CN107945235B - 一种高轨大面阵静止卫星影像几何定位仿真方法 - Google Patents

一种高轨大面阵静止卫星影像几何定位仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高轨大面阵静止卫星影像几何定位仿真方法，包括以下步骤：1)根据高轨大面阵静止卫星相机特点，构建其严格几何成像模型，并分析初始仿真定位结果误差；2)顾及相机姿态角常差，构建几何外检校模型；3)从真实在轨成像影像中提取仿真控制点，结合SRTM DEM数据，分析控制点分布对几何外检校精度的影响；4)在确定适合该卫星的控制点分布情况后，利用几何外检校模型，获取相机姿态角常差；步骤5)比较经外检校后的几何定位仿真影像与在轨真实影像中同一像点坐标差异。本发明能够很好的模拟该类卫星真实成像几何误差，有助于分析该类卫星相机姿态角误差与外界热环境之间的相互关系，指导相机及时开展检校工作，更新其处理流程。

Description

一种高轨大面阵静止卫星影像几何定位仿真方法
技术领域
本发明涉及航天遥感卫星领域，尤指一种高轨大面阵静止卫星影像几何定位仿真方法。
背景技术
卫星影像几何定位仿真研究是开展航天遥感论证、几何质量评价和误差理论分析等工作中的一个重要环节。尤其是近几年我国重点发展高分辨率卫星测绘事业，使得该项研究工作受到更多研究学者的关注。其中，卫星传感器严格几何成像模型及外检校方法是几何定位仿真的理论基础，也是目前该领域的研究热点之一。例如，祝小勇等人在建立了CBERS-02B卫星影像严格成像几何模型后，分析了在进行外检校时，俯仰、滚动和偏航角度对影像几何定位精度的影响。袁修孝等人在原有的研究基础上，提出了更为严密的影像姿态角系统误差检校方法，并利用SPOT5和CBERS-02B卫星影像进行了实验验证。李奇峻等人针对ZY-3卫星多光谱相机特点，提出了运用罗德里格矩阵建立姿态角常差检校方法，并利用大连地区ZY-3影像进行了算法检验。孟伟灿等人以天绘一号卫星高分相机为例，在构建了其严格成像模型后，提出了内外部误差补偿模型，并设计了五组实验检验补偿效果。杨博等人在建立资源一号02C卫星全色影像严格几何成像模型后，采用分步迭代方法计算内外检校参数，并利用嵩山定标场参考数据对检校结果进行评价。牛常领等人在对ZY-3卫星影像姿态角检验时，对比分析了利用四元数和姿态角两种误差补偿模型所取得的精度。
GF-4卫星作为我国高分辨率对地观测系统中的一颗静止轨道卫星，已于2015年12月29日在西昌卫星发射中心成功发射。该卫星采用面阵成像方式获取高时间分辨率（重访周期20s）、大幅宽（可见光近红外通道/中波红外通道幅宽约500km/400km）卫星影像，并凭借其灵活机动（五种成像模式——凝视模式、跟踪模式、巡航模式、签到模式、夜间模式）的特点，已经为我国灾害监测、气象预报、环境保护等领域提供了有效的数据支持。同样，对于该静止面阵成像卫星而言，也需要构建其几何定位仿真模型。虽然上述研究人员已经在此领域开展了相应的学术探讨，并得出了有价值的研究结论，但是大多数研究是针对太阳同步轨道线阵推扫式成像卫星特点开展的。然而，对于静止轨道高分辨率面阵成像卫星而言，其几何定位仿真及外检校过程如何开展，则需要做进一步的研究，这对优化仿真体系以及掌握该卫星影像几何定位误差来源具有重要意义。
本发明以GF-4卫星可见光近红外通道影像为例，首先构建其严格成像模型，然后顾及相机姿态角常差，利用在轨真实成像的高轨大面阵静止卫星影像及SRTM DEM开展几何外检校，同时分析地面控制点分布对几何外检校的影响。最后，利用外检校参数对几何定位仿真模型进行优化，提高影像几何定位仿真精度。
发明内容
针对现有卫星影像几何定位仿真研究中并未建立高轨大面阵静止卫星影像几何定位仿真的具体流程，本发明以GF-4卫星相机为例，本发明提出了一种高轨大面阵静止卫星影像几何定位仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）,根据高轨大面阵静止卫星相机特点，构建其严格几何成像模型，并分析初始仿真定位结果误差；
2）,顾及相机姿态角常差，构建几何外检校模型；
3）,从真实在轨成像影像中提取仿真控制点，结合SRTM DEM数据，分析控制点分布对几何外检校精度的影响；
4）,在确定适合该卫星的控制点分布情况后，利用几何外检校模型，获取相机姿态角常差；
进一步，该方法还包括步骤5）比较经外检校后的几何定位仿真影像与在轨真实影像中同一像点坐标差异。
进一步，其特征在于，步骤3）具体为：选取实验区域SRTM DEM作为控制点高程信息，在真实在轨成像影像中间隔不同像素（100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000等），提取控制点平面及高程信息。
进一步，其特征在于，步骤4）具体为：根据卫星影像空间分辨率特点，确定适合的仿真控制点分布情况，进而采用最小二乘迭代方法，计算相机姿态角常差（俯仰角、滚动角和偏航角）。
进一步，其特征在于，步骤5）具体为：比较同一像素在仿真影像和真实影像中的UTM坐标，并利用Origin绘制出该坐标差异，分析仿真定位误差是否符合真实影像几何定位误差分布情况。
本发明的高轨大面阵静止卫星影像几何定位仿真方法可以实现该类卫星影像几何定位仿真处理，该方法能够很好的模拟该类卫星真实成像几何误差，有助于分析该类卫星相机姿态角误差与外界热环境之间的相互关系，指导相机及时开展检校工作，更新其处理流程。
附图说明
图1为本发明的高轨大面阵静止卫星影像几何定位仿真方法的流程图；
图2为未经几何外检校的初始几何仿真定位误差；
图3为控制点分布对相机姿态角（俯仰角）常差的影响；
图4为控制点分布对相机姿态角（滚动角）常差的影响；
图5为控制点分布对相机姿态角（偏航角）常差的影响；
图6为经几何外检校后的几何仿真定位误差。
具体实施方式
如图1所示本发明的高轨大面阵静止卫星影像几何定位仿真方法包括严格几何成像模型构建、初始仿真定位误差分析、几何外检校模型构建、仿真控制点提取、相机姿态角常差计算和仿真定位误差结果分析。本发明以GF-4卫星可见光近红外通道为例，阐述高轨大面阵静止卫星影像几何定位仿真方法流程。
1）严格几何成像模型构建。严格几何成像模型的构建是开展几何定位仿真的重要理论基础。一般情况下对于静止轨道面阵相机而言，像点坐标同样需要经过多个坐标系（像面坐标系、像空间坐标系、卫星本体坐标系、轨道坐标系、J2000坐标系和WGS84坐标系等）的转换后才能得到像点在WGS84坐标系下的坐标。在实际应用中，需要根据静止轨道面阵相机特点进行适当调整。对于GF-4卫星而言，其严格成像模型为：
Figure 288950DEST_PATH_IMAGE001
这里的（x,y）表示像点P在像平面坐标系下的坐标，f代表相机焦距，m为尺度系数，[Xbody(t) Ybody(t) Zbody(t)]T和[Xg Yg Zg]T分别表示卫星位置和该像点P对应的物方点在WGS84坐标系下的坐标，
Figure 46690DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 819474DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 625756DEST_PATH_IMAGE004
分别表示姿态测量系统ADS坐标系到相机坐标系、相机坐标系到J2000坐标系、J2000坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵。
2）初始仿真定位误差分析。基于上述严格成像模型，结合传感器设计参数及轨道仿真参数，实现高轨大面阵静止卫星影像初始几何定位仿真。为验证构建的仿真结果几何定位精度，从在轨真实影像（10240像素×10240像素）中每隔1000个像素提取检查点坐标，共计100个检查点。通过比较几何定位仿真影像与在轨真实影像中同一像点坐标可以看出，两者存在明显的系统定位误差，且该仿真定位误差结果并不符合GF-4卫星光学镜头畸变规律，如图2。
3）几何外检校模型构建。相关研究结果表明影响影像定位精度的因素主要是定轨测姿精度及相机安装误差。对于国产卫星而言，我国的定轨精度可以达到分米级，其误差对影像直接定位精度的影响可以忽略，但是我国现有的星载测姿设备的测量精度并不高，并且通常存在常差，这对于高轨卫星影像定位精度的影响更为明显。另外，在卫星发射过程中及发射后，相机所处环境的变化，导致实验室测量得到的安装角度发生改变，使其不能够直接用于影像高精度定位。由于相机安装误差与测姿误差对定位结果的影响是一致的，因此在进行几何外检校时，通常情况下构建一个偏移矩阵，以提高影像直接定位精度。
4）由于相机姿态角误差的存在，需要利用姿态角
Figure 800386DEST_PATH_IMAGE005
构建偏移矩阵
Figure 666710DEST_PATH_IMAGE006
,使得上述严格成像模型左右两端相等，则其可变为：
Figure 929720DEST_PATH_IMAGE001
对上式进行泰勒公式一次展开，可得误差方程如下：
Figure 539693DEST_PATH_IMAGE007
这里的（vx，vy）为坐标观测残差值，
Figure 568829DEST_PATH_IMAGE008
为像点真实值坐标与利用地面坐标计算得到的像面近似坐标之间的差值，a11～a23的表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
当仿真控制点个数超过3个时，可采用最小二乘的方法迭代计算。当姿态角改正数
Figure 606055DEST_PATH_IMAGE010
小于预先设定的阈值时，停止迭代，即可得到相机姿态角误差参数。
仿真控制点提取及相机姿态角常差计算。在对影像进行几何外检校时，控制点的选择十分重要。但是与传统的在轨传感器几何检校有所不同，本发明主要是对所构建的几何仿真模型精度进行优化，使其能够更为准确的反映真实在轨影像定位信息。因此，本发明所选择的控制点是从真实在轨成像影像中提取的，而并非通过GPS或其它高精度参考影像获取控制点信息。接下来将重点分析仿真控制点的分布情况对高轨大面阵静止卫星影像几何外检校的影响。
本发明选取实验区域SRTM DEM作为控制点高程信息，在真实在轨成像的影像中间隔不同像素（100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000）提取仿真控制点信息。利用这些控制点求取相机姿态角误差参数，设定姿态角改正数中最大值小于10-6°时，停止迭代。
由图3、图4和图5可知，虽然迭代所设定的阈值相同，但是仿真控制点分布的不同会导致相机姿态角误差结果有所差异，当控制点采样间隔小于1000个像素时，计算结果差异较小。由于高轨大面阵静止卫星轨道高度为36000km，当相机姿态角误差为0.29″时，对应地面的定位误差约为1个像素（50m）。因此，本发明在设置迭代阈值时，还限定了前后迭代结果差异小于0.29″时，获取的相机姿态角误差才为最终计算结果。
5）仿真定位误差结果分析。将上述外检校结果带入严格成像模型之中，补偿相机姿态角误差。在几何定位仿真结果和真实影像定位结果中，随机抽取相同检查点，统计检查点UTM坐标差异，并利用Origin绘制误差分布图。从图6中可以看出，该仿真定位误差具有高度的中心对称性，越靠近图像边缘，镜头畸变及感光面的缩放等所引起的对称性误差越大。因此，证明了经几何外检校后的定位仿真模型能够很好的模拟高轨大面阵静止卫星影像在轨真实定位误差。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高轨大面阵静止卫星影像几何定位仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：1)严格几何成像模型构建，对于静止轨道面阵相机而言，像点坐标同样需要经过多个坐标系的转换后才能得到像点在WGS84坐标系下的坐标，对于GF-4卫星而言，其严格成像模型为：
Figure 793667DEST_PATH_IMAGE001
这里的（x,y）表示像点P在像平面坐标系下的坐标，f代表相机焦距，m为尺度系数，[Xbody(t) Ybody(t) Zbody(t)]T和[Xg Yg Zg]T分别表示卫星位置和该像点P对应的物方点在WGS84坐标系下的坐标，
Figure 179649DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 287282DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 151333DEST_PATH_IMAGE004
分别表示姿态测量系统ADS坐标系到相机坐标系、相机坐标系到J2000坐标系、J2000坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵；2)初始仿真定位误差分析，基于上述严格成像模型，结合传感器设计参数及轨道仿真参数，实现高轨大面阵静止卫星影像初始几何定位仿真，为验证构建的仿真结果几何定位精度，从在轨真实影像中每隔1000个像素提取检查点坐标，共计100个检查点，通过比较几何定位仿真影像与在轨真实影像中同一像点坐标可以看出，两者存在明显的系统定位误差，且该仿真定位误差结果并不符合GF-4卫星光学镜头畸变规律；3)几何外检校模型构建，由于相机安装误差与测姿误差对定位结果的影响是一致的，因此在进行几何外检校时，构建一个偏移矩阵，以提高影像直接定位精度；4)由于相机姿态角误差的存在，需要利用姿态角
Figure 562110DEST_PATH_IMAGE005
构建偏移矩阵
Figure 853414DEST_PATH_IMAGE006
,使得上述严格成像模型左右两端相等，则其可变为：
Figure 386027DEST_PATH_IMAGE007
对上式进行泰勒公式一次展开，可得误差方程如下：
Figure 178402DEST_PATH_IMAGE008
这里的（vx，vy）为坐标观测残差值，
Figure 316123DEST_PATH_IMAGE009
为像点真实值坐标与利用地面坐标计算得到的像面近似坐标之间的差值，a11～a23的表达式如下：
Figure 902962DEST_PATH_IMAGE011
当仿真控制点个数超过3个时，采用最小二乘的方法迭代计算，当姿态角改正数
Figure 860554DEST_PATH_IMAGE012
小于预先设定的阈值时，停止迭代，即可得到相机姿态角误差参数，仿真控制点提取及相机姿态角常差计算，选取实验区域SRTM DEM作为控制点高程信息，在真实在轨成像的影像中间隔不同像素提取仿真控制点信息，利用这些控制点求取相机姿态角误差参数，设定姿态角改正数中最大值小于10-6°时，停止迭代；5）仿真定位误差结果分析，将上述外检校结果带入严格成像模型之中，补偿相机姿态角误差。
2.根据权利要求1所述的一种高轨大面阵静止卫星影像几何定位仿真方法，其特征在于，比较经外检校后的几何定位仿真影像与在轨真实影像中同一像点坐标差异。
3.根据权利要求2所述的一种高轨大面阵静止卫星影像几何定位仿真方法，其特征在于，比较同一像素在仿真影像和真实影像中的UTM坐标，并利用Origin绘制出该坐标差异，分析仿真定位误差是否符合真实影像几何定位误差分布情况。
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