CN111561936A - 旋转大幅宽光学卫星精准处理方法及系统 - Google Patents

旋转大幅宽光学卫星精准处理方法及系统 Download PDF

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CN111561936A CN202010424747.5A CN202010424747A CN111561936A CN 111561936 A CN111561936 A CN 111561936A CN 202010424747 A CN202010424747 A CN 202010424747A CN 111561936 A CN111561936 A CN 111561936A
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area array
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刘国华
尹增山
胡海鹰
刘洋
王旭辉
田龙飞
江新华
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Shanghai Engineering Center for Microsatellites
Innovation Academy for Microsatellites of CAS
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Abstract

本发明提供了一种旋转大幅宽光学卫星精准处理方法及系统，所述旋转大幅宽光学卫星精准处理方法包括：获取光学相机面阵分系统参数及观测数据；根据所述光学相机面阵分系统参数及观测数据，构建旋转光学卫星本体与光学相机面阵分系统焦平面之间几何变换关系，得到卫星本体与相机焦平面转换矩阵；计算成像时刻的旋转光学卫星姿轨控数据；根据所述卫星本体与相机焦平面转换矩阵及所述旋转光学卫星姿轨控数据，构建旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型；根据所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型构建标准影像产品的有理函数拟合模型；根据所述标准影像产品的有理函数拟合模型进行有理多项式系数参数计算。

Description

旋转大幅宽光学卫星精准处理方法及系统
技术领域
本发明涉及旋转光学卫星技术领域，特别涉及一种旋转大幅宽光学卫星精准处理方法及系统。
背景技术
旋转超大宽幅光学卫星采用面阵相机圆锥扫描对地观测技术体制，通过圆锥扫描方式实现超大区域观测，设计广域搜索成像与重点地区加密成像模式，具备广域、高分、多角度成像等特点。该卫星由平台和有效载荷组成，有效载荷包括：面阵光学相机分系统、载荷数据处理分系统、辅助载荷分系统和转台分系统。卫星平台包括：结构与机构分系统、热控分系统、电源与总体电路分系统、测控分系统、姿轨控分系统、星务分系统、数传与图像分发分系统。卫星采取天底指向，即转台旋转轴对地，转台保持正常工作转速，每旋转一周相机摆镜调整一档，摆镜共3个位置档位，旋转3圈后可覆盖天底方向5～60°范围，可实现千级公里直径区域覆盖。相比于以往常规线阵推扫成像以及面阵成像模式，旋转超大宽幅光学卫星采用卫星降地速、转台机构与摆扫机构相结合多自由度方式进行影像数据获取，该模式导致卫星成像过程姿态模型非线性化程度高，成像机理复杂，且几何模型自由度高，为满足卫星数据获取后续影像拼接、融合与分类监测应用，如何实现旋转超大宽幅光学卫星高精度几何成像模型构建以及精准处理是本发明亟需解决的关键技术难题与重要瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种旋转大幅宽光学卫星精准处理方法及系统，以解决现有的卫星成像过程数据模型非线性化程度高导致难以精准处理的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种旋转大幅宽光学卫星精准处理方法，所述旋转大幅宽光学卫星精准处理方法包括：
获取光学相机面阵分系统参数及观测数据；
根据所述光学相机面阵分系统参数及观测数据，构建旋转光学卫星本体与光学相机面阵分系统焦平面之间几何变换关系，得到卫星本体与相机焦平面转换矩阵；
计算成像时刻的旋转光学卫星姿轨控数据；
根据所述卫星本体与相机焦平面转换矩阵及所述旋转光学卫星姿轨控数据，构建旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型；
根据所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型构建标准影像产品的有理函数拟合模型；
根据所述标准影像产品的有理函数拟合模型进行有理多项式系数参数计算。
可选的，在所述的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法中，所述光学相机面阵分系统包括转动补偿机构，其中：
所述转动补偿机构包括摆镜档位机构、快速反射补偿镜及探测器转动机构；
所述旋转大幅宽光学卫星采取天底指向并降低对地速度，转台分系统旋转轴对地，所述转台分系统保持正常工作转速旋转；
所述转台分系统每旋转一周，所述摆镜档位机构的位置挡位进行一次调整，以使光学相机面阵分系统完成对地观测的圆锥扫描。
可选的，在所述的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法中，根据所述光学相机面阵分系统参数及观测数据，构建旋转光学卫星本体与光学相机面阵分系统焦平面之间几何变换关系，得到卫星本体与相机焦平面转换矩阵包括：
将所述对地观测的圆锥扫描等效为分别建立光学相机面阵分系统焦平面与转动补偿机构的转换关系、转动补偿机构与光学相机面阵分系统之间的转换关系、光学相机面阵分系统与转台分系统之间的转换关系、转台分系统与旋转光学卫星本体的转换关系，以及旋转光学卫星本体与物方空间的转换关系；
设置成像时刻t，转动补偿机构测量输出的角度为
Figure BDA0002498267090000031
则转动补偿机构与光学相机面阵分系统焦平面之间转换矩阵
Figure BDA0002498267090000032
为：
Figure BDA0002498267090000033
推导得到所述卫星本体与相机焦平面转换矩阵
Figure BDA0002498267090000034
Figure BDA0002498267090000035
其中，
Figure BDA0002498267090000036
表示3×3矩阵，分别为所述光学相机面阵分系统焦平面与转动补偿机构的转换关系、所述转动补偿机构与光学相机面阵分系统之间的转换关系、所述光学相机面阵分系统与转台分系统之间的转换关系、以及所述转台分系统与旋转光学卫星本体的转换关系。
可选的，在所述的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法中，计算成像时刻的旋转光学卫星姿轨控数据包括：
采用滑动窗口拟合多项式进行姿态参数建模；
设旋转光学卫星姿态观测值组包括n个时间序列输出值(q1,q2,q3…qn-1,qn)，tk为成像时刻，设置n个时间序列的姿态四元数为(q0i,q1i,q2i,q3i)i＝1,2,…,n，相应m-1次最佳正交多项式
Figure BDA0002498267090000037
拟合如下，
Figure BDA0002498267090000038
其中，t表示时刻，aj,j＝0,1,…,m-1表示多项式系数，设式(3)为各正交多项式δj(t)的线性组合，
Figure BDA0002498267090000039
其中，cj,j＝0,1,…,m-1表示正交多项式系数，根据最小二乘原理得tk成像时刻姿态四元数拟合值如下，
Figure BDA0002498267090000041
Figure BDA0002498267090000042
其中，
Figure BDA0002498267090000043
表示tk时刻四元数矢量部分拟合值，
Figure BDA0002498267090000044
表示tk时刻四元数标量部分拟合值，
Figure BDA0002498267090000045
表示四元数矢量部分正交多项式拟合系数，
Figure BDA0002498267090000046
表示四元数矢量部分正交多项式。
可选的，在所述的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法中，根据所述卫星本体与相机焦平面转换矩阵及所述旋转光学卫星姿轨控数据，构建旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型包括：
基于计算成像时刻的旋转光学卫星姿轨控数据，构建旋转大幅宽光学卫星数据处理几何模型：
Figure BDA0002498267090000047
其中，x,y表示焦平面坐标系下的坐标值；x0,y0表示像主点坐标；Δx,Δy表示焦平面畸变；λ表示成像比例尺；t表示成像时刻；(X,Y,Z)表示像点对应物方坐标；(XGPS(t),YGPS(t),ZGPS(t))表示成像摄影中心坐标，由GPS定轨计算得到；
Figure BDA0002498267090000048
表示3×3矩阵，分别表示J2000到本体旋转矩阵、以及WGS84到J2000旋转矩阵。
Figure BDA0002498267090000049
通过转台分系统、快速反射补偿镜及探测器转动机构测量得到；
Figure BDA00024982670900000410
由星敏感器以及高低频陀螺等测量得到，通过时间t进行内插；
Figure BDA00024982670900000411
由国际地球自转服务组织提供。
可选的，在所述的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法中，根据所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型构建标准影像产品RFM拟合模型包括：
采用有理函数模型对所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型进行等效拟合；对像点图像坐标(l，s)、经纬度坐标(B，L)和椭球高H进行正则化处理，使坐标范围在[-1,1]之间；像点图像坐标(l，s)对应的像方归一化坐标(ln，sn)、物方坐标(B，L，H)的归一化坐标(U，V，W)计算公式分别表示为：
Figure BDA0002498267090000051
其中，LineOff,SampleOff分别表示像方坐标的平移值；LineScale,SampleScale分别表示像方坐标的缩放值；LonOff,LatOff,HeiOff分别表示物方坐标的平移值；LonScale,LatScale,HeiScale分别表示物方坐标的缩放值。
可选的，在所述的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法中，根据所述标准影像产品有理函数拟合模型进行有理多项式系数参数计算包括：对于每一景影像，像方坐标和物方坐标的关系用多项式比值表示如下：
Figure BDA0002498267090000052
公式(8)中的多项式分子、分母分别表示如下：
Figure BDA0002498267090000053
其中，ai,bi,ci,di(i＝1,2,…,20)表示有理多项式系数；
对每帧影像建立全局虚拟格网，基于所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型的正反变换函数，求出物方虚拟格网坐标作为控制点，利用最小二乘平差原理进行参数计算。
本发明还提供一种旋转大幅宽光学卫星精准处理系统，所述旋转大幅宽光学卫星精准处理系统包括转换矩阵模块、姿轨控数据计算模块、几何模型构建模块、有理函数拟合模块及系数参数计算模块，其中：
所述光学相机面阵分系统获取观测数据，并发送至所述转换矩阵模块；
所述转换矩阵模块根据所述光学相机面阵分系统参数及观测数据，构建旋转光学卫星本体与光学相机面阵分系统焦平面之间几何变换关系，得到卫星本体与相机焦平面转换矩阵，并发送至所述几何模型构建模块；
所述姿轨控数据计算模块计算成像时刻的旋转光学卫星姿轨控数据，并发送至所述几何模型构建模块；
所述几何模型构建模块根据所述卫星本体与相机焦平面转换矩阵及所述旋转光学卫星姿轨控数据，构建旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型，并发送至所述有理函数拟合模块；
所述有理函数拟合模块根据所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型构建标准影像产品的有理函数拟合模型，并发送至所述系数参数计算模块；
所述系数参数计算模块根据所述标准影像产品的有理函数拟合模型进行有理多项式系数参数计算。
在本发明提供的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法及系统中，通过根据光学相机面阵分系统参数及观测数据，构建旋转光学卫星本体与光学相机面阵分系统焦平面之间几何变换关系，得到卫星本体与相机焦平面转换矩阵，计算成像时刻的旋转光学卫星姿轨控数据，根据卫星本体与相机焦平面转换矩阵及旋转光学卫星姿轨控数据，构建旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型，根据旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型构建标准影像产品的有理函数拟合模型，根据标准影像产品的有理函数拟合模型进行有理多项式系数参数计算，针对旋转大幅宽光学卫星成像机理与特性实现了对地观测精准处理方法；实现了高精度严密几何成像模型构建以及精准的数据处理，通过本发明提供的方法可以解决针对旋转大幅宽光学卫星高精度对地观测问题，为该卫星后续处理与应用奠定基础。
本发明涉及的旋转宽幅光学卫星采用圆锥扫描结合面阵的模式进行对地成像获得大区域高时效覆盖，整个成像过程涉及的载荷与平台单机较多，其运动特性主要由相机载荷旋转、地速(卫星轨道运动加地球自转)、震颤扰动等复合而成。通过分析，卫星成像全链路过程主要包括光学相机、轨道观测、空间指向观测、时间同步、观测条件等。针对影像存在的模糊与像移，卫星设计采用快反镜摆动结合探测器转动方法对平动像移与转动像移进行实时补偿，并采用空间指向测量系统(震颤测量系统)进行降质运动参数信息测量。
本发明为实现每帧对地观测影像精准处理，构建了严密几何成像模型，涉及到的模型参数包括卫星轨道、卫星成像空间指向(转台、摆镜档位机构、快速反射补偿镜、探测器转动机构)、成像时刻、相机内部标定参数、不同载荷之间安装参数等。
根据旋转大幅宽光学卫星成像过程和机理可知，为实现千级公里直径旋转成像，卫星需进行比例降地速，则卫星不同成像时刻的轨道和姿态需要进行准确建模，以保证每帧影像可以得到高精度外方位参数。考虑到卫星成像过程中轨道无任何机动，故只需采用拉格朗日多项式建模即可满足后续精准处理需求。卫星姿态在降地速成像过程中采取了姿态机动控制，不同时刻姿态变化较快且成强非线性，故需进行精细化建模才能进行后续精准处理。本发明采用了滑动窗口拟合多项式进行姿态参数建模克服上述问题。
基于构建的所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型，建立每帧旋转影像像点像素坐标与其对应物方点地理坐标关系，在后续传感器校正、图像融合等应用过程中通用性不强，计算效率低且坐标反算需多次迭代。本发明通过采用有理函数模型(RationalFunction Model，RFM)对所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型进行等效拟合解决了上述问题。
附图说明
图1～2是本发明一实施例旋转大幅宽光学卫星精准处理方法流程示意图；
图3是本发明另一实施例旋转光学卫星成像过程模拟示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法及系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于提供一种旋转大幅宽光学卫星精准处理方法及系统，以解决现有的卫星成像过程数据模型非线性化程度高导致难以精准处理的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种旋转大幅宽光学卫星精准处理方法及系统，所述旋转大幅宽光学卫星精准处理方法包括：获取光学相机面阵分系统参数及观测数据；根据所述光学相机面阵分系统参数及观测数据，构建旋转光学卫星本体与光学相机面阵分系统焦平面之间几何变换关系，得到卫星本体与相机焦平面转换矩阵；计算成像时刻的旋转光学卫星姿轨控数据；根据所述卫星本体与相机焦平面转换矩阵及所述旋转光学卫星姿轨控数据，构建旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型；根据所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型构建标准影像产品的有理函数拟合模型；根据所述标准影像产品的有理函数拟合模型进行有理多项式系数参数计算。
<实施例一>
本实施例提供一种旋转大幅宽光学卫星精准处理方法，如图1所示，所述旋转大幅宽光学卫星精准处理方法包括：获取光学相机面阵分系统参数及观测数据；根据所述光学相机面阵分系统参数及观测数据，构建旋转光学卫星本体与光学相机面阵分系统焦平面之间几何变换关系，得到卫星本体与相机焦平面转换矩阵；计算成像时刻的旋转光学卫星姿轨控数据；根据所述卫星本体与相机焦平面转换矩阵及所述旋转光学卫星姿轨控数据，构建旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型；根据所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型构建标准影像产品的有理函数拟合模型RFM；根据所述标准影像产品的有理函数拟合模型进行有理多项式系数参数计算。
具体步骤如图2所示，本实施例对具体步骤进行说明。包括：步骤1，构建卫星本体与相机焦平面之间几何变换关系。如图3所示，本实施例涉及的旋转宽幅光学卫星采用圆锥扫描+面阵的模式进行对地成像获得大区域高时效覆盖，整个成像过程涉及的载荷与平台单机较多，其运动特性主要由相机载荷旋转、地速(卫星轨道运动+地球自转)、震颤扰动等复合而成。通过分析，卫星成像全链路过程主要包括光学相机、轨道观测、空间指向观测、时间同步、观测条件等。针对影像存在的模糊与像移，卫星设计采用快反镜摆动+探测器转动方法对平动像移与转动像移进行实时补偿，并采用空间指向测量系统(震颤测量系统)进行降质运动参数信息测量。
为实现每帧对地观测影像精准处理，需构建严密几何成像模型，涉及到的模型参数包括卫星轨道、卫星成像空间指向(转台、摆镜档位机构、快速反射补偿镜、探测器转动机构)、成像时刻、相机内部标定参数、不同载荷之间安装参数等。卫星通过降地速旋转成像的过程可以等效成建立相机焦平面与转动补偿机构(摆镜档位机构+快速反射补偿镜+探测器转动机构)、转动补偿机构与相机之间、相机与转台之间、转台与卫星本体以及卫星本体与物方空间的转换关系，以上转换关系则主要通过机构实时测量计算得到。
定义某成像时刻t，转动补偿机构测量输出的角度为
Figure BDA0002498267090000091
则转动补偿机构与相机焦平面之间转换矩阵
Figure BDA0002498267090000092
表示为：
Figure BDA0002498267090000093
依次同理推导得到卫星本体与相机焦平面之间几何变换关系
Figure BDA0002498267090000094
Figure BDA0002498267090000095
其中，
Figure BDA0002498267090000101
表示3×3矩阵，分别表示转动补偿机构到焦平面旋转矩阵、相机到转动补偿机构旋转矩阵、转台到相机旋转矩阵、本体到转台旋转矩阵。
步骤2，计算成像时刻的精确轨道与姿态参数。
根据旋转大幅宽光学卫星成像过程和机理可知，为实现千级公里直径旋转成像，卫星需进行比例降地速，则卫星不同成像时刻的轨道和姿态需要进行准确建模，以保证每帧影像可以得到高精度外方位参数。考虑到卫星成像过程中轨道无任何机动，故只需采用拉格朗日多项式建模即可满足后续精准处理需求。卫星姿态在降地速成像过程中采取了姿态机动控制，不同时刻姿态变化较快且成强非线性，故需进行精细化建模才能进行后续精准处理。本发明采用滑动窗口拟合多项式进行姿态参数建模，具体实现方式如下：
设卫星姿态观测值组包括n个时间序列输出值(q1,q2,q3…qn-1,qn)，tk为成像时刻，记n个历元的姿态四元数为(q0i,q1i,q2i,q3i)i＝1,2,…,n，相应m-1次最佳正交多项式
Figure BDA0002498267090000102
拟合如下，
Figure BDA0002498267090000103
其中，t表示时刻，aj,j＝0,1,…,m-1表示多项式系数，设上式为各正交多项式δj(t)的线性组合，
Figure BDA0002498267090000104
其中，cj,j＝0,1,…,m-1表示正交多项式系数，根据最小二乘原理得tk成像时刻姿态四元数拟合值如下，
Figure BDA0002498267090000105
Figure BDA0002498267090000106
其中，
Figure BDA0002498267090000107
表示tk时刻四元数矢量部分拟合值，
Figure BDA0002498267090000111
表示tk时刻四元数标量部分拟合值，
Figure BDA0002498267090000112
表示四元数矢量部分正交多项式拟合系数，
Figure BDA0002498267090000113
表示四元数矢量部分正交多项式。
步骤3，旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型构建。
基于步骤2，3进一步构建旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型，具体模型表示如下：
Figure BDA0002498267090000114
其中，x,y表示焦平面坐标系下的坐标值；x0,y0表示像主点坐标；Δx,Δy表示焦平面畸变；λ表示成像比例尺；t表示成像时刻；(X,Y,Z)表示像点对应物方坐标；(XGPS(t),YGPS(t),ZGPS(t))表示成像摄影中心坐标，由GPS定轨计算得到；
Figure BDA0002498267090000115
表示3×3矩阵，分别表示J2000到本体旋转矩阵、以及WGS84到J2000旋转矩阵。
Figure BDA0002498267090000116
通过转台、快速补偿镜以及探测器转动机构测量得到；
Figure BDA0002498267090000117
由星敏感器以及高低频陀螺等测量得到，可通过时间t进行内插；
Figure BDA0002498267090000118
由国际地球自转服务组织提供。
步骤4，标准影像产品RFM拟合模型构建以及RPCs参数计算；
基于步骤3得到的精准处理几何模型可以建立每帧旋转影像像点像素坐标与其对应物方点地理坐标关系，但在后续传感器校正、图像融合等应用过程中通用性不强，计算效率低且坐标反算需多次迭代。本发明提出采用有理函数模型(Rational Function Model，RFM)对步骤3几何模型进行等效拟合，具体实现方式如下：
对像点图像坐标(l，s)、经纬度坐标(B，L)和椭球高H进行正则化处理，使坐标范围在[-1,1]之间。像点图像坐标(l，s)对应的像方归一化坐标(ln，sn)、物方坐标(B，L，H)的归一化坐标(U，V，W)计算公式分别表示为：
Figure BDA0002498267090000121
其中，LineOff,SampleOff分别表示像方坐标的平移值；LineScale,SampleScale分别表示像方坐标的缩放值；LonOff,LatOff,HeiOff分别表示物方坐标的平移值；LonScale,LatScale,HeiScale分别表示物方坐标的缩放值。对于每一景影像，像方坐标和物方坐标的关系可以用多项式比值表示如下：
Figure BDA0002498267090000122
公式(8)中的多项式分子、分母分别表示如下：
Figure BDA0002498267090000123
其中，ai,bi,ci,di(i＝1,2,…,20)表示有理多项式系数(Rational PolynomialCoefficients,RPCs)。为计算RPCs模型参数，对每帧影像建立全局虚拟格网，基于步骤3得到的精准处理几何模型的正反变换函数，求出物方虚拟格网坐标作为控制点，进一步利用最小二乘平差原理进行参数计算。为克服解算RPCs参数的控制点非均匀分布或模型过度参数化所导致的矩阵奇异，本发明主要采用岭估计的方式解决方程病态问题。
有理函数模型(Rational Function Model，RFM)是一种完全的数学模型，其实质就是利用大量的控制点，来拟合严格成像关系，不要求了解传感器的实际特性和成像过程，它适用于不同类型的传感器，并且可以隐藏传感器在成像过程中的各种物理参数，因此在摄影测量和遥感领域得到了广泛的应用。利用有理函数模型处理卫星遥感影像的关键在于精确求解其参数，即有理多项式系数(Rational Polynomial Coefficients，RPCs)。
综上，上述实施例对旋转大幅宽光学卫星精准处理方法及系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
<实施例二>
本实施例提供一种旋转大幅宽光学卫星精准处理系统，所述旋转大幅宽光学卫星精准处理系统包括转换矩阵模块、姿轨控数据计算模块、几何模型构建模块、有理函数拟合模块及系数参数计算模块，其中：所述光学相机面阵分系统获取观测数据，并发送至所述转换矩阵模块；所述转换矩阵模块根据所述光学相机面阵分系统参数及观测数据，构建旋转光学卫星本体与光学相机面阵分系统焦平面之间几何变换关系，得到卫星本体与相机焦平面转换矩阵，并发送至所述几何模型构建模块；所述姿轨控数据计算模块计算成像时刻的旋转光学卫星姿轨控数据，并发送至所述几何模型构建模块；所述几何模型构建模块根据所述卫星本体与相机焦平面转换矩阵及所述旋转光学卫星姿轨控数据，构建旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型，并发送至所述有理函数拟合模块；所述有理函数拟合模块根据所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型构建标准影像产品的有理函数拟合模型，并发送至所述系数参数计算模块；所述系数参数计算模块根据所述标准影像产品的有理函数拟合模型进行有理多项式系数参数计算。
在本发明提供的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法及系统中，通过根据光学相机面阵分系统参数及观测数据，构建旋转光学卫星本体与光学相机面阵分系统焦平面之间几何变换关系，得到卫星本体与相机焦平面转换矩阵，计算成像时刻的旋转光学卫星姿轨控数据，根据卫星本体与相机焦平面转换矩阵及旋转光学卫星姿轨控数据，构建旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型，根据旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型构建标准影像产品RFM拟合模型，根据标准影像产品有理函数拟合模型进行有理多项式系数参数计算，针对旋转大幅宽光学卫星成像机理与特性实现了对地观测精准处理方法；实现了高精度严密几何成像模型构建以及精准的数据处理，通过本发明提供的方法可以解决针对旋转大幅宽光学卫星高精度对地观测问题，为该卫星后续处理与应用奠定基础。
本发明涉及的旋转宽幅光学卫星采用圆锥扫描结合面阵的模式进行对地成像获得大区域高时效覆盖，整个成像过程涉及的载荷与平台单机较多，其运动特性主要由相机载荷旋转、地速(卫星轨道运动加地球自转)、震颤扰动等复合而成。通过分析，卫星成像全链路过程主要包括光学相机、轨道观测、空间指向观测、时间同步、观测条件等。针对影像存在的模糊与像移，卫星设计采用快反镜摆动结合探测器转动方法对平动像移与转动像移进行实时补偿，并采用空间指向测量系统(震颤测量系统)进行降质运动参数信息测量。
本发明为实现每帧对地观测影像精准处理，构建了严密几何成像模型，涉及到的模型参数包括卫星轨道、卫星成像空间指向(转台、摆镜档位机构、快速反射补偿镜、探测器转动机构)、成像时刻、相机内部标定参数、不同载荷之间安装参数等。
根据旋转大幅宽光学卫星成像过程和机理可知，为实现千级公里直径旋转成像，卫星需进行比例降地速，则卫星不同成像时刻的轨道和姿态需要进行准确建模，以保证每帧影像可以得到高精度外方位参数。考虑到卫星成像过程中轨道无任何机动，故只需采用拉格朗日多项式建模即可满足后续精准处理需求。卫星姿态在降地速成像过程中采取了姿态机动控制，不同时刻姿态变化较快且成强非线性，故需进行精细化建模才能进行后续精准处理。本发明采用了滑动窗口拟合多项式进行姿态参数建模克服上述问题。
基于构建的所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型，建立每帧旋转影像像点像素坐标与其对应物方点地理坐标关系，在后续传感器校正、图像融合等应用过程中通用性不强，计算效率低且坐标反算需多次迭代。本发明通过采用有理函数模型(RationalFunction Model，RFM)对所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型进行等效拟合解决了上述问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种旋转大幅宽光学卫星精准处理方法，其特征在于，所述旋转大幅宽光学卫星精准处理方法包括：
获取光学相机面阵分系统参数及观测数据；
根据所述光学相机面阵分系统参数及观测数据，构建旋转光学卫星本体与光学相机面阵分系统焦平面之间几何变换关系，得到卫星本体与相机焦平面转换矩阵；
计算成像时刻的旋转光学卫星姿轨控数据；
根据所述卫星本体与相机焦平面转换矩阵及所述旋转光学卫星姿轨控数据，构建旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型；
根据所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型构建标准影像产品的有理函数拟合模型；
根据所述标准影像产品的有理函数拟合模型进行有理多项式系数参数计算。
2.如权利要求1所述的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法，其特征在于，所述光学相机面阵分系统包括转动补偿机构，其中：
所述转动补偿机构包括摆镜档位机构、快速反射补偿镜及探测器转动机构；
所述旋转大幅宽光学卫星采取天底指向并降低对地速度，转台分系统旋转轴对地，所述转台分系统保持正常工作转速旋转；
所述转台分系统每旋转一周，所述摆镜档位机构的位置挡位进行一次调整，以使光学相机面阵分系统完成对地观测的圆锥扫描。
3.如权利要求2所述的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法，其特征在于，根据所述光学相机面阵分系统参数及观测数据，构建旋转光学卫星本体与光学相机面阵分系统焦平面之间几何变换关系，得到卫星本体与相机焦平面转换矩阵包括：
将所述对地观测的圆锥扫描等效为分别建立光学相机面阵分系统焦平面与转动补偿机构的转换关系、转动补偿机构与光学相机面阵分系统之间的转换关系、光学相机面阵分系统与转台分系统之间的转换关系、转台分系统与旋转光学卫星本体的转换关系，以及旋转光学卫星本体与物方空间的转换关系；
设置成像时刻t，转动补偿机构测量输出的角度为
Figure FDA0002498267080000021
则转动补偿机构与光学相机面阵分系统焦平面之间转换矩阵
Figure FDA0002498267080000022
为：
Figure FDA0002498267080000023
推导得到所述卫星本体与相机焦平面转换矩阵
Figure FDA0002498267080000024
Figure FDA0002498267080000025
其中，
Figure FDA0002498267080000026
表示3×3矩阵，分别为所述光学相机面阵分系统焦平面与转动补偿机构的转换关系、所述转动补偿机构与光学相机面阵分系统之间的转换关系、所述光学相机面阵分系统与转台分系统之间的转换关系、以及所述转台分系统与旋转光学卫星本体的转换关系。
4.如权利要求3所述的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法，其特征在于，计算成像时刻的旋转光学卫星姿轨控数据包括：
采用滑动窗口拟合多项式进行姿态参数建模；
设旋转光学卫星姿态观测值组包括n个时间序列输出值(q1,q2,q3…qn-1,qn)，tk为成像时刻，设置n个时间序列的姿态四元数为(q0i,q1i,q2i,q3i)i＝1,2,…,n，相应m-1次最佳正交多项式
Figure FDA0002498267080000027
拟合如下，
Figure FDA0002498267080000028
其中，t表示时刻，aj,j＝0,1,…,m-1表示多项式系数，设式(3)为各正交多项式δj(t)的线性组合，
Figure FDA0002498267080000029
其中，cj,j＝0,1,…,m-1表示正交多项式系数，根据最小二乘原理得tk成像时刻姿态四元数拟合值如下，
Figure FDA0002498267080000031
其中，
Figure FDA0002498267080000032
表示tk时刻四元数矢量部分拟合值，
Figure FDA0002498267080000033
表示tk时刻四元数标量部分拟合值，
Figure FDA0002498267080000034
表示四元数矢量部分正交多项式拟合系数，
Figure FDA0002498267080000035
表示四元数矢量部分正交多项式。
5.如权利要求4所述的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法，其特征在于，根据所述卫星本体与相机焦平面转换矩阵及所述旋转光学卫星姿轨控数据，构建旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型包括：
基于计算成像时刻的旋转光学卫星姿轨控数据，构建旋转大幅宽光学卫星数据处理几何模型：
Figure FDA0002498267080000036
其中，x,y表示焦平面坐标系下的坐标值；x0,y0表示像主点坐标；Δx,Δy表示焦平面畸变；λ表示成像比例尺；t表示成像时刻；(X,Y,Z)表示像点对应物方坐标；(XGPS(t),YGPS(t),ZGPS(t))表示成像摄影中心坐标，由GPS定轨计算得到；
Figure FDA0002498267080000037
表示3×3矩阵，分别表示J2000到本体旋转矩阵、以及WGS84到J2000旋转矩阵。
Figure FDA0002498267080000038
通过转台分系统、快速反射补偿镜及探测器转动机构测量得到；
Figure FDA0002498267080000039
由星敏感器以及高低频陀螺等测量得到，通过时间t进行内插；
Figure FDA00024982670800000310
由国际地球自转服务组织提供。
6.如权利要求5所述的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法，其特征在于，根据所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型构建标准影像产品RFM拟合模型包括：
采用有理函数模型对所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型进行等效拟合；对像点图像坐标(l，s)、经纬度坐标(B，L)和椭球高H进行正则化处理，使坐标范围在[-1,1]之间；像点图像坐标(l，s)对应的像方归一化坐标(ln，sn)、物方坐标(B，L，H)的归一化坐标(U，V，W)计算公式分别表示为：
Figure FDA0002498267080000041
其中，LineOff,SampleOff分别表示像方坐标的平移值；LineScale,SampleScale分别表示像方坐标的缩放值；LonOff,LatOff,HeiOff分别表示物方坐标的平移值；LonScale,LatScale,HeiScale分别表示物方坐标的缩放值。
7.如权利要求6所述的旋转大幅宽光学卫星精准处理方法，其特征在于，根据所述标准影像产品有理函数拟合模型进行有理多项式系数参数计算包括：对于每一景影像，像方坐标和物方坐标的关系用多项式比值表示如下：
Figure FDA0002498267080000042
公式(8)中的多项式分子、分母分别表示如下：
Figure FDA0002498267080000043
其中，ai,bi,ci,di(i＝1,2,…,20)表示有理多项式系数；
对每帧影像建立全局虚拟格网，基于所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型的正反变换函数，求出物方虚拟格网坐标作为控制点，利用最小二乘平差原理进行参数计算。
8.一种旋转大幅宽光学卫星精准处理系统，其特征在于，所述旋转大幅宽光学卫星精准处理系统包括转换矩阵模块、姿轨控数据计算模块、几何模型构建模块、有理函数拟合模块及系数参数计算模块，其中：
所述光学相机面阵分系统获取观测数据，并发送至所述转换矩阵模块；
所述转换矩阵模块根据所述光学相机面阵分系统参数及观测数据，构建旋转光学卫星本体与光学相机面阵分系统焦平面之间几何变换关系，得到卫星本体与相机焦平面转换矩阵，并发送至所述几何模型构建模块；
所述姿轨控数据计算模块计算成像时刻的旋转光学卫星姿轨控数据，并发送至所述几何模型构建模块；
所述几何模型构建模块根据所述卫星本体与相机焦平面转换矩阵及所述旋转光学卫星姿轨控数据，构建旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型，并发送至所述有理函数拟合模块；
所述有理函数拟合模块根据所述旋转大幅宽光学卫星精准处理几何模型构建标准影像产品的有理函数拟合模型，并发送至所述系数参数计算模块；
所述系数参数计算模块根据所述标准影像产品的有理函数拟合模型进行有理多项式系数参数计算。
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