CN110046430B - 基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位方法 - Google Patents

基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位方法，包括建立全球任意点的高度与大气折射指数之间的对应关系；根据光线初始点，确定入射光线矢量到下一分层的参考椭球面的交点，确定下一分层上的折射光线矢量；通过对大气精细分层逐渐降低定位点的高度，迭代解算光线与参考椭球面的交点，直到与真实地形表面相交，得到基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位点。本发明提出对大气折射的处理，使得地面点坐标更加精确，并且提出通过计算折射点处参考椭球面的法向量实现准确提取大气折射影响下的分层折射光线矢量，利用大气精细分层、逐渐迭代解算的方式实现，因此实施简便，定位精度高。

Description

基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位方法
技术领域
本发明属于光学卫星影像技术领域，包括一种基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位方法。
背景技术
现有的光学卫星直接对地定位模型大多数采用共线方程模型，没有考虑大气折射的影响[1]；有的虽然考虑了大气折射的影响，但是基于圆地球模型而不是椭球模型，或者仅仅计算了大气折射造成的地心张角，并且大气分层也非常粗糙、不符合实际[2，3]。本发明提出的基于椭球分层大气折射的定位模型克服了以上不足，可以用于光学卫星影像精确对地定位。
参考文献：
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[3]田原.敏捷光学卫星全球无地面控制高精度对地定位方法研究[D].武汉大学.2018
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明提供一种基于椭球分层大气折射的新的光学卫星影像精确对地定位方法。
本发明技术方案提供一种基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位方法，包括以下步骤，
步骤1，建立全球任意点的高度与大气折射指数之间的对应关系；
步骤2，根据光线初始点，确定入射光线矢量到下一分层的参考椭球面的交点，实现方式如下，
设成像时刻卫星位置(L0,B0)，其中L0为地理经度，B0为地理纬度，入射光线矢量为P0，光线所在初始高度为卫星高度H0，点(L0,B0,H0)处大气折射指数N0通过步骤1所得高度与大气折射指数之间的对应关系内插得到；
设大气分层厚度为δH，计算入射光线矢量P0与高度为H1＝H0-δH的参考椭球面的交点(L1,B1)，得到计算经过点(L0,B0,H0)的光线矢量P0与高为H1的椭球面相交的点的坐标(L1,B1,H1)；
步骤3，确定下一分层上的折射光线矢量，实现方式如下，
点(L1,B1,H1)对应的大气折射指数N1通过步骤1所得高度与大气折射指数之间的对应关系内插得到；
根据折射定律得到N0×sin(a0)＝N1×sin(a1)，其中a0和a1分别是高度H1处两个大气层的光线入射角和折射角；
设折射点(L1,B1,H1)处参考椭球面的法向量为Q0，记折射光线矢量为P1，由P1与Q0夹角为a1，以及P1与P0夹角为a0-a1，实现光线矢量从P0到P1的折射方向的改变，计算得到折射光线矢量P1；
步骤4，通过对大气精细分层逐渐降低定位点的高度，迭代解算光线与参考椭球面的交点，直到与真实地形表面相交，得到基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位点。
而且，步骤1中，大气折射指数是基于多层大气物理量计算得到。
而且，步骤2中，计算入射光线矢量P0与高度为H1＝H0-δH的参考椭球面的交点(L1,B1)，基于共线方程模型实现。
或者，步骤2中，计算入射光线矢量P0与高度为H1＝H0-δH的参考椭球面的交点(L1,B1)，基于考虑光行差的几何成像模型实现。
而且，步骤3中，计算得到折射光线矢量P1的实现方式如下，
1)假设参考椭球面方程为，
(X2+Y2)/A2+Z2/B2＝1
A＝Ra+H1，B＝Rb+H1，
式中，Ra、Rb分别为参考椭球的长半轴和短半轴，A、B为椭球面的长半轴和短半轴，H1为发生折射处的高度，(X,Y,Z)为椭球面上的点的地心直角坐标；
根据曲面方程偏导数，得到该点(L1,B1,H1)处曲面法向量Q0＝[X0B2,Y0B2,Z0A2]，其中坐标(X0,Y0,Z0)为该点处的地心直角坐标，由地理坐标(L1,B1,H1)计算得到；
2)计算入射光线P0与法向量Q0夹角a0＝acos(P0.*Q0)/|P0|/|Q0|，式中.*表示点积；
折射角a1＝asin(N0×sin(a0)/N1)；
其中，|P0|为P0的模，|Q0|为Q0的模；
3)记折射光线矢量为P1，设P1＝[Px/Pz,Py/Pz,1]，
由P1与Q0夹角为a1得：cos(a1)＝(P1.*Q0)/|P1|/|Q0|，
由P1与P0夹角为a0-a1得：cos(a0-a1)＝(P1.*P0)/|P1|/|P0|，
联立两式求得Px/Pz和Py/Pz，从而得到折射光线矢量P1；
其中，|P1|为P1的模，Px、Py、Pz分别是是矢量P1的分量。
本发明与现有技术相比的多项优点在于：
(1)大气折射指数的计算是基于实际观测或计算所得多层大气物理量，和现有技术中采用通过理论模型计算得到的物理量相比，精度更高。
(2)本发明在现有的共线方程模型基础上进行拓展，增加对大气折射的处理，使得地面点坐标更加精确。并且步骤2中，通过现有技术，计算经过点(L0,B0,H0)的光线矢量P0与高为H1的椭球面相交的点的坐标(L1,B1,H1)，是基于共线方程模型，但不限于共线方程模型(如，考虑光行差的几何成像模型，等)。
(3)步骤3中，通过计算折射点处参考椭球面的法向量、实现光线矢量从P0到P1的折射方向的改变，从而准确提取大气折射影响下的分层折射光线矢量，提高了对地定位的精度，是本技术发明的主要特色之一。
(4)步骤4中，通过对大气精细分层、逐渐降低定位点的高度，迭代解算光线与参考椭球面的交点，直到与真实地形表面相交，是本技术发明的主要特色之一。
综上所述，本发明实施简便，高效可靠，可以推广适用于各种卫星影像产品应用中。
附图说明
图1为本发明实施例的原理示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提出的基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位方法是在现有的共线方程模型基础上拓展而成的，通过进一步提出在计算像点对应的地面点坐标时，增加对大气折射的处理，使得地面点坐标更加精确，提供了一种新的光学卫星影像精确对地定位模型。实施例的方法实现包括如下步骤：
(1)建立全球任意点的高度与大气折射指数之间的对应关系：
首先获取成像时刻对应的多层大气物理量，包括：气压、气温、相对湿度等，利用现有的技术计算成像时刻对应的全球多层大气折射指数，从而建立了该成像时刻、全球任意点的高度与大气折射指数之间的对应关系(即任意点处，高度与大气折射指数一一对应)。
具体实施时，计算全球多层大气折射指数实现可参见郑高峰.靶场测量大气折射率误差修正系统研究与设计[D].电子科技大学.2013.本发明不予赘述。
本步骤大气折射指数的计算是基于多层大气物理量，这些值是实际观测或计算结果，是随时间动态变化的物理量。使用前本发明技术方案前，可以从网上下载。例如：https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/#metadata/detailed.html？_do＝y&view＝level
相比较而言，参考文献[2]中则是通过理论模型计算得到的物理量，比如大气温度是随高度变化的物理量，而不是真正观测得到的物理量。
(2)根据光线初始点，确定入射光线矢量到下一分层的参考椭球面的交点：
设成像时刻卫星位置(L0,B0)，其中L0为地理经度，B0为地理纬度，入射光线矢量为P0，(备注：根据光路可逆，入射光线和折射光线实际是反的，为了直观表达倒过来了。)光线所在初始高度(即卫星高度)为H0，该点(L0,B0,H0)处大气折射指数N0可通过步骤(1)所得高度与大气折射指数之间的对应关系内插得到。设大气分层厚度为δH，则入射光线矢量P0与高度为H1＝H0-δH的参考椭球面的交点(L1,B1)可以通过现有技术计算得到。
通过现有技术，计算经过点(L0,B0,H0)的光线矢量P0与高为H1的椭球面相交的点的坐标(L1,B1,H1)，可基于共线方程模型，但不限于共线方程模型(如，考虑光行差的几何成像模型等)。
(3)确定下一分层上的折射光线矢量：
通过计算折射点(L1,B1,H1)处参考椭球面的法向量，实现光线矢量从P0到P1的折射方向的改变，从而得到折射光线矢量P1：
步骤(2)给出了高度H1处的光线位置(L1,B1)，该点(L1,B1,H1)对应的大气折射指数N1可通过步骤(1)所得高度与大气折射指数之间的对应关系内插得到。根据折射定律可知N0×sin(a0)＝N1×sin(a1)，其中a0和a1分别是高度H1处两个大气层的光线入射角和折射角。
如图1所示，入射角a0、折射角a1和高度H1处的折射光线矢量P1的计算方法如下：
(3.1)假设参考椭球面方程为，(X2+Y2)/A2+Z2/B2＝1其中A＝Ra+H1，B＝Rb+H1，
式中Ra、Rb分别为参考椭球的长半轴和短半轴，A、B为椭球面的长半轴和短半轴，H1为发生折射处的高度，(X,Y,Z)为椭球面上的点的地心直角坐标。
实施例中，采用WGS84参考椭球，Ra＝6378137.0米、Rb＝6356752.3142米。
根据高度H1取值，A、B就是对应高程H1的椭球面的长半轴和短半轴，例如H1＝100时，A、B就是对应高程为100的椭球面的长半轴和短半轴。
根据曲面方程偏导数，可得到该点(L1,B1,H1)处曲面法向量Q0＝[X0B2,Y0B2,Z0A2]，其中坐标(X0,Y0,Z0)为该点处的地心直角坐标，可以由地理坐标(L1,B1,H1)计算得到。(3.2)入射光线P0与法向量Q0夹角a0＝acos(P0.*Q0)/|P0|/|Q0|，式中.*表示点积。
因此，折射角为a1＝asin(N0×sin(a0)/N1)。
其中，|P0|为P0的模，|Q0|为Q0的模。
(3.3)记折射光线矢量为P1。设P1＝[Px/Pz,Py/Pz,1]，
由P1与Q0夹角为a1得：cos(a1)＝(P1.*Q0)/|P1|/|Q0|，
由P1与P0夹角为a0-a1得：cos(a0-a1)＝(P1.*P0)/|P1|/|P0|，
联立两式可求得Px/Pz和Py/Pz，从而得到折射光线矢量P1。
其中，|P1|为P1的模，Px、Py、Pz分别是是矢量P1的分量。
(4)通过对大气精细分层逐渐降低定位点的高度，迭代解算光线与参考椭球面的交点，直到与真实地形表面相交。
迭代计算：将(L1,B1)作为新的光线初始点(即执行步骤2时视为新的(L0,B0))，H1作为新的初始高度(即返回执行步骤2时视为新的H0)，N1作为初始大气折射指数(即执行步骤2时视为新的N0)，P1作为新的入射光线矢量(即执行步骤2时视为新的P0)；再令H2＝H1-δH(执行步骤2时视为新的H1)，通过步骤(2)得到(L2,B2)(即令(L2,B2)为迭代执行步骤2时新得到的(L1,B1))，通过步骤(3)得到新的折射光线矢量P2(即执行步骤2时视为新的P1)。注意大气分层厚度δH要足够小，根据经验以及现有全球DEM的精度，优选建议为取50～100米的值。
具体实施时，流程可以设计为：先判断当前光线所在位置(Li,Bi)的高度Hi与实际地形高度Hk之差的绝对值|Hi-Hk|是否小于给定的阈值，其中实际地形高度Hk可以通过现有DEM和该点的经纬度(Li,Bi)内插得到。如果是，则退出循环。如果否，继续循环(继续上一段的迭代计算)。
迭代结束后输出(Li,Bi,Hi)即为本发明计算结果——基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位点。
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系统。实施本发明技术方案的硬件装置也应当在本发明的保护范围内。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1，建立全球任意点的高度与大气折射指数之间的对应关系；
步骤2，根据光线初始点，确定入射光线矢量到下一分层的参考椭球面的交点，实现方式如下，
设成像时刻卫星位置(L0,B0)，其中L0为地理经度，B0为地理纬度，入射光线矢量为P0，光线所在初始高度为卫星高度H0，点(L0,B0,H0)处大气折射指数N0通过步骤1所得高度与大气折射指数之间的对应关系内插得到；
设大气分层厚度为δH，计算入射光线矢量P0与高度为H1＝H0-δH的参考椭球面的交点(L1,B1)，得到计算经过点(L0,B0,H0)的光线矢量P0与高为H1的椭球面相交的点的坐标(L1,B1,H1)；
步骤3，确定下一分层上的折射光线矢量，实现方式如下，
点(L1,B1,H1)对应的大气折射指数N1通过步骤1所得高度与大气折射指数之间的对应关系内插得到；
根据折射定律得到N0×sin(a0)＝N1×sin(a1)，其中a0和a1分别是高度H1处两个大气层的光线入射角和折射角；
设折射点(L1,B1,H1)处参考椭球面的法向量为Q0，记折射光线矢量为P1，由P1与Q0夹角为a1，以及P1与P0夹角为a0-a1，实现光线矢量从P0到P1的折射方向的改变，计算得到折射光线矢量P1；
步骤4，通过对大气精细分层逐渐降低定位点的高度，迭代解算光线与参考椭球面的交点，直到与真实地形表面相交，得到基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位点。
2.根据权利要求1所述基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位方法，其特征在于：步骤1中，大气折射指数是基于多层大气物理量计算得到。
3.根据权利要求1所述基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位方法，其特征在于：步骤2中，计算入射光线矢量P0与高度为H1＝H0-δH的参考椭球面的交点(L1,B1)，基于共线方程模型实现。
4.根据权利要求1所述基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位方法，其特征在于：步骤2中，计算入射光线矢量P0与高度为H1＝H0-δH的参考椭球面的交点(L1,B1)，基于考虑光行差的几何成像模型实现。
5.根据权利要求1或2或3或4所述基于椭球分层大气折射的光学卫星影像精确对地定位方法，其特征在于：步骤3中，计算得到折射光线矢量P1的实现方式如下，
1)假设参考椭球面方程为，
(X2+Y2)/A2+Z2/B2＝1
A＝Ra+H1，B＝Rb+H1，
式中，Ra、Rb分别为参考椭球的长半轴和短半轴，A、B为椭球面的长半轴和短半轴，H1为发生折射处的高度，(X,Y,Z)为椭球面上的点的地心直角坐标；
根据曲面方程偏导数，得到该点(L1,B1,H1)处曲面法向量Q0＝[X0B2,Y0B2,Z0A2]，其中坐标(X0,Y0,Z0)为该点处的地心直角坐标，由地理坐标(L1,B1,H1)计算得到；
2)计算入射光线P0与法向量Q0夹角a0＝acos(P0.*Q0)/|P0|/|Q0|，式中.*表示点积；
折射角a1＝asin(N0×sin(a0)/N1)；
其中，|P0|为P0的模，|Q0|为Q0的模；
3)记折射光线矢量为P1，设P1＝[Px/Pz,Py/Pz,1]，
由P1与Q0夹角为a1得：cos(a1)＝(P1.*Q0)/|P1|/|Q0|，
由P1与P0夹角为a0-a1得：cos(a0-a1)＝(P1.*P0)/|P1|/|P0|，
联立两式求得Px/Pz和Py/Pz，从而得到折射光线矢量P1；
其中，|P1|为P1的模，Px、Py、Pz分别是矢量P1的分量。
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