CN109800380A - 星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种遥感仪器建模方法技术领域的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，包括以下步骤：步骤一，定义仪器中各独立组件的固连坐标系；步骤二，定义各反射面和馈源的旋转和位移变形参数；步骤三，定义馈源出射视线状态向量集合；步骤四，得到出射视线状态向量集合；步骤五，构建指向探测目标的视向量簇；步骤六，将视向量簇转换到地心固连坐标系下；步骤七，计算视向量簇与地表的交点坐标；步骤九，计算交点的地理经纬度；本发明的光路模型适于含有平面、旋转抛物面和旋转双曲面反射面等组件的微波遥感仪器，可以描述星载微波遥感仪器在结构变形情况下光路从馈源到对地指向波束地理经纬度之间的传播关系。

Description

星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法

技术领域

本发明涉及遥感仪器建模方法技术领域，具体涉及一种星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法。

背景技术

图像定位配准直接反映了遥感图像信息与目标之间的空间对应关系，对卫星业务图像产品定量应用有着重要作用，如对区域情况的精确定位，准确跟踪目标以及生成云图动画等。随着遥感卫星图像的分辨率越来越高，其应用也越来越广泛和深入，对图像定位精度的要求也越来越高。遥感卫星图像定位方法很多，按原理可分为与遥感仪器模型无关的几何校正和基于遥感仪器严密成像几何模型的几何校正。

在遥感卫星对地观测的初期，由于无法获取对地遥感仪器在成像瞬间的较高精度的位置、姿态等信息，无法建立共线方程等严密的传感器成像模型，因此大都采用与遥感仪器模型无关的静态参数几何校正。该方法是在参考影像(地形图)和卫星遥感影像上选取大量的对应点(线)作为建立校正参数模型的控制点(线)，选择一定的模型，如多项式模型、直接线性变换、平行光投影模型、有理函数模型(RFM)等进行影像校正，从而达到遥感卫星影像的定位功能。

随着高精度定轨和定姿技术的发展，基于遥感仪器严密成像几何模型的几何校正方法逐渐成为高分辨率卫星图像产品生产的主要方法。该方法的主要思想是：在遥感仪器的内方位元素(如光学相机的主距、主点位置、畸变参数)和外方位元素(星载仪器位置和姿态)信息已知的情况下，利用摄影光线与数字高程模型(DEM)相交获取对应的地面坐标，或采用立体模式的空间前方交会获取对应的地面坐标，从而实现卫星遥感影像对地定位。

卫星严密成像几何模型的构建是基于遥感仪器成像模型几何校正方案的关键环节。卫星平台姿态、轨道位置和热环境、力学环境存在长周期和短周期变化，使得仪器视线偏离标称方向，导致图像像素与地理位置的对应关系产生偏差。卫星平台的姿态指向变化、轨道位置变化均可精确测定后进行补偿或校正。而热环境、力学环境等因素引起的卫星平台、仪器在轨变形机理复杂，难以直接精确测量每个组件的变形，不同组件变形对图像的影响各不相同，因此各国遥感卫星制造商均针对遥感仪器的光路特性设计相应的图像定位配准和补偿方案，如美国GOES-I～M系列，GOES-NOP系列卫星，俄罗斯的Electro-L，日本的Himawari-8，欧洲第三代气象卫星MTG，SPOT-5、ALOS、IKONOS、QUICKBIRD，以及我国的资源三号、FY-4等卫星。

但是上述卫星的基于遥感仪器严密成像模型的几何校正方案均是针对光学遥感仪器，不适用于微波遥感仪器。作为我国乃至全球未来气象预报体系的重要组成部分，我国率先部署静止轨道微波遥感卫星。其中微波探测仪是主载荷。由于静止轨道微波探测频段向高频扩展，为满足空间分辨率要求，其天线反射面口径远大于常规天线口径，受限于火箭整流罩尺寸，需要将天线先折叠起来，入轨后再展开完成部署。展开动作可能造成微波各反射面的相对角度和位置偏离标称值。其次，卫星在轨运行时，展开机构的挠性振动导致反射面的角度和位置偏离标称值。与光学遥感卫星不同的是，微波遥感天线反射面不仅由平面反射面还由曲面反射面构成。平面反射面的位移不改变光路反射方向，因此光学遥感星不需要对反射面位移误差建模。曲面反射面位移直接导致光路方向变化，进而改变对地观测视向量指向，因此在微波遥感卫星光路建模中，不可忽略反射面位移误差。最后，相比于光学遥感卫星，微波遥感卫星反射面数量更多，视向量需要经过多重反射后才进入成像系统。

综上各种因素可知，当前的考虑仪器变形的卫星图像定位配准研究的研究对象多为光学遥感仪器。而微波遥感仪器成像原理不同与光学遥感仪器，成像过程比光学遥感仪器更加复杂，具有一定特殊性。为实现微波遥感仪器的高精度图像定位配准，需针对微波遥感仪器的特点，建立适用于星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型。

经对现有技术的检索，J.L.Fiorello等人编写的NOAA研究报告(0989年，编号N90-13422)介绍了图像定位配准概念和原理，提出了通过光学仪器观测恒星获取仪器变形参数的方法，但该方法不适用于微波遥感仪器。

吕旺的博士学位论文《静止气象卫星成像导航配准研究》(2017年)以风云四号辐射成像仪作为研究对象，进行了图像导航配准研究。针对由热环境、应力等因素引起的遥感仪器在轨变形问题，提出双模型建模方法。用物理模型详细描述机械变形对视向量的影响，用等效模型作为补偿算法。但该方法仅对光学遥感仪器有效。

专利号CN 104764443 A的发明专利《一种光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法》介绍了一种利用卫星相机内外方位元素构建光学遥感卫星影像的的严密成像几何模型的方法。但该方法不适用于微波遥感仪器。

张过、祝彦敏、费文波、李德仁在《测绘通报》第五期(2009年)的文章《高分辨SAR-GEC影像严密成像几何模型及其应用研究》中，提出了构建SAR影像GEC产品严密成像几何模型的方法。但是该方法对仪器内部畸变做了简化处理，无法充分描述扫描式微波成像仪器的变形。

因此，有必要设计一种能够针对微波遥感仪器的特点，建立适用于星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型，实现微波遥感仪器的高精度图像定位配准的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，本发明能够针对微波遥感仪器的特点，建立适用于星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型，实现微波遥感仪器的高精度图像定位配准。

本发明涉及一种星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，将微波遥感仪器的独立组件分为平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、和馈源共四类独立组件，采用视线状态向量表征微波波束视线，依据视线反射传输的路径顺序，先通过坐标转换矩阵实现视线状态向量在相邻反射面固连坐标系之间的转换，再通过反射面的状态方程对视线状态向量做变换，以描述光路的反射传输。

进一步地，采用视线状态向量表征微波波束视线，所述视线状态向量，视线状态向量X是7维向量，由三维的视线落点坐标[x,y,z]^T、三维的视线方向单位矢量[u,v,w]^T和1构成：

X＝[x y z u v w 1]^T。

进一步地，依据视线反射传输的路径顺序，通过坐标转换矩阵实现视线状态向量在相邻反射面固连坐标系之间的转换。

进一步地，所述坐标转换矩阵，以a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵为例，视线状态向量X在a坐标系的投影X_a，左乘a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵，可得到在b坐标系的投影X_b：

X_b＝T_baX_a

所述A_b表示a坐标系原点在b坐标系的投影，所述a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵，是7×7阶矩阵，形式如下：

所述R_ba表示a坐标系到b坐标系的方向余弦矩阵。

进一步地，在坐标转换矩阵计算过程中，考虑光路组件的旋转变形参数和位移变形参数，以a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵计算为例，计算方向余弦矩阵时候需考虑a坐标系旋转变形参数θ_a,ψ_a、b坐标系旋转变形参数θ_b,ψ_b，计算a坐标系原点在b坐标系的投影时候需考虑a坐标系位移变形参数ΔA、b坐标系的位移变形参数ΔB，即具有如下形式：

所述表示标称状态下，a坐标系到b坐标系的方向余弦矩阵。

进一步地，所述状态转移方程，在当前反射面固连坐标系下，当前反射面的出射视线状态向量X_out等于当前反射面的状态转移矩阵M左乘当前反射面的入射视线状态向量X_in：

X_out＝MX_in。

进一步地，所述状态转移矩阵的表达式为：

其中n＝[n_x,n_y,n_z]^T是视线落点处的反射面外法向单位矢量在反射面固连坐标系的投影，k是入射视线单位方向矢量与出射视线落点坐标的耦合系数，表达式如下：

当反射面为平面z＝0时：

k＝-z_in/w_in

当反射面为旋转抛物面x²+y²+az＝0,a＜0时：

当反射面为旋转双曲面x²+y²+az²＝0,z≤0,a＜0时：

进一步地，根据卫星姿态信息、轨道信息和岁差、章动、格林尼治恒星时和极移信息，将仪器指向探测目标的视向量簇，转换到地球固连坐标系下，求解视向量簇与地表交点的经纬度，视线波束足迹的地理定位。

进一步地，忽略地形对地理定位的影响，以WGS-84地球参考椭球表示地球，以视向量簇与WGS-84地球参考椭球表面的交点表示波束足迹。

本发明的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，包括如下步骤：

步骤1，将静止轨道微波遥感仪器中的独立光路组件划分为平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面和馈源共四种类型；根据独立组件的类型，定义与独立组件固连的平面反射面固连坐标系、旋转抛物面反射面固连坐标系、旋转双曲面反射面固连坐标系、旋转轴系固连坐标系和馈源固连坐标系；

所述平面反射面固连坐标系，坐标系原点取为反射面几何中心，z轴为平面正法向，x轴在平面内指向一特征方向，y轴由右手定则确定；

所述旋转抛物面反射面固连坐标系，坐标系原点为旋转抛物面反射面的拐点，z轴与旋转抛物面反射面对称轴重合指向旋转抛物面拐点正法向方向，x轴垂直z轴指向旋转抛物面反射面一特征方向，y轴由右手定则确定；

所述旋转双曲面反射面固连坐标系，坐标系原点为旋转双曲面反射面的拐点，z轴与旋转双曲面反射面的对称轴重合指向旋转双曲面反射面拐点正法向方向，x轴垂直z轴指向旋转双曲面反射面某特征方向，y轴由右手定则确定；

所述馈源固连坐标系，馈源固连坐标系原点取为馈源入口几何中心，z轴垂直馈源入口平面指向馈源外侧，x轴垂直z轴指向馈源入口平面一特征方向，y轴由右手定则确定；

步骤2，定义平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面的旋转变形参数和位移变形参数，

所述平面反射面的旋转变形参数和位移变形参数，包括平面反射面绕自身固连坐标系X轴的旋转角、绕Y轴的旋转角，和沿Z轴的位移，

所述旋转抛物面反射面的旋转变形参数和位移变形参数，包括旋转抛物面反射面绕自身固连坐标系X轴的旋转角、绕Y轴的旋转角，和沿X轴的位移、沿Y轴的位移、沿Z轴的位移，

所述旋转双曲面反射面的旋转变形参数和位移变形参数，包括旋转双曲面反射面绕自身固连坐标系X轴的旋转角、绕Y轴的旋转角，和沿X轴的位移、沿Y轴的位移、沿Z轴的位移，

步骤3，定义从馈源出发的波束、视线矢量簇、出射视线状态向量集合，所述从馈源出发的波束、视线矢量簇、视线状态向量集合，波束从馈源固连坐标系原点出发，呈圆锥状，圆锥顶点与馈源固连坐标系原点重合，圆锥中轴与馈源系外法向重合，圆锥面为馈源入口处波束方向图-3dB包络渐近线，视线矢量簇由波束中心视线矢量和等间隔的波束边界视线矢量组成；出射视线状态向量集合是视线矢量簇对应的视线状态向量的集合；

步骤4，从馈源出发，考虑光路部件旋转变形参数和位移变形参数计算相邻光路部件之间的坐标系转换矩阵，应用坐标转换矩阵，将出射视线状态向量集合中的所有状态向量转换到光路中下一个反射面的固连坐标系下，作为该反射面的入射视线状态向量集合，根据该反射面的类型采用相应的状态转移矩阵，将入射视线状态向量集合中的所有状态向量分别代入状态转移方程，计算得到出射视线状态向量集合，循环此过程，直至获得仪器最外端指向探测目标的出射视线状态向量集合；

步骤5，根据获得仪器最外端指向探测目标的出射视线状态向量集合构建仪器最外端指向探测目标的视向量簇，并根据仪器最外端反射面的安装矩阵将视向量簇转换到卫星本体坐标系下；

步骤6，根据卫星姿态信息、轨道信息和岁差、章动、格林尼治恒星时、极移等信息，将仪器光路模型输出的本体系下视向量簇转换到地心固连坐标系下；

步骤7，在地心固连坐标系下，计算视向量簇与以WGS-84地球参考椭球表示的地表的交点坐标；

步骤8，计算交点的地理经纬度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，适用于含有旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、平面反射面以及旋转轴系等多种机构的微波遥感仪器；

2、本发明的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，所建立的模型可以描述星载微波遥感仪器中光路从馈源到对地指向波束之间的传播关系；

3、本发明的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，能够针对微波遥感仪器的特点，建立适用于星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型，实现微波遥感仪器的高精度图像定位配准。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的星载微波遥感仪器结构变形的光路建模方法流程图；

图2为本发明的馈源和出射波束示意图；

图3为本发明的平面反射面光路建模示意图；

图4为本发明的旋转双曲面反射面光路建模示意图；

图5为本发明的旋转抛物面反射面光路建模示意图；

图6为某星载微波遥感仪器内部光路示意图；

图7为本发明的相关坐标系示意图；

图8为某星载微波遥感仪器视向量簇与WGS-84地球参考椭圆交点示意图；

图9为某星载微波遥感仪器波束地面足迹图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例中，本发明的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，将微波遥感仪器的独立组件分为平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、和馈源共四类独立组件，采用视线状态向量表征微波波束视线，依据视线反射传输的路径顺序，先通过坐标转换矩阵实现视线状态向量在相邻反射面固连坐标系之间的转换，再通过反射面的状态方程对视线状态向量做变换，以描述光路的反射传输。

接下来对本发明进行详细的描述。

本发明的目的是提供一种星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，本发明能够针对微波遥感仪器的特点，建立适用于星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型，实现微波遥感仪器的高精度图像定位配准。

如图1至图7所示，本发明一较佳实施例的静止轨道微波遥感仪器光路建模方法，包括如下步骤：

步骤1，将静止轨道微波遥感仪器中的独立光路组件划分为平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、旋转轴系和馈源共五种类型；根据独立组件的类型，定义与独立组件固连的平面反射面固连坐标系、旋转抛物面反射面固连坐标系、旋转双曲面反射面固连坐标系、旋转轴系固连坐标系和馈源固连坐标系。

定义各部件的固连坐标系如下：

馈源入口固连坐标系(下标a，坐标原点记为A)：原点A取为馈源入口几何中心，Za轴取为馈源入口外法向，Xa轴垂直Za指向馈源某特征方向，Ya由右手定则确定；

快扫镜一是平面反射面，快扫镜一固连坐标系(下标b，坐标原点记为B)：原点B取为快扫镜几何中心，Zb轴取为快扫镜正法向，Xb轴垂直Zb轴指向某特征方向，Yb轴由右手定则确定；

快扫镜而是平面反射面，快扫镜二固连坐标系(下标c，坐标原点记为C)：原点C取为快扫镜几何中心，Zc轴取为快扫镜二正法向，Xc轴垂直Zc轴指向某特征方向，Yc轴由右手定则确定；；

第二副反是平面反射面，第二副反固连坐标系(下标d，坐标原点记为D)：原点D取为第二副反几何中心，Zd轴取为第二副反正法向，Xd轴垂直Zd轴指向某特征方向，Yd轴由右手定则确定；

第一副反是旋转双曲面反射面，第一副反固连坐标系(下标e，坐标原点记为E)：原点E取为第一副反拐点，Ze轴取为与第一副反对称轴重合，指向外法向方向，Xe轴垂直Zd轴指向某特征方向，Ye轴由右手定则确定；；

主反是旋转抛物面反射面主反固连坐标系(下标f，坐标原点记为F)：原点F取为主反拐点，Zf轴取为与主反对称轴重合，指向主反外法向，Xf轴垂直Zf轴指向某特征方向，Yf轴由右手定则确定；

步骤2，定义平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面旋转变形参数和位移变形参数。

快扫镜一是平面反射面，标称快扫镜一固连坐标系按照XY转序旋转欧拉角θ_b，然后沿旋转后的固连坐标系Zb轴平移z_b，得到实际快扫镜一固连坐标系。则变形前快扫镜一固连坐标系到变形后快扫镜一固连坐标系的方向余弦矩阵

快扫镜二是平面反射面，标称快扫镜二固连坐标系按照XY转序旋转欧拉角θ_c，然后沿旋转后的固连坐标系Zc轴平移z_c，得到实际快扫镜二固连坐标系。则变形前快扫镜二固连坐标系到变形后快扫镜二固连坐标系的方向余弦矩阵

第二副反是平面反射面，标称第二副反固连坐标系按照XY转序旋转欧拉角θ_d，然后沿旋转后的固连坐标系Zd平移z_d，得到实际第二副反固连坐标系。则变形前第二副反射面固连坐标系到变形后第二副反射面固连坐标系的方向余弦矩阵

第一副反是旋转双曲面反射面，标称第一副反固连坐标系按照XY转序旋转欧拉角θ_e，然后沿旋转后的固连坐标系平移x_e,y_e,z_e，得到实际第一副反固连坐标系。则变形前第一副反射面固连坐标系到变形后第一副反射面固连坐标系的方向余弦矩阵

主反射面是旋转抛物面反射面，标称主反固连坐标系按照XY转序旋转欧拉角θ_f，然后沿旋转后的固连坐标系平移x_f,y_f,z_f，得到实际第一副反固连坐标系。则变形前主反射面固连坐标系到变形后主反射面固连坐标系的方向余弦矩阵

步骤3，定义从馈源出发的波束、视线矢量簇、出射视线状态向量集合。

所述从馈源出发的波束、视线矢量簇、视线状态向量集合，其特征在于，波束从馈源固连坐标系原点出发，呈圆锥状，圆锥顶点与馈源固连坐标系原点重合，圆锥中轴与馈源系外法向重合，圆锥面为馈源入口处波束方向图-3dB包络渐近线；视线矢量簇由波束中心视线矢量和等间隔的波束边界视线矢量组成；出射视线状态向量集合{X_{out_a}}是视线矢量簇对应的视线状态向量X_{out_a}的集合。

步骤4，从馈源出发，考虑光路部件旋转变形参数和位移变形参数,计算相邻光路部件之间的坐标系转换矩阵，应用坐标转换矩阵，将出射视线状态向量集合中的所有状态向量转换到光路中下一个反射面的固连坐标系下，作为该反射面的入射视线状态向量集合。根据该反射面的类型采用相应的状态转移矩阵，将入射视线状态向量集合中的所有状态向量分别代入状态转移方程，计算得到出射视线状态向量集合。循环此过程，直至获得仪器最外端指向探测目标的出射视线状态向量集合。

首先，通过坐标变换，将馈源出射视线状态向量集合{X_{out_a}}转换到b系下{X_{in_b}}＝{T_baX_{out_a}}，其中：

应用快扫镜一的状态转换矩阵M_b，计算快扫镜一的出射视线状态向量集合：

{X_{out_b}}＝{M_bX_{in_b}}

然后将X_{out_b}转化到快扫镜二固连坐标系下，得到快扫镜二的入射视线状态向量集合{X_{in_c}}＝{T_cbX_{in_c}}，其中：

应用快扫镜二的状态转移矩阵M_c，计算快扫镜二的出射视线状态向量集合：

{X_{out_c}}＝{M_cX_{in_c}}

将X_{out_c}转换到第二副反射面固连坐标系下，得到第二副反射面的入射视线状态向量集合{X_{in_d}}＝{T_dcX_{out_c}}，其中：

应用第二副反射面的状态转移矩阵M_d，计算第二副反射面的出射视线状态向量集合：

{X_{out_d}}＝{M_dX_{in_d}}

将X_{out_d}转换到第一副反射面固连坐标系下，得到第一副反射面固连坐标系的入射视线状态向量集合{X_{in_e}}＝{T_edX_{out_d}}，其中：

应用第一副反射面的状态转移矩阵M_e，计算第一副反射面的出射视线状态向量集合：

{X_{out_e}}＝{M_eX_{in_e}}

将X_{out_e}转换到主反射面固连坐标系下，得到主反射面固连坐标系的入射视线状态向量集合{X_{in_f}}＝{T_feX_{out_e}}，其中：

应用主反射面的状态转移矩阵M_f，计算主反射面的出射视线状态向量集合：

{X_{out_f}}＝{M_fX_{in_f}}

步骤5，根据获得仪器最外端指向探测目标的出射视线状态向量集合构建仪器最外端指向探测目标的视向量簇，并根据仪器最外端反射面的安装矩阵，将视向量簇转换到卫星本体坐标系下。

根据主反射面出射视线状态向量集合，构建主反射面固连坐标系下表示的视向量簇{V_f}＝{X_{out_f}(1:3)}。然后根据反射面安装矩阵R_fm，将视向量簇转换到卫星本体坐标系下

步骤6，根据卫星姿态信息、轨道信息和岁差、章动、格林尼治恒星时、极移等信息，将本体系下视向量簇转换到地心固连坐标系下。

首先根据卫星姿态信息，将仪器光路模型输出的本体系下视向量簇转换到轨道坐标系下。已知轨道系按ZXY转序分别旋转ψ,θ,角得到卫星本体系，则视向量簇{V}在轨道系的投影是：

其次根据卫星轨道信息，将轨道坐标系下的视向量簇转换到地心惯性坐标系下。已知卫星瞬时位置矢量在地心惯性坐标系的投影r_i(t)、瞬时速度矢量在地心惯性坐标系的投影v_i(t)。则卫星轨道坐标系Zo轴在地心惯性坐标系的投影是Z_io(t)＝r_i(t)/r(t)，卫星轨道坐标系Yo轴在地心惯性坐标系的投影是Y_io(t)＝Z_io(t)×v(t)/v(t)，卫星轨道坐标系Xo轴在地心惯性坐标系的投影是X_io(t)＝Y_io(t)×Z_io(t)。因此，卫星轨道坐标系到地心惯性坐标系的方向余弦矩阵是T_io＝[X_io(t)Y_io(t)Z_io(t)]。从而，得到视向量簇{V}在地心惯性坐标系下的投影：

{V_i}＝T_io{V_o}

最后根据岁差、章动、格林尼治恒星时、极移等信息，将地心惯性坐标系下的视向量簇、卫星位置矢量转换到地心固连坐标系下。

视向量簇：

{V_WGS}＝T_WGSi{V_i}＝T₄(t)T₃(t)T₂(t)T₁(t){V_i}

卫星位置矢量：

r_WGS＝T_WGSir_i＝T₄(t)T₃(t)T₂(t)T₁(t)r_i

其中，下标WGS表示地心固连坐标系，T₁(t)表示岁差修正矩阵、T₂(t)表示章动修正矩阵、T₃(t)表示格林尼治恒星时旋转矩阵、T₄(t)表示极移修正矩阵,T_WGSi表示地心惯性坐标系到地心固连坐标系的方向余弦矩阵。

步骤7，在地心固连坐标系下，计算视向量簇与以WGS-84地球参考椭球表示的地表的交点坐标。

以WGS-84地球参考椭球表示地表，WGS-84地球参考椭球方程是：

其中a是长轴、b是短轴。视向量簇与地表的交点{p_WGS}通过以下公式计算：

{p_WGS}＝r_WGS+{sV_WGS}

其中s表示卫星与交点的距离：

步骤8，计算交点的地理经纬度。

根据交点在地球固连坐标系的坐标，计算交点的地理经纬度如下：

综上所述，本发明的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，适用于含有旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、平面反射面以及旋转轴系等多种机构的微波遥感仪器；所建立的模型可以描述星载微波遥感仪器中光路从馈源到对地指向波束之间的传播关系；能够针对微波遥感仪器的特点，建立适用于星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型，实现微波遥感仪器的高精度图像定位配准。

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 (10)

1.一种星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，其特征在于，将微波遥感仪器的独立组件分为平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、和馈源共四类独立组件，采用视线状态向量表征微波波束视线，依据视线反射传输的路径顺序，先通过坐标转换矩阵实现视线状态向量在相邻反射面固连坐标系之间的转换，再通过反射面的状态方程对视线状态向量做变换，以描述光路的反射传输。

2.根据权利要求1所述的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，其特征在于，采用视线状态向量表征微波波束视线，所述视线状态向量，视线状态向量X是7维向量，由三维的视线落点坐标[x,y,z]^T、三维的视线方向单位矢量[u,v,w]^T和1构成：

X＝[x y z u v w 1]^T,其中，X为视线状态向量。

3.根据权利要求1所述的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，其特征在于，依据视线反射传输的路径顺序，通过坐标转换矩阵实现视线状态向量在相邻反射面固连坐标系之间的转换。

4.根据权利要求3所述的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，其特征在于，所述坐标转换矩阵，以a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵为例，视线状态向量X在a坐标系的投影X_a，左乘a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵，可得到在b坐标系的投影X_b：

X_b＝T_baX_a

A_b表示a坐标系原点在b坐标系的投影，所述a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵，是7×7阶矩阵，形式如下：

其中，X_a为左乘视线状态向量X在a坐标系的投影，A_b为a坐标系原点在b坐标系的投影，X_b为视线状态向量X在b坐标系的投影，R_ba表示a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵，T_ba坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵。

5.根据权利要求1所述的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，其特征在于，在坐标转换矩阵计算过程中，考虑光路组件的旋转变形参数和位移变形参数，以a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵计算为例，计算方向余弦矩阵时候需考虑a坐标系旋转变形参数θ_a,ψ_a、b坐标系旋转变形参数θ_b,ψ_b，计算a坐标系原点在b坐标系的投影时候需考虑a坐标系位移变形参数ΔA、b坐标系的位移变形参数ΔB，即具有如下形式：

所述表示标称状态下，a坐标系到b坐标系的方向余弦矩阵。

6.根据权利要求1所述的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，其特征在于，所述状态转移方程，在当前反射面固连坐标系下，当前反射面的出射视线状态向量X_out等于当前反射面的状态转移矩阵M左乘当前反射面的入射视线状态向量X_in：

X_out＝MX_in，

其中，X_out为当前为反射面的出射视线状态向量，X_out为当前反射面的状态转移矩阵，X_in为当前反射面的入射视线状态向量。

7.根据权利要求6所述的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，其特征在于，所述状态转移矩阵的表达式为：

其中n＝[n_x,n_y,n_z]^T是视线落点处的反射面外法向单位矢量在反射面固连坐标系的投影，k是入射视线单位方向矢量与出射视线落点坐标的耦合系数，表达式如下：

当反射面为平面z＝0时：

k＝-z_in/w_in

当反射面为旋转抛物面x²+y²+az＝0,a＜0时：

当反射面为旋转双曲面x²+y²+az²＝0,z≤0,a＜0时：

8.根据权利要求1所述的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，其特征在于，根据卫星姿态信息、轨道信息和岁差、章动、格林尼治恒星时和极移信息，将仪器指向探测目标的视向量簇，转换到地球固连坐标系下，求解视向量簇与地表交点的经纬度，视线波束足迹的地理定位。

9.根据权利要求8所述的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，其特征在于，忽略地形对地理定位的影响，以WGS-84地球参考椭球表示地球，以视向量簇与WGS-84地球参考椭球表面的交点表示波束足迹。

10.根据权利要求1所述的星载微波遥感仪器对地探测的严密成像几何模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将静止轨道微波遥感仪器中的独立光路组件划分为平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面和馈源共四种类型；根据独立组件的类型，定义与独立组件固连的平面反射面固连坐标系、旋转抛物面反射面固连坐标系、旋转双曲面反射面固连坐标系、旋转轴系固连坐标系和馈源固连坐标系；

所述平面反射面固连坐标系，坐标系原点取为反射面几何中心，z轴为平面正法向，x轴在平面内指向一特征方向，y轴由右手定则确定；

所述旋转抛物面反射面固连坐标系，坐标系原点为旋转抛物面反射面的拐点，z轴与旋转抛物面反射面对称轴重合指向旋转抛物面拐点正法向方向，x轴垂直z轴指向旋转抛物面反射面一特征方向，y轴由右手定则确定；

所述旋转双曲面反射面固连坐标系，坐标系原点为旋转双曲面反射面的拐点，z轴与旋转双曲面反射面的对称轴重合指向旋转双曲面反射面拐点正法向方向，x轴垂直z轴指向旋转双曲面反射面某特征方向，y轴由右手定则确定；

所述馈源固连坐标系，馈源固连坐标系原点取为馈源入口几何中心，z轴垂直馈源入口平面指向馈源外侧，x轴垂直z轴指向馈源入口平面一特征方向，y轴由右手定则确定；

步骤2，定义平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面的旋转变形参数和位移变形参数，

所述平面反射面的旋转变形参数和位移变形参数，包括平面反射面绕自身固连坐标系X轴的旋转角、绕Y轴的旋转角，和沿Z轴的位移，

所述旋转抛物面反射面的旋转变形参数和位移变形参数，包括旋转抛物面反射面绕自身固连坐标系X轴的旋转角、绕Y轴的旋转角，和沿X轴的位移、沿Y轴的位移、沿Z轴的位移，

所述旋转双曲面反射面的旋转变形参数和位移变形参数，包括旋转双曲面反射面绕自身固连坐标系X轴的旋转角、绕Y轴的旋转角，和沿X轴的位移、沿Y轴的位移、沿Z轴的位移，

步骤3，定义从馈源出发的波束、视线矢量簇、出射视线状态向量集合，所述从馈源出发的波束、视线矢量簇、视线状态向量集合，波束从馈源固连坐标系原点出发，呈圆锥状，圆锥顶点与馈源固连坐标系原点重合，圆锥中轴与馈源系外法向重合，圆锥面为馈源入口处波束方向图-3dB包络渐近线，视线矢量簇由波束中心视线矢量和等间隔的波束边界视线矢量组成；出射视线状态向量集合是视线矢量簇对应的视线状态向量的集合；

步骤4，从馈源出发，考虑光路部件旋转变形参数和位移变形参数计算相邻光路部件之间的坐标系转换矩阵，应用坐标转换矩阵，将出射视线状态向量集合中的所有状态向量转换到光路中下一个反射面的固连坐标系下，作为该反射面的入射视线状态向量集合，根据该反射面的类型采用相应的状态转移矩阵，将入射视线状态向量集合中的所有状态向量分别代入状态转移方程，计算得到出射视线状态向量集合，循环此过程，直至获得仪器最外端指向探测目标的出射视线状态向量集合；

步骤5，根据获得仪器最外端指向探测目标的出射视线状态向量集合构建仪器最外端指向探测目标的视向量簇，并根据仪器最外端反射面的安装矩阵将视向量簇转换到卫星本体坐标系下；

步骤6，根据卫星姿态信息、轨道信息和岁差、章动、格林尼治恒星时、极移信息，将仪器光路模型输出的本体系下视向量簇转换到地心固连坐标系下；

步骤7，在地心固连坐标系下，计算视向量簇与以WGS-84地球参考椭球表示的地表的交点坐标；

步骤8，计算交点的地理经纬度。