CN106504286A - 卫星影像定位方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位方法和装置，采用本发明实施例提供的方法和装置，可以实现在没有地面控制点条件下，仅依据外定标获得的定轨定资数据以及卫星的相机在该定轨定资数据下拍摄的卫星影像的连接点的坐标值数据，对卫星的定轨定资数据中的空间姿态数据进行校正。具体的，利用定轨定姿数据和连接点坐标、与连接点对应的地面坐标值的对应关系，通过二次多项式构建空间姿态数据随时间变化的外方位元素方程，基于共线方程，获取连接点的地面坐标值以及利用最小二乘法迭代求解空间姿态数据。

Description

卫星影像定位方法和装置

技术领域

本发明涉及卫星应用技术领域，具体的涉及一种卫星影像定位方法和装置。

背景技术

目前，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，因此研究无地面控制点条件下的卫星遥感影像的高精度几何处理就成为一项紧迫的任务。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位方法及装置，以解决现有技术中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的问题，其技术方案如下：

一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位方法，包括：

A1、依据外定标获得卫星上的相机的每一扫描行的定轨定资数据，所述定轨定资数据包括所述相机的摄影中心的空间坐标值和所述相机的摄影中心相对于像片面的空间姿态数据；

A2、获取所述相机拍摄同一被摄物体的至少两幅卫星影像，将所述至少两幅卫星影像中分别与所述被摄物体的同一点对应的像点的集合称为连接点；

A3、获取所述至少两幅卫星影像的影像条带，以所述相机的扫描方向为横坐标方向，以所述相机的飞行方向作为纵坐标方向，构建以所述连接点的横坐标为自变量和以所述连接点的纵坐标为因变量的瞬时构像方程，所述瞬时构像方程包括：当前的定轨定资数据、与所述连接点对应的所述被摄物体上的点的地面坐标值与所述连接点坐标值的关系；

A4、对于每一影像条带，根据所述影像条带的起始扫描时间、所述影像条带的终止扫描时间以及所述影像条带的像素个数，确定所述影像条带中每一像素的摄影时刻；

A5、以所述当前的空间姿态数据为因变量，所述摄影时刻为自变量，构建描述所述当前空间姿态数据与所述摄影时刻之间的关系的外方位元素方程，所述外方位元素方程的系数为矫正后的系数，所述外方位元素方程的系数的初始值由步骤A1中的定轨定资数据确定；

A6、依据所述外方位元素方程，将所述瞬时构像方程整理成以所述地面坐标值为变量的共线方程；

A7、对于每一连接点，将所述连接点中各个像点的坐标值带入所述共线方程，计算出所述被摄物体中与所述连接点对应的点的地面坐标值；

A8、选择所述至少两幅卫星影像中的第一幅卫星影像；

A9、将所述第一幅卫星影像中各个像点分别对应的地面坐标值作为确定值，对于所述第一幅卫星影像中每一像点，将所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值以及外方位元素方程中各个系数的误差量带入所述共线方程，获得以所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值作为因变量，以所述外方位元素方程中各个系数的误差量为自变量的误差方程；

A10、依据最小二乘间接平差方法，获取所述误差方程的法方程式，所述法方程式包括由所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的观测权值组成的观测权值矩阵，所述观测权值矩阵的初始值为单位矩阵，所述观测权值矩阵与由前一次所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值组成的误差值矩阵有关；

A11、通过所述法方程式获得所述外方位元素方程中各个系数的误差量；

A12、根据所述外方位元素方程中各个系数的误差量以及所述误差方程，计算所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值；

A13、计算所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值的中误差；

A14、当所述中误差小于预设阈值时，依据所述外方位元素方程中各个系数的误差量对所述当前的定轨定资数据中的空间姿态数据进行校正，控制所述卫星中的相机以所述矫正后的定轨定资数据对所述被摄物体进行拍摄，结束；

A15、当所述中误差大于或等于预设阈值时，依据所述外方位元素方程中各个系数的误差量对所述外方位元素方程中的系数进行校正，获得矫正后的空间姿态数据，以及矫正后的所述外方位元素方程的系数，返回步骤A3。

一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位装置，包括：

第一确定模块，用于依据外定标获得卫星上的相机的每一扫描行的定轨定资数据，所述定轨定资数据包括所述相机的摄影中心的空间坐标值和所述相机的摄影中心相对于像片面的空间姿态数据；

第一获取模块，用于获取所述相机拍摄同一被摄物体的至少两幅卫星影像，将所述至少两幅卫星影像中分别与所述被摄物体的同一点对应的像点的集合称为连接点；

第一构建模块，用于获取所述至少两幅卫星影像的影像条带，以所述相机的扫描方向为横坐标方向，以所述相机的飞行方向作为纵坐标方向，构建以所述连接点的横坐标为自变量和以所述连接点的纵坐标为因变量的瞬时构像方程，所述瞬时构像方程包括：当前的定轨定资数据、与所述连接点对应的所述被摄物体上的点的地面坐标值与所述连接点坐标值的关系；

第二确定模块，用于对于每一影像条带，根据所述影像条带的起始扫描时间、所述影像条带的终止扫描时间以及所述影像条带的像素个数，确定所述影像条带中每一像素的摄影时刻；

第二构建模块，用于以所述当前的空间姿态数据为因变量，所述摄影时刻为自变量，构建描述所述当前空间姿态数据与所述摄影时刻之间的关系的外方位元素方程，所述外方位元素方程的系数为矫正后的系数，所述外方位元素方程的系数的初始值由所述第一确定模块中的定轨定资数据确定；

整理模块，用于依据所述外方位元素方程，将所述瞬时构像方程整理成以所述地面坐标值为变量的共线方程；

第一计算模块，用于对于每一连接点，将所述连接点中各个像点的坐标值带入所述共线方程，计算出所述被摄物体中与所述连接点对应的点的地面坐标值；

选择模块，用于选择所述至少两幅卫星影像中的第一幅卫星影像；

第三构建模块，用于将所述第一幅卫星影像中各个像点分别对应的地面坐标值作为确定值，对于所述第一幅卫星影像中每一像点，将所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值以及外方位元素方程中各个系数的误差量带入所述共线方程，获得以所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值作为因变量，以所述外方位元素方程中各个系数的误差量为自变量的误差方程；

第二获取模块，用于依据最小二乘间接平差方法，获取所述误差方程的法方程式，所述法方程式包括由所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的观测权值组成的观测权值矩阵，所述观测权值矩阵的初始值为单位矩阵，所述观测权值矩阵与由前一次所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值组成的误差值矩阵有关；

第三获取模块，用于通过所述法方程式获得所述外方位元素方程中各个系数的误差量；

第二计算模块，用于根据所述外方位元素方程中各个系数的误差量以及所述误差方程，计算所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值；

第三计算模块，用于计算所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值的中误差；

矫正模块，用于当所述中误差小于预设阈值时，依据所述外方位元素方程中各个系数的误差量对所述当前的定轨定资数据中的空间姿态数据进行校正，控制所述卫星中的相机以所述矫正后的定轨定资数据对所述被摄物体进行拍摄，结束；

触发模块，用于当所述中误差大于或等于预设阈值时，依据所述外方位元素方程中各个系数的误差量对所述外方位元素方程中的系数进行校正，获得矫正后的空间姿态数据，以及矫正后的所述外方位元素方程的系数，触发所述第一构建模块。

上述技术方案具有如下有益效果：

本发明实施例提供的一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位方法中，可以实现在没有地面控制点条件下，仅通过外定标获得的定轨定资数据以及卫星的相机在该定轨定资数据下拍摄的卫星影像数据，对卫星的定轨定资数据中的空间姿态数据进行校正。具体的，利用定轨定姿数据和连接点坐标、与连接点对应的地面坐标值的对应关系，通过二次多项式构建空间姿态数据随时间变化的外方位元素方程，基于共线方程，获取连接点的地面坐标值以及利用最小二乘法迭代求解空间姿态数据。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位装置的流程示意图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下：

WGS84:World Geodetic System 1984，为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统；

CCD传感器：Charge Coupled Device，电荷藕合器件图像传感器；

RPC：远程过程调用协议，Remote Procedure Call Protocol。

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。

请参阅图1，为本发明实施例提供的一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位方法的流程示意图，该方法包括：

S1、依据外定标获得卫星上的相机的每一扫描行的定轨定资数据。

所述定轨定资数据包括所述相机的摄影中心的空间坐标值和所述相机的摄影中心相对于像片面的空间姿态数据。

S2、获取所述相机拍摄同一被摄物体的至少两幅卫星影像，将所述至少两幅卫星影像中分别与所述被摄物体的同一点对应的像点的集合称为连接点。

如果所述至少两幅卫星影像有两幅卫星影像，则一个连接点就包括两个像点，如果所述至少两幅卫星影像有三幅卫星影像，则一个连接点就包括三个像点，以此类推，本发明实施例对比不做具体限定。

S3、获取所述至少两幅卫星影像的影像条带，以所述相机的扫描方向为横坐标方向，以所述相机的飞行方向作为纵坐标方向，构建以所述连接点的横坐标为自变量和以所述连接点的纵坐标为因变量的瞬时构像方程。

所述瞬时构像方程包括：当前的定轨定资数据、与所述连接点对应的所述被摄物体上的点的地面坐标值与所述连接点坐标值的关系。

获取所述至少两幅卫星影像的影像条带，可以是线阵CCD传感器采用推扫式成像，而获得的连续的影像条带。每一扫描行影像与被摄物体之间具有严格的中心投影关系，并且都有着各自的定轨定资数据，可以将该中心投影关系和定轨定资数据构建成瞬时构像方程。

可以以WGS84为坐标基准，定轨定姿数据为其中，i表示第i扫描行，所述相机的摄影中心的空间坐标值为(X_Si,Y_Si,Z_Si)，所述相机拍摄被摄物体的空间姿态数据瞬时构像方程为：其中，f为所述相机的摄影中心到像片面的垂距，(x₀,y₀)为像主点坐标值； b₁＝cosω_i sinκ_i；b₂＝cosω_i cosκ_i；b₃＝-sinω_i； 其中，a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃为连接点的坐标对应的空间姿态数据计算的旋转矩阵元素，其中(X,Y,Z)为与连接点对应的地面坐标。

S4、对于每一影像条带，根据所述影像条带的起始扫描时间、所述影像条带的终止扫描时间以及所述影像条带的像素个数，确定所述影像条带中每一像素的摄影时刻。

S5、以当前的空间姿态数据为因变量，所述摄影时刻为自变量，构建描述当前空间姿态数据与所述摄影时刻之间的关系的外方位元素方程。

所述外方位元素方程的系数为矫正后的系数，所述外方位元素方程的系数的初始值由步骤S1中的定轨定资数据确定。因为在初始时，定轨定资数据是确定已知的，所以可以根据确定已知的定轨定姿数据计算外方位元素方程的系数。

线阵CCD传感器获得的卫星影像在同一摄影时刻具有相同的空间姿态数据，由于CCD传感器所在的卫星受外界阻力小，飞行轨道平稳，姿态变化小，因此在某一范围内，可以近似认为空间姿态数据是时间的低阶函数。可采用如下数学模型对摄影时刻t的空间姿态数据加以表示。

外方位元素方程：其中，q₀,q₁,q₂,m₀,m₁,m₂,n₀,n₁,n₂为二次多项式系数，t为摄影时刻。

S6、依据所述外方位元素方程，将所述瞬时构像方程整理成以所述地面坐标值为变量的共线方程。

依据所述外方位元素方程以及所述摄影时刻，确定所述连接点对应的空间姿态数据将所述瞬时构像方程整理为：其中，

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。

若e幅卫星影像含有同一空间点，则总共有e个形如共线方程求解地面坐标值(X,Y,Z)。

S7、对于每一连接点，将所述连接点中各个像点的坐标值带入所述共线方程，计算出所述被摄物体中与所述连接点对应的点的地面坐标值。

如果所述至少两幅卫星影像有两幅卫星影像，则一个连接点就包括两个像点，如果所述至少两幅卫星影像有三幅卫星影像，则一个连接点就包括三个像点，以此类推，本发明实施例对比不做具体限定。

上述共线方程中一共有3个变量X，Y，Z，如果连接点包括两个像点，则将两个像点的坐标带入后，就得到4个方程式，从而可以求解X，Y，Z。

S8、选择所述至少两幅卫星影像中的第一幅卫星影像。

S9、将所述第一幅卫星影像中各个像点分别对应的地面坐标值作为确定值，对于所述第一幅卫星影像中每一像点，将所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值以及外方位元素方程中各个系数的误差量带入所述共线方程，获得以所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值作为因变量，以所述外方位元素方程中各个系数的误差量为自变量的误差方程。

具体的，将所述第一幅卫星影像中各个像点对应的地面坐标值(X,Y,Z)作为确定值，把所述第一幅卫星影像中各个像点(x,y)视为变量，将所述x修正为x+v_x，将所述y修正为y+v_y，将q₀修正为q₀+Δq₀，将q₁修正为q₁+Δq₁，将q₂修正为q₂+Δq₂，将m₀修正为m₀+Δm₀，将m₁修正为m₁+Δm₁，将m₂修正为m₂+Δm₂，将n₀修正为n₀+Δn₀，将n₁修正n₁+Δn₁，将n₂修正为n₂+Δn₂，将(x+v_x，y+v_y)、q₀+Δq₀、q₁+Δq₁、q₂+Δq₂、m₀+Δm₀、m₁+Δm₁、m₂+Δm₂、n₀+Δn₀、n₁+Δn₁、n₂+Δn₂带入所述共线方程，获得误差方程：V＝AT-l，其中，v＝[v_x v_y]^T，T＝[Δq₀ Δq₁ Δq₂ Δm₀ Δm₁Δm₂ Δn₀ Δn₁ Δn₂]^T，l＝[l_x l_y]^T，A矩阵为所述瞬时构像方程对所述外方位元素方程的系数求偏导获得的。

依据所述共线方程获得误差方程：V＝AT-l，具体的实现方式可以是：把相应的像点坐标值(x,y)视为观测值，加入相应的改正数v_x,v_y，代入共线方程并结合外方位元素方程，泰勒一阶展开取一次项，使之线性化得到误差方程式的一般形式：

用矩阵形式表示为：

V＝AT-l,其中，每一对连接点的坐标值即可列出误差方程。

S10、依据最小二乘间接平差方法，获取所述误差方程的法方程式，所述法方程式包括由所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的观测权值组成的观测权值矩阵，所述观测权值矩阵的初始值为单位矩阵，所述观测权值矩阵与由前一次所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值组成的误差值矩阵有关。

具体的，依据最小二乘间接平差方法，获取所述误差方程的法方程式：A^TPAT＝A^TPL，其中，P矩阵为由所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的观测权值组成的观测权值矩阵，P矩阵中各个观测权值的横坐标方向的权值P_x为，v_x为前一次所述第一幅卫星影像中该像点的横坐标的误差值，P矩阵中各个观测权值的纵坐标方向的权值P_y为，P_y为前一次所述第一幅卫星影像中该像点的纵坐标的误差值，k₀＝σ₀；k₁＝3σ₀，初始权矩阵P＝E，σ₀为所述第一幅卫星影像中所有像点的误差值的中误差。

具体的，可以是依据x方向的权值P_x可使用像点的x方向的残差值v_x与所有残差v_x的中误差值σ₀确定，采用残差大权值小，残差小权值大的原理。

同理，y方向的权值P_y采用残差值v_y和同上述原理确定。式中k₀＝σ₀；k ₁＝3σ，0设初始权矩阵P＝E(E为单位矩阵)，v为各像点的残差，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。

S11、通过所述法方程式获得所述外方位元素方程中各个系数的误差量。

S12、根据所述外方位元素方程中各个系数的误差量以及所述误差方程，计算所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值。

S13、计算所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值的中误差。

S14、当所述中误差小于预设阈值时，依据所述外方位元素方程中各个系数的误差量对所述当前的定轨定资数据中的空间姿态数据进行校正，控制所述卫星中的相机以所述矫正后的定轨定资数据对所述被摄物体进行拍摄，结束。

S15、当所述中误差大于或等于预设阈值时，依据所述外方位元素方程中各个系数的误差量对所述外方位元素方程中的系数进行校正，获得矫正后的空间姿态数据，以及矫正后的所述外方位元素方程的系数，返回步骤S3。

本发明实施例提供的一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位方法中，可以实现在没有地面控制点条件下，仅通过外定标获得的定轨定资数据以及卫星的相机在该定轨定资数据下拍摄的卫星影像数据，对卫星的定轨定资数据中的空间姿态数据进行校正。具体的，利用定轨定姿数据和连接点坐标、与连接点对应的地面坐标值的对应关系，通过二次多项式构建空间姿态数据随时间变化的外方位元素方程，基于共线方程，获取连接点的地面坐标值以及利用最小二乘法迭代求解空间姿态数据。

本发明创新点在于在求解过程中，视像点的地面坐标值为真值，保持不变，而把像点坐标视为变量，通过后方交会的方法(即步骤A9至A15)结合自适应权值分配剔除粗差点，求解获取的空间姿态数据在保证绝对定位精度与几何定标精度一致的情况下，能够消除卫星影像连接点的上下视差，同时提高RPC参数的拟合精度，满足对卫星的定位精度要求。

为了本领域技术人员更加理解本发明实施例的有益效果，发明人利用上述方法使用天绘一号卫星，基于北京、新疆、江西广东、黑龙江吉林(1)、安徽、黑龙江吉林(2)、重庆等7个试验区开展卫星影像的拍摄。7个测区均为单轨三线阵立体影像，由6-11个像对组成。拍摄时间为2010年9月至2011年5月。各实验区范围、地形、影像资料情况见表1。黑龙江吉林(1)与黑龙江吉林(2)是指黑龙江吉林的两个不同的地区。

表1试验区地形及影像资料

对北京、新疆、江西广东、黑龙江吉林(1)、安徽、黑龙江吉林(2)、重庆7个区自标定的定轨定姿数据、拍摄的卫星影像的连接点的坐标值，通过二次多项式构建空间姿态数据随时间变化的外方位元素方程，基于共线方程，获取像点的地面坐标值以及利用最小二乘法迭代求解空间姿态数据，拟合获得各区RPC处理结果。利用控制点计算定位精度，各测区定位精度如表2所示。

表2天绘一号无地面控制点定位精度结果

(XY：高斯投影，h：大地高，单位：米)

使用的数据结构如下表所示：

请参阅图2，为本发明实施例提供的一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位装置的结构示意图，该装置包括：第一确定模块201、第一获取模块202、第一构建模块203、第二确定模块204、第二构建模块205、整理模块206、第一计算模块207、选择模块208、第三构建模块209、第二获取模块210、第三获取模块211、第二计算模块212、第三计算模块213、矫正模块214以及触发模块215，其中：

第一确定模块201，用于依据外定标获得卫星上的相机的每一扫描行的定轨定资数据。

所述定轨定资数据包括所述相机的摄影中心的空间坐标值和所述相机的摄影中心相对于像片面的空间姿态数据。

第一获取模块202，用于获取所述相机拍摄同一被摄物体的至少两幅卫星影像，将所述至少两幅卫星影像中分别与所述被摄物体的同一点对应的像点的集合称为连接点。

如果所述至少两幅卫星影像有两幅卫星影像，则一个连接点就包括两个像点，如果所述至少两幅卫星影像有三幅卫星影像，则一个连接点就包括三个像点，以此类推，本发明实施例对比不做具体限定。

第一构建模块203，用于获取所述至少两幅卫星影像的影像条带，以所述相机的扫描方向为横坐标方向，以所述相机的飞行方向作为纵坐标方向，构建以所述连接点的横坐标为自变量和以所述连接点的纵坐标为因变量的瞬时构像方程，所述瞬时构像方程包括：当前的定轨定资数据、与所述连接点对应的所述被摄物体上的点的地面坐标值与所述连接点坐标值的关系。

获取所述至少两幅卫星影像的影像条带，可以是线阵CCD传感器采用推扫式成像，而获得的连续的影像条带。每一扫描行影像与被摄物体之间具有严格的中心投影关系，并且都有着各自的定轨定资数据，可以将该中心投影关系和定轨定资数据构建成瞬时构像方程。

可以以WGS84为坐标基准，所述定轨定姿数据为其中，i表示第i扫描行，所述相机的摄影中心的空间坐标值为(X_Si,Y_Si,Z_Si)，所述相机拍摄被摄物体的空间姿态数据所述第一构建模块具体为：

以所述相机的扫描方向为横坐标方向，以所述相机的飞行方向作为纵坐标方向，构建以所述连接点的横坐标为自变量和以所述连接点的纵坐标为因变量的瞬时构像方程：其中，f为所述相机的摄影中心到像片面的垂距，(x₀,y^x)为像主点坐标值；b₁＝cosω_i sinκ_i；b₂＝cosω_i cosκ_i；b₃＝-sinω_i；

第二确定模块204，用于对于每一影像条带，根据所述影像条带的起始扫描时间、所述影像条带的终止扫描时间以及所述影像条带的像素个数，确定所述影像条带中每一像素的摄影时刻。

第二构建模块205，用于以所述当前的空间姿态数据为因变量，所述摄影时刻为自变量，构建描述所述当前空间姿态数据与所述摄影时刻之间的关系的外方位元素方程。

所述外方位元素方程的系数为矫正后的系数，所述外方位元素方程的系数的初始值由所述第一确定模块中的定轨定资数据确定。因为在初始时，定轨定资数据是确定已知的，所以可以根据确定已知的定轨定姿数据计算外方位元素方程的系数。

线阵CCD传感器获得的卫星影像在同一摄影时刻具有相同的空间姿态数据，由于CCD传感器所在的卫星受外界阻力小，飞行轨道平稳，姿态变化小，因此在某一范围内，可以近似认为空间姿态数据是时间的低阶函数。可采用如下数学模型对摄影时刻t的空间姿态数据加以表示。

第二构建模块具体用于：以当前的空间姿态数据为因变量，所述摄影时刻为自变量，构建描述当前空间姿态数据与所述摄影时刻之间的关系的外方位元素方程：其中，q₀,q₁,q₂,m₀,m₁,m₂,n₀,n₁,n₂为二次多项式系数，t为摄影时刻。

整理模块206，用于依据所述外方位元素方程，将所述瞬时构像方程整理成以所述地面坐标值为变量的共线方程。

整理模块包括：确定单元，用于依据所述外方位元素方程以及所述摄影时刻，确定所述连接点对应的空间姿态数据整理单元，用于将所述瞬时构像方程整理为：其中，

若e幅卫星影像含有同一空间点，则总共有e个形如共线方程求解地面坐标值(X,Y,Z)。

第一计算模块207，用于用于对于每一连接点，将所述连接点中各个像点的坐标值带入所述共线方程，计算出所述被摄物体中与所述连接点对应的点的地面坐标值。

若e幅卫星影像含有同一空间点，则总共有e个形如共线方程求解地面坐标值(X,Y,Z)。

选择模块208，用于选择所述至少两幅卫星影像中的第一幅卫星影像。

第三构建模块209，用于将所述第一幅卫星影像中各个像点分别对应的地面坐标值作为确定值，对于所述第一幅卫星影像中每一像点，将所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值以及外方位元素方程中各个系数的误差量带入所述共线方程，获得以所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值作为因变量，以所述外方位元素方程中各个系数的误差量为自变量的误差方程。

第三构建模块具体用于：

将所述第一幅卫星影像中各个像点对应的地面坐标值(X,Y,Z)作为确定值，把所述第一幅卫星影像中各个像点(x,y)视为变量，将所述x修正为x+v_x，将所述y修正为y+v_y，将q₀修正为q₀+Δq₀，将q₁修正为q₁+Δq₁，将q₂修正为q₂+Δq₂，将m₀修正为m₀+Δm₀，将m₁修正为m₁+Δm₁，将m₂修正为m₂+Δm₂，将n₀修正为n₀+Δn₀，将n₁修正n₁+Δn₁，将n₂修正为n₂+Δn₂，将(x+v_x，y+v_y)、q₀+Δq₀、q₁+Δq₁、q₂+Δq₂、m₀+Δm₀、m₁+Δm₁、m₂+Δm₂、n₀+Δn₀、n₁+Δn₁、n₂+Δn₂带入所述共线方程，获得误差方程：V＝AT-l，其中，v＝[v_x v_y]^T，T＝[Δq₀ Δq₁ Δq₂ Δm₀ Δm₁Δm₂ Δn₀ Δn₁ Δn₂]^T，l＝[l_x l_y]^T，A矩阵为所述瞬时构像方程对所述外方位元素方程的系数求偏导获得的。

依据所述共线方程获得误差方程：V＝AT-l，具体的实现方式可以是：把相应的像点坐标值(x,y)视为观测值，加入相应的改正数v_x,v_y，代入共线方程并结合外方位元素方程，泰勒一阶展开取一次项，使之线性化得到误差方程式的一般形式：

用矩阵形式表示为：V＝AT-l,其中，每一对连接点的坐标值即可列出误差方程。

第二获取模块210，用于依据最小二乘间接平差方法，获取所述误差方程的法方程式，所述法方程式包括由所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的观测权值组成的观测权值矩阵，所述观测权值矩阵的初始值为单位矩阵，所述观测权值矩阵与由前一次所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值组成的误差值矩阵有关。

第二获取模块具体用于：

依据最小二乘间接平差方法，获取所述误差方程的法方程式：A^TPAT＝A^TPL，其中，P矩阵为由所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的观测权值组成的观测权值矩阵，P矩阵中各个观测权值的横坐标方向的权值P_x为，v_x为前一次所述第一幅卫星影像中该像点的横坐标的误差值，P矩阵中各个观测权值的纵坐标方向的权值P_y为，P_y为前一次所述第一幅卫星影像中该像点的纵坐标的误差值，k₀＝σ₀；k₁＝3σ₀，初始权矩阵P＝E，σ₀为所述第一幅卫星影像中所有像点的误差值的中误差。

具体的，可以是依据x方向的权值P_x可使用像点的x方向的残差值v_x与所有残差v_x的中误差值σ₀确定，采用残差大权值小，残差小权值大的原理。

同理，y方向的权值P_y采用残差值v_y和同上述原理确定。式中k₀＝σ₀；k ₁＝3σ，0设初始权矩阵P＝E(E为单位矩阵)，v为各像点的残差，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。

第三获取模块211，用于通过所述法方程式获得所述外方位元素方程中各个系数的误差量。

第二计算模块212，用于根据所述外方位元素方程中各个系数的误差量以及所述误差方程，计算所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值。

第三计算模块213，用于计算所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值的中误差。

矫正模块214，用于当所述中误差小于预设阈值时，当所述中误差值小于预设阈值时，依据所述外方位元素方程中各个系数的误差量对所述当前的定轨定资数据中的空间姿态数据进行校正，控制所述卫星中的相机以所述矫正后的定轨定资数据对所述被摄物体进行拍摄，结束。

触发模块215，用于当所述中误差大于或等于预设阈值时，依据所述外方位元素方程中各个系数的误差量对所述外方位元素方程中的系数进行校正，获得矫正后的空间姿态数据，以及矫正后的所述外方位元素方程的系数，触发所述第一构建模块203。

本发明实施例提供的一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位装置中，达到在没有地面控制点条件下，仅外定标获得的定轨定资数据以及卫星的相机在该定轨定资数据下拍摄的卫星影像数据，对卫星的定轨定资数据中的空间姿态数据进行校正。具体的，利用定轨定姿数据和连接点坐标、与连接点对应的地面坐标值的对应关系，通过二次多项式构建空间姿态数据随时间变化的外方位元素方程，基于共线方程，获取连接点的地面坐标值以及利用最小二乘法迭代求解空间姿态数据。

本发明创新点在于在求解过程中，视像点的地面坐标值为真值，保持不变，而把像点坐标视为观测值，通过后方交会结合自适应权值分配剔除粗差点，求解获取的空间姿态数据在保证绝对定位精度与几何定标精度一致的情况下，能够消除卫星影像连接点的上下视差，同时提高RPC参数的拟合精度，满足对卫星的定位精度要求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，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他要素，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“包括一个……”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。

对所提供的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所提供的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位方法，其特征在于，包括：

A1、依据外定标获得卫星上的相机的每一扫描行的定轨定资数据，所述定轨定资数据包括所述相机的摄影中心的空间坐标值和所述相机的摄影中心相对于像片面的空间姿态数据；

A2、获取所述相机拍摄同一被摄物体的至少两幅卫星影像，将所述至少两幅卫星影像中分别与所述被摄物体的同一点对应的像点的集合称为连接点；

A3、获取所述至少两幅卫星影像的影像条带，以所述相机的扫描方向为横坐标方向，以所述相机的飞行方向作为纵坐标方向，构建以所述连接点的横坐标为自变量和以所述连接点的纵坐标为因变量的瞬时构像方程，所述瞬时构像方程包括：当前的定轨定资数据、与所述连接点对应的所述被摄物体上的点的地面坐标值与所述连接点坐标值的关系；

A4、对于每一影像条带，根据所述影像条带的起始扫描时间、所述影像条带的终止扫描时间以及所述影像条带的像素个数，确定所述影像条带中每一像素的摄影时刻；

A5、以所述当前的空间姿态数据为因变量，所述摄影时刻为自变量，构建描述所述当前空间姿态数据与所述摄影时刻之间的关系的外方位元素方程，所述外方位元素方程的系数为矫正后的系数，所述外方位元素方程的系数的初始值由步骤A1中的定轨定资数据确定；

A6、依据所述外方位元素方程，将所述瞬时构像方程整理成以所述地面坐标值为变量的共线方程；

A7、对于每一连接点，将所述连接点中各个像点的坐标值带入所述共线方程，计算出所述被摄物体中与所述连接点对应的点的地面坐标值；

A8、选择所述至少两幅卫星影像中的第一幅卫星影像；

A9、将所述第一幅卫星影像中各个像点分别对应的地面坐标值作为确定值，对于所述第一幅卫星影像中每一像点，将所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值以及外方位元素方程中各个系数的误差量带入所述共线方程，获得以所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值作为因变量，以所述外方位元素方程中各个系数的误差量为自变量的误差方程；

A10、依据最小二乘间接平差方法，获取所述误差方程的法方程式，所述法方程式包括由所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的观测权值组成的观测权值矩阵，所述观测权值矩阵的初始值为单位矩阵，所述观测权值矩阵与由前一次所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值组成的误差值矩阵有关；

A11、通过所述法方程式获得所述外方位元素方程中各个系数的误差量；

A12、根据所述外方位元素方程中各个系数的误差量以及所述误差方程，计算所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值；

A13、计算所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值的中误差；

A14、当所述中误差小于预设阈值时，依据所述外方位元素方程中各个系数的误差量对所述当前的定轨定资数据中的空间姿态数据进行校正，控制所述卫星中的相机以所述矫正后的定轨定资数据对所述被摄物体进行拍摄，结束；

A15、当所述中误差大于或等于预设阈值时，依据所述外方位元素方程中各个系数的误差量对所述外方位元素方程中的系数进行校正，获得矫正后的空间姿态数据，以及矫正后的所述外方位元素方程的系数，返回步骤A3。

2.根据权利要求1所述一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位方法，其特征在于，所述定轨定姿数据为其中，i表示第i扫描行，所述相机的摄影中心的空间坐标值为(X_Si,Y_Si,Z_Si)，所述相机拍摄被摄物体的空间姿态数据步骤A3具体为：

以所述相机的扫描方向为横坐标方向，以所述相机的飞行方向作为纵坐标方向，构建以所述连接点的横坐标为自变量和以所述连接点的纵坐标为因变量的瞬时构像方程：其中，f为所述相机的摄影中心到像片面的垂距，(x₀,y₀)为像主点坐标值；b₁＝cosω_isinκ_i；b₂＝cosω_icosκ_i；b₃＝-sinω_i；

3.根据权利要求2所述一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位方法，其特征在于，步骤A5具体为：以当前的空间姿态数据为因变量，所述摄影时刻为自变量，构建描述当前空间姿态数据与所述摄影时刻之间的关系的外方位元素方程：其中，q₀,q₁,q₂,m₀,m₁,m₂,n₀,n₁,n₂为二次多项式系数，t为摄影时刻。

4.根据权利要求3所述一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位方法，其特征在于，步骤A6具体为：

依据所述外方位元素方程以及所述摄影时刻，确定所述连接点对应的空间姿态数据

将所述瞬时构像方程整理为：其中，

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。

5.根据权利要求4所述一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位方法，其特征在于，步骤A9具体为：

将所述第一幅卫星影像中各个像点对应的地面坐标值(X,Y,Z)作为确定值，把所述第一幅卫星影像中各个像点(x,y)视为变量，将所述x修正为x+v_x，将所述y修正为y+v_y，将q₀修正为q₀+Δq₀，将q₁修正为q₁+Δq₁，将q₂修正为q₂+Δq₂，将m₀修正为m₀+Δm₀，将m₁修正为m₁+Δm₁，将m₂修正为m₂+Δm₂，将n₀修正为n₀+Δn₀，将n₁修正n₁+Δn₁，将n₂修正为n₂+Δn₂，将(x+v_x，y+v_y)、q₀+Δq₀、q₁+Δq₁、q₂+Δq₂、m₀+Δm₀、m₁+Δm₁、m₂+Δm₂、n₀+Δn₀、n₁+Δn₁、n₂+Δn₂带入所述共线方程，获得误差方程：V＝AT-l，其中，v＝[v_x v_y]^T，T＝[Δq₀ Δq₁ Δq₂ Δm₀ Δm₁Δm₂ Δn₀ Δn₁ Δn₂]^T，l＝[l_x l_y]^T，A矩阵为所述瞬时构像方程对所述外方位元素方程的系数求偏导获得的；

步骤A10具体为：

依据最小二乘间接平差方法，获取所述误差方程的法方程式：A^TPAT＝A^TPL，其中，P矩阵为由所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的观测权值组成的观测权值矩阵，P矩阵中各个观测权值的横坐标方向的权值P_x为，v_x为前一次所述第一幅卫星影像中该像点的横坐标的误差值，P矩阵中各个观测权值的纵坐标方向的权值P_y为，P_y为前一次所述第一幅卫星影像中该像点的纵坐标的误差值，k₀＝σ₀；k₁＝3σ₀，初始权矩阵P＝E，σ₀为所述第一幅卫星影像中所有像点的误差值的中误差。

6.一种应用于电荷藕合器件图像传感器的卫星影像定位装置，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于依据外定标获得卫星上的相机的每一扫描行的定轨定资数据，所述定轨定资数据包括所述相机的摄影中心的空间坐标值和所述相机的摄影中心相对于像片面的空间姿态数据；

第一获取模块，用于获取所述相机拍摄同一被摄物体的至少两幅卫星影像，将所述至少两幅卫星影像中分别与所述被摄物体的同一点对应的像点的集合称为连接点；

第一构建模块，用于获取所述至少两幅卫星影像的影像条带，以所述相机的扫描方向为横坐标方向，以所述相机的飞行方向作为纵坐标方向，构建以所述连接点的横坐标为自变量和以所述连接点的纵坐标为因变量的瞬时构像方程，所述瞬时构像方程包括：当前的定轨定资数据、与所述连接点对应的所述被摄物体上的点的地面坐标值与所述连接点坐标值的关系；

第二确定模块，用于对于每一影像条带，根据所述影像条带的起始扫描时间、所述影像条带的终止扫描时间以及所述影像条带的像素个数，确定所述影像条带中每一像素的摄影时刻；

第二构建模块，用于以所述当前的空间姿态数据为因变量，所述摄影时刻为自变量，构建描述所述当前空间姿态数据与所述摄影时刻之间的关系的外方位元素方程，所述外方位元素方程的系数为矫正后的系数，所述外方位元素方程的系数的初始值由所述第一确定模块中的定轨定资数据确定；

整理模块，用于依据所述外方位元素方程，将所述瞬时构像方程整理成以所述地面坐标值为变量的共线方程；

第一计算模块，用于对于每一连接点，将所述连接点中各个像点的坐标值带入所述共线方程，计算出所述被摄物体中与所述连接点对应的点的地面坐标值；

选择模块，用于选择所述至少两幅卫星影像中的第一幅卫星影像；

第三构建模块，用于将所述第一幅卫星影像中各个像点分别对应的地面坐标值作为确定值，对于所述第一幅卫星影像中每一像点，将所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值以及外方位元素方程中各个系数的误差量带入所述共线方程，获得以所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值作为因变量，以所述外方位元素方程中各个系数的误差量为自变量的误差方程；

第二获取模块，用于依据最小二乘间接平差方法，获取所述误差方程的法方程式，所述法方程式包括由所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的观测权值组成的观测权值矩阵，所述观测权值矩阵的初始值为单位矩阵，所述观测权值矩阵与由前一次所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值组成的误差值矩阵有关；

第三获取模块，用于通过所述法方程式获得所述外方位元素方程中各个系数的误差量；

第二计算模块，用于根据所述外方位元素方程中各个系数的误差量以及所述误差方程，计算所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值；

第三计算模块，用于计算所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的误差值的中误差；

矫正模块，用于当所述中误差小于预设阈值时，依据所述外方位元素方程中各个系数的误差量对所述当前的定轨定资数据中的空间姿态数据进行校正，控制所述卫星中的相机以所述矫正后的定轨定资数据对所述被摄物体进行拍摄，结束；

触发模块，用于当所述中误差大于或等于预设阈值时，依据所述外方位元素方程中各个系数的误差量对所述外方位元素方程中的系数进行校正，获得矫正后的空间姿态数据，以及矫正后的所述外方位元素方程的系数，触发所述第一构建模块。

7.根据权利要求6所述一种应用于线阵CCD传感器的卫星定位装置，其特征在于，所述定轨定姿数据为其中，i表示第i扫描行，所述相机的摄影中心的空间坐标值为(X_Si,Y_Si,Z_Si)，所述相机拍摄被摄物体的空间姿态数据所述第一构建模块具体为：

以所述相机的扫描方向为横坐标方向，以所述相机的飞行方向作为纵坐标方向，构建以所述连接点的横坐标为自变量和以所述连接点的纵坐标为因变量的瞬时构像方程：其中，f为所述相机的摄影中心到像片面的垂距，(x₀,y₀)为像主点坐标值；b₁＝cosω_isinκ_i；b₂＝cosω_icosκ_i；b₃＝-sinω_i；

8.根据权利要求7所述一种应用于线阵CCD传感器的卫星定位装置，其特征在于，所述第二构建模块具体用于：

以当前的空间姿态数据为因变量，所述摄影时刻为自变量，构建描述当前空间姿态数据与所述摄影时刻之间的关系的外方位元素方程：其中，q₀,q₁,q₂,m₀,m₁,m₂,n₀,n₁,n₂为二次多项式系数，t为摄影时刻。

9.根据权利要求8所述一种应用于线阵CCD传感器的卫星定位装置，其特征在于，所述整理模块包括：

确定单元，用于依据所述外方位元素方程以及所述摄影时刻，确定所述连接点对应的空间姿态数据

整理单元，用于将所述瞬时构像方程整理为：其中，

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。

10.根据权利要求9所述一种应用于线阵CCD传感器的卫星定位装置，其特征在于，所述第三构建模块具体用于：

将所述第一幅卫星影像中各个像点对应的地面坐标值(X,Y,Z)作为确定值，把所述第一幅卫星影像中各个像点(x,y)视为变量，将所述x修正为x+v_x，将所述y修正为y+v_y，将q₀修正为q₀+Δq₀，将q₁修正为q₁+Δq₁，将q₂修正为q₂+Δq₂，将m₀修正为m₀+Δm₀，将m₁修正为m₁+Δm₁，将m₂修正为m₂+Δm₂，将n₀修正为n₀+Δn₀，将n₁修正n₁+Δn₁，将n₂修正为n₂+Δn₂，将(x+v_x，y+v_y)、q₀+Δq₀、q₁+Δq₁、q₂+Δq₂、m₀+Δm₀、m₁+Δm₁、m₂+Δm₂、n₀+Δn₀、n₁+Δn₁、n₂+Δn₂带入所述共线方程，获得误差方程：V＝AT-l，其中，v＝[v_x v_y]^T，T＝[Δq₀ Δq₁ Δq₂ Δm₀ Δm₁Δm₂ Δn₀ Δn₁ Δn₂]^T，l＝[l_x l_y]^T，A矩阵为所述瞬时构像方程对所述外方位元素方程的系数求偏导获得的；

所述第二获取模块具体用于：

依据最小二乘间接平差方法，获取所述误差方程的法方程式：A^TPAT＝A^TPL，其中，P矩阵为由所述第一幅卫星影像中各个像点的坐标值的观测权值组成的观测权值矩阵，P矩阵中各个观测权值的横坐标方向的权值P_x为，v_x为前一次所述第一幅卫星影像中该像点的横坐标的误差值，P矩阵中各个观测权值的纵坐标方向的权值P_y为，P_y为前一次所述第一幅卫星影像中该像点的纵坐标的误差值，k₀＝σ₀；k₁＝3σ₀，初始权矩阵P＝E，σ₀为所述第一幅卫星影像中所有像点的误差值的中误差。