CN105931248A - 卫星影像定位的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星影像定位的方法和装置。其中，该方法包括：获取卫星影像的定轨定姿数据；根据定轨定姿数据，利用二次多项式模型拟合得到初始姿态角元素值；根据初始姿态角元素值获取连接点的角元素，结合卫星影像连接点的定轨参数以及像点坐标计算得到该连接点的地面坐标；根据连接点的像点坐标、地面坐标和初始姿态角元素值，结合自适应权值分配剔除粗差点，通过后方交会计算得到初始姿态角元素修正值；根据初始姿态角元素修正值修正初始姿态角元素值得到修正后的高精度初始姿态角元素。本发明解决了在没有地面控制点条件下，仅利用星上下传数据满足目标定位精度要求的技术问题，实现无地面控制点的高精度定位。

Description

卫星影像定位的方法和装置

技术领域

本发明涉及卫星定位领域，具体而言，涉及一种卫星影像定位的方法和装置。

背景技术

卫星遥感影像的精确定位一直依赖于地面控制点，然而获取足够数量的地面控制点通常非常困难，因此，在未获取到足够的地面控制点时，卫星遥感影像的定位往往不够精确。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种卫星影像定位的方法和装置，以至少解决无地面控制点条件下的卫星遥感影像的定位精度低的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种卫星影像定位的方法，包括：获取卫星影像的定轨定姿数据；根据所述定轨定姿数据，利用二次多项式模型拟合得到初始姿态角元素值；根据所述初始姿态角元素值获取连接点的角元素，结合所述卫星影像连接点的定轨参数以及像点坐标计算得到该连接点的地面坐标；根据所述连接点的像点坐标、地面坐标和所述初始姿态角元素值，结合自适应权值分配剔除粗差点，通过后方交会计算得到初始姿态角元素修正值；根据所述初始姿态角元素修正值修正所述初始姿态角元素值得到修正后的高精度初始姿态角元素。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种卫星影像定位的装置，包括：获取单元，用于获取卫星影像的定轨定姿数据；处理单元，用于根据所述定轨定姿数据，利用二次多项式模型拟合得到初始姿态角元素值；第一计算单元，用于根据所述初始姿态角元素值获取连接点的角元素，结合所述卫星影像连接点的定轨参数以及像点坐标计算得到该连接点的地面坐标；第二计算单元，用于根据所述连接点的像点坐标、地面坐标和所述初始姿态角元素值，结合自适应权值分配剔除粗差点，通过后方交会计算得到初始姿态角元素修正值；修正单元，用于根据所述初始姿态角元素修正值修正所述初始姿态角元素值得到修正后的高精度初始姿态角元素。

在本发明实施例中，获取卫星影像的定轨定姿数据；根据该定轨定姿数据，利用二次多项式模型拟合得到初始姿态角元素值；根据该初始姿态角元素值获取连接点的角元素，结合该卫星影像连接点的定轨参数以及像点坐标计算得到该连接点的地面坐标；根据该连接点的像点坐标、地面坐标和该初始姿态角元素值，结合自适应权值分配剔除粗差点，通过后方交会计算得到初始姿态角元素修正值；根据该初始姿态角元素修正值修正该初始姿态角元素值得到修正后的高精度初始姿态角元素。采用上述方案，可以在无地面控制点的情况下，仅利用星上下传数据满足目标定位精度要求的目的，从而解决了无地面控制点条件下的卫星遥感影像的定位精度低的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种可选的卫星影像定位方法的流程示意图；

图2是根据本发明实施例的一种可选的卫星影像定位装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本发明实施例，提供了一种卫星影像定位的方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本发明实施例的一种卫星影像定位的方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：

S101、获取卫星影像的定轨定姿数据。

其中，采用外定标获取定轨定姿数据，即用于描述摄影中心的空间坐标值和像片面的空间姿态，包括定轨参数(X_Si,Y_Si,Z_Si)和角元素(ω_i,κ_i)，其中i表示第i扫描行。本实施例以WGS84为坐标基准。

S102、根据该定轨定姿数据，利用二次多项式模型拟合得到初始姿态角元素值。

其中，该二次多项式模型可以是：

其中，t为摄影时刻，φ₀、ω₀、k₀，φ₁，ω₁、k₁，φ₂、ω₁、k₂表示初始姿态角元素值。

在本实施例中，通过定轨定姿数据并结合上述二次多项式模型即可拟合得到初始姿态角元素值。

S103、根据该初始姿态角元素值获取连接点的角元素，结合该卫星影像连接点的定轨参数以及像点坐标计算得到该连接点的地面坐标。

在本实施例一种可能的实现方式中，根据该初始姿态角元素值获取连接点的角元素，结合定轨参数以及像点坐标通过以下公式计算得到该连接点的地面坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_{1}X+l_{2}Y+l_{3}Z-l_x=0\\ l_{4}X+l_{5}Y+l_{6}Z-l_y=0\end{array}\right.$

其中，X、Y、Z为连接点的地面坐标。

l₁＝fa₁+(x-x₀)a₃,l₂＝fb₁+(x-x₀)b₃,l₃＝fc₁+(x-x₀)c₃

l_x＝fa₁X_Si+fb₁Y_Si+fc₁Z_Si+(x-x₀)a₃X_Si+(x-x₀)b₃Y_Si+(x-x₀)c₃Z_Si

l₄＝fa₂+(y-y₀)a₃,l₅＝fb₂+(y-y₀)b₃,l₆＝fc₂+(y-y₀)c₃

l_y＝fa₂X_Si+fb₂Y_Si+fc₂Z_Si+(y-y₀)a₃X_Si+(y-y₀)b₃Y_Si+(y-y₀)c₃Z_Si

x₀，y₀为像主点坐标，x,y为该连接点的像点坐标，a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃为该连接点对应的角元素计算的旋转矩阵元素，f为摄影中心到像片的垂距，X_Si,Y_Si,Z_Si为该连接点的定轨参数，

b₁＝cosω_i sinκ_i；b₂＝cosω_i cosκ_i；b₃＝-sinω_i

ω_i,κ_i为该连接点的角元素。

若n(n≥2)幅影像含有同一空间点，则总共有n个形如上式的方程组求解连接点地面坐标。

S104、根据该连接点的像点坐标、地面坐标和初始姿态角元素值，结合自适应权值分配剔除粗差点，通过后方交会计算得到初始姿态角元素修正值。

在本步骤中，通过该连接点的像点坐标、地面坐标和初始姿态角元素值，并结合权矩阵计算得到初始姿态角元素修正值。

在一种可能的实现方式中，可以通过以下公式得到初始姿态角元素修正值：

X＝(A^TPA)^-1A^TPL

其中，X为初始姿态角元素修正值，

t为摄影时刻，A为系数矩阵，其中：

$a_{14}=(y-y_0){\mathrm{sin\ω}}_i-\{\frac{x-x_0}{f}\[(x-x_0)\cos k_i-(y-y_0)\sin k_i\]+f\cos k_i\}{\mathrm{cos\ω}}_i;$

$a_{15}=-f\sin k_i-\frac{x-x_0}{f}\[(x-x_0)\sin k_i+(y-y_0)\cos k_i\];$

a₁₆＝y-y₀；

$a_{24}=-(x-x_0){\mathrm{sin\ω}}_i-\{\frac{y-y_0}{f}\[(x-x_0)\cos k_i-(y-y_0)\sin k_i\]-f\sin k_i\}{\mathrm{cos\ω}}_i;$

$a_{25}=-f\cos k_i-\frac{y-y_0}{f}\[(x-x_0)\sin k_i+(y-y_0)\cos k_i\];$

a₂₆＝-(x-x₀)；

L＝[l_x l_y]^T，L为常数项矩阵，其中：

$l_x=x-(x_0-f\frac{a_1(X-X_{Si})+b_1(Y-Y_{Si})+c_1(Z-Z_{Si})}{a_3(X-X_{Si})+b_3(Y-Y_{Si})+c_3(Z-Z_{Si})});$

$l_y=y-(y_0-f\frac{a_2(X-X_{Si})+b_2(Y-Y_{Si})+c_2(Z-Z_{Si})}{a_3(X-X_{Si})+b_3(Y-Y_{\mathrm{Si}})+c_3(Z-Z_{Si})});$

P为该权矩阵，包括P_x和P_y，P_x为x方向权值，P_y为y方向权值,

$P_x=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|v_x\right|\&le;k_0\\ \frac{k_0}{\left|v_x\right|}& k_0<\left|v_x\right|\&le;k_1\\ 0& k_1<\left|v_x\right|\end{array}\right.,P_y=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|v_y\right|\&le;k_2\\ \frac{k_0}{\left|v_y\right|}& k_2<\left|v_y\right|<k_3\\ 0& k_3<\left|v_y\right|\end{array}\right.$

v_x为该连接点在x方向的残差，v_y为该连接点在y方向的残差，k₀＝σ₀；k₁＝3σ₀,σ₀为所有该卫星影像连接点x方向残差v_x的中误差值，k₂＝σ₁，k₃＝3σ₁，其中，σ₁为所有连接点y方向残差v_y的中误差值。

需要说明的是，初始权矩阵可以是单位矩阵，权矩阵可由后方交会解算得到并作为下一次求权的依据，以达到剔除粗差的目的。

S105、根据该初始姿态角元素修正值修正初始姿态角元素值得到修正后的高精度初始姿态角元素。

采用上述方案，可以在无地面控制点的情况下，仅利用星上下传数据满足目标定位精度要求的目的，从而解决了无地面控制点条件下的卫星遥感影像的定位精度低的技术问题。

图2为根据本发明实施例提供的一种卫星影像定位的装置，如图2所示，该装置包括：

获取单元201，用于获取卫星影像的定轨定姿数据；

处理单元202，用于根据该定轨定姿数据，利用二次多项式模型拟合得到初始姿态角元素值；

第一计算单元203，用于根据该初始姿态角元素值获取连接点的角元素，结合该卫星影像连接点的定轨参数以及像点坐标计算得到该连接点的地面坐标；

第二计算单元204，用于根据该连接点的像点坐标、地面坐标和该初始姿态角元素值，结合自适应权值分配剔除粗差点，通过后方交会计算得到初始姿态角元素修正值；

修正单元205，用于根据该初始姿态角元素修正值修正该初始姿态角元素值得到修正后的高精度初始姿态角元素。

可选地，该第一计算单元203，具体用于根据该初始姿态角元素值和定轨参数以及该卫星影像的连接点的像点坐标通过以下公式计算得到该连接点的地面坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_{1}X+l_{2}Y+l_{3}Z-l_x=0\\ l_{4}X+l_{5}Y+l_{6}Z-l_y=0\end{array}\right.$

其中，X、Y、Z为该地面坐标。

l₁＝fa₁+(x-x₀)a₃,l₂＝fb₁+(x-x₀)b₃,l₃＝fc₁+(x-x₀)c₃

l_x＝fa₁X_Si+fb₁Y_Si+fc₁Z_Si+(x-x₀)a₃X_Si+(x-x₀)b₃Y_Si+(x-x₀)c₃Z_Si

l₄＝fa₂+(y-y₀)a₃,l₅＝fb₂+(y-y₀)b₃,l₆＝fc₂+(y-y₀)c₃

l_y＝fa₂X_Si+fb₂Y_Si+fc₂Z_Si+(y-y₀)a₃X_Si+(y-y₀)b₃Y_Si+(y-y₀)c₃Z_Si

x₀，y₀为像主点坐标，x,y为该连接点的像点坐标，a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃为该连接点对应的角元素计算的旋转矩阵元素，f为摄影中心到像片的垂距，X_Si,Y_Si,Z_Si为该连接点的定轨参数，

b₁＝cosω_i sinκ_i；b₂＝cosω_i cosκ_i；b₃＝-sinω_i

ω_i,κ_i为该连接点的角元素。

可选地，该第二计算单元204，具体用于通过该连接点的像点坐标、该地面坐标值和该初始姿态角元素值，并结合权矩阵计算得到初始姿态角元素修正值。

采用上述方案，可以在无地面控制点的情况下，仅利用星上下传数据满足目标定位精度要求的目的，从而解决了无地面控制点条件下的卫星遥感影像的定位精度低的技术问题。

需要说明的是，所属本领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程和描述，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

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单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以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全部或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(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个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、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种卫星影像定位的方法，其特征在于，包括：

获取卫星影像的定轨定姿数据；

根据所述定轨定姿数据，利用二次多项式模型拟合得到初始姿态角元素值；

根据所述初始姿态角元素值获取连接点的角元素，结合所述卫星影像连接点的定轨参数以及像点坐标计算得到该连接点的地面坐标；

根据所述连接点的像点坐标、地面坐标和所述初始姿态角元素值，结合自适应权值分配剔除粗差点，通过后方交会计算得到初始姿态角元素修正值；

根据所述初始姿态角元素修正值修正所述初始姿态角元素值得到修正后的高精度初始姿态角元素。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述初始姿态角元素值获取连接点的角元素，结合所述卫星影像连接点的定轨参数以及像点坐标计算得到该连接点的地面坐标包括：

根据所述初始姿态角元素值和定轨参数以及所述卫星影像的连接点的像点坐标通过以下公式计算得到所述连接点的地面坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_{1}X+l_{2}Y+l_{3}Z-l_x=0\\ l_{4}X+l_{5}Y+l_{6}Z-l_y=0\end{array}\right.$

其中，X、Y、Z为所述连接点的地面坐标；

l₁＝fa₁+(x-x₀)a₃,l₂＝fb₁+(x-x₀)b₃,l₃＝fc₁+(x-x₀)c₃

l_x＝fa₁X_Si+fb₁Y_Si+fc₁Z_Si+(x-x₀)a₃X_Si+(x-x₀)b₃Y_Si+(x-x₀)c₃Z_Si

l₄＝fa₂+(y-y₀)a₃,l₅＝fb₂+(y-y₀)b₃,l₆＝fc₂+(y-y₀)c₃

l_y＝fa₂X_Si+fb₂Y_Si+fc₂Z_Si+(y-y₀)a₃X_Si+(y-y₀)b₃Y_Si+(y-y₀)c₃Z_Si

x₀，y₀为像主点坐标，x,y为所述连接点的像点坐标，a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃为所述连接点对应的角元素计算的旋转矩阵元素，f为摄影中心到像片的垂距，X_Si,Y_Si,Z_Si为所述连接点的定轨参数，

b₁＝cosω_isinκ_i；b₂＝cosω_icosκ_i；b₃＝-sinω_i

ω_i,κ_i为所述连接点的角元素。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述连接点的像点坐标、地面坐标和所述初始姿态角元素值，结合自适应权值分配剔除粗差点，通过后方交会计算得到初始姿态角元素修正值包括：

通过该连接点的像点坐标、所述地面坐标值和所述初始姿态角元素值，并结合权矩阵计算得到初始姿态角元素修正值。

4.一种卫星影像定位的装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取卫星影像的定轨定姿数据；

处理单元，用于根据所述定轨定姿数据，利用二次多项式模型拟合得到初始姿态角元素值；

第一计算单元，用于根据所述初始姿态角元素值获取连接点的角元素，结合所述卫星影像连接点的定轨参数以及像点坐标计算得到该连接点的地面坐标；

第二计算单元，用于根据所述连接点的像点坐标、地面坐标和所述初始姿态角元素值，结合自适应权值分配剔除粗差点，通过后方交会计算得到初始姿态角元素修正值；

修正单元，用于根据所述初始姿态角元素修正值修正所述初始姿态角元素值得到修正后的高精度初始姿态角元素。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一计算单元，具体用于根据所述初始姿态角元素值和定轨参数以及所述卫星影像的连接点的像点坐标通过以下公式计算得到所述连接点的地面坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_{1}X+l_{2}Y+l_{3}Z-l_x=0\\ l_{4}X+l_{5}Y+l_{6}Z-l_y=0\end{array}\right.$

其中，X、Y、Z为所述地面坐标。

l₁＝fa₁+(x-x₀)a₃,l₂＝fb₁+(x-x₀)b₃,l₃＝fc₁+(x-x₀)c₃

l_x＝fa₁X_Si+fb₁Y_Si+fc₁Z_Si+(x-x₀)a₃X_Si+(x-x₀)b₃Y_Si+(x-x₀)c₃Z_Si

l₄＝fa₂+(y-y₀)a₃,l₅＝fb₂+(y-y₀)b₃,l₆＝fc₂+(y-y₀)c₃

l_y＝fa₂X_Si+fb₂Y_Si+fc₂Z_Si+(y-y₀)a₃X_Si+(y-y₀)b₃Y_Si+(y-y₀)c₃Z_Si

x₀，y₀为像主点坐标，x,y为所述连接点的像点坐标，a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃为所述连接点对应的角元素计算的旋转矩阵元素，f为摄影中心到像片的垂距，X_Si,Y_Si,Z_Si为所述连接点的定轨参数，

b₁＝cosω_isinκ_i；b₂＝cosω_icosκ_i；b₃＝-sinω_i

ω_i,κ_i为所述连接点的角元素。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述第二计算单元，具体用于通过该连接点的像点坐标、所述地面坐标值和所述初始姿态角元素值，并结合权矩阵计算得到初始姿态角元素修正值。