CN111912430B - 高轨光学卫星的在轨几何定标方法、装置、设备及介质 - Google Patents

高轨光学卫星的在轨几何定标方法、装置、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高轨光学卫星的在轨几何定标方法、装置、设备及介质。该方法包括：检测高轨光学卫星的光学图像，确定光学图像中的各个海上目标；确定在光学图像的成像时刻各个海上目标分别对应的船舶自动识别AIS系统位置，将各个AIS系统位置作为与高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置；根据各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数和在轨内定标参数；其中，在轨外定标参数用于描述所述高轨光学卫星的光学相机的安装情况，在轨内定标参数用于描述光学相机的内部畸变情况。上述技术方案实现了对高轨光学卫星的在轨几何定标，方案简单且成本低。

Description

高轨光学卫星的在轨几何定标方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明实施例涉及遥感卫星摄影测量技术领域，尤其涉及一种高轨光学卫星的在轨几何定标方法、装置、设备及介质。
背景技术
高轨光学卫星是新一代地球观测卫星，极大地提高了卫星的时间分辨率与覆盖范围，能够实现大范围内连续、实时、长时间地目标监视，获得比传统低轨卫星更多的动态信息，在海上目标监视方面具有重大的应用潜力。随着星上处理能力的不断提升，星上实时进行海上目标检测成为了可能。在海上目标检测之后，还需要对海上目标进行几何定位，得到海上目标的真实地理位置，从而能够为用户决策及时提供信息。
一般在高轨光学卫星发射前，需要在实验室对高轨光学卫星进行严格的几何定标，包括高轨光学卫星的光学相机的内定标参数以及光学相机相对于姿控系统的安装关系(也称为外定标参数)。然而，由于高轨光学卫星发射过程中的振动现象以及入轨后热环境、力环境等的变化，各种定标参数都会偏离实验室中的定标值。因此，需要对高轨光学卫星进行卫星在轨几何定标。
目前，针对高轨光学卫星的在轨几何定标的研究较少，主要是基于地面高精度定标场进行在轨几何定标，需要大范围分布高精度地面控制点，人力、时间、经济等成本均较高。另外，相关技术中提到可以利用多景高分辨率影像提取地面控制点进行在轨几何定标，但是高轨光学卫星的光学图像幅宽大，需要大量精确几何校正的低轨图像进行拼接等处理，针对红外图像还需要与可见光图像进行异质图像配准，定标过程较为复杂。
发明内容
本发明实施例提供一种高轨光学卫星的在轨几何定标方法、装置、设备及介质，以对现有技术中高轨光学卫星的在轨几何定标方法进行优化，降低在轨几何定标方法的成本及复杂度。
第一方面，本发明实施例提供了一种高轨光学卫星的在轨几何定标方法，包括：
检测高轨光学卫星的光学图像，确定所述光学图像中的各个海上目标；
确定在所述光学图像的成像时刻各个所述海上目标分别对应的AIS(AutomaticIdentification System，船舶自动识别)系统位置，将各个所述AIS系统位置作为与所述高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置；
根据所述各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的所述高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数和在轨内定标参数；其中，所述在轨外定标参数用于描述所述高轨光学卫星的光学相机的安装情况，所述在轨内定标参数用于描述所述光学相机的内部畸变情况。
第二方面，本发明实施例还提供了一种高轨光学卫星的在轨几何定标装置，该装置包括：
光学图像检测模块，设置为检测高轨光学卫星的光学图像，确定所述光学图像中的各个海上目标；
AIS系统地面控制点确定模块，设置为确定在所述光学图像的成像时刻各个所述海上目标分别对应的AIS系统位置，将各个所述AIS系统位置作为与所述高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置；
在轨定标参数解析模块，设置根据所述各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的所述高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数和在轨内定标参数；其中，所述在轨外定标参数用于描述所述高轨光学卫星的光学相机的安装情况，所述在轨内定标参数用于描述所述光学相机的内部畸变情况。
第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现任意实施例所述的高轨光学卫星的在轨几何定标方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任意实施例所述的高轨光学卫星的在轨几何定标方法。
本发明实施例提供的技术方案中，检测高轨光学卫星采集的光学图像，确定光学图像中的各个海上目标，基于AIS系数数据确定在光学图像的成像时刻各个海上目标分别对应的AIS系统位置，并作为与高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置，进而根据各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数和在轨内定标参数，以此实现了对高轨光学卫星的在轨几何定标，方案简单，成本低。由于AIS系统数据的经纬度定位精度约为10m，高轨光学卫星采集的光学图像的分辨率为100m时就可以有效地检测到海上目标，因此，本发明实施例提供的技术方案适用于对光学图像分辨率为10m～100m的高轨光学卫星进行在轨几何定标，对高轨光学卫星的对地监视应用具有很好的适应性。
附图说明
图1是本发明实施例一中的一种高轨光学卫星的在轨几何定标方法的流程图；
图2是本发明实施例二中的一种高轨光学卫星的在轨几何定标方法的流程图；
图3是本发明实施例二中的AIS数据点集与光学图像检测数据点集的匹配示意图；
图4是本发明实施例三中的一种高轨光学卫星的在轨几何定标装置的模块结构示意图；
图5是本发明实施例四中的一种计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
为了便于理解，将本发明实施例的主要发明构思进行简述。
目前，在高轨光学卫星在轨几何定标方面研究较少，主要是基于地面高精度定标场进行几何定标，但是需要大范围分布的高精度地面控制点，成本较高。而基于多景高分辨率影像进行几何定标的方法，需要大量精确几何校正的低轨图像进行拼接等处理，对于红外图像还需要与可见光图像进行异质图像配准，定标过程较为复杂。
AIS系统是一种基于卫星导航技术(GPS、北斗等导航卫星)，广泛应用在船舶导航与海洋监视的船舶自播报系统。其中，一定时空范围内的AIS系统数据可以从一些商业公司或者海事部门中获取。
AIS系统数据的经纬度定位精度约为10m，安装差分GPS设备的定位精度更高，而目前高轨光学卫星的可见光近红外、红外图像分辨率均小于AIS定位精度。因此，可以将广泛分布的高精度船舶AIS系统位置作为地面控制点，进行高轨光学卫星的在轨几何定标。由于100m分辨率的图像就可以有效检测到海上目标，因此，本实施例提供的在轨几何定标方法适用于10m～100m的高轨光学卫星的在轨几何定标，对高轨光学卫星的对地监视应用具有很好的适应性。
基于上述思考，发明人创造性地提出了一种高轨光学卫星的在轨几何定标方法，该方法具体包括：
检测高轨光学卫星的光学图像，确定所述光学图像中的各个海上目标；
确定在所述光学图像的成像时刻各个所述海上目标分别对应的船舶自动识别AIS系统位置，将各个所述AIS系统位置作为与所述高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置；
根据所述各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的所述高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数和在轨内定标参数；其中，在轨外定标参数用于描述高轨光学卫星的光学相机的安装情况；在轨内定标参数用于描述光学相机的内部畸变情况。
本实施例中，将光学相机的内部畸变作为内定标参数，光学相机的安装误差作为外定标参数。需要说明的是，本实施例中，实验在轨外定标参数和在轨外定标参数均是高轨光学卫星的外定标参数，前者是指在高轨光学卫星发射前在实验中标定的，后者是指在高轨光学卫星发射后在轨进行标定的；同理，实验在轨内定标参数和在轨内定标参数均是高轨光学卫星的内定标参数，前者是指在高轨光学卫星发射前在实验中标定的，后者是指在高轨光学卫星发射后在轨进行标定的。
高轨光学卫星在静止轨道定点部署，采用面阵探测器成像，其光学相机视场角较小，焦距较长，几何畸变主要反映为低阶畸变，本实施例中可以采用常见的三次多项式模型作为光学相机的内定标模型，如下所示：
tan(ψv(l,s))＝a0+a1l+a2s+a3ls+a4l2+a5s2+a6l2s+a7ls2+a8l3+a9s3
tan(ψa(l,s))＝b0+b1l+b2s+b3ls+b4l2+b5s2+b6l2s+b7ls2+b8l3+b9s3
其中，tan(ψv(l,s))、tan(ψa(l,s))分别为垂轨方向和沿轨方向上的光轴指向角，l,s分别表示像素坐标中像素行号和像素列号，a0～a9、b0～b9为在轨内定标参数。
预先建立的高轨光学卫星的在轨几何定标模型(或称严密成像几何模型)可以表示为：
Figure BDA0002632236670000041
其中，t表示光学图像的成像时刻，λ为比例系数，
Figure BDA0002632236670000042
分别代表光学相机坐标系到卫星本体坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到星敏感器的旋转矩阵、星敏感器到J2000坐标系的旋转矩阵、J2000坐标系到WGS-84坐标系的旋转矩阵，(X,Y,Z)T表示在WGS-84坐标系下的三维直角坐标，(Xs,Ys,Zs)T表示在J2000坐标系下的坐标。
由于高轨光学卫星难于接收到GPS信号，卫星轨道信息主要由地面观测站预报得到。
记
Figure BDA0002632236670000051
其中，RU表示光学相机相对姿态测量系统的安装矩阵，ptich,roll,yaw为光学相机的安装角(分别俯仰角、翻滚角和偏航角)。
记高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨内定标参数为XI＝(a0,…,a9,b0,…,b9)T，用于描述和确定光学相机的内部畸变；记高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数为XE＝(ptich,roll,yaw)T。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种高轨光学卫星的在轨几何定标方法的流程图。本实施例可适用于在海洋场景下利用广泛分布的AIS数据对高轨光学卫星进行在轨几何定标的情况，该方法可以由本发明任意实施例提供的高轨光学卫星的在轨几何定标装置来执行，该装置可由硬件和/或软件组成，并一般可集成在计算机设备中，例如可以是与高轨光学卫星对应的地面观测站设备中。
如图1所示，本实施例提供的高轨光学卫星的在轨几何定标方法包括以下步骤：
S110、检测高轨光学卫星的光学图像，确定光学图像中的各个海上目标。
高轨光学卫星，指的是运行在高轨道平台的光学卫星，高轨道一般指的是卫星的飞行高度大于20000公里。其中，在本实施例中，高轨光学卫星的飞行轨道指的是静止轨道(也称同步轨道)。
高轨光学卫星在海洋场景下采集到光学图像，发送回地面观测站设备中。地面观测站设备对光学图像进行图像检测识别，识别得到光学图像中的各个海上目标。其中，海上目标指的是在海上采集到的目标物。
在一种可选的实施方式中，检测高轨光学卫星的光学图像，确定光学图像中的各个海上目标，可以包括：
采用峰值信噪比检测的方法对高轨光学卫星的光学图像进行海上目标检测；
将信噪比超过预设信噪比阈值的区域标记为海上目标待定区域；其中，每个海上目标待定区域中包括一个海上目标；
对各个海上目标待定区域进行形态学滤波处理，得到分别与各个海上目标待定区域对应的各个海上目标区域；其中，形态学滤波处理包括膨胀预算、腐蚀运算、开运算、闭运算中的一种或多种；
将每个海上目标区域中图像灰度值最大的像素位置，分别作为与各个海上目标在光学图像中的像素位置。
可选的，海上目标在光学图像中的像素位置通过(s,l)GEO进行表示，s，l分别表示在光学图像中的像素列号和像素行号。
S120、确定在光学图像的成像时刻各个海上目标分别对应的AIS系统位置，将各个AIS系统位置作为与高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置。
利用与光学图像相同的场景下的AIS系统数据，光学图像中的各个海上目标进行时空配准，确定各个海上目标在光学图像的成像时刻的AIS系统位置，并将这些AIS系统位置作为与高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置。
作为一种可选的实施方式，确定在光学图像的成像时刻各个海上目标分别对应的AIS系统位置，包括：
确定光学图像的成像区域；获取在预设时间段内成像区域中的AIS系统数据，其中，光学图像的成像时刻包含于预设时间段内；根据在预设时间段内成像区域中的AIS系统数据，确定在光学图像的成像时刻各个海上目标分别对应的AIS系统位置。
估算光学图像大致的成像区域，从地面观测站的AIS数据库中提取该成像区域内一段时间范围内(包含光学图像的成像时刻)的AIS数据。可选的，AIS数据来源于岸基、星载等平台。
作为一种可选的实施方式，确定光学图像的成像区域，可以包括：
根据在轨几何定标模型以及地球椭球方程，计算光学图像四个顶点的地理位置坐标；根据光学图像四个顶点的地理位置坐标，确定光学图像的成像区域。
为了得到成像区域的粗略地理位置，还需要进行几何定位。高轨光学卫星发射之前，通过实验室几何定标可以得到定标参数(即实验内定标参数和实验外定标参数)，光学图像的成像时刻的姿态、轨道参数可以通过插值的方式得到。
由于预先建立的高轨光学卫星的在轨几何定标模型中存在X、Y、Z、λ四个未知数，无法建立光学图像中像素坐标与地面坐标的一一对应关系，在此基础上引入地球椭球方程：
Figure BDA0002632236670000061
其中，A＝a+h，B＝b+h，h为地面点高程，a、b分别表示地球椭球的长短半轴。针对WGS-84坐标系的椭球，a＝6378137.0m，b＝6356752.3m。
设像素位置为(s,l)(s表示像素列号，l表示像素行号)，由于成像区域为海洋区域，高程h可以近似为0。通过方程联立求解，可以计算得到与该像素位置对应的点在WGS-84坐标系中的三维直角坐标，再通过坐标变化可以将三维直角坐标转换成GPS大地坐标(B,L,H)。
进而，计算光学图像四个角上的点在WGS-84坐标系中的三维直角坐标，并转换为GPS大地坐标(B,L,H)，即可估算出高轨光学卫星大致的成像区域。
根据从地面观测站的AIS数据库中提取的该成像区域内一段时间范围内(包含光学图像的成像时刻)的AIS数据，能够确定在光学图像的成像时刻一些目标的AIS系统位置，可选的，将确定的这些目标的AIS系统位置直接作为在光学图像的成像时刻各个海上目标分别对应的AIS系统位置。
若根据这些AIS数据无法直接确定在光学图像的成像时刻一些目标的AIS系统位置，可选的，使用差值的方法确定在光学图像的成像时刻一些目标的AIS系统位置。
在确定在光学图像的成像时刻各个海上目标分别对应的AIS系统位置之后，即可将这些AIS系统位置作为与高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置。其中，AIS系统位置为GPS位置，坐标格式为GPS大地坐标(B,L,H)T，可以通过坐标转换将每个地面控制点的位置转换为WGS-84三维直角坐标(X,Y,Z)T。
S130、根据各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数和在轨内定标参数。
根据各个地面控制点的位置数据，先对高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数进行求解，再对在轨内定标参数进行求解。
在本步骤中，各个地面控制点的位置数据为WGS-84三维直角坐标(X,Y,Z)T形式。
可选的，根据各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数，包括：
将实验外定标参数作为在轨外定标参数的当前值；
根据在轨外定标参数的当前值、所述各个地面控制点的位置数据，以及预先构建的残差函数和第一误差方程，解算在轨外定标参数修正值；
将在轨外定标参数修正值叠加在所述在轨外定标参数的当前值上，对在轨外定标参数的当前值进行更新，返回执行根据在轨外定标参数的当前值、各个地面控制点的位置数据，以及预先构建的残差函数和第一误差方程，解算在轨外定标参数修正值的步骤，直至所述在轨外定标参数修正值小于第一设定阈值；
将所述在轨外定标参数的当前值作为所述在轨外定标参数的目标值；
其中，第一误差方程是在将实验内定标参数作为已知量，将在轨外定标参数作为未知量的条件下构建的。
记第i个地面控制点的WGS-84三维直角坐标为(X,Y,Z)i T，i＝1,2,…,N，N为地面控制点的数量。
记
Figure BDA0002632236670000081
构建像素坐标系下垂轨方向和沿轨方向上的残差函数如下：
Figure BDA0002632236670000082
其中，F(XE,XI)为垂轨方向上的残差函数，G(XE,XI)为沿轨方向上的残差函数。
记实验内定标参数为
Figure BDA0002632236670000083
实验外定标参数为
Figure BDA0002632236670000084
将实验内定标参数
Figure BDA0002632236670000085
作为已知量(或称为真值)，也即将实验内定标参数
Figure BDA0002632236670000086
假定为在轨内定标参数XI,将在轨外定标参数XE作为未知量的条件下构建第一误差方程，如下：VEi＝AiX-Li,Pi，
Figure BDA0002632236670000087
其中，VEi为第i个地面控制点的残差，Ai为第一误差方程的系数矩阵，X1为在轨外定标参数修正值，Li为由在轨内定标参数的当前值和在轨外定标参数的当前值得到的常数向量，Pi为第i个地面控制点的权值。
根据实验内定标参数为
Figure BDA0002632236670000088
当前的在轨外定标参数XE(初始值为实验外定标参数为
Figure BDA0002632236670000089
)，计算所有地面控制点的残差，针对所有地面控制点的残差通过最小二乘法解算在轨外定标参数修正值X1，得到：
Figure BDA00026322366700000810
将在轨外定标参数修正值叠加在在轨外定标参数的当前值上，对在轨外定标参数的当前值进行更新，即将XE+X1赋值给XE。
重复解算在轨外定标参数修正值X1、并更新在轨外定标参数XE的当前值的过程，也即根据实验内定标参数为
Figure BDA00026322366700000811
当前的在轨外定标参数XE，计算所有地面控制点的残差，针对所有地面控制点的残差通过最小二乘法重新解算在轨外定标参数修正值X1，并对在轨外定标参数XE进行更新迭代。
需要注意的是，在轨外定标参数XE的每次更新迭代过程中，计算残差函数及第一误差方程时所需的在轨内定标参数和在轨外定标参数均是在轨内定标参数的当前值和在轨外定标参数的当前值。
其中，在轨内定标参数的当前值是实验内定标参数
Figure BDA0002632236670000091
在轨外定标参数的当前值随着迭代而变化，迭代初始值为实验外定标参数
Figure BDA0002632236670000092
由此循环，直至解算得到的在轨外定标参数修正值X1小于第一设定阈值，此时得到的在轨外定标参数XE的当前值即为解析预先建立的高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数的目标值。
进一步的，根据各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的在轨几何定标模型中的在轨内定标参数，可以包括：
将实验内定标参数作为所述在轨内定标参数的当前值；
根据在轨内定标参数的当前值、各个地面控制点的位置数据，以及预先构建的残差函数和第二误差方程，解算在轨内定标参数修正值；
将在轨内定标参数修正值叠加在所述在轨内定标参数的当前值上，对所述在轨内定标参数的当前值进行更新，返回执行根据在轨内定标参数的当前值、各个地面控制点的位置数据，以及预先构建的残差函数和第二误差方程，解算在轨内定标参数修正值的步骤，直至在轨内定标参数修正值小于第二设定阈值；
将所述在轨内定标参数的当前值作为所述在轨内定标参数的目标值；
其中，第二误差方程是在将解析得到的在轨外定标参数的目标值作为已知量，将在轨内定标参数作为未知量的条件下构建的。
解析预先建立的在轨几何定标模型中的在轨内定标参数时采用的残差函数与解析预先建立的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数时采用的残差函数是相同的，均是：
Figure BDA0002632236670000093
将解析得到的在轨外定标参数XE作为已知量(或称为真值)，将在轨外内标参数XI作为未知量的条件下构建第二误差方程，如下：VIi＝BiXI-Li,Pi，
Figure BDA0002632236670000101
其中，VIi为第i个地面控制点的残差，Bi为第二误差方程的系数矩阵，X2为在轨外定标参数修正值，Li为由在轨内定标参数的当前值和在轨外定标参数的当前值得到的常数向量，Pi为第i个地面控制点的权值。
根据解析得到的在轨外定标参数XE，当前的在轨内定标参数XI(初始值为实验外定标参数为
Figure BDA0002632236670000102
)，计算所有地面控制点的残差，针对所有地面控制点的残差通过最小二乘法解算在轨内定标参数修正值X2，得到：
Figure BDA0002632236670000103
将在轨内定标参数修正值叠加在在轨内定标参数的当前值上，对在轨内定标参数的当前值进行更新，即将XI+X2赋值给XI。
重复解算在轨内定标参数修正值X2、并更新在轨内定标参数XI的当前值的过程，也即根据解析得到的在轨外定标参数XE，当前的在轨内定标参数XI，计算所有地面控制点的残差，针对所有地面控制点的残差通过最小二乘法重新解算在轨内定标参数修正值X2，并对在轨内定标参数XI进行更新迭代。
需要注意的是，在轨外定标参数XI的每次更新迭代过程中，计算残差函数及第二误差方程时所需的在轨内定标参数和在轨外定标参数均是在轨内定标参数的当前值和在轨外定标参数的当前值。
其中，在轨外定标参数的当前值是解析得到的在轨外定标参数的目标值XE，在轨内定标参数的当前值随着迭代而变化，迭代初始值为实验内定标参数
Figure BDA0002632236670000104
由此循环，直至解算得到的在轨内定标参数修正值X2小于第二设定阈值，此时得到的在轨内定标参数XI的当前值即为解析预先建立的高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨内定标参数的目标值。其中，第一设定阈值可以和第二设定阈值相等，也可以不相等。
解析到预先建立的高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数和在轨内定标参数，即可实现高轨光学卫星的在轨几何定标。
本发明实施例提供的技术方案中，检测高轨光学卫星采集的光学图像，确定光学图像中的各个海上目标，基于AIS系数数据确定在光学图像的成像时刻各个海上目标分别对应的AIS系统位置，并作为与高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置，进而根据各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数和在轨内定标参数，以此实现了对高轨光学卫星的在轨几何定标，方案简单，成本低。由于AIS系统数据的经纬度定位精度约为10m，高轨光学卫星采集的光学图像的分辨率为100m时就可以有效地检测到海上目标，因此，本发明实施例提供的技术方案适用于对光学图像分辨率为10m～100m的高轨光学卫星进行在轨几何定标，对高轨光学卫星的对地监视应用具有很好的适应性。
实施例二
图2是本发明实施例二提供的一种高轨光学卫星的在轨几何定标方法的流程图。本实施例以上述实施例为基础进行具体化，其中，将各个AIS系统位置作为与高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置之前，还包括：
计算各个AIS系统位置在所述光学图像中的像素位置；将各个AIS系统位置在所述光学图像中的像素位置，与所述光学图像中的各个海上目标的像素位置进行点集匹配；
对应的，将各个AIS系统位置作为与高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置，包括：将点集匹配成功的各个AIS系统位置作为与高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置。
如图2所示，本实施例提供的高轨光学卫星的在轨几何定标方法包括以下步骤：
S210、检测高轨光学卫星的光学图像，确定光学图像中的各个海上目标的像素位置。
其中，光学图像中的各个海上目标的像素位置分别记为(s,l)GEO。
S220、根据在轨几何定标模型以及地球椭球方程，计算光学图像四个顶点的地理位置坐标，确定光学图像的成像区域。
S230、获取在预设时间段内成像区域中的AIS系统数据，其中，光学图像的成像时刻包含于预设时间段内。
S240、在AIS系统数据中确定在光学图像的成像时刻各个海上目标分别对应的AIS系统位置。
S250、计算各个AIS系统位置在光学图像中的像素位置。
其中，AIS系统位置为GPS位置，坐标格式为GPS大地坐标(B,L,H)T，可以通过坐标转换将每个地面控制点的位置转换为WGS-84三维直角坐标(X,Y,Z)T，再通过根据与实验外定标参数、实验内定标参数对应的实验几何定标模型，将WGS-84三维直角坐标(X,Y,Z)T转换为在光学图像中的像素位置(s,l)AIS。
S260、将各个AIS系统位置在光学图像中的像素位置，与光学图像中的各个海上目标的像素位置进行点集匹配。
由于高轨光学卫星的几何定标模型中存在系统误差与随机误差，会导致同一个海上目标的(s,l)GEO与(s,l)AIS的位置存在偏差，可以采用非刚性配准算法在像素坐标下进行海上目标关联，以及对(s,l)GEO与(s,l)AIS进行点集匹配。
可选的，采用一致性点漂移算法(Coherent Point Drift,CPD)，将各个所述AIS系统位置在所述光学图像中的像素位置，与所述光学图像中的各个海上目标的像素位置进行点集匹配。
如图3所示，采用非刚性配准算法在像素坐标下进行海上目标关联。由于一致性点漂移算法具有很强的抗噪声与干扰性能，故可以选用CPD进行点集匹配。关联上的像素点对应与同一个海上目标，可以作为同名点。
S270、将点集匹配成功的各个AIS系统位置作为与高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置。
将点集匹配成功的各个AIS系统位置作为与高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置，以此提高了地面控制点的精度。
S280、根据各个地面控制点的位置数据，先对高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数进行求解，再对在轨内定标参数进行求解。
本实施例未尽详细解释之处请参见前述实施例，在此不再赘述。
在上述技术方案中，采用光学相机畸变与相机安装误差等参数建立高轨光学卫星面阵光学相机的几何定标模型；对高轨光学卫星的光学图像进行海上目标检测，得到各个海上目标在光学图像上的像素位置；利用同一场景下的AIS数据进行时空配准，通过实验内外定标参数以及卫星姿轨参数等得到AIS数据在光学图像中的像素位置；通过点集配准在像素坐标中进行海上目标关联，得到海上目标关联对；以目标关联成功的AIS数据位置作为各个地面控制点，先对高轨光学卫星进行在轨外定标参数的求解，再进行在轨内定标参数的求解，以此实现了对高轨光学卫星的在轨几何定标，方案简单，成本低。
实施例三
图4是本发明实施例三提供的一种高轨光学卫星的在轨几何定标装置的模块结构示意图。本实施例可适用于在海洋场景下利用广泛分布的AIS数据对高轨光学卫星进行在轨几何定标的情况，该装置可以采用软件和/或硬件的方式实现，并一般可集成在计算机设备中，例如可以是与高轨光学卫星对应的地面观测站设备中。
如图4所示，该装置包括：光学图像检测模块410、AIS系统地面控制点确定模块420和在轨定标参数解析模块430。其中，
光学图像检测模块410，设置为检测高轨光学卫星的光学图像，确定所述光学图像中的各个海上目标；
AIS系统地面控制点确定模块420，设置为确定在所述光学图像的成像时刻各个所述海上目标分别对应的AIS系统位置，将各个所述AIS系统位置作为与所述高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置；
在轨定标参数解析模块430，设置根据所述各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的所述高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数和在轨内定标参数；其中，所述在轨外定标参数用于描述所述高轨光学卫星的光学相机的安装情况，所述在轨内定标参数用于描述所述光学相机的内部畸变情况。
本发明实施例提供的技术方案中，检测高轨光学卫星采集的光学图像，确定光学图像中的各个海上目标，基于AIS系数数据确定在光学图像的成像时刻各个海上目标分别对应的AIS系统位置，并作为与高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置，进而根据各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数和在轨内定标参数，以此实现了对高轨光学卫星的在轨几何定标，方案简单，成本低。由于AIS系统数据的经纬度定位精度约为10m，高轨光学卫星采集的光学图像的分辨率为100m时就可以有效地检测到海上目标，因此，本发明实施例提供的技术方案适用于对光学图像分辨率为10m～100m的高轨光学卫星进行在轨几何定标，对高轨光学卫星的对地监视应用具有很好的适应性。
在一种可选的实施方式中，AIS系统地面控制点确定模块420，包括：
成像区域确定单元，设置为确定所述光学图像的成像区域；
AIS系统数据获取单元，设置为获取在预设时间段内所述成像区域中的AIS系统数据，其中，所述光学图像的成像时刻包含于所述预设时间段内；
海上目标AIS系统位置确定单元，设置为根据在预设时间段内所述成像区域中的AIS系统数据，确定在所述光学图像的成像时刻各个所述海上目标分别对应的AIS系统位置。
进一步的，AIS系统地面控制点确定模块420，具体设置为确定在所述光学图像的成像时刻各个所述海上目标分别对应的AIS系统位置；计算各个所述AIS系统位置在所述光学图像中的像素位置；将各个所述AIS系统位置在所述光学图像中的像素位置，与所述光学图像中的各个海上目标的像素位置进行点集匹配；将点集匹配成功的各个所述AIS系统位置作为与所述高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置。
可选的，AIS系统地面控制点确定模块420具体设置为采用一致性点漂移算法，将各个所述AIS系统位置在所述光学图像中的像素位置，与所述光学图像中的各个海上目标的像素位置进行点集匹配。
进一步的，成像区域确定单元具体设置为根据所述在轨几何定标模型以及地球椭球方程，计算所述光学图像四个顶点的地理位置坐标；根据所述光学图像四个顶点的地理位置坐标，确定所述光学图像的成像区域。
在上述技术方案的基础上，在轨定标参数解析模块430具体设置为将实验外定标参数作为所述在轨外定标参数的当前值；根据所述在轨外定标参数的当前值、所述各个地面控制点的位置数据，以及预先构建的残差函数和第一误差方程，解算在轨外定标参数修正值；将所述在轨外定标参数修正值叠加在所述在轨外定标参数的当前值上，对所述在轨外定标参数的当前值进行更新，返回执行根据所述在轨外定标参数的当前值、所述各个地面控制点的位置数据，以及预先构建的残差函数和第一误差方程，解算在轨外定标参数修正值的步骤，直至所述在轨外定标参数修正值小于第一设定阈值；将所述在轨外定标参数的当前值作为所述在轨外定标参数的目标值；其中，所述第一误差方程是在将实验内定标参数作为已知量，将在轨外定标参数作为未知量的条件下构建的。
进一步的，在轨定标参数解析模块430具体设置为将实验内定标参数作为所述在轨内定标参数的当前值；根据所述在轨内定标参数的当前值、所述各个地面控制点的位置数据，以及预先构建的残差函数和第二误差方程，解算在轨内定标参数修正值；将所述在轨内定标参数修正值叠加在所述在轨内定标参数的当前值上，对所述在轨内定标参数的当前值进行更新，返回执行根据所述在轨内定标参数的当前值、所述各个地面控制点的位置数据，以及预先构建的残差函数和第二误差方程，解算在轨内定标参数修正值的步骤，直至所述在轨内定标参数修正值小于第二设定阈值；将所述在轨内定标参数的当前值作为所述在轨内定标参数的目标值；
其中，所述第二误差方程是在将解析得到的在轨外定标参数的目标值作为已知量，将在轨内定标参数作为未知量的条件下构建的。
本发明实施例所提供的高轨光学卫星的在轨几何定标装置可执行本发明任意实施例所提供的高轨光学卫星的在轨几何定标方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
实施例四
图5是本发明实施例四提供的一种计算机设备的结构示意图，如图5所示，该计算机设备包括处理器50、存储器51、输入装置52和输出装置53；计算机设备中处理器50的数量可以是一个或多个，图5中以一个处理器50为例；计算机设备中的处理器50、存储器51、输入装置52和输出装置53可以通过总线或其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。
存储器51作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的高轨光学卫星的在轨几何定标方法对应的程序指令/模块(例如，图4所示的高轨光学卫星的在轨几何定标装置中的光学图像检测模块410、AIS系统地面控制点确定模块420和在轨定标参数解析模块430)。处理器50通过运行存储在存储器51中的软件程序、指令以及模块，从而执行计算机设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的高轨光学卫星的在轨几何定标方法。
存储器51可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据计算机设备的使用所创建的数据等。此外，存储器51可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器51可进一步包括相对于处理器50远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至计算机设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置52可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与计算机设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置53可包括显示屏等显示设备。
实施例五
本发明实施例五还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，计算机程序在由计算机处理器执行时用于执行一种高轨光学卫星的在轨几何定标方法，该方法包括：
检测高轨光学卫星的光学图像，确定所述光学图像中的各个海上目标；
确定在所述光学图像的成像时刻各个所述海上目标分别对应的船舶自动识别AIS系统位置，将各个所述AIS系统位置作为与所述高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置；
根据所述各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的所述高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数和在轨内定标参数；其中，所述在轨外定标参数用于描述所述高轨光学卫星的光学相机的安装情况，所述在轨内定标参数用于描述所述光学相机的内部畸变情况。
当然，本发明实施例所提供的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其计算机程序不限于如上的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的高轨光学卫星的在轨几何定标方法中的相关操作。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法。
值得注意的是，上述高轨光学卫星的在轨几何定标装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种高轨光学卫星的在轨几何定标方法，其特征在于，包括：
检测高轨光学卫星的光学图像，确定所述光学图像中的各个海上目标；
确定在所述光学图像的成像时刻各个所述海上目标分别对应的船舶自动识别AIS系统位置，将各个所述AIS系统位置作为与所述高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置；
根据所述各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的所述高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数和在轨内定标参数；其中，所述在轨外定标参数用于描述所述高轨光学卫星的光学相机的安装情况，所述在轨内定标参数用于描述所述光学相机的内部畸变情况；
其中，预先建立的高轨光学卫星的在轨几何定标模型表示为：
Figure FDA0003632872800000011
其中，t表示光学图像的成像时刻，λ为比例系数，
Figure FDA0003632872800000012
分别代表光学相机坐标系到卫星本体坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到星敏感器的旋转矩阵、星敏感器到J2000坐标系的旋转矩阵、J2000坐标系到WGS-84坐标系的旋转矩阵，(X,Y,Z)T表示在WGS-84坐标系下的三维直角坐标，(Xs,Ys,Zs)T表示在J2000坐标系下的坐标；
tan(ψv(l,s))＝a0+a1l+a2s+a3ls+a4l2+a5s2+a6l2s+a7ls2+a8l3+a9s3
tan(ψa(l,s))＝b0+b1l+b2s+b3ls+b4l2+b5s2+b6l2s+b7ls2+b8l3+b9s3
其中，tan(ψv(l,s))、tan(ψa(l,s))分别为垂轨方向和沿轨方向上的光轴指向角，l,s分别表示像素坐标中像素行号和像素列号，a0～a9、b0～b9为在轨内定标参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定在所述光学图像的成像时刻各个所述海上目标分别对应的AIS系统位置，包括：
确定所述光学图像的成像区域；
获取在预设时间段内所述成像区域中的AIS系统数据，其中，所述光学图像的成像时刻包含于所述预设时间段内；
根据在预设时间段内所述成像区域中的AIS系统数据，确定在所述光学图像的成像时刻各个所述海上目标分别对应的AIS系统位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将各个所述AIS系统位置作为与所述高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置之前，包括：
计算各个所述AIS系统位置在所述光学图像中的像素位置；
将各个所述AIS系统位置在所述光学图像中的像素位置，与所述光学图像中的各个海上目标的像素位置进行点集匹配；
将各个所述AIS系统位置作为与所述高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置，包括：
将点集匹配成功的各个所述AIS系统位置作为与所述高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将各个所述AIS系统位置在所述光学图像中的像素位置，与所述光学图像中的各个海上目标的像素位置进行点集匹配，包括：
采用一致性点漂移算法，将各个所述AIS系统位置在所述光学图像中的像素位置，与所述光学图像中的各个海上目标的像素位置进行点集匹配。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定所述光学图像的成像区域，包括：
根据所述在轨几何定标模型以及地球椭球方程，计算所述光学图像四个顶点的地理位置坐标；
根据所述光学图像四个顶点的地理位置坐标，确定所述光学图像的成像区域。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，根据所述各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数，包括：
将实验外定标参数作为所述在轨外定标参数的当前值；
根据所述在轨外定标参数的当前值、所述各个地面控制点的位置数据，以及预先构建的残差函数和第一误差方程，解算在轨外定标参数修正值；
将所述在轨外定标参数修正值叠加在所述在轨外定标参数的当前值上，对所述在轨外定标参数的当前值进行更新，返回执行根据所述在轨外定标参数的当前值、所述各个地面控制点的位置数据，以及预先构建的残差函数和第一误差方程，解算在轨外定标参数修正值的步骤，直至所述在轨外定标参数修正值小于第一设定阈值；
将所述在轨外定标参数的当前值作为所述在轨外定标参数的目标值；
其中，所述第一误差方程是在将实验内定标参数作为已知量，将在轨外定标参数作为未知量的条件下构建的。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的在轨几何定标模型中的在轨内定标参数，包括：
将实验内定标参数作为所述在轨内定标参数的当前值；
根据所述在轨内定标参数的当前值、所述各个地面控制点的位置数据，以及预先构建的残差函数和第二误差方程，解算在轨内定标参数修正值；
将所述在轨内定标参数修正值叠加在所述在轨内定标参数的当前值上，对所述在轨内定标参数的当前值进行更新，返回执行根据所述在轨内定标参数的当前值、所述各个地面控制点的位置数据，以及预先构建的残差函数和第二误差方程，解算在轨内定标参数修正值的步骤，直至所述在轨内定标参数修正值小于第二设定阈值；
将所述在轨内定标参数的当前值作为所述在轨内定标参数的目标值；
其中，所述第二误差方程是在将解析得到的在轨外定标参数的目标值作为已知量，将在轨内定标参数作为未知量的条件下构建的。
8.一种高轨光学卫星的在轨几何定标装置，其特征在于，包括：
光学图像检测模块，设置为检测高轨光学卫星的光学图像，确定所述光学图像中的各个海上目标；
AIS系统地面控制点确定模块，设置为确定在所述光学图像的成像时刻各个所述海上目标分别对应的AIS系统位置，将各个所述AIS系统位置作为与所述高轨光学卫星对应的各个地面控制点的位置；
在轨定标参数解析模块，设置根据所述各个地面控制点的位置数据，解析预先建立的所述高轨光学卫星的在轨几何定标模型中的在轨外定标参数和在轨内定标参数；其中，所述在轨外定标参数用于描述所述高轨光学卫星的光学相机的安装情况，所述在轨内定标参数用于描述所述光学相机的内部畸变情况；
其中，预先建立的高轨光学卫星的在轨几何定标模型表示为：
Figure FDA0003632872800000031
其中，t表示光学图像的成像时刻，λ为比例系数，
Figure FDA0003632872800000032
分别代表光学相机坐标系到卫星本体坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到星敏感器的旋转矩阵、星敏感器到J2000坐标系的旋转矩阵、J2000坐标系到WGS-84坐标系的旋转矩阵，(X,Y,Z)T表示在WGS-84坐标系下的三维直角坐标，(Xs,Ys,Zs)T表示在J2000坐标系下的坐标；
tan(ψv(l,s))＝a0+a1l+a2s+a3ls+a4l2+a5s2+a6l2s+a7ls2+a8l3+a9s3
tan(ψa(l,s))＝b0+b1l+b2s+b3ls+b4l2+b5s2+b6l2s+b7ls2+b8l3+b9s3
其中，tan(ψv(l,s))、tan(ψa(l,s))分别为垂轨方向和沿轨方向上的光轴指向角，l,s分别表示像素坐标中像素行号和像素列号，a0～a9、b0～b9为在轨内定标参数。
9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-7中任一所述的高轨光学卫星的在轨几何定标方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一所述的高轨光学卫星的在轨几何定标方法。
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