CN110030978A - 一种全链路光学卫星几何成像模型构建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全链路光学卫星几何成像模型构建方法及系统，包括确定成像探元与观测地物点之间的相对运动关系，基于成像像点相对于观测地表的相对运动速度，构建卫星影像光线指向的光行差误差修正模型；基于大气分层方式，计算出多层大气折光引起的几何定位误差，得到大气折光误差修正后探元光线实际的侧视角，基于更新成像光线在卫星轨道坐标系下的侧摆角与俯仰角，构建卫星影像光线指向的大气折光误差修正模型；根据光行差误差修正模型和大气折光误差修正模型，对传统几何模型进行精细化处理，构建顾及大气折光与光行差修正的精细几何成像模型。本发明提供的模型可以更加精密的反映高分辨率光学遥感卫星影像像点坐标与地面点坐标的映射关系。

Description

一种全链路光学卫星几何成像模型构建方法及系统

技术领域

本发明属于航空航天摄影侧影测量领域，针对高分辨率光学遥感卫星，涉及一种全链路光学卫星几何成像模型构建方法及系统。

背景技术

目前传统的卫星几何成像模型与几何定标模型均基于理想的共线方程构建，即影像像点、成像地物点与投影中心满足三点共线原理。随着卫星机动成像能力的增强，越来越多的卫星具有敏捷成像能力。敏捷光学卫星成像具有大角度、多角度的特点，即具有偏离星下点±40～50度的大角度成像能力和对于同一敏感地区进行多轨或者同轨多角度持续成像能力。由于成像角度的增加与变化，成像光线在传播过程中受到的环境因素的影响也在增加与变化，相较于传统的三点共线成像原理，最主要的是受到大气折射与光行差的影响增加。由于卫星平台与成像地物点存在高速相对运动关系，随着成像角度的变化，成像光线会引入的光行差误差也在变化；同时由于成像光线需要穿过大气层，随着成像角度的变化，成像光线会引入的大气折射误差也在变化。由于传统推扫式测绘卫星的成像角度单一，普遍为稳定推扫成像，大气折射与光行差的影响可以近似看作为系统误差而被统一补偿，因此这些误差在传统的卫星几何成像模型与几何定标模型中均未被考虑进去。但是随着卫星敏捷成像能力的增加，大气折射与光行差误差对于多景影像的非系统性增强，随着卫星分辨率和幅宽的增加，大气折射与光行差误差对于单景影像内部的非系统也在增加。同时，随着卫星定姿精度的不断提高，成像模型的误差将逐渐成为卫星影像无控几何定位误差的重要组成，因此，要想进一步提高光学遥感卫星的无控几何定位精度，这些误差均需要被严格建模与补偿。

相关专利“CN201710672732-顾及光行差改正的卫星光学严格几何成像模型构建方法”与“CN201710672752-顾及大气折光校正的高轨面阵光学卫星在轨几何标定方法”均单纯针对光行差和大气折光进行整景卫星影像的系统性改正，而忽视了单景影像内部各像素受到的光行差与大气折光误差大小与方向也不同的事实，因此建模精度十分有限。相关文献“Greslou,D.,Lussy,F.D.,Montel,J.LIGHT ABERRATION EFFECT IN HR GEOMETRICMODEL[J].The International Archives of the Photogrammetry,Remote Sensing andSpatial Information Sciences,2008.”对光行差误差进行了光线矢量的修正，文献“Yan,M.,et al.Atmosphere Refraction Effects in Object Locating for OpticalSatellite Remote Sensing Images[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2015,44(9):995-1002.”对大气折光引起的几何定位偏差量进行了求解，但是两者均没有对成像几何模型进行精化和改正，且仅针对其中一种误差进行。因此两文献的应用范围仅限于误差分析，并没有实现顾及大气折光与光行差修正的光学卫星几何成像模型的构建，未能提供解决问题的有效技术方案。

发明内容

本发明所要解决的问题是，构建一种全链路光学卫星几何成像模型构建方法及系统，可以有效提高传统几何成像模型的精度。

本发明的技术方案提供一种全链路光学卫星几何成像模型构建方法，包括以下步骤：

步骤1，确定成像探元与观测地物点之间的相对运动关系，基于成像像点相对于观测地表的相对运动速度，构建卫星影像光线指向的光行差误差修正模型；

步骤2，基于大气分层方式，计算出多层大气折光引起的几何定位误差，得到大气折光误差修正后探元光线实际的侧视角，基于更新成像光线在卫星轨道坐标系下的侧摆角与俯仰角，构建卫星影像光线指向的大气折光误差修正模型；

步骤3，根据步骤1构建的光行差误差修正模型和步骤2构建的大气折光误差修正模型，对传统几何模型进行精细化处理，构建顾及大气折光与光行差修正的精细几何成像模型。

而且，步骤1中，在卫星轨道坐标系基准下，成像像点P相对于观测地表的相对运动速度表示为：

其中，V_x表示沿轨相对速度，V_y表示垂轨相对速度，V_地球为地球自转速度，V_卫星为卫星飞行速度，ω_地球表示地球自转角速度，ω_卫星表示卫星绕行角速度，h表示卫星的轨道高度，i表示轨道倾角，β表示观测地物点的纬度，R表示地球的平均半径。

而且，步骤1中，构建卫星影像光线指向的光行差误差修正模型如下，

其中，俯仰角ψ_y、侧摆角ψ_x是入射光线在卫星轨道坐标系下的俯仰角与侧摆角，c表示光速，为入射光线在卫星轨道坐标系中的速度分量，为对进行光行差修正后的入射光线速度分量。

而且，步骤1中，构建卫星影像光线指向的大气折光误差修正模型如下，

设某一探元光线的侧视角α由探元光线在轨道坐标系下的俯仰角ψ_y、侧摆角ψ_x表示，大气折光误差修正后，获取探元光线实际的侧视角为χ，其在轨道坐标系下具有新的俯仰角侧摆角则

其中，FUN_n()表示大气折光侧视角修正函数。

而且，步骤1中，构建卫星影像光线指向的大气折光误差修正模型如下，

其中,

其中，V_{xorbit_aberration}、V_{yorbit_aberration}、V_{zorbit_aberration}表示光行差修正后，入射光线在轨道坐标系下的速度单位分量，表示光行差修正后，入射光线在轨道坐标系下的指向向量，V_{xorbit_aberration_refraction}、V_{yorbit_aberration_refraction}、V_{zorbit_aberration_refraction}表示光行差和大气折光修正后，入射光线在轨道坐标系下的速度单位分量，表示光行差和大气折光修正后，入射光线在轨道坐标系下的指向向量；

表示物方点WGS84坐标系下的物方坐标，[X_S Y_S Z_S]^T表示摄影中心在WGS84坐标系下的物方坐标，表示卫星本体坐标系到相机坐标系的安装矩阵，表示J2000坐标系到卫星本体坐标系的姿态矩阵，表示WGS84坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，λ表示归一化系数。

而且，用于恢复光线从地物点到影像像点的传播路径。

本发明还提供一种全链路光学卫星几何成像模型构建系统，用于执行上述全链路光学卫星几何成像模型构建方法。

本发明基于高分辨率光学遥感卫星实际在轨的相机参数文件与姿态轨道行时等辅助数据文件，根据观测地点大气折射率进行光行差与大气折光误差的修正，构建了顾及大气折光与光行差修正的精细几何成像模型，该模型较传统几何成像模型具有更高的精度，可以更加精密的反映高分辨率光学遥感卫星影像像点坐标与地面点坐标的映射关系。和现有技术中相关专利相比，本发明可以构建单景影像各个像素的光行差与大气折光误差修正模型，因此建模精度更高，不仅可以提高影像的无控绝对定位精度还可以提高影像的内部相对定位精度。

附图说明

图1为本发明实施例的轨道坐标系定义及光线矢量光行差修正方法示意图。

图2为本发明实施例的大气折光原理示意图。

图3为本发明实施例的轨道坐标系下光线侧视角与俯仰角、侧摆角的关系示意图。

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。

具体实施时，本发明技术方案可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程。本发明实施例提供的一种全链路光学卫星几何成像模型构建方法，能够针对从观测相机到地面目标的全链路，提供高精度地顾及大气折光与光行差修正的光学卫星几何成像模型，包括以下步骤：

步骤1，确定成像探元与观测地物点之间的相对运动关系，基于成像像点相对于观测地表的相对运动速度，构建卫星影像光线指向的光行差误差修正模型。

为了确定卫星对地观测系统中的光行差误差，其关键在于确定成像探元与观测地物点之间的相对运动关系。

以卫星轨道坐标系为观测基准(如图1所示)，其中，X₀、Y₀、Z₀表示卫星轨道坐标系的三轴，沿着飞行方向为沿轨X₀方向，垂直飞行方向为垂轨Y₀方向。分析可知成像探元与观测地物点之间的相对运动主要包括地球自转、卫星的绕地飞行运动和成像探元相对于轨道坐标系的相对机动运动(该项相对运动由于量级极小可忽略不计)。

因此，本发明提出，在卫星轨道坐标系基准下，成像像点P相对于观测地表的相对运动速度可以表示为：

其中，V_x表示沿轨相对速度，V_y表示垂轨相对速度，C为地球中心，B为卫星中心，P为焦平面上的入射光线所在的像点位置。V_地球为地球自转速度，V_卫星为卫星飞行速度，ω_地球表示地球自转角速度，ω_卫星表示卫星绕行角速度，h表示卫星的轨道高度，i表示轨道倾角，β表示观测地物点的纬度，对于低轨卫星而言，该值可以近似用星下点纬度代替，因此当β＝0°时，表示卫星处于赤道上空位置，对于静止轨道卫星而言，该值则应严格为地物点的纬度，R表示地球的平均半径。

假设为卫星坐标系统中的入射光线速度分量，为地球坐标系统中的入射光线速度分量，因此角δ表示入射光线在移动坐标系S与固定坐标系E中的观测偏差。

如图1所示，俯仰角pitch＝ψ_y、侧摆角roll＝ψ_x并不是卫星的俯仰角与侧摆角，而是入射光线在卫星轨道坐标系下的俯仰角与侧摆角，c表示光速，则入射光线在卫星轨道坐标系中的速度分量表示为：

为对进行光行差修正后的入射光线速度分量，如下：

虽然但是这并不会影响对于与之间的偏差角δ的估计，从而不会影响光线的光行差修正。

和表示相机坐标系下光线沿CCD方向与垂直CCD方向的指向角；表示相机坐标系到卫星本体坐标系的安装矩阵，其中α,β,γ表示相机的安装角，表示卫星本体坐标系到轨道坐标系的转换矩阵，公式(3)中入射光线在卫星轨道坐标系下的矢量可以表示为：

由于卫星与观测地物相对运动在卫星轨道坐标系下进行描述，从而光线矢量的光行差修正同样在卫星轨道坐标系下进行，因此，卫星轨道坐标系是卫星对地成像系统中光行差建模与修正的参考坐标系统。

步骤2，基于大气分层方式，计算出多层大气折光引起的几何定位误差，得到大气折光误差修正后探元光线实际的侧视角，基于更新成像光线在卫星轨道坐标系下的侧摆角与俯仰角，构建卫星影像光线指向的大气折光误差修正模型。

为了简化大气折射问题，首先假设大气层为均匀的单层球形大气，如图2所示，则CCD上某一探元p以侧视角α(由卫星侧摆角ψ_x或者俯仰角ψ_y造成的成像光线偏离星下点光线的角度)的光线向地面点Q发射，该光线与大气层顶端相交于Q₀，经过大气折射后与地面点Q₁相交，则Q与Q₁的地表距离为大气折射引起的几何定位误差，χ表示大气折光误差修正后实际成像地物点Q₁与投影中心S的实际侧视角。其中，卫星高度为H，地球平均半径为R，大气层厚度为h，大气折射系数为n，卫星相机焦距为f，O为地球地心，p₁为大气折光改正后的像方坐标，S₀为星下点。

如图3所示，某一探元光线的侧视角α可由探元光线在轨道坐标系下的俯仰角ψ_y、侧摆角ψ_x表示：

探元光线与大气层顶端的入射角β可以表示为：

由于大气层外为真空环境，则其折射系数为1，根据折射定律，可以计算探元光线的折射角γ为：

当不存在大气折光影响时，设探元光线与地球椭球相交的入射角为θ、θ₀、θ₁表示地心张角，θ＝∠QOS₀，θ₀＝∠Q₀OS₀，θ₁＝∠Q₁OQ₀，则：

θ₀＝β-α (9)

本发明提出，由此可得大气折光引起的地心张角误差为Δθ＝θ-θ₀-θ₁，对应的弧长为 即为单层大气折射引起的几何定位偏差。

当大气分层为i层时，i为大于等于1的正整数，可利用循环迭代计算出每层大气折射引起的地球张角的偏差θ_i，则综合的大气折射偏差引起的地心张角误差为：

Δθ＝θ-θ₀-θ₁-…θ_i (11)

最终根据综合的地心张角误差可计算多层大气折光引起的几何定位误差，如图3所示，O为卫星星下点，G为成像地物点，则大气折光引起的几何定位误差方向为

同时设变量δθ＝θ₀+θ₁+…θ_i，则：

可得：

则，在共线方程条件下，大气折光误差修正后，探元光线实际的侧视角为χ，其在轨道坐标系下具有新的俯仰角侧摆角为：

其中，FUN_n()表示大气折光侧视角修正函数，大气折光的修正基准也是卫星轨道坐标系，通过更新成像光线在卫星轨道坐标系下的侧摆角与俯仰角可以实现对于大气折光误差的精确修正。

步骤3，根据公式(3)构建的光行差误差修正模型和公式(14)构建的大气折光误差修正模型，对传统几何模型进行精细化处理，构建顾及大气折光与光行差修正的精细几何成像模型。

高分辨率光学遥感卫星传统的几何成像模型默认每个探元都满足中心投影共线方程，即影像像点、地面物方点与相机摄影中心满足三点共线关系。传统几何成像即定标模型可表述如下：

其中：

其中，和表示相机坐标系下光线沿CCD方向与垂直CCD方向的指向角；s表示每个CCD上探元的编号；a₀,a₁,L,a_m和b₀,b₁,L,b_m表示对应CCD的内定标参数，m表示采用的多项式模型的最高次数；表示物方点WGS84坐标系下的物方坐标；[X_S Y_S Z_S]^T表示摄影中心在WGS84坐标系下的物方坐标，其可以从离散的轨道星历观测中插值获得；表示卫星本体坐标系到相机坐标系的安装矩阵，其中α,β,γ表示相机的安装角；表示J2000坐标系到卫星本体坐标系的姿态矩阵，其可以从离散的姿态观测数据中插值获得；表示WGS84坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，λ表示归一化系数。

本发明提出，由于大气折光和光行差的影响，影像像点、地面物方点与相机摄影中心三点共线的条件被破坏，因此需要对其进行补偿，因此构建了顾及大气折光与光行差修正的几何成像模型如下：

其中：

其中，V_{xorbit_aberration}、V_{yorbit_aberration}、V_{zorbit_aberration}表示光行差修正后，入射光线在轨道坐标系下的速度单位分量，表示光行差修正后，入射光线在轨道坐标系下的指向向量，V_{xorbit_aberration_refraction}、V_{yorbit_aberration_refraction}、V_{zorbit_aberration_refraction}表示光行差和大气折光修正后，入射光线在轨道坐标系下的速度单位分量，表示光行差和大气折光修正后，入射光线在轨道坐标系下的指向向量。

参考公式(3)和公式(4)，公式(19)进行了探元光线的光行差改正，其中||||表示取单位向量操作；参考公式(14)，公式(18)进行了探元光线的大气折光改正。因此，通过公式(17)可以更加高精度的恢复光线从地物点到影像像点的传播路径，用于实现高精度的遥感影像数据处理，可提高遥感影像的无控几何定位精度和景内相对几何定位精度，公式(17)即为构建的顾及大气折光与光行差修正的高分辨率光学遥感卫星精细几何成像模型。

具体实施时，可采用软件技术实现以上流程的自动运行，也可以采用模块化方式提供相应装置。例如一种全链路光学卫星几何成像模型构建装置，包括以下模块：

第一模块，用于确定成像探元与观测地物点之间的相对运动关系，基于成像像点相对于观测地表的相对运动速度，构建卫星影像光线指向的光行差误差修正模型；

第二模块，用于基于大气分层方式，计算出多层大气折光引起的几何定位误差，得到大气折光误差修正后探元光线实际的侧视角，基于更新成像光线在卫星轨道坐标系下的侧摆角与俯仰角，构建卫星影像光线指向的大气折光误差修正模型；

第三模块，用于根据第一模块构建的光行差误差修正模型和第二模块构建的大气折光误差修正模型，对传统几何模型进行精细化处理，构建顾及大气折光与光行差修正的精细几何成像模型。

各模块实现参见相应步骤说明，本发明不予赘述。

实施本发明技术方案的硬件系统装置也应当在本发明的保护范围内。

本发明构建的几何成像模型可以实现对于光学遥感卫星影像各个像素的光行差与大气折光误差的修正，建模精度更高，不仅可以提高影像的无控绝对定位精度还可以提高影像的内部相对定位精度，对于静止轨道卫星和低轨卫星具有同样的适用性。

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 (7)

1.一种全链路光学卫星几何成像模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定成像探元与观测地物点之间的相对运动关系，基于成像像点相对于观测地表的相对运动速度，构建卫星影像光线指向的光行差误差修正模型；

步骤2，基于大气分层方式，计算出多层大气折光引起的几何定位误差，得到大气折光误差修正后探元光线实际的侧视角，基于更新成像光线在卫星轨道坐标系下的侧摆角与俯仰角，构建卫星影像光线指向的大气折光误差修正模型；

步骤3，根据步骤1构建的光行差误差修正模型和步骤2构建的大气折光误差修正模型，对传统几何模型进行精细化处理，构建顾及大气折光与光行差修正的精细几何成像模型。

2.如权利要求1所述全链路光学卫星几何成像模型构建方法，其特征在于：步骤1中，在卫星轨道坐标系基准下，成像像点P相对于观测地表的相对运动速度表示为：

其中，V_x表示沿轨相对速度，V_y表示垂轨相对速度，V_地球为地球自转速度，V_卫星为卫星飞行速度，ω_地球表示地球自转角速度，ω_卫星表示卫星绕行角速度，h表示卫星的轨道高度，i表示轨道倾角，β表示观测地物点的纬度，R表示地球的平均半径。

3.如权利要求2所述全链路光学卫星几何成像模型构建方法，其特征在于：步骤1中，构建卫星影像光线指向的光行差误差修正模型如下，

其中，俯仰角ψ_y、侧摆角ψ_x是入射光线在卫星轨道坐标系下的俯仰角与侧摆角，c表示光速，为入射光线在卫星轨道坐标系中的速度分量，为对进行光行差修正后的入射光线速度分量。

4.如权利要求3所述全链路光学卫星几何成像模型构建方法，其特征在于：步骤1中，构建卫星影像光线指向的大气折光误差修正模型如下，

设某一探元光线的侧视角α由探元光线在轨道坐标系下的俯仰角ψ_y、侧摆角ψ_x表示，大气折光误差修正后，获取探元光线实际的侧视角为χ，其在轨道坐标系下具有新的俯仰角侧摆角则

其中，FUN_n()表示大气折光侧视角修正函数。

5.如权利要求4所述全链路光学卫星几何成像模型构建方法，其特征在于：步骤1中，构建卫星影像光线指向的大气折光误差修正模型如下，

其中,

其中，V_{xorbit_aberration}、V_{yorbit_aberration}、V_{zorbit_aberration}表示光行差修正后，入射光线在轨道坐标系下的速度单位分量，表示光行差修正后，入射光线在轨道坐标系下的指向向量，V_{xorbit_aberration_refraction}、V_{yorbit_aberration_refraction}、V_{zorbit_aberration_refraction}表示光行差和大气折光修正后，入射光线在轨道坐标系下的速度单位分量，表示光行差和大气折光修正后，入射光线在轨道坐标系下的指向向量；

表示物方点WGS84坐标系下的物方坐标，[X_S Y_S Z_S]^T表示摄影中心在WGS84坐标系下的物方坐标，表示卫星本体坐标系到相机坐标系的安装矩阵，表示J2000坐标系到卫星本体坐标系的姿态矩阵，表示WGS84坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，λ表示归一化系数。

6.如权利要求1或2或3或4或5所述全链路光学卫星几何成像模型构建方法，其特征在于：用于恢复光线从地物点到影像像点的传播路径。

7.一种全链路光学卫星几何成像模型构建系统，其特征在于：用于执行权利要求1-6所述全链路光学卫星几何成像模型构建方法。