CN106525054A - 一种采用星上推扫遥感图像信息的单星自主测定轨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用星上推扫遥感图像信息的单星自主测定轨方法，包含以下步骤：S1、预处理推扫遥感图像信息，获得推扫遥感图像中用于自主测定轨的若干个标志点；S2、根据推扫遥感图像中用于自主测定轨的若干个标志点，建立基于遥感图像多标志点的测定轨系统模型；S3、采用预设求解算法对测定轨系统模型进行轨道信息解算，得到卫星在轨道上多个位置信息后，采用多点轨道位置信息拟合出卫星轨道参数，以完成单星自主测定轨。本发明能够采用地面高精度的标志点信息反演出卫星轨道信息，显著提高遥感卫星测定轨的自主性和可靠性。

Description

一种采用星上推扫遥感图像信息的单星自主测定轨方法

技术领域

本发明属于卫星定轨研究领域，具体涉及遥感卫星自主测定轨技术，尤其涉及一种采用星上推扫遥感图像信息的单星自主测定轨方法。

背景技术

卫星精确测定轨是卫星执行既定任务的基础。随着航天技术的发展，测定轨的手段不断进步，一般可分为：地基测定轨、天基测定轨、天文测定轨。不难看出，测定轨技术正在从非自主向自主测定轨发展。

全球多数遥感卫星处于400Km～800Km的低地球轨道，在现有方法中，通常采用地面测控站完成卫星过顶时的测角、测距、测速后，计算求得卫星的轨道信息，即完全非自主的地基测定轨技术。国际上多个地基测定轨系统精度可达厘米级，但是，不难理解，基于地面测控站的测定轨技术必然受到测控站布局限制。受地球陆地分布特点影响，地面测控站观测区域受限，难以实现卫星全弧段覆盖。为解决全弧段覆盖，国际上出现了采用中继卫星或导航卫星等在轨航天器作为天基测轨站，使遥感卫星摆脱对地面测控站的依赖，实现半自主测定轨。但是，容易发现，天基测定轨系统本身仍然依赖地面测控站为自身定轨，其自身定轨误差不可避免地会被引入遥感卫星测定轨，且随着反卫星技术的发展，天基测定轨系统随时存在被破坏和干扰的风险。为避免干扰并保证全弧段覆盖，必须发展卫星全自主测定轨技术，目前已有的两种方法分别是：利用星敏感器和地平仪测量星光仰角，仅限用于近地轨道，且定轨精度较低；或是利用星光折射方法间接敏感地平后测定轨，该方法处于理论阶段，距离实际应用尚有距离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用星上推扫遥感图像信息的单星自主测定轨方法，能够采用地面高精度的标志点信息反演出卫星轨道信息，显著提高遥感卫星测定轨的自主性和可靠性。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种采用星上推扫遥感图像信息的单星自主测定轨方法，其特点是，包含以下步骤：

S1、预处理推扫遥感图像信息，获得推扫遥感图像中用于自主测定轨的若干个标志点；

S2、根据推扫遥感图像中用于自主测定轨的若干个标志点，建立基于遥感图像多标志点的测定轨系统模型；

S3、采用预设求解算法对测定轨系统模型进行轨道信息解算，得到卫星在轨道上多个位置信息后，采用多点轨道位置信息拟合出卫星轨道参数，以完成单星自主测定轨。

所述的步骤S1中包含：

通过对原始遥感图像数据进行大气校正、图像去噪、图像地形起伏影响去除、图像地球曲率影响去除、推扫图像在轨拼接及图像高精度标志点特征鲁棒建模，形成能提供预设精度和质量的图像信息，并依据标志点选择判据得到此时在遥感图像中能够用于自主测定轨的若干个标志点，完成推扫遥感图像的预处理。

所述的步骤S2中包含：

分别建立标志点坐标系、相机坐标系、地球固联坐标系及地心惯性坐标系；

选取地心惯性坐标系下卫星位置信息，利用标志点坐标系、相机坐标系、地球固联坐标系、地心惯性坐标系下标志点坐标之间的几何换算关系，结合光线追迹原理，依据TDI影像纠正技术，获得相机坐标系与标志点坐标系间的测定轨系统模型的量测方程；

通过标志点坐标系至地心固联坐标系之间的姿态转换矩阵以及平移矩阵，并依据地心固联坐标系至地心惯性坐标系之间的姿态转换矩阵，得到测定轨系统模型的状态方程，完成基于遥感图像多标志点的测定轨系统模型的建立。

所述的相机坐标系与标志点坐标系间的量测方程关系表示为：

式中，R_{标志-测量}(α，β，γ),[T_{标志x-测量}，T_{标志y-测量}，T_{标志z-测量}]^T为相机坐标系到标志点坐标系之间的位姿关系，(α，β，γ)为转动角，位姿关系中共含有6个未知数；[X_标志，Y_标志，Z_标志]^T为地面标志点在标志点坐标系下的值，属已知量；f为载荷成像系统焦距，属已知相机内参；dx、dy为每一像素在相机坐标系x轴、y轴上对应的物理尺寸，属已知相机内参；u₀、v₀为相机坐标系原点在像平面像素坐标系下的坐标值，属已知相机内参；u、v为空间点在像平面像素坐标系下的坐标值，属已知量。

所述的步骤S3中预设求解算法为基于先验预设信息的最小二乘最优估计算法。

所述的步骤S3中包含：

选取相机坐标系下的旋转量和平移量作为状态量，采用若干个标志点及对应的相平面坐标建立量测方程；

在假设先验信息后，利用最小二乘迭代算法进行最优估计；

将相机坐标系下的状态量输出，并带入定位方程中求解卫星的位置信息。

本发明一种采用星上推扫遥感图像信息的单星自主测定轨方法与现有技术相比具有以下优点：本发明只利用卫星自身获得的推扫遥感图像，采用地面高精度的标志点信息反演出卫星的位置信息，在获得卫星在轨道上多个位置信息后，采用多点轨道位置信息拟合出卫星轨道参数；本发明无需依靠地面测控站上注当前时刻轨道信息，也不受到地平仪精度影响，提高抗干扰能力，只需要由遥感卫星自带的光学成像载荷对地面成像，结合所成图像中的识别出的地面标志点信息，即可通过图像定位解算算法实现对遥感卫星当前轨道信息的自主估计，为提高遥感卫星自主性能提供所需信息；可使遥感卫星测定轨不受地面测控站布设约束，具备覆盖全弧段、抗干扰破坏、精度有保证的特性，使遥感卫星自主运行性能大大提高，同时增加了遥感卫星执行任务的可靠性。

附图说明

图1为本发明一种采用星上推扫遥感图像信息的单星自主测定轨方法的流程图；

图2为标志点坐标系构建示意图；

图3为相机坐标系构建示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种采用星上推扫遥感图像信息的单星自主测定轨方法，包含以下步骤：

S1、预处理推扫遥感图像信息，获得推扫遥感图像中用于自主测定轨的若干个标志点，在本发明的实施例中，标志点的个数为6个。

通过对原始遥感图像数据进行大气校正、图像去噪、图像地形起伏影响去除、图像地球曲率影响去除、推扫图像在轨拼接及图像高精度标志点特征鲁棒建模，形成能提供预设精度和质量的图像信息，并依据标志点选择判据得到此时在图像中能够用于自主测定轨的若干个标志点，完成推扫遥感图像的预处理。

具体地，遥感图像是按空间分布的辐射值，通过遥感成像系统实现将输入辐射信息转换为图像。与画幅式遥感成像不同，线阵推扫成像无法一次性对视场范围内目标的辐射信息实现成像，其实时输出是垂直于平台飞行方向的一条影像线，提供的图像信息极其有限。为了向后续自主定轨算法提供丰富的图像信息，必须实现在轨高精度图像拼接。在拼接过程中，姿态轨道参数以及地形起伏都会对其拼接精度产生影响。针对此，本发明需对原始图像进行图像修正的预处理。

此外，遥感成像与获取的内在规律决定了在辐射信息到电信号的转换过程中，辐射、空间及几何特性等重要的特征也会发生变化。因此遥感成像时，所获取的实时的初始遥感图像并不能被直接应用，因为诸如地球自转、地球表面曲率、大气的折射等因素的影响，都会造成图像模糊、辐射量失真、几何变形等误差，而这些变形和失真将直接影响图像的质量和后续的计算，因此这些误差也必须在预处理阶段进行消除。

原始图像数据在经过多步处理后，才能提供一定精度和质量的图像信息，并依据标志点选择判据(对尺度变换、旋转变换、光照变换、仿射变换具备较高的鲁棒性)得到此时在图像中具有代表性的标志点(用于自主测定轨的标志点)，在综合考虑标志点的光谱特征、形状特征、纹理特征以及空间关系特征的前提下，利用地面标志点数据库对已有多类型标志点进行高精度标志点特征鲁棒建模与识别，该模型具备以下特征：

(1)在整幅图像范围内是唯一；

(2)检测速度快；

(3)能完全区分于复杂背景；

(4)对几何变形和辐射变形具有很高的鲁棒性；

(5)对随机噪声和误差具有较高的鲁棒性。

S2、根据推扫遥感图像中用于自主测定轨的若干个标志点，建立基于遥感图像多标志点的测定轨系统模型。

步骤S2包含：分别建立标志点坐标系、相机坐标系、地球固联坐标系及地心惯性坐标系；

选取地心惯性坐标系下卫星位置信息，利用标志点坐标系、相机坐标系、地球固联坐标系、地心惯性坐标系下标志点坐标之间的几何换算关系，结合光线追迹原理，依据TDI影像纠正技术，获得相机坐标系与标志点坐标系间的测定轨系统模型的量测方程；

通过标志点坐标系至地心固联坐标系之间的姿态转换矩阵以及平移矩阵，并依据地心固联坐标系至地心惯性坐标系之间的姿态转换矩阵，得到测定轨系统模型的状态方程，完成基于遥感图像多标志点的测定轨系统模型的建立。

在步骤S1遥感图像预处理研究的基础上，在拼接的图像中获得有用的多个标志点坐标，依据标志点的精确坐标信息，建立标志点坐标系，同时结合载荷内参数、拼接的载荷像平面、地球固联坐标系以及惯性坐标系之间的关系，获得载荷所在航天器的位置信息，并将此轨道位置信息应用于图像，对图像预处理进行迭代修正。

如图2所示，标志点坐标系，由P₀,P₁,P₂构造标志点坐标系P₀-X”Y”Z”,其中P₀为坐标原点。由点P₀,P₁,P₂构造一个坐标系P₀-X”Y”Z”，P₀为坐标原点，P₀指向P₁为X”轴正方向，由矢量P₀P₁与矢量P₀P₂叉乘得到Z”轴正方向，由X”轴和Z”轴正方向矢量叉乘得到Y”轴正方向。分别在三轴上选取三点P₃,P₄,P₅，使得这三点到P₀的距离为1。向量P₀P₃矢量表达形式为：

式中，e₁为标志点坐标系X”轴的单位向量，D₁＝P₁-P₀，P₀与P₁为航天器到标志点P₀,P₁的矢量。

由矢量e₁与矢量P₀P₂叉乘得到与P₀P₅向量同一方向的单位矢量为：

式中，e₃为标志点坐标系Z”轴的单位向量，D₂＝P₂-P₀,P₀与P₂为航天器到标志点P₀,P₂的矢量。

由单位向量e₁和e₃叉乘得到P₀P₄向量，表达式为：

式中，e₂为标志点坐标系Y”轴的单位向量。

相机坐标系如3图所示：o_o在图像的左上角处，o在图像的中点处，以o为原点，x轴与拼接的像面u平行，y轴与拼接的像面v轴平行。

地心惯性坐标系：原点O设为地球质心，参考平面为平行于地球J2000。

地心固联坐标系：原点O设为地球质心，x轴载赤道平面内与零度子午线相交，z轴沿地球自转轴的方向，y轴与x、z轴构成右手直角坐标系。

在上述坐标系的基础上，研究基于多个标志点的图像信息自主定位原理。

首先计算相机坐标系与新建立的标志点坐标系间的位姿关系。基于光线追迹原理，依据TDI影像纠正技术，获得高精度等效面阵图像，相机坐标系与标志点坐标系间存在如下量测方程关系：

式中，R_{标志-测量}(α，β，γ),[T_{标志x-测量}，T_{标志y-测量}，T_{标志z-测量}]^T为相机坐标系到标志点坐标系之间的位姿关系，(α，β，γ)为转动角，位姿关系中共含有6个未知数；[X_标志，Y_标志，Z_标志]^T为地面标志点在标志点坐标系下的值，属已知量；f为载荷成像系统焦距，属已知相机内参；dx、dy为每一像素在相机坐标系x轴、y轴上对应的物理尺寸，属已知相机内参；u₀、v₀为相机坐标系原点在像平面像素坐标系下的坐标值，属已知相机内参；u、v为空间点在像平面像素坐标系下的坐标值，属已知量。

根据上式中的未知量R_{标志-测量}(α，β，γ)以及T_{标志-测量}可以通过6个标志点可以解出。解算出的R_{标志-测量}(α，β，γ)以及T_{标志-测量}代入下式，即几何解算方程：

量测方程和几何解算方程共同构成基于遥感图像多标志点的测定轨系统模型。

S3、采用预设求解算法对测定轨系统模型进行轨道信息解算，得到卫星在轨道上多个位置信息后，采用多点轨道位置信息拟合出卫星轨道参数，以完成单星自主测定轨。

在本实施例中，较佳地，预设求解算法为基于先验预设信息的最小二乘最优估计算法。

步骤S3中包含：

选取相机坐标系下的旋转量和平移量作为状态量，采用若干个标志点及对应的相平面坐标建立量测方程；

在假设先验信息后，利用最小二乘迭代算法进行最优估计；

将相机坐标系下的状态量输出，并带入定位方程中求解卫星的位置信息。

具体地，利用基于遥感图像多标志点的测定轨量测方程建立方程组，由于R_{标志-测量}(α，β，γ)以及T_{标志-测量}中包含12个未知量，采用6个标志点组成的12个方程对其求解。在求解之前，12个未知量中，R_{标志-测量}(α，β，γ)的元素之一需要被预先假设成任意值，因此方程组变成包含11个未知量的超定方程组，利用最小二乘法求解该超定矩阵方程，解算出的R_{标志-测量}(α，β，γ)以及T_{标志-测量}带入基于遥感图像多标志点的测定轨几何解算方程求得X^惯性，X^惯性是遥感卫星自主测定轨的输出。

综上，本发明以遥感卫星依赖测控站进行测定轨，导致遥感卫星自主性欠缺无法自主测定轨的实际，提出了一种用星上推扫遥感图像信息的单星自主测定轨方法，该方法的有效运用和实施，对于测定轨覆盖遥感卫星全弧段、提高抗干扰能力、保证测定轨精度、提高自主运行性能、增加卫星可靠性等多方面具有重要的理论意义和实践意义。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种采用星上推扫遥感图像信息的单星自主测定轨方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、预处理推扫遥感图像信息，获得推扫遥感图像中用于自主测定轨的若干个标志点；

S2、根据推扫遥感图像中用于自主测定轨的若干个标志点，建立基于遥感图像多标志点的测定轨系统模型；

S3、采用预设求解算法对测定轨系统模型进行轨道信息解算，得到卫星在轨道上多个位置信息后，采用多点轨道位置信息拟合出卫星轨道参数，以完成单星自主测定轨。

2.如权利要求1所述的单星自主测定轨方法，其特征在于，所述的步骤S1中包含：

通过对原始遥感图像数据进行大气校正、图像去噪、图像地形起伏影响去除、图像地球曲率影响去除、推扫图像在轨拼接及图像高精度标志点特征鲁棒建模，形成能提供预设精度和质量的图像信息，并依据标志点选择判据得到此时在遥感图像中能够用于自主测定轨的若干个标志点，完成推扫遥感图像的预处理。

3.如权利要求1所述的单星自主测定轨方法，其特征在于，所述的步骤S2中包含：

分别建立标志点坐标系、相机坐标系、地球固联坐标系及地心惯性坐标系；

选取地心惯性坐标系下卫星位置信息，利用标志点坐标系、相机坐标系、地球固联坐标系、地心惯性坐标系下标志点坐标之间的几何换算关系，结合光线追迹原理，依据TDI影像纠正技术，获得相机坐标系与标志点坐标系间的测定轨系统模型的量测方程；

通过标志点坐标系至地心固联坐标系之间的姿态转换矩阵以及平移矩阵，并依据地心固联坐标系至地心惯性坐标系之间的姿态转换矩阵，得到测定轨系统模型的状态方程，完成基于遥感图像多标志点的测定轨系统模型的建立。

4.如权利要求3所述的单星自主测定轨方法，其特征在于，所述的相机坐标系与标志点坐标系间的量测方程关系表示为：

式中，R_{标志-测量}(α，β，γ),[T_{标志x-测量}，T_{标志y-测量}，T_{标志z-测量}]^T为相机坐标系到标志点坐标系之间的位姿关系，(α，β，γ)为转动角，位姿关系中共含有6个未知数；[X_标志，Y_标志，Z_标志]^T为地面标志点在标志点坐标系下的值，属已知量；f为载荷成像系统焦距，属已知相机内参；dx、dy为每一像素在相机坐标系x轴、y轴上对应的物理尺寸，属已知相机内参；u₀、v₀为相机坐标系原点在像平面像素坐标系下的坐标值，属已知相机内参；u、v为空间点在像平面像素坐标系下的坐标值，属已知量。

5.如权利要求3所述的单星自主测定轨方法，其特征在于，所述的步骤S3中预设求解算法为基于先验预设信息的最小二乘最优估计算法。

6.如权利要求1或5所述的单星自主测定轨方法，其特征在于，所述的步骤S3中包含：

选取相机坐标系下的旋转量和平移量作为状态量，采用若干个标志点及对应的相平面坐标建立量测方程；

在假设先验信息后，利用最小二乘迭代算法进行最优估计；

将相机坐标系下的状态量输出，并带入定位方程中求解卫星的位置信息。