CN111127319A - 一种动中推扫成像的地面像元分辨率计算方法 - Google Patents

Abstract

一种动中推扫成像的地面像元分辨率计算方法，针对动中推扫成像复杂姿态的影响，建立了适用于动中推扫成像的地面像元分辨率计算模型，提出了一种在轨道坐标系下计算地心到地面像元边缘矢量的地面像元分辨率计算方法。本发明方法的地面像元分辨率计算方法能够计算动中推扫成像全过程和视场中所有像元的地面像元分辨率，可以用于分析动中成像过程中单个像元的分辨率变化和任一复杂姿态下全视场所有像元的地面像元分辨率变化，并作为动中推扫成像卫星的遥感图像畸变评估依据。

Description

一种动中推扫成像的地面像元分辨率计算方法

技术领域

本发明属于卫星遥感技术领域，涉及一种卫星图像地面像元分辨率的计算方法。

背景技术

地面像元分辨率(GSD)是考察卫星图像的关键指标之一，在卫星设计阶段通过仿真分析预测卫星在轨后的图像分辨率，图像分辨率越高，对地物的分辨能力越高。一次成像过程中，由于卫星姿态、地面高程的变化和地球曲率的影响，同一个像元的分辨率在不断变化，同一片TDI器件不同像元的分辨率也不同，这将导致图像畸变，图像畸变会影响图像的内部精度，严重的畸变可以观察到地物的扭曲、变形等现象。对卫星在不同姿态下推扫成像的地面像元分辨率进行精确计算，是对图像畸变分析的方法之一，分析结果能够为图像的几何校正提供参考。

传统敏捷卫星在推扫成像过程中的卫星姿态相对简单，成像过程中滚动角和俯仰角保持不变，推扫方向沿星下点轨迹方向，一次成像过程中图像的分辨率变化相对稳定。传统成像的GSD计算模型如图1所示，利用像元在给定姿态下在地球上的投影进行计算。成像姿态给定后，最大的影响因素为地球曲率和地面高程，一次成像过程中同一像元分辨率变化不大，不同像元的差异主要与像元的指向相关。

随着小卫星姿态控制能力的进一步增强，卫星可以通过姿态机动打破传统静态成像时严格依靠轨道运动推扫的约束，从而实现更加灵活的地面推扫成像，成像条带不再需要平行星下点轨迹，甚至可以通过姿态机动形成垂直星下点轨迹的成像。关于动中成像模式，黄群东在2012年第12期《光学精密工程》的《姿态对地指向不断变化成像时的像移速度计算》中有详细描述。敏捷卫星机动中成像技术，指卫星在三轴姿态机动中开启光学有效载荷并进行成像，在成像过程中实时调整光轴对地指向以实现复杂的成像任务。法国的Pleiades-HR卫星通过姿态机动能够实现垂直星下点轨迹的推扫成像，获得东西方向的350km 20km的0.7m高分辨率图像，单次成像即可获取宽幅高分辨率图像。黄敏在国家发明专利《一种敏捷卫星机动中对目标进行斜条带成像的方法》和《一种沿斜条带成像的姿态机动调整方法》中提出了姿态机动中沿斜条带成像的方法。动中推扫成像过程中卫星姿态是实时变化的，而且卫星将有较大的实时变化的偏航角，动中成像过程如图2所示。姿态的实时变化将导致同一像元分辨率发生较大的变化，进一步导致较大的图像畸变；成像过程中较大的偏航角导致像元在地面的投影关系复杂，原有的GSD计算方法不能适用，需要根据推扫成像原理提出机动中成像的GSD计算方法，并分析GSD随成像时间的变化规律，作为对动中推扫成像图像质量评估和几何校正的依据。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对卫星动中推扫成像过程复杂姿态造成的特殊地面投影关系，建立了复杂姿态下的像元分辨率计算模型，实现了动中推扫成像过程任意像元的分辨率计算，为动中推扫成像图像质量评估和几何校正提供了依据。

本发明的技术解决方案是：一种动中推扫成像的地面像元分辨率计算方法，包括如下步骤：

(1)根据卫星历元参数计算t时刻卫星到地心的距离H；

(2)计算星载相机第i个像元边缘的单位矢量

和

在轨道坐标系下的表达式

和

(3)计算所述单位矢量

和

与轨道坐标系Z_O轴的夹角α₁和α₂；所述的轨道坐标系以卫星飞行方向为X_O轴，指向星下点为Z_O轴，Y_O轴由右手定则确定；

(4)根据卫星到地心的距离H、摄影点到地心的距离R_D、夹角α₁和α₂，计算卫星到地面像元边缘矢量的距离L₁和L₂，由此得出矢量L₁和L₂在轨道坐标系中的表示[L₁]_O、[L₂]_O；

(5)利用所述[L₁]_O、[L₂]_O计算地心到地面像元边缘的矢量E₁与E₂在轨道坐标系下的表示[E₁]_O、[E₂]_O，并计算E₁与E₂的夹角ζ；

(6)利用E₁与E₂的夹角ζ计算t时刻像元i的地面像元分辨率GSD(t，i)＝ζ·R_D；

(7)遍历时间t和像元数i计算动中成像过程全视场的地面像元分辨率。

所述t时刻卫星到地心的距离

其中x(t)、y(t)、z(t)为J2000坐标系下t时刻卫星的位置。

所述的单位矢量

和

为偏离第i个像元视线中心分别为γ₁和γ₂角度时的指向矢量，γ₁和γ₂的大小均为

IFOV为单个像元的视场角。

所述的

和

表示为：

其中，R_bo为轨道坐标系按123转序依次旋转为

θ(t)、β(t)到卫星本体坐标系O-X_bY_bZ_b的转换矩阵。

所述的夹角α₁和α₂表示为：

所述的距离L₁和L₂表示为：

所述的[L₁]_O、[L₂]_O表示为：

所述的[E₁]_O、[E₂]_O表示为：

所述的矢量E₁与E₂的夹角ζ计算公式为：

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法实现了任意动中推扫成像姿态下的GSD计算。传统成像的成像条带平行星下点轨迹，像元在地面投影关系简单，动中成像过程涉及滚动、俯仰、偏航的大角度姿态变化，传统计算模型无法计算复杂姿态下的GSD；本发明的GSD计算方法适用于动中推扫成像过程中的任意姿态。

(2)本发明方法建立的GSD计算模型根据卫星位置星历数据计算卫星到地心的距离，根据卫星姿态和像元在视场中指向矢量计算轨道坐标系下的指向矢量，然后计算地心到像元边缘的指向，从而计算GSD。过程中无需引入惯性系到轨道系的多次坐标系转换，计算过程简单易行。

(3)本发明方法提出的GSD计算方法考虑了摄影点的高程，在给定姿态角的情况下可以用于分析地面高程带来的图像畸变。

附图说明

图1为传统的地面像元分辨率计算方法示意图；

图2为动中成像过程GSD变化示意图；

图3为本发明方法的流程框图；

图4为任意像元在相机视场中的位置示意图；

图5为任意像元动中成像过程中GSD计算模型示意图；

图6为相机到摄影点距离计算方法示意图；

图7为动中推扫成像过程中的滚动角和俯仰角示意图；

图8为动中推扫成像过程中的GSD计算结果示意图。

具体实施方式

由于三轴姿态复杂且实时变化，动中成像过程中成像的GSD实时变化，一次成像线阵在地球上的几何投影关系复杂，需要根据推扫成像原理提出机动中成像的GSD计算方法，并分析GSD随成像时间的变化规律，作为分析成像的畸变问题的依据。

如图3所示，为本发明方法的流程图。本发明方法针对卫星动中推扫成像过程复杂姿态造成的特殊地面投影关系，建立了复杂姿态下的像元分辨率计算模型，实现了动中推扫成像过程任意像元的分辨率计算。

①任意姿态下推扫成像的GSD计算几何模型

偏离中心的第i个像元中心与视场中心的夹角为(i-0.5)·IFOV，IFOV为单个像元的视场角，第-i个像元中心与视场中心的夹角为-(i-0.5)·IFOV，如图4所示。

本发明建立机动中成像时的GSD计算几何模型如图5所示，在t时刻卫星以滚动角为

俯仰角为θ(t)，偏航角为β(t)沿预定方向推扫，线阵的投影垂直推扫方向。L为第i个像元视线中心的指向矢量，L₁和L₂为偏离第i个像元视线中心分别为γ₁和γ₂角度时的指向矢量，矢量E为地心o_e到第i个像元中心D的指向矢量，D₁和D₂对应为地面上第i个像元沿线阵方向的边缘。E₁和E₂分别为地心o_e到地面点D₁和D₂的指向矢量。γ₁和γ₂的大小均为

(单个像元的视场角)，地球面上的D₁到D₂投影的长度即为单个像元的GSD。

轨道坐标系以卫星飞行方向为X_O轴，指向星下点为Z_O轴，Y_O轴由右手定则确定，t时刻卫星到地心的距离H通过卫星历元参数计算：

其中x(t)、y(t)、z(t)为J2000坐标系下t时刻卫星的位置。

摄影D点到地心的距离R_D根据摄影D点处的高程信息确定，一个像元内认为高程不变。本文采用通过计算矢量E₁与E₂的夹角来计算任意姿态下第i个像元的GSD。

②相机到地面像元边缘的单位矢量计算

在轨道坐标系的基础上按123转序依次旋转

θ(t)β(t)，得到卫星的本体坐标系O-X_bY_bZ_b，通过坐标系旋转计算视轴指向单位矢量

和

在轨道坐标系中的表示。L₁和L₂可以认为是在视轴指向矢量的基础上沿着卫星本体坐标系的X_b轴分别转动(i-1)IFOV和i·IFOV角，并记顺时针转动角度为正，逆时针为负，由此计算L₁和L₂的单位矢量

和

轨道坐标系下单位矢量

的计算公式为：

其中，R_bo为轨道坐标系到本体坐标系的转换矩阵，根据卫星的三轴姿态计算为：

R_i1为L₁至视场中心的旋转矩阵：

轨道坐标系下单位矢量

的计算公式为：

R_i2为L₂至视场中心的旋转矩阵：

③相机到地面像元边缘的距离计算

矢量

和

到轨道系Z_O轴的夹角α₁和α₂，采用下式计算。

如图6所示计算卫星到摄影点D的距离，

因此，对于同一个像元，仍采用摄影点到地心距离R_D，α角更改为α₁和α₂，得到L₁和L₂的表达式：

从而得到矢量L₁和L₂在轨道坐标系下的表示为：

④任意像元的分辨率计算

矢量E₁与E₂轨道坐标系下的表示为：

矢量E₁与E₂的夹角ζ计算公式为：

以地心为圆心，半径为R_D的球面圆弧长计算t时刻该像移元的GSD(t,i)，计算公式为：

GSD(t，i)＝ζ·R_D (14)

重复上述步骤，改变i的值，可以计算任意姿态下全视场任意像元的地面分辩率。

实施例

以沿15°、30°、60°、90°斜条带的动中成像为例，图7给出了按123转序的滚动角、俯仰角，卫星的姿态在一次成像过程中发生了较大的变化。在500km圆轨道下，计算动中成像过程地面像元分辨率结果如图8所示，以下视角45°成像范围为约束条件，一次成像中地面像元分辨率发生了较大的变化，最大从星下点的1m变化为2.2m。计算结果表明，本发明所述方法能够精确地计算任意姿态下的像元分辨率。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种动中推扫成像的地面像元分辨率计算方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据卫星历元参数计算t时刻卫星到地心的距离H；

(2)计算星载相机第i个像元边缘的单位矢量

和

在轨道坐标系下的表达式

和

(3)计算所述单位矢量

和

与轨道坐标系Z_O轴的夹角α₁和α₂；所述的轨道坐标系以卫星飞行方向为X_O轴，指向星下点为Z_O轴，Y_O轴由右手定则确定；

(4)根据卫星到地心的距离H、摄影点到地心的距离R_D、夹角α₁和α₂，计算卫星到地面像元边缘矢量的距离L₁和L₂，由此得出矢量L₁和L₂在轨道坐标系中的表示[L₁]_O、[L₂]_O；

(5)利用所述[L₁]_O、[L₂]_O计算地心到地面像元边缘的矢量E₁与E₂在轨道坐标系下的表示[E₁]_O、[E₂]_O，并计算E₁与E₂的夹角ζ；

(6)利用E₁与E₂的夹角ζ计算t时刻像元i的地面像元分辨率GSD(t，i)＝ζ·R_D；

(7)遍历时间t和像元数i计算动中成像过程全视场的地面像元分辨率。

2.根据权利要求1所述的一种动中推扫成像的地面像元分辨率计算方法，其特征在于：所述t时刻卫星到地心的距离

其中x(t)、y(t)、z(t)为J2000坐标系下t时刻卫星的位置。

3.根据权利要求2所述的一种动中推扫成像的地面像元分辨率计算方法，其特征在于：所述的单位矢量

和

为偏离第i个像元视线中心分别为γ₁和γ₂角度时的指向矢量，γ₁和γ₂的大小均为

IFOV为单个像元的视场角。

4.根据权利要求3所述的一种动中推扫成像的地面像元分辨率计算方法，其特征在于：所述的

和

表示为：

其中，R_bo为轨道坐标系按123转序依次旋转为

θ(t)、β(t)到卫星本体坐标系O-X_bY_bZ_b的转换矩阵。

5.根据权利要求4所述的一种动中推扫成像的地面像元分辨率计算方法，其特征在于：所述的夹角α₁和α₂表示为：

6.根据权利要求5所述的一种动中推扫成像的地面像元分辨率计算方法，其特征在于：所述的距离L₁和L₂表示为：

7.根据权利要求6所述的一种动中推扫成像的地面像元分辨率计算方法，其特征在于：所述的[L₁]_O、[L₂]_O表示为：

8.根据权利要求7所述的一种动中推扫成像的地面像元分辨率计算方法，其特征在于：所述的[E₁]_O、[E₂]_O表示为：

9.根据权利要求8所述的一种动中推扫成像的地面像元分辨率计算方法，其特征在于：所述的矢量E₁与E₂的夹角ζ计算公式为：

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