置处像元沿相机推扫方向的瞬时视场角如表1所示。

16)获取相机和卫星本体之间的安装矩阵参数

相机和卫星本体之间的安装矩阵参数设计值为：

$M_{\mathrm{Cam}}^{\mathrm{Body}}=\left[\begin{array}{ccc}0.990268069& 0& -0.139173101\\ 0& 1& 0\\ 0.139173101& 0& 0.990268069\end{array}\right]$

17)定义卫星测量坐标系原点与相机测量坐标系原点O重合，卫星测量坐标系坐标基为卫星CCD线阵方向、卫星光轴方向、卫星推扫方向；根据步骤16)得到的安装矩阵参数和步骤14)建立的相机测量坐标系，获取卫星测量坐标系坐标基数据。

卫星测量坐标系坐标基为：

卫星CCD线阵方向

卫星光轴方向

卫星推扫方向

18)获取卫星本体系下单个像元指向角数据

卫星本体坐标系下，根据步骤18a)-18c)，得到相机焦面五个不同位置处像元的指向角如下表2所示。

表2卫星本体坐标系下焦面不同位置处焦面单个像元指向角

焦面单个像元编号n	Sat_PHX，°	Sat_PHY，°
			1	-34.6053	2
27000	0	1.5748E-15
			54000	34.60529	2

19)利用步骤18c)得到的卫星本体坐标系像元指向角数据，在卫星本体系下创建相应视场的传感器，完成相机焦面单个像元的视向建模。

本步骤焦面单个像元编号取n＝1，即第1个像元。

110)设定观测区域高程数据。设置数字高程为0。

2)根据步骤1)获取的全要素参数数据，建立通用成像模型，成像模型参数包括场景成像观测时间范围、卫星轨道、姿态、卫星测量坐标系、相机焦面单个像元的视向、观测区域高程数据。

3)成像模型数据获取与数据处理。

31)不同成像时刻，间隔0.5秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内卫星空间位置数据的三个分量分别如图7a-7c所示。

32)不同成像时刻，间隔0.5秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内卫星测量坐标系坐标基卫星光轴方向向量的三个分量分别如图8a-8c所示。

33)不同成像时刻，间隔0.5秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内单个像元视向与地球椭球交汇时摄影点位置数据的三个分量分别如图9a-9c所示。

34)摄影点地速计算；

34a)不同成像时刻，在地心固联坐标系下，利用步骤33)获取的摄影点位置数据计算得到对应时刻相机焦面单个像元视向对应视场摄影点合速度，摄影点合速度的三个分量分别如图10a-10c所示。

34b)不同成像时刻，在地心固联坐标系下，利用步骤32)获取的卫星测量坐标系坐标基向量数据和步骤34a)计算得到的摄影点合速度数据，计算得到对应时刻相机焦面单个像元视向对应视场摄影点地速值，如图11所示。

35)不同成像时刻，在地心固联坐标系下，利用步骤31)获取的卫星空间位置数据和步骤33)获取的摄影点位置数据，计算得到对应时刻相机焦面单个像元视向对应视场摄影点斜距值，如图12所示。

36)利用步骤15)获取的瞬时视场角和步骤18c)获得的卫星本体坐标系下相机焦面单个像元指向角，计算获得相机焦面单个像元视向对应视场处等效瞬时视场角为0.0250152604514969urad；

37)不同成像时刻，在地心固联坐标系下，利用步骤34b)获取的单个像元视向对应视场摄影点地速值、步骤35)获取的摄影点斜距值、步骤36)获取的等效瞬时视场角，计算得到对应时刻相机焦面单个像元视向对应视场处积分时间，如图13所示。

4)重复步骤1)-步骤3)，逐个像元计算出n＝27000和n＝54000时，不同成像时刻遥感器焦面不同位置像元对应视场处积分时间，分别如图14a和图14b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。

Claims (2)

1.一种星载线阵推扫相机全视场积分时间确定方法，其特征在于步骤如下：

1)获取全要素建模仿真输入数据；

11)确定相机成像观测时间范围和场景仿真时间间隔Delta_T；所述的相机成像观测时间范围包括成像开始时间、结束时间；

12)获取卫星轨道参数，包括轨道历元时刻对应的半长轴、倾角、偏心率、右升交点赤经、近地点幅角、真近地点角；根据上述参数确定对应的轨道外推算法；

13)获取卫星姿态参数；包括卫星本体相对轨道坐标系的滚动、俯仰、偏航三轴姿态角数据或姿态四元数矩阵数据；

14)定义相机测量坐标系原点O为相机光学系统投影中心；+OY方向为焦面CCD线阵方向；+OZ为相机光轴方向，与焦平面垂直；+OX为相机推扫方向，为+OY与+OZ叉乘方向；获取相机测量坐标系像元指向角数据；

15)获取相机焦面单个像元沿相机推扫方向的瞬时视场角；

16)获取相机和卫星本体之间的安装矩阵参数；

17)定义卫星测量坐标系原点与相机测量坐标系原点O重合，卫星测量坐标系坐标基为卫星CCD线阵方向、卫星光轴方向、卫星推扫方向；根据步骤16)得到的安装矩阵参数和步骤14)建立的相机测量坐标系，获取卫星测量坐标系坐标基数据；

18)获取卫星本体坐标系下单个像元指向角数据；

18a)计算获得相机测量坐标系下单个像元方向矢量；

18b)定义卫星本体坐标系原点O为卫星质心，卫星+OX、+OY、+OZ三轴为卫星的三个惯性主轴，成右手正交系；其中+OX为滚动轴，指向飞行方向，+OZ为偏航轴，沿径向指向地心，+OY为俯仰轴，+OY为+OZ与+OX叉乘方向；根据步骤16)得到的安装矩阵参数，计算获得卫星本体坐标系下单个像元方向矢量；

18c)根据步骤18b)得到的卫星本体坐标系下单个像元方向矢量，计算获得卫星本体坐标系下相机焦面单个像元指向角；

19)利用步骤18c)得到的卫星本体坐标系像元指向角数据，在卫星本体系下创建相应视场的传感器，完成相机焦面单个像元的视向建模；

110)设定观测区域高程数据；

2)根据步骤1)获取的全要素参数数据，建立高精度通用成像模型，成像模型参数包括场景成像观测时间范围、卫星轨道、姿态、卫星测量坐标系、卫星本体系单个像元指向角、观测区域高程数据；

3)成像模型数据获取与数据处理；

31)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内卫星空间位置数据

32)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内卫星测量坐标系坐标基卫星光轴方向向量数据

33)不同成像时刻t时，间隔Delta_T秒，在地心固联坐标系下，获取仿真时间内单个像元视向与地球椭球交汇时摄影点位置数据

34)摄影点地速计算；

34a)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤33)获取的摄影点位置数据t+Delta_T时摄影点位置数据计算得到t时刻相机焦面单个像元视向对应视场摄影点合速度其中：

式中，为摄影点合速度向量，-表示向量和向量作减法运算；

34b)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤32)获取的卫星测量坐标系坐标基向量数据和步骤34a)计算得到的摄影点合速度数据，计算得到t时刻相机焦面单个像元视向对应视场摄影点地速值；其中：

式中，为向量的模，×为向量和向量叉乘；

35)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤31)获取的卫星空间位置数据和步骤33)获取的摄影点位置数据计算得到t时刻相机焦面单个像元视向对应视场摄影点斜距值L_n(t)；其中：

$L\_n\left(t\right)=\sqrt{\underset{j=X,Y,Z}{\Σ}{(Sat\_Pos\_j(t)-InterPo\mathrm{int}\_n\_j(t\left)\right)}^2}$

式中，表示求平方根，∑表示求和，Sat_Pos_j(t)(j＝X,Y,Z)分别表示向量在X,Y,Z三个方向的分量，InterPoint_n_j(t)(j＝X,Y,Z)分别表示向量在X,Y,Z三个方向的分量；

36)利用步骤15)获取的瞬时视场角和步骤18c)获得的卫星本体坐标系下相机焦面单个像元指向角，计算获得相机焦面单个像元视向对应视场处等效瞬时视场角Equ_IFOV_n；

37)不同成像时刻t时，在地心固联坐标系下，利用步骤34b)获取的单个像元视向对应视场摄影点地速值步骤35)获取的摄影点斜距值L_n(t)、步骤36)获取的等效瞬时视场角Equ_IFOV_n，计算得到t时刻相机焦面单个像元视向对应视场处积分时间Tint_n(t)；其中：

式中，n为焦面CCD像元编号，为向量的模，/表示做除法运算；

4)重复步骤1)-步骤3)，逐个像元计算出不同成像时刻遥感器焦面不同位置像元对应视场处积分时间。

2.根据权利要求1所述的一种星载线阵推扫相机全视场积分时间确定方法，其特征在于：所述步骤36)中等效瞬时视场角的具体形式为：Equ_IFOV_n＝cos(PHY(n))·tan(PHY(n)+IFOV(n))-sin(PHY(n))；其中，n为焦面CCD像元编号；cos表示三角余弦函数；IFOV(n)为相机焦面单个像元沿推扫方向的瞬时视场角；sin表示三角正弦函数，PHY(n)为相机测量坐标系下单个像元视向沿推扫方向的指向角，即单个像元视向与光轴沿推扫方向的夹角。