CN107689064A - 顾及光行差改正的卫星光学严格几何成像模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及顾及光行差改正的卫星光学载荷严格几何成像模型构建方法，包含以下步骤：根据成像时间从辅助数据中内插成像时刻的GPS天线的位置及该时刻的在J2000协议空间固定惯性坐标系统中的四元数姿态；根据成像时间计算WGS84地心直角坐标系到J2000坐标系的变换矩阵 ，根据四元数姿态计算从J2000坐标系到卫星本体坐标系的变换矩阵，根据相机安装角计算从星本体坐标系到相机坐标系的变换矩阵；分析光行差对于定位误差的影像机理，建立光行差改正矩阵；利用上述变换矩阵建立像点与物方点之间的对应关系，并建立顾及光行差该正的严格几何成像模型。本发明在几何模型中直接改正光行差，解决了卫星侧摆成像时由于光行差的影响存在的几何精度下降的问题。
Description
技术领域
本发明属于遥感影像处理领域，涉及顾及光行差改正的卫星光学载荷严格几何成像模型构建方法。
背景技术
几何成像模型的构建是光学卫星几何处理的第一步，是后续一切几何应用及处理的基础，几何定标的模型的应用贯穿光学卫星影像几何预处理的全过程，从前期的几何定标，传感器校正到后面的RPC参数的生产均离不开严格几何定位模型，因此，模型构建的严密与否直接影响后续影像产品的几何质量。然而，随着光学卫星的敏捷能力的增强，越来越多的卫星可以实现大侧摆的成像，此时便发现这样一个现象，即卫星在下视成像时几何定位精度通常较高，而侧摆成像时则几何定位精度下降严重，且定位误差通常随着侧摆角的增大而增大。究其原因主要是因为对于敏捷卫星做几何处理时仍采用的是传统的非敏捷卫星的成像模型，而该模型并未考虑光行差对于定位精度的影响，对于非敏捷光学卫星，由于卫星生命周期内姿态都是平稳变化的，不会出现大侧摆成像的情况，因此，光行差近似为一常量，在几何定标时，光行差作为外参数将被引入到相机安装角中进行补偿，因此，对于非敏捷卫星光行差现象不容易发现。而对于敏捷卫星，在不同侧摆角下，光行差的值不同，由其引起的定位误差同样不同，因此会对影像的几何误差造成不利的影响。论文《卫星遥感图像严密几何定位的光行差校正》对光行差对于光学卫星几何定位精度的影响及改正方法做了一定的研究，但是该研究仅从光行差的定义出发，采用数据仿真的方法对光行差的影响及修正做了初步的研究，并未结合卫星的成像机理建立修正了光行差严格成像模型，因此，并不能有效的应用于实际的在轨处理中。
针对光行差的影响，考虑到在对地观测领域现有光行差研究的不足，本发明提出构建顾及光行差改正的卫星光学载荷严格几何成像模型。利用对地观测光学卫星的一些几何性质，对光行差模型进行合理的优化，并将通过一光行差改正矩阵将其引入到严格模型中进行修正，从而建立修正了光行差的严格几何成像模型。
发明内容
本发明所要解决的问题是在光学卫星载荷严格几何成像模型中直接修正光行差的问题。
本发明的技术方案为顾及光行差改正的卫星光学严格几何成像模型构建方法，包含以下步骤：
步骤1，对于任意时刻t获取的像点p，根据成像时刻t的时间计算轨道参数和姿态参数，其中轨道参数包括成像时刻卫星GPS天线在WGS84地心直角坐标系下的位置矢量和速度矢量，姿态参数为成像时刻在J2000协议空间固定惯性坐标系统中的四元数姿态(q0,q1,q2,q3)；
步骤2，根据成像时间计算WGS84地心直角坐标系到J2000坐标系的变换矩阵根据四元数姿态计算从J2000坐标系到卫星本体坐标系的变换矩阵根据相机安装角计算从星本体坐标系到相机坐标系的变换矩阵
步骤3，根据卫星真实光线传播向量与理论传播向量三者之间的共面关系建立光行差θ的改正矩阵RAber，包括如下子步骤，
步骤3.1，解算旋转轴向量，
假设卫星在S位置时的速度矢量V＝(vx,vy,xz)，卫星运行到在S位置时GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的坐标为(Xgps,Ygps,Zgps)，P点在WGS84坐标系下的位置坐标为(Xg,Yg,Zg)，则理论传播向量此时的旋转向量为n，
步骤3.2，根据光行差θ和旋转向量n计算变换四元数P＝(p0,p1,p2,p3)，
其中，光行差θ指真实的光线传播路线与理论传播路线的夹角；
步骤3.,3，根据步骤3.2解算的四元数计算改正矩阵RAber：
步骤4，利用步骤3中的改正矩阵建立像方位置和物方位置之间的对应关系，构建顾及光行差改正的严格几何成像模型，
其中，(x,y,z)为像方位置在相机坐标系下的坐标，λ为缩放系数，(Xg,Yg,Zg)与(Xgps,Ygps,Zgps)分别表示像点对应的物方点及GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的坐标，(Xgps,Ygps,Zgps)由卫星上搭载的GPS获取；分别由步骤2计算获得，(BX,BY,BZ)body代表从传感器投影中心到GPS天线相位中心的偏心矢量在卫星本体坐标系下的坐标，RAber为步骤3解算得到的改正矩阵。
进一步的，所述步骤2的实现方式如下，
步骤2.1，变换矩阵的确定，WGS84地心直角坐标系变换到J2000坐标系需要经过三次改正，即岁差和章动、地球自转以及极移，因此需要经过三个矩阵变换，具体如下，
式中，t指时刻，PN(t)为岁差和章动矩阵，R(t)为地球自转矩阵，W(t)为极移矩阵；
步骤2.2，根据成像时刻的四元数姿态(q0,q1,q2,q3)，可得到J2000到卫星本体的变换矩阵
步骤2.3，根据相机安装角(α,β,γ)计算从星本体坐标系到相机坐标系的变换矩阵
其中，安装角(α,β,γ)通过在轨几何标定方法获得。
进一步的，所述步骤1中通过采用拉格朗日内插的方法从相邻四个时刻的轨道参数内插成像时刻的轨道参数。
进一步的，所述步骤1中先通过采用拉格朗日内插得到四元数姿态参数中的任意三个数，然后根据四元数模为1的条件求得第四个数。
与现有技术相比，本发明的优点在于：将光行差作为一个关键因素引入到了光学卫星载荷的严格几何成像模型中，实现了顾及光行差改正的卫星光学载荷严格几何成像模型的构建，本模型可直接用于卫星光学卫星的全链路的几何处理中，在几何模型中直接改正光行差，无需针对光行差额外增加处理步骤，使用简单，同时解决了卫星侧摆成像时由于光行差的影响存在的几何精度下降的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图；
图2为本发明实施例中光行差对卫星影响定位精度影响的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明具体实施方式。
本方法基于摄影测量中的共线方程原理建立严格几何成像模型，具体流程参见图1，实施例的流程可以分为4个步骤，每个步骤的具体方法、公式以及流程如下：
步骤1，姿轨数据内插。
步骤1.1，轨道数据内插
对于任意时刻t获取的像点p，根据成像时刻t的时间采用拉格朗日内插的方法从相邻四个时刻的轨道参数(从卫星下传的辅助数据中获得)内插成像时刻的轨道参数，包括成像时刻卫星GPS天线在WGS84地心直角坐标系下的位置矢量(Xgps,Ygps,Zgps)和速度矢量(vx,vy,xz)。
步骤1.2，姿态数据内插
根据成像时刻的时间采用拉格朗日内插的方法从相邻四个时刻的姿态参数(从卫星下传的辅助数据中获得)内插成像时刻的姿态参数，然而姿态参数一般基于四元数，为了能够在内插时保证差值后的到的四元数仍能满足模为1的条件，这里采用拉格朗日内插得到四元数的三个数，第四个数根据模为1的条件求得，最后便可得到成像时刻在J2000协议空间固定惯性坐标系统中的姿态(q0,q1,q2,q3)。
步骤2，坐标变换矩阵的计算。
步骤2.1，变换矩阵的确定
WGS84地心直角坐标系变换到J2000坐标系需要经过三次改正，即岁差和章动、地球自转以及极移。因此需要经过三个矩阵变换，具体如下：
式中，t指时刻，PN(t)为岁差和章动矩阵，R(t)为地球自转矩阵，W(t)为极移矩阵，这三个矩阵解算不是本发明的重点，具体可参考已发表的文献：
[1]李广宇.天球参考系变换及其应用[M].科学出版社,2010.Kaplan G H.TheIAU Resolutions on Astronomical Reference Systems,Time Scales,and EarthRotation Models[J].Iau Resolutions on Astronomical Reference Systems,2006,179.
步骤2.2，变换矩阵的确定
根据成像时刻的姿态(q0,q1,q2,q3)，可得到J2000到卫星本体的变换矩阵
步骤2.3，变换矩阵的确定
根据相机安装角(α,β,γ)计算从星本体坐标系到相机坐标系的变换矩阵
其中相机安装角可通过现有的在轨几何标定方法获得，具体可参考文献：
[2]曹金山,袁修孝,龚健雅.资源三号卫星成像在轨几何定标的探元指向角法[J].测绘学报,2014,43(10):1039-1045.
[3]Chen,Y.,et al,2015.Calibration and Validation of ZY-3OpticalSensors.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,53(8):4616-4626.
[4]杨博,王密.资源一号02C卫星全色相机在轨几何定标方法[J].遥感学报,2013,17(5):1175-1190.
步骤3，计算光行差改正矩阵。
如图2所示，S’和S是指轨道点，P’和P是指地面点，轨道高度为H的卫星运动到轨道上S’位置时，地面P’处的光信号开始传播，但卫星运动到S位置时，正好接收到P’处的光信号，假设该过程的时段长度为t，卫星的运行为姿态稳定的推扫成像，运行到S位置时的俯仰角为α，翻滚角为β，则在S处根据卫星在该位置的姿轨数据计算的对应物方位置实际为P，若此时卫星距成像点的距离SP为d，则然而由于光行差θ(指真实的光线传播路线与理论传播路线的夹角)的存在，卫星在S位置真实接收到光学信号并不是P的，而是前面的P’处的，因此，真实的光线传播路线为P’S，因此需要根据卫星姿轨数据解算的光线路线PS及光行差θ恢复P’S。
根据简单的几何换算可知，从地面到卫星光学传播的时间t≈d/c，c表示光速，对于低轨的光学遥感卫星通常小于0.01s，因此该时间内卫星姿态基本没有变化，因此可认为卫星在轨道上S’位置时到根据姿轨数据计算的光线S’P’与SP平行，则P’S与P’S’之间的夹角仍为θ，根据ΔP'S'S的几何关系可知θ≈tanθ≈v/c，v表示卫星运行速度。再根据卫星在S位置时，速度矢量V，真实光线传播向量与解算的理论传播向量三者之间的共面关系可建立光行差改正矩阵，在模型中直接对光行差进行改正，下面详细介绍如何根据光行差θ建立改正矩阵RAber：
步骤3.1，解算旋转轴向量
假设速度矢量V＝(vx,vy,xz)，卫星运行到在S位置时GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的坐标为(Xgps,Ygps,Zgps)，P点在WGS84坐标系下的位置坐标为(Xg,Yg,Zg)，则理论传播向量则此时的旋转向量为n，则有：
步骤3.2，解算变换四元数
根据光行差θ和旋转向量n计算变换四元数P＝(p0,p1,p2,p3)，则有：
步骤3.2，解算光行差改正矩阵
根据解算的四元数计算光行差改正矩阵RAber：
步骤4，顾及光行差改正的严格几何成像模型构建。
基于摄影测量的共性方程的基本理论，利用上述构建的改正矩阵建立像方位置和物方位置之间的对应关系如下：
其中，(x,y,z)为像方位置在相机坐标系下的坐标，λ为缩放系数，(Xg,Yg,Zg)与(Xgps,Ygps,Zgps)分别表示像点对应的物方点及GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的坐标，其中，后者由卫星上搭载的GPS获取。(BX,BY,BZ)body代表从传感器投影中心到GPS天线相位中心的偏心矢量(即投影中心和相位中心坐标的差值)在卫星本体坐标系下的坐标，RAber为步骤3解算得到的改正矩阵。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.顾及光行差改正的卫星光学严格几何成像模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对于任意时刻t获取的像点p，根据成像时刻t的时间计算轨道参数和姿态参数，其中轨道参数包括成像时刻卫星GPS天线在WGS84地心直角坐标系下的位置矢量和速度矢量，姿态参数为成像时刻在J2000协议空间固定惯性坐标系统中的四元数姿态(q0,q1,q2,q3)；
步骤2，根据成像时间计算WGS84地心直角坐标系到J2000坐标系的变换矩阵根据四元数姿态计算从J2000坐标系到卫星本体坐标系的变换矩阵根据相机安装角计算从星本体坐标系到相机坐标系的变换矩阵
步骤3，根据卫星真实光线传播向量与理论传播向量三者之间的共面关系建立光行差θ的改正矩阵RAber，包括如下子步骤，
步骤3.1，解算旋转轴向量，
假设卫星在S位置时的速度矢量V＝(vx,vy,xz)，卫星运行到在S位置时GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的坐标为(Xgps,Ygps,Zgps)，P点在WGS84坐标系下的位置坐标为(Xg,Yg,Zg)，则理论传播向量此时的旋转向量为n，
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步骤3.2，根据光行差θ和旋转向量n计算变换四元数P＝(p0,p1,p2,p3)，
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其中，光行差θ指真实的光线传播路线与理论传播路线的夹角；
步骤3.,3，根据步骤3.2解算的四元数计算改正矩阵RAber：
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步骤4，利用步骤3中的改正矩阵建立像方位置和物方位置之间的对应关系，构建顾及光行差改正的严格几何成像模型，
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其中，(x,y,z)为像方位置在相机坐标系下的坐标，λ为缩放系数，(Xg,Yg,Zg)与(Xgps,Ygps,Zgps)分别表示像点对应的物方点及GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的坐标，(Xgps,Ygps,Zgps)由卫星上搭载的GPS获取；分别由步骤2计算获得，(BX,BY,BZ)body代表从传感器投影中心到GPS天线相位中心的偏心矢量在卫星本体坐标系下的坐标，RAber为步骤3解算得到的改正矩阵。
2.如权利要求1所述的顾及光行差改正的卫星光学严格几何成像模型构建方法，其特征在于：所述步骤2的实现方式如下，
步骤2.1，变换矩阵的确定，WGS84地心直角坐标系变换到J2000坐标系需要经过三次改正，即岁差和章动、地球自转以及极移，因此需要经过三个矩阵变换，具体如下，
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式中，t指时刻，PN(t)为岁差和章动矩阵，R(t)为地球自转矩阵，W(t)为极移矩阵；
步骤2.2，根据成像时刻的四元数姿态(q0,q1,q2,q3)，可得到J2000到卫星本体的变换矩阵
<mrow>
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步骤2.3，根据相机安装角(α,β,γ)计算从星本体坐标系到相机坐标系的变换矩阵
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其中，安装角(α,β,γ)通过在轨几何标定方法获得。
3.如权利要求1或2所述的顾及光行差改正的卫星光学严格几何成像模型构建方法，其特征在于：所述步骤1中通过采用拉格朗日内插的方法从相邻四个时刻的轨道参数内插成像时刻的轨道参数。
4.如权利要求1或2所述的顾及光行差改正的卫星光学严格几何成像模型构建方法，其特征在于：所述步骤1中先通过采用拉格朗日内插得到四元数姿态参数中的任意三个数，然后根据四元数模为1的条件求得第四个数。
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