CN109884675A - 星载微波遥感仪器波束足迹的地理定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种地理定位方法技术领域的星载微波遥感仪器波束足迹的地理定位方法，包括以下步骤：步骤1，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；步骤2，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；步骤3，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；步骤4，计算视向量簇与地表的交点坐标；步骤5，计算交点的经纬度。本发明所提出的方法适用于求解星载微波遥感仪器波束地面足迹，实现星载微波遥感图像的地理定位。

Description

星载微波遥感仪器波束足迹的地理定位方法
技术领域
本发明涉及地理定位方法技术领域，具体涉及一种星载微波遥感仪器波束足迹的地理定位方法。
背景技术
像素点的地理定位是影响卫星遥感图像产品质量的关键指标，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位的定量应用有着重要作用，如对区域复杂情况的精确定位，准确跟踪恶劣天气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。只有提高了图像定位精度，才能真正发挥高分辨率卫星图像的作用。
造成地理定位误差的因素有很多，例如遥感仪器安装偏差、遥感仪器扫描角误差和仪器的系统误差等，这些误差不随时间变化，可以通过地面处理减小或消除。而卫星平台姿态指向、轨道定点位置和热环境、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可由星上姿态敏感器精确测量；轨道位置变化可由地面站测定。将测定的姿态和轨道位置代入仪器视线地理定位模型，补偿姿态轨道误差对视线地理定位的影响，提高遥感图像产品精度。对于微波遥感卫星的遥感图像，同样需要准确的地理定位。微波遥感仪器视线即微波主波束中心指向，像素点的地理位置即波束足迹，取决于波束中心与地面的交点。微波遥感图像地理定位的目的，就是准确求解波束中心与地面的交点。综上，星载微波遥感仪器具有一定特殊性。仪器波束足迹的地理定位是实现星载微波遥感图像的高精度地理定位的关键技术。
经对现有技术的检索，关敏、谷松岩、杨忠东在《遥感技术与应用》2018年第6期的文章《风云三号微波湿度计遥感图像地理定位方法》根据微波湿度计观测几何、卫星轨道和姿态、仪器安装和扫描运动建立了观测矢量与地理定位之间关系的模型，给出了适用于风云三号微波湿度计遥感图像地理定位的方法。但该方法没考虑仪器自身内部光路模型，不适用于星载微波遥感仪器。
唐飞、董慧杰等在《遥感学报》2016年第6期的文章《FY-3B微波成像仪资料的地理定位误差与订正》，以FY-3B卫星微波成像仪为研究对象，提出了一种基于海、陆响应的升降轨亮温理论(NDM)估计卫星姿态偏差，进而修正遥感图像地理定位误差的方法。但该方法只能修正姿态误差，不能对处理轨道、仪器安装和变形误差带来的影响。
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，有必要设计一种适用于求解星载微波遥感仪器波束地面足迹，实现星载微波遥感图像的地理定位的星载微波遥感仪器波束足迹的地理定位方法。
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波束足迹的地理定位方法，本发明适用于求解星载微波遥感仪器波束地面足迹，实现星载微波遥感图像的地理定位。
本发明涉及一种星载微波遥感仪器波束足迹地理定位方法，用视向量簇表征仪器指向探测目标的微波波束，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，所述仪器指向探测目标的视向量簇是从馈源出射波束-3dB包络渐近面上等间隔的波束边界视线矢量和波束中心视向量，经天线各反射面反射作用后，从主反射面出射的视线单位向量的集合，视向量簇由仪器光路模型输出得到。
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波束足迹地理定位方法，包括以下步骤：
步骤1，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；
步骤2，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；
步骤3，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；
步骤4，到地心固连坐标系下，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5，计算交点的经纬度。
进一步地，所述步骤1具体为：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：
进一步地，所述步骤2具体为：
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ri(t)、瞬时速度矢量在地心惯性坐标系的投影vi(t)，
卫星轨道坐标系Zo轴在地心惯性坐标系的投影是Zio(t)＝ri(t)/r(t)，
卫星轨道坐标系Yo轴在地心惯性坐标系的投影是Yio(t)＝Zio(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Xio(t)＝Yio(t)×Zio(t)，
卫星轨道坐标系到地心惯性坐标系的方向余弦矩阵是Tio＝[Xio(t) Yio(t) Zio(t)]，
得到视向量簇{V}在地心惯性坐标系下的投影：
{Vi}＝Tio{Vo}。
进一步地，所述步骤3具体为：
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：{Vf}＝Tfi{Vi}＝T4(t)T3(t)T2(t)T1(t){Vi}
卫星位置矢量：rf＝Tfiri＝T4(t)T3(t)T2(t)T1(t)ri
其中，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。
进一步地，所述步骤4具体为：
到地心固连坐标系下，计算视向量簇与地表的交点坐标，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{pf}通过以下公式计算：{pf}＝rf+{sVf}，其中s表示卫星与交点的距离：
进一步地，所述步骤5具体为：计算交点的经纬度，根据交点在地球固连坐标系的坐标，计算交点的经纬度如下：
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波束足迹的地理定位方法，本发明所建立的光路模型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组件的星载微波遥感仪器，用于求解星载微波遥感仪器波束地面足迹，实现星载微波遥感图像的地理定位；
2、本发明的星载微波遥感仪器波束足迹的地理定位方法，适用于求解星载微波遥感仪器波束地面足迹，能够实现星载微波遥感图像的地理定位；
3、本发明的星载微波遥感仪器波束足迹的地理定位方法，能够直接反映了遥感图像信息与目标之间的空间对应关系，该定位方法简单，工作可靠，定位准确，定位效果好，应用广泛。
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为本发明星载微波遥感仪器波束足迹地理定位方法的流程图；
图2为本发明的馈源和馈源出射波束示意图；
图3为某静止轨道微波遥感仪器内部光路示意图；
图4为相关坐标系示意图；
图5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6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波束足迹地理定位方法，用视向量簇表征仪器指向探测目标的微波波束，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。
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波束足迹的地理定位方法，本发明适用于求解星载微波遥感仪器波束地面足迹，实现星载微波遥感图像的地理定位。
如图1至图6所示，本发明一较佳实施例的星载微波遥感仪器光路建模方法，包括以下步骤：
步骤1，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：
步骤2，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ri(t)、瞬时速度矢量在地心惯性坐标系的投影vi(t)。
则卫星轨道坐标系Zo轴在地心惯性坐标系的投影是Zio(t)＝ri(t)/r(t)，
卫星轨道坐标系Yo轴在地心惯性坐标系的投影是Yio(t)＝Zio(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Xio(t)＝Yio(t)×Zio(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Tio＝[Xio(t) Yio(t)Zio(t)]。
从而，得到视向量簇{V}在地心惯性坐标系下的投影：
{Vi}＝Tio{Vo}
步骤3，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：
{Vf}＝Tfi{Vi}＝T4(t)T3(t)T2(t)T1(t){Vi}
卫星位置矢量：
rf＝Tfiri＝T4(t)T3(t)T2(t)T1(t)ri
其中，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。
步骤4，到地心固连坐标系下，计算视向量簇与地表的交点坐标。
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{pf}通过以下公式计算：
{pf}＝rf+{sVf}
其中s表示卫星与交点的距离：
步骤5，计算交点的经纬度。
根据交点在地球固连坐标系的坐标，计算交点的经纬度如下：
综上所述，本发明所建立的光路模型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组件的星载微波遥感仪器，用于求解星载微波遥感仪器波束地面足迹，实现星载微波遥感图像的地理定位；适用于求解星载微波遥感仪器波束地面足迹，能够实现星载微波遥感图像的地理定位；能够直接反映了遥感图像信息与目标之间的空间对应关系，该定位方法简单，工作可靠，定位准确，定位效果好，应用广泛。
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 (9)

1.一种星载微波遥感仪器波束足迹地理定位方法，其特征在于，用视向量簇表征仪器指向探测目标的微波波束，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。
2.根据权利要求1所述的星载微波遥感仪器波束足迹地理定位方法，其特征在于，所述仪器指向探测目标的视向量簇是从馈源出射波束-3dB包络渐近面上等间隔的波束边界视线矢量和波束中心视向量，经天线各反射面反射作用后，从主反射面出射的视线单位向量的集合，视向量簇由仪器光路模型输出得到。
3.根据权利要求2所述的星载微波遥感仪器波束足迹地理定位方法，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。
4.根据权利要求1所述的星载微波遥感仪器波束足迹地理定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，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；
步骤2，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；
步骤3，根据岁差、章动、格林尼治恒星时、极移信息，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；
步骤4，到地心固连坐标系下，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5，计算交点的经纬度。
5.根据权利要求4所述的星载微波遥感仪器波束足迹地理定位方法，其特征在于，所述步骤1具体为：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：
6.根据权利要求5所述的星载微波遥感仪器波束足迹地理定位方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
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ri(t)、瞬时速度矢量在地心惯性坐标系的投影vi(t)，
卫星轨道坐标系Zo轴在地心惯性坐标系的投影是Zio(t)＝ri(t)/r(t)，
卫星轨道坐标系Yo轴在地心惯性坐标系的投影是Yio(t)＝Zio(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Xio(t)＝Yio(t)×Zio(t)，
卫星轨道坐标系到地心惯性坐标系的方向余弦矩阵是Tio＝[Xio(t) Yio(t) Zio(t)]，
得到视向量簇{V}在地心惯性坐标系下的投影：
{Vi}＝Tio{Vo}。
7.根据权利要求4所述的星载微波遥感仪器波束足迹地理定位方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
根据岁差、章动、格林尼治恒星时、极移信息，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：{Vf}＝Tfi{Vi}＝T4(t)T3(t)T2(t)T1(t){Vi}
卫星位置矢量：rf＝Tfiri＝T4(t)T3(t)T2(t)T1(t)ri
其中，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。
8.根据权利要求7所述的星载微波遥感仪器波束足迹地理定位方法，其特征在于，所述步骤4具体为：
到地心固连坐标系下，计算视向量簇与地表的交点坐标，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{pf}通过以下公式计算：{pf}＝rf+{sVf}，其中s表示卫星与交点的距离：
9.根据权利要求4所述的星载微波遥感仪器波束足迹地理定位方法，其特征在于，所述步骤5具体为：计算交点的经纬度，根据交点在地球固连坐标系的坐标，计算交点的经纬度如下：
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