CN109118568A - 静止气象卫星成像仪的地球固定网格 - Google Patents

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信思博
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Abstract

本发明公开了一种静止气象卫星成像仪的地球固定网格，该地球固定网格为地球表面特征物体映射到标称理想情况下静止气象卫星成像仪所成的图像中的映射点；标称理想情况为：卫星位于赤道平面与定点经度半圈平面交线上、与地心距离为42164.172公里；成像仪光学基准坐标系的Z轴指向地心，X轴位于瞬时真赤道面内指向当地东方；成像仪内部光路准直，不存在畸变和失配。本发明可以得到图像中特征物体的参照物；通过比对实际遥感图像与固定网格的差异，可作为静止气象卫星L1级图像输出的参考基准，评价成像仪图像定位精度，分析成像仪内部光路变形特性和外部安装误差，从而提高静止气象卫星地面应用系统的数据处理效率和精度。

Description

静止气象卫星成像仪的地球固定网格
技术领域
本发明涉及静止遥感卫星成像仪固定网格，尤其涉及一种在静止气象卫星成像仪图像上定义的虚拟网格。
背景技术
静止遥感卫星利用扫描式成像仪感知地球表面物体的辐射信息，可以用于地图测绘、天气诊断、灾害监测，以及生成其他定性、定量遥感产品。这需要成像仪遥感图像对应的绝对地理位置定位准确，相邻图像的相对位置关系配准精确。但卫星平台和遥感仪器受到天体力学、空间力学环境、热环境变化等因素的影响，卫星会存在轨道漂移和姿态指向偏差，成像仪会产生几何变形和失配，影响遥感图像的定位与配准精度。因此，静止遥感卫星的定量产品需要有一个固定基准，作为补偿校正成像仪视线、定量对比评估图像结果的参考依据。地球固定网格是静止气象卫星成像仪L1级数据的基准，美国、欧洲等均制定了关于固定网格的规范文件。但均由于历史的原因存在一定局限性，不能适应新一代静止遥感卫星成像仪生成图像的需求。
气象卫星协调组(Coordination Group of Meteorological Satellites，缩写为CGMS) 在其2013年发布的《通信传输数据全球规范》(LRIT/HRIT Global Specification)[1]中描述了地理坐标与卫星扫描角之间的投影关系。其固定网格描述为成像仪扫描角坐标；地表特征目标选用了海岸线；计算地表目标在地心地固系中的位置时采用WGS84椭球模型代表地球表面。
欧洲气象卫星组织2015年公布了正在研制的MTG卫星主载荷FCI的数据集用户指南 [2]。其中，对地理坐标投影的描述与文献[1]一致。
美国Harris公司2015年公布了美国新一代静止气象卫星GOES-R的主载荷ABI的产品定义与用户手册[3]。文中描述了地理坐标到固定网格南北/东西角之间的映射关系。其固定网格描述为成像仪扫描角坐标；地表特征目标选用了海岸线；计算地表目标在地心地固系中的位置时采用WGS84椭球模型代表地球表面。
针对中国风云二号静止气象卫星成像仪图像定位的论文[4]中描述了地球表面物体与自旋卫星扫描成像的对应关系，但未给出固定网格的定义和推导过程。
文献[5]中采用定义卫星、地球和成像仪相关坐标系的方法描述地球表面物体与三轴稳定静止气象卫星成像仪坐标之间的关系，并在这种关系的基础上分析了各种姿态误差对成像结果的影响，以及基于卡尔曼滤波对误差进行处理的方法。
综上，当前各国对静止气象卫星固定网格存在的缺陷主要包括以下几点：1)固定网格的地表特征目标仅选用海岸线，未选择内陆湖泊轮廓线。以至于在内陆地区缺少遥感图像参考或评价的特征目标。2)在计算投影关系时未考虑地表目标海拔高度，而是采用WGS84 椭球模型代表地球表面。这将使某些高海拔地区目标的图像与其对应的网格投影存在偏差，对固定网格精度的影响最大可达4个像元。
[1]EUMETSAT.Coordination Group for Meteorological Satellite LRIT/HRITGlobal Specification.Issue 2.8.Oct,2013
[2]EUMETSAT.FCI L1Dataset User Guide[FCIL1DUG][R/OL].EUM/MTG/USR/13/719113. Darmstadt:EUMETSAT,2015[2017-03-26].
[3]Harris Corporation.Product Definition and Users’Guide(PUG)Volume5:Level 2+Products[R/OL].DCN 7035538,Revision D.Florida:Harris Corporation,2015. [2017-03-26].
[4]Lu F,Zhang X,Xu J.Image navigation for the FY2geosynchronousmeteorological satellite[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2008,25(7): 1149-1165.
[5].Ahmed A.Kamel,Handol Kim,Dochul Yang,et al.Generalized ImageNavigation &Registration Method Based on Kalman Filter.31st ISTS SpecialIssue.Oct,2017.
发明内容
针对现有静止遥感卫星成像仪10地球固定网格的缺陷，本发明提出了一种静止气象卫星成像仪的地球固定网格。
本发明具体通过以下技术方案实现：
静止气象卫星成像仪的地球固定网格，该地球固定网格为地球表面特征物体映射到标称理想情况下静止气象卫星成像仪所成的图像中的映射点；所述的标称理想情况为：卫星位于赤道平面与定点经度半圈平面交线上、与地心距离为42164.172公里；成像仪光学基准坐标系的Z轴指向地心，X轴位于瞬时真赤道面内指向当地东方；成像仪内部光路准直，不存在畸变和失配。
通过比对实际遥感图像与地球固定网格的差异，可作为L1级图像输出的参考基准，评价成像仪图像定位精度，分析成像仪内部光路变形特性和外部安装误差，分析卫星当前轨道位置。
进一步地，所述的地球表面特征物体包括海岸线、内陆湖泊轮廓线，以及地球表面其他遥感辐射梯度较大的固定特征轮廓线。
进一步地，所述的静止气象卫星成像仪安装在静止轨道三轴稳定卫星平台上，通过二维扫描机构的旋转运动来往复移动视线，实现对地球的成像覆盖。
进一步地，所述二维扫描机构带有两面反射镜和两根相互垂直的旋转轴；从地球发出的光线首先入射在南北镜上，经反射后再入射到东西镜上，再次反射后进入内部成像系统。
进一步地，所述的成像仪光学基准坐标系的原点位于成像仪上的某个特征位置，Z轴为成像仪视场中心视线方向，X轴垂直于中心视线指向星下点图像正东方对应的方向，Y轴按照右手法则确定。
本发明具有以下有益效果：
本发明的静止气象卫星成像仪的地球固定网格，可以得到图像中特征物体的参照物。通过比对实际遥感图像与固定网格的差异，可作为静止气象卫星L1级图像输出的参考基准，评价成像仪图像定位精度，分析成像仪内部光路变形特性和外部安装误差，分析卫星当前轨道位置。从而提高静止气象卫星地面应用系统的数据处理效率和精度。
附图说明
图1是静止气象卫星成像仪对地球成像的投影关系示意图。
图2是成像仪内部扫描反射机构示意图。
图3是静止卫星定点于东经105度时海岸线和内陆湖泊轮廓线在成像仪图像中的投影。
图中：1-地球；2-赤道；3-地理北极；4-地心；5-本初子午线；6-地心地固坐标系；7-星下点；8-地球表面特征物体；9-星地连线；10-成像仪；11-遮光罩；12-成像仪光学基准坐标系；13-成像仪视线；14-成像仪图像中第(1,1)号像素；15-成像仪图像坐标；16- 成像仪图像；17-地球在成像仪图像中的投影；18-地球表面特征物体在成像仪图像中的投影；19-成像仪内部相机系统；20-东西镜转轴；21-东西镜；22-南北镜转轴；23-南北镜； 24-成像仪内部视线；25-赤道在成像仪图像中的投影；26-东经105°经线圈在成像仪图像中的投影；27-海岸线在成像仪图像中的投影；28-内陆湖泊轮廓线在成像仪图像中的投影。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的静止气象卫星成像仪的地球固定网格作进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种静止气象卫星成像仪的地球固定网格，该地球固定网格为静止气象卫星成像仪理想状态成像的基准，为地球表面特征物体映射到标称理想情况下静止气象卫星成像仪所成的图像中的映射点；所述的标称理想情况为：卫星位于赤道平面与定点经度半圈平面交线上、与地心距离为42164.172公里；成像仪光学基准坐标系的Z轴指向地心，X轴位于瞬时真赤道面内指向当地东方；成像仪内部光路准直，不存在畸变和失配。
所述地球表面特征物体选择海岸线和内陆湖泊轮廓线，以及地球表面其他遥感辐射梯度较大的固定特征轮廓线。
所述的静止气象卫星成像仪安装在静止轨道三轴稳定卫星平台上，通过二维扫描机构的旋转运动来往复移动视线，实现对地球的成像覆盖。
所述二维扫描机构带有两面反射镜和两根相互垂直的旋转轴；如中国风云四号卫星和美国GOES-R卫星的成像仪都带有两面反射镜和两根相互垂直的旋转轴，采用东西方向往复扫描的方案。从地球发出的光线首先入射在南北镜上，经反射后再入射到东西镜上，再次反射后进入内部成像系统。
所述的成像仪光学基准坐标系的原点位于成像仪上的某个特征位置，Z轴为成像仪视场中心视线方向，X轴垂直于中心视线指向星下点图像正东方对应的方向，Y轴按照右手法则确定。
定义地理坐标：地理纬度经度λ，海拔高度h；地理经纬度的单位为度，海拔高度的单位为公里。
定义成像仪转角坐标，包含东西镜扫描角度ε和南北镜扫描角度η，单位为度。定义坐标零点和极性如下：在成像仪视线运动到视场中心视线时，成像仪转角坐标位于(0,0)点；定义南北镜绕成像仪光学基准坐标系X轴正方向按照右手方向旋转为ε的正方向，定义东西镜绕成像仪光学基准坐标系Z轴正方向按照右手方向旋转为η的正方向。
定义成像仪图像坐标，包括南北方向像素号m和东西方向像素号n，单位为像素。本发明优选的定义图像左上角的像素为(1,1)点，从上至下的方向为南北方向像素号递增方向，从左至右的方向为东西方向像素号递增方向。
本具体实施例的计算输入为：静止气象卫星定点位置λS，某地球表面特征物体地理坐标输出为该特征物体在成像仪图像中的图像坐标(m,n)。
对于所有待求的地球表面特征物体，均将其地理坐标转换为图像坐标，形成图像坐标序列。将图像坐标序列连续的绘制在成像仪图像中27,28，完成映射过程。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.静止气象卫星成像仪的地球固定网格，其特征在于，该地球固定网格为地球表面特征物体映射到标称理想情况下静止气象卫星成像仪所成的图像中的映射点；所述的标称理想情况为：卫星位于赤道平面与定点经度半圈平面交线上、与地心距离为42164.172公里；成像仪光学基准坐标系的Z轴指向地心，X轴位于瞬时真赤道面内指向当地东方；成像仪内部光路准直，不存在畸变和失配。
2.如权利要求1所述的静止气象卫星成像仪的地球固定网格，其特征在于，通过比对实际遥感图像与地球固定网格的差异，可作为L1级图像输出的参考基准，评价成像仪图像定位精度，分析成像仪内部光路变形特性和外部安装误差，分析卫星当前轨道位置。
3.如权利要求1所述的静止气象卫星成像仪的地球固定网格，其特征在于，所述的地球表面特征物体包括海岸线、内陆湖泊轮廓线，以及地球表面其他遥感辐射梯度较大的固定特征轮廓线。
4.如权利要求1所述的静止气象卫星成像仪的地球固定网格，其特征在于，所述的静止气象卫星成像仪安装在静止轨道三轴稳定卫星平台上，通过二维扫描机构的旋转运动来往复移动视线，实现对地球的成像覆盖。
5.如权利要求4所述的静止气象卫星成像仪的地球固定网格，其特征在于，所述二维扫描机构带有两面反射镜和两根相互垂直的旋转轴；从地球发出的光线首先入射在南北镜上，经反射后再入射到东西镜上，再次反射后进入内部成像系统。
6.如权利要求4所述的静止气象卫星成像仪的地球固定网格，其特征在于，所述的成像仪光学基准坐标系的原点位于成像仪上的某个特征位置，Z轴为成像仪视场中心视线方向，X轴垂直于中心视线指向星下点图像正东方对应的方向，Y轴按照右手法则确定。
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