CN111896009A - 卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正方法，包括建立地面观测者及卫星传感器对同一目标点观测结果间的转换关系，建立卫星影像几何成像模型，成像视线所对应目标点物方坐标改正，建立传感器像点坐标与对应目标点物方坐标的微分关系，成像视线所对应像点坐标改正。本发明给出了成像过程中卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正技术方案，该方案可以直接对像点坐标进行改正，也可以在物方坐标已知时直接对目标点地面坐标加以改正。该方案可以用于对任意时刻任意像点或目标点的坐标改正，使用非常灵活方便。本发明能够适用于高分辨率卫星影像的几何成像模型中系统误差改正，以提高直接定位精度。

Description

卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正方法及系统

技术领域

本发明隶属于遥感技术领域，特别涉及卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正方法及系统。

背景技术

由于卫星绕地球的飞行运动，导致其所搭载之传感器观测或者记录的目标地物位置与其真实位置存在偏差，这项误差类似于天文观测的光行差或者光行时延迟(lightaberration or light-time delay)。光行差表达了由于地球自转及公转速度导致地面观测者观测到的天体方向随观测位置及时间的变化，光行差大小和天体运动以及天体至观测者的距离(一般以光年为单位计量且难以准确得到)无关。光行时延迟表达了光线从天体到达地面观测者过程中天体运动所导致其观测位置与真位置之间的偏差，其大小与天体运动速度以及天体至观测者的距离有关，但是不考虑观测者的运动(地面观测者随地球自转及公转)。光行差一般用于恒星观测方向偏差改正，而光行时延迟一般用于行星的观测位置误差改正。

卫星成像过程中卫星飞行运动导致的视线偏移可以简单理解为，目标地物反射的光线以光速到达传感器的时间内卫星位置相对于地面坐标系也以其相对飞行速度发生了改变，其大小和方向与卫星飞行运动速度以及目标地物至传感器的距离有关。基于电磁波(光线)以直线传播的假设可以建立目标点、像点及投影中心三点位于一条空间直线上的共线方程，卫星影像几何成像模型一般以此为基础建立。由于光速有限及成像过程中卫星绕地球的飞行运动导致动态环境下共线方程不再严格成立，为了提高卫星影像几何定位精度，对这一模型误差进行改正是非常必要的。发明专利CN1017689064A(顾及光行差改正的卫星光学严格几何成像模型构建方法)通过在几何成像模型中增加光行差旋转矩阵的方法对这项误差进行改正，该专利说明书中并未给出附加旋转矩阵(光行差旋转矩阵)建立所需要的光行差(方向偏移角)如何得到，而且在现有软件中应用该方法也不够方便。本发明给出了一种通过直接改正像点坐标或目标点物方坐标以实现该模型误差改正的新方法。

发明内容

本发明的目的是通过改正卫星在成像过程中卫星飞行运动导致的视线偏移以提高卫星影像直接定位精度。

为了达到此目的，本发明提供的技术方案提供一种卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正方法，包括如下步骤，

步骤1，建立地面观测者及卫星传感器对同一目标点观测结果间的转换关系；

步骤2，建立卫星影像几何成像模型；

步骤3，根据步骤1所得转换关系，实现成像视线所对应目标点物方坐标改正；

步骤4，根据步骤2所得卫星影像几何成像模型，建立传感器像点坐标与对应目标点物方坐标的微分关系；

步骤5，根据步骤3和步骤4所得结果，进行成像视线所对应像点坐标改正。

而且，步骤1实现方式如下，

假设卫星平台观测坐标系方向与地球上的观测坐标系方向一致，根据伽利略变换及几何关系，空间一点在地球坐标系下观测到的坐标[X，Y，Z]及其在卫星平台上观测到的坐标[X_sat，Y_sat，Z_sat]满足如下变换关系，

其中，[X_s，Y_s，Z_s]为卫星传感器在地球坐标系下的坐标，v_x，v_y，v_z是卫星平台飞行运动在地心直角坐标系下的速度分量，dt为物方点反射的光线以光速到达卫星位置所需要的时间。

而且，步骤2实现方式如下，

影像中任一扫描行对应之成像几何表达为瞬时投影中心、影像像点及其对应目标点三者的共线条件方程，卫星影像理想几何成像模型的一般形式表示为：

其中，(s，l)是像点坐标，(x₀，y₀)是像主点坐标，f是等效主距；[X，Y，Z]是目标点在地心直角坐标系下的坐标，[X_s(l)，Y_s(l)，Z_s(l)]是扫描行l对应时刻的投影中心瞬时位置在地心直角坐标系下的坐标；R_o(l)是卫星轨道坐标系在地心直角坐标系下的瞬时姿态矩阵，R_s(l)是传感器在轨道参考坐标系下的姿态矩阵；λ是一个比例系数，等于成像视线矢量在物方空间坐标系的长度与像方空间坐标系长度之比。

而且，步骤3实现方式如下，

设物方点反射的光线以光速c经过时间dt在时刻t到达卫星位置S(t)，并以该时刻对应的传感器姿态成像于相应的像点，由像点和该时刻对应的传感器瞬时位置及姿态构成的成像光线与物方点P共线；

成像过程中像点所对应的物方点该是反射该成像光线的点，由于卫星和地面的相对运动，该物方点以速度-v相对于卫星平台移动到了位置P’；

由式(1)得到成像视线所对应目标点由卫星传感器所观测到的物方坐标改正量[ΔX，ΔY，ΔZ]如下，

其中，K为目标点到投影中心的距离。

而且，步骤4实现方式如下，

对公式(2)做微分得到下式，

其中，K为目标点到投影中心的距离，k为像点所构成的视线矢量长度。

而且，步骤5实现方式如下，

将公式(3)代入公式(4)并整理后得到成像视线所对应像点坐标的视差偏移改正项如下，

其中，k为像点所构成的视线矢量长度，v_x(l)，v_y(l)，v_z(l)是卫星平台飞行运动在地心直角坐标系下的瞬时速度分量，

是瞬时姿态矩阵R_o(l)的转置，

是姿态矩阵R_s(l)的转置。

而且，基于地球自转线速度随纬度变化，逐点计算像点坐标改正量以实现高分辨率卫星影像的高精度定位。

本发明还提供一种卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正系统，用于如上所述的一种卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正方法。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果：

本发明给出了成像过程中卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正技术方案，该方案可以直接对像点坐标进行改正，也可以在物方坐标已知时直接对目标点地面坐标加以改正。该方案可以用于对任意时刻任意像点或目标点的坐标改正，使用非常灵活方便。本发明能够适用于高分辨率卫星影像的几何成像模型中系统误差改正，以提高直接定位精度。

附图说明

图1为本发明实施例成像过程中卫星飞行运动导致的成像视线偏移示意图。

图2为本发明实施例运动视差导致的位置偏移与卫星飞行高度及侧视角关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

参见图1，本发明实施例提供的一种卫星影像成像过程中卫星飞行运动导致的视线偏移改正方法，包括以下步骤：

步骤1，建立地面观测者及卫星传感器对同一目标点观测结果间的转换关系。

地球自转及卫星平台绕地球的飞行运动可以理解为两者在一个惯性坐标系下做相对运动，分别在地面及卫星平台上对同一地面目标点进行观测，两组观测坐标之间的关系可以按照狭义相对论及光速不变原理来分析，并通过洛伦兹变换表达。考虑到卫星平台相对于地球的运动速度远小于光速，相对论效应所导致的时间及空间尺度变化可以或略不计，两组观测坐标可以通过经典的伽利略变换来实现。

假设卫星平台观测坐标系方向与地球上的观测坐标系方向一致，根据伽利略变换及图1所示的几何关系，空间一点在地球坐标系下观测到的坐标[X，Y，Z]及其在卫星平台上观测到的坐标[X_sat，Y_sat，Z_sat]满足如下变换关系，

其中，[X_s，Y_s，Z_s]为卫星传感器在地球坐标系下的坐标，v_x，v_y，v_z是卫星平台飞行运动在地心直角坐标系下的速度分量，dt为物方点反射的光线以光速到达卫星位置所需要的时间。

步骤2，卫星影像几何成像模型建立。

卫星影像一般采用线阵CCD推扫成像方式获取，每一个成像时刻获取一行影像，随着卫星的运动形成连续的条带影像。独立获取的每一行影像可以理解为中心投影，其理想成像几何满足共线方程。考虑卫星平台的飞行运动规律、传感器结构特征、坐标系定义方式等因素，通过对共线方程进行不同方式的扩展，严格几何成像模型可以有多种表达形式。

实施例中，选择地心直角坐标系作为物方坐标系，投影中心作为卫星轨道参考坐标系原点，其在物方坐标系下的位置矢量作为z轴，x轴位于卫星飞行运动矢量与z轴构成的平面内并指向运动矢量方向，y轴垂直于xz平面，其方向由右手螺旋法则确定。影像中任一扫描行对应之成像几何可以表达为瞬时投影中心、影像像点及其对应目标点三者的共线条件方程。卫星影像理想几何成像模型的一般形式可表示为：

其中，(s，l)是像点坐标，(x₀，y₀)是像主点坐标，f是等效主距。[X，Y，Z]是目标点在地心直角坐标系下的坐标，[X_s(l)，Y_s(l)，Z_s(l)]是扫描行l对应时刻的投影中心瞬时位置在地心直角坐标系下的坐标。R_o(l)是卫星轨道坐标系在地心直角坐标系下的瞬时姿态矩阵，可以通过卫星瞬时位置矢量及其对应的速度矢量(轨道方程的一阶导数)计算得到。R_s(l)是传感器在轨道参考坐标系下的姿态矩阵，反应了传感器坐标系相对于卫星轨道坐标系之间的旋转，例如，前视、后视相机的俯仰角，侧视相机的侧摆角等。λ是一个比例系数，其取值等于成像视线矢量在物方空间坐标系的长度与像方空间坐标系长度之比。

步骤3，成像视线所对应目标点物方坐标改正。

如图1所示，物方点反射的光线以光速c经过时间dt(距离为c·dt)在时刻t到达卫星位置S(t)，并以该时刻对应的传感器姿态成像于相应的像点，由像点和该时刻对应的传感器瞬时位置及姿态构成的成像光线与物方点P共线。成像过程中像点所对应的物方点应该是反射该成像光线的点，由于卫星和地面的相对运动，该物方点以速度-v相对于卫星平台移动到了位置P’(距离为v·dt)。由方程(1)可以得到成像视线所对应目标点由卫星传感器所观测到的物方坐标改正量，即[ΔX，ΔY，ΔZ]为：

其中，K为目标点到投影中心的距离，当目标点物方坐标及投影中心坐标已知时可按以上公式计算目标点物方坐标改正项。

步骤4，传感器像点坐标与对应目标点物方坐标的微分关系建立。

对公式(2)做微分可以得到：

其中，K为目标点到投影中心的距离，k为像点所构成的视线矢量长度。

步骤5，成像视线所对应像点坐标改正。

将公式(3)代入公式(4)并整理后可以得到成像视线所对应像点坐标的视差偏移改正项如下，

其中，k为像点所构成的视线矢量长度，当像点坐标及内方位元素已知时可按公式(4)计算得到，v_x(l)，v_y(l)，v_z(l)是卫星平台飞行运动在地心直角坐标系下的瞬时速度分量，

是瞬时姿态矩阵R_o(l)的转置，

是姿态矩阵R_s(l)的转置。

由于卫星平台在地心地固坐标系下的运动速度由卫星绕地球的飞行速度以及地球自转速度组成，考虑到地球自转线速度随纬度变化，所以像点坐标改正量大小和卫星位置以及传感器姿态有关，对于高分辨率卫星影像的高精度定位，这项改正应该逐点计算。

以不同卫星飞行高度计算运动视差改正随侧摆角的变化，如图2所示，当侧摆角大于10度时卫星运动视差导致的位置偏移随着侧摆角的增加快速增大。

具体实施时，本发明技术方案提出的方法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，运行方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。

在详细说明的较佳实施例之后，熟悉该项技术人士可清楚地了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。且本发明亦不受说明书中所举实例实施方式的限制。

Claims (8)

1.一种卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1，建立地面观测者及卫星传感器对同一目标点观测结果间的转换关系；

步骤2，建立卫星影像几何成像模型；

步骤3，根据步骤1所得转换关系，实现成像视线所对应目标点物方坐标改正；

步骤4，根据步骤2所得卫星影像几何成像模型，建立传感器像点坐标与对应目标点物方坐标的微分关系；

步骤5，根据步骤3和步骤4所得结果，进行成像视线所对应像点坐标改正。

2.根据权利要求1所述卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正方法，其特征在于：步骤1实现方式如下，

假设卫星平台观测坐标系方向与地球上的观测坐标系方向一致，根据伽利略变换及几何关系，空间一点在地球坐标系下观测到的坐标[X，Y，Z]及其在卫星平台上观测到的坐标[X_sat，Y_sat，Z_sat]满足如下变换关系，

其中，[X_s，Y_s，Z_s]为卫星传感器在地球坐标系下的坐标，v_x，v_y，v_z是卫星平台飞行运动在地心直角坐标系下的速度分量，dt为物方点反射的光线以光速到达卫星位置所需要的时间。

3.根据权利要求2所述卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正方法，其特征在于：步骤2实现方式如下，

影像中任一扫描行对应之成像几何表达为瞬时投影中心、影像像点及其对应目标点三者的共线条件方程，卫星影像理想几何成像模型的一般形式表示为：

其中，(s，l)是像点坐标，(x₀，y₀)是像主点坐标，f是等效主距；[X，Y，Z]是目标点在地心直角坐标系下的坐标，[X_s(l)，Y_s(l)，Z_s(l)]是扫描行l对应时刻的投影中心瞬时位置在地心直角坐标系下的坐标；R_o(l)是卫星轨道坐标系在地心直角坐标系下的瞬时姿态矩阵，R_s(l)是传感器在轨道参考坐标系下的姿态矩阵；λ是一个比例系数，等于成像视线矢量在物方空间坐标系的长度与像方空间坐标系长度之比。

4.根据权利要求3所述卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正方法，其特征在于：步骤3实现方式如下，

设物方点反射的光线以光速c经过时间dt在时刻t到达卫星位置S(t)，并以该时刻对应的传感器姿态成像于相应的像点，由像点和该时刻对应的传感器瞬时位置及姿态构成的成像光线与物方点P共线；

成像过程中像点所对应的物方点该是反射该成像光线的点，由于卫星和地面的相对运动，该物方点以速度-v相对于卫星平台移动到了位置P’；

由式(1)得到成像视线所对应目标点由卫星传感器所观测到的物方坐标改正量[ΔX，ΔY，ΔZ]如下，

其中，K为目标点到投影中心的距离。

5.根据权利要求4所述卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正方法，其特征在于：步骤4实现方式如下，

对公式(2)做微分得到下式，

其中，K为目标点到投影中心的距离，k为像点所构成的视线矢量长度。

6.根据权利要求5所述卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正方法，其特征在于：步骤5实现方式如下，

将公式(3)代入公式(4)并整理后得到成像视线所对应像点坐标的视差偏移改正项如下，

其中，k为像点所构成的视线矢量长度，v_x(l)，v_y(l)，v_z(l)是卫星平台飞行运动在地心直角坐标系下的瞬时速度分量，

是瞬时姿态矩阵R_o(l)的转置，

是姿态矩阵R_s(l)的转置。

7.根据权利要求6所述卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正方法，其特征在于：基于地球自转线速度随纬度变化，逐点计算像点坐标改正量以实现高分辨率卫星影像的高精度定位。

8.一种卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正系统，其特征在于：用于如权利要求1至7所述的一种卫星飞行运动导致的成像视线偏移改正方法。

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