CN114200537B - 一种卫星下视地球的探测边界确定方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及卫星下视技术领域，特别涉及一种卫星下视地球的探测边界确定方法。方法包括：将卫星传感器坐标系下的第一观测矢量变换至地心固定坐标系下的第二观测矢量基于所述第二观测矢量和地球椭球体方程，求解所述传感器探测视场中边界像素四个顶点的观测视线与地球表面的交点；连接所述交点中处于最外围的交点，得到卫星下视地球的探测边界。本申请通过求解传感器探测视场中边界像素四个顶点的观测视线与地球表面的交点，并将所有交点中处于最外围的交点的连线作为探测边界，由此探测边界围成的探测区域更接近实际探测区域，将该探测区域作为红外仿真模型的接口，能够提高红外仿真模型的仿真精度。

Description

一种卫星下视地球的探测边界确定方法
技术领域
本申请涉及卫星下视技术领域，特别涉及一种卫星下视地球的探测边界确定方法。
背景技术
目前，卫星下视探测地球时，通常首先确定传感器视场的四个顶点所在的探测视线与地球表面的四个交点，然后将四个交点组成的矩形区域作为探测区域，并将该探测区域作为红外仿真模型的接口。
但是由于地球表面是曲面，单靠传感器视场的四个顶点确定的探测区域与实际探测区域相差甚远，尤其当探测视场范围较大时，探测区域的误差会严重影响红外仿真模型的精度。
因此，亟待需要一种确定卫星下视地球探测边界的方法来解决上述问题。
发明内容
本申请提供了一种卫星下视地球的探测边界确定方法，能够较为准确的确定卫星传感器的探测视场在地球表面的探测范围，提供红外仿真模型的精度。
本申请实施例提供了一种卫星下视地球的探测边界确定方法，包括：
将卫星传感器坐标系下的第一观测矢量变换至地心固定坐标系下的第二观测矢量/>
基于所述第二观测矢量和地球椭球体方程，求解所述传感器探测视场中边界像素四个顶点的观测视线与地球表面的交点；
连接所述交点中处于最外围的交点，得到卫星下视地球的探测边界。
在一种可能的设计中，所述将卫星传感器坐标系下的第一观测矢量变换至地心固定坐标系下的第二观测矢量/>包括：
确定卫星传感器坐标系下的第一观测矢量
确定从传感器坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵T；
基于所述转换矩阵T，获得所述地心固定坐标下的第二观测矢量
在一种可能的设计中，所述确定卫星传感器坐标系下的第一观测矢量包括：
设O点为传感器表面的中心，Z轴指向地心，X轴是卫星的飞行方向，Y轴是扫描方向，所述Y轴与所述X轴垂直；
设F点为传感器的焦点，N点为传感器某一像素的中心点或者边界点，M点为在传感器的边界上且在Y轴上的一点，则在圆边界上任何一点的观测矢量可由/>沿着Z轴旋转θ角得到；
设所述第一观测矢量设|OF|＝f，圆锥截面圆半径|OM|＝r,则具体定义如下：
基于将所述T2归一化为：
其中，α为传感器半视场角，θ为传感器半场范围内0～2π的中间角，单位均为弧度。
在一种可能的设计中，所述确定从传感器坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵T，包括：
基于传感器的安装参数确定从传感器坐标系到卫星本体坐标系的第一转换矩阵T1；
基于当前时间的卫星姿态确定从卫星本体坐标系到卫星轨道坐标系的第二转换矩阵T2；其中，
式中，ω为卫星的滚动角，σ为卫星的俯仰角，β为卫星的偏航角；
基于当前卫星星历确定从卫星轨道坐标系到地心惯性坐标系(ECI)的第三转换矩阵T3；
基于IAU2000给出的标准确定从地心惯性坐标系到地心固定坐标系(ECR)的第四转换矩阵T4；
基于所述第一转换矩阵T1、所述第二转换矩阵T2、所述第三转换矩阵T3和所述第四转换矩阵T4，确定从传感器坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵T＝T1 T2 T3 T4。
在一种可能的设计中，所述将卫星传感器坐标系下的第一观测矢量变换至地心固定坐标系下的第二观测矢量/>包括：
确定传感器中心点的反向视线矢量与地心直角坐标系三条轴线的夹角；
基于所述夹角确定从传感器坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵T’；
基于所述转换矩阵T’，获得所述地心固定坐标下的第二观测矢量
在一种可能的设计中，所述确定传感器中心点的反向视线矢量与地心直角坐标系三条轴线的夹角，包括：
已知传感器中心点的视线矢量为确定其反向视线矢量/>
基于已知的传感器坐标系信息和地心固定坐标系信息，确定所述反向视线矢量在地心直角坐标系下的投影OP；
计算所述反向视线矢量与地心直角坐标系Z轴的夹角/>
计算所述投影OP与地心直角坐标系X轴的夹角δ；
计算地心直角坐标系Z轴与传感器坐标系Y轴的夹角γ，其中，所述传感器坐标系Y轴垂直于所述反向视线矢量
在一种可能的设计中，所述基于所述夹角确定从传感器坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵T’，包括：
基于所述夹角所述夹角θ和所述夹角γ，确定转换矩阵T’；
采用上述技术方案，本发明所述的卫星下视地球的探测边界确定方法，具有如下有益效果：
1)本发明通过求解传感器探测视场中边界像素四个顶点的观测视线与地球表面的交点，并将所有交点中处于最外围的交点的连线作为探测边界，该探测边界更接近实际探测边界，由该探测边界围成的探测区域更接近实际探测区域；
2)将本发明确定的探测区域作为红外仿真模型的接口，能够提高红外仿真模型的仿真精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的卫星下视地球探测边界示意图；
图2是本发明实施例提供的一种卫星下视地球的探测边界确定方法示意图；
图3是本发明一实施例提供的像素顶点示意图；
图4是本发明一实施例提供的传感器观测矢量示意图；
图5是本发明一实施例提供的不同坐标系下观测矢量的变换流程示意图；
图6是本发明一实施例提供的反向视线矢量在地心直角坐标系下的投影示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例，对本申请进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本说明书的描述中，需要理解的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
如图1所示，现有技术中，通常首先确定传感器视场的四个顶点所在的探测视线与地球表面的四个交点，然后将四个交点组成的矩形区域作为探测区域，并将该探测区域作为红外仿真模型的接口。
但是由于地球表面是曲面，实际探测区域为图1所示的曲线边界所围成的区域，由此可知，单靠传感器视场的四个顶点确定的探测区域与实际探测区域相差甚远，尤其当探测视场范围较大时，探测区域的误差会严重影响红外仿真模型的精度。
为了解决该技术问题，可以考虑获取传感器探测视场中全部边界像素四个顶点的观测视线与地球表面的交点，将所有交点中最外围的交点的连线作为探测边界，并将该探测边界围成的区域作为实际探测区域。
如图2所示，本发明实施例提供了一种卫星下视地球的探测边界确定方法，该方法包括如下步骤：
步骤100：将卫星传感器坐标系下的第一观测矢量变换至地心固定坐标系下的第二观测矢量/>
步骤102：基于第二观测矢量和地球椭球体方程，求解传感器探测视场中边界像素四个顶点的观测视线与地球表面的交点；
步骤104：连接交点中处于最外围的交点，得到卫星下视地球的探测边界。
在本发明实施例中，首先进行观测矢量的坐标系变化，然后通过联立地球椭球体方程，求解传感器探测视场中边界像素四个顶点的观测视线与地球表面的交点，并将所有交点中处于最外围的交点的连线作为探测边界，该探测边界更接近实际探测边界，由该探测边界围成的探测区域更接近实际探测区域，以该探测区域作为红外仿真模型的接口，能够提高红外仿真模型的仿真精度。
需要说明的是，通过联立第二观测矢量和地球椭球体方程，求解得到的传感器探测视场中边界像素四个顶点的观测视线与地球表面的交点数为0～4个。当交点数为0时，说明该像素四个顶点的观测视线全部指向太空，即该像素对应的探测范围未落在地球上；当交点数为1-3时，说明该像素四个顶点的观测视线一部分指向地球，一部分指向太空，即该像素对应的探测范围包含了地球表面和太空；当交点数为4时，说明该像素四个顶点的观测视线全部指向地球，即该像素对应的探测范围全部落在地球上；本申请的卫星下视地球的探测边界确定方法仅针对交点数为4的情况。
可以理解的是，当卫星传感器的各参数确定之后，传感器探测视场的边界像素随之确定，因此，只需要计算边界像素四个顶点的观测视线与地球表面的交点即可确定传感器探测视场相交于地球上的探测边界，如此不必计算探测视场中间像素探测视线与地球的交点，从而降低计算量，提高数据处理的速度并节省计算机资源。
还可以理解的是，连接交点中处于最外围的交点即可得到卫星下视地球的探测边界，这是因为最外围的点即可认为是边界点。例如，设传感器探测视场包含M×N个像素，每个像素四个顶点示意图如图3所示，则当像素位于探测视场的上边界(即第一行)时，记录该像素的上侧顶点(即A点和B点)为边界点；当像素位于探测视场的下边界(即第M行)时，记录该像素的下侧顶点即(C点和D点)为边界点；当像素位于探测视场的左边界(即第一列)时，记录该像素的左侧顶点(即A点和D点)为边界点；当像素位于探测视场的右边界(即第N列)时，记录该像素的左侧顶点(即B点和C点)为边界点。由此可知，边界点即为最外围的交点，因此，连接交点中处于最外围的交点即可得到卫星下视地球的探测边界。
下面描述各步骤的实现过程。
针对步骤100，在一些实施方式中，包括：
确定卫星传感器坐标系下的第一观测矢量
确定从传感器坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵T；
基于转换矩阵T，获得地心固定坐标下的第二观测矢量
在该实施例中，根据传感器视场的几何形状及参数建立第一观测矢量将第一观测矢量/>卫星位置等经过一系列的坐标系转化，实现从传感器坐标系到地心固定坐标系的转换，从而获得地心固定坐标下的第二观测矢量/>从而用于求取传感器像素顶点与地球表面的交点。
针对步骤100，在一些实施方式中，如图4所示，确定卫星传感器坐标系下的第一观测矢量包括：
设O点为传感器表面的中心，Z轴指向地心，X轴是卫星的飞行方向，Y轴是扫描方向，Y轴与X轴垂直；
设F点为传感器的焦点，N点为传感器某一像素的中心点或者边界点，M点为在传感器的边界上且在Y轴上的一点，则在圆边界上任何一点的观测矢量可由/>沿着Z轴旋转θ角得到；
设第一观测矢量设|OF|＝f，圆锥截面圆半径|OM|＝r,则具体定义如下：
基于将公式T2归一化为：
其中，α为传感器半视场角，θ为传感器半场范围内0～2π的中间角，单位均为弧度。
在该实施例中，将M点作为已知基点，并根据传感器视场的几何形状及参数快速建立初始观测矢量，计算过程简单。
针对步骤100，在一些实施方式中，如图5所示，确定从传感器坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵T，包括：
基于传感器的安装参数确定从传感器坐标系到卫星本体坐标系的第一转换矩阵T1，该坐标系变换是一种角度的旋转变换；
基于当前时间的卫星姿态确定从卫星本体坐标系到卫星轨道坐标系的第二转换矩阵T2；其中，
式中，ω为卫星的滚动角，σ为卫星的俯仰角，β为卫星的偏航角；
基于当前卫星星历确定从卫星轨道坐标系到地心惯性坐标系(ECI)的第三转换矩阵T3，其中，卫星星历包括卫星位置矢量和卫星速度矢量；
基于IAU2000给出的标准确定从地心惯性坐标系到地心固定坐标系(ECR)的第四转换矩阵T4；
基于第一转换矩阵T1、第二转换矩阵T2、第三转换矩阵T3和第四转换矩阵T4，确定从传感器坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵T＝T1 T2 T3 T4。
通过该实施例获得的转换矩阵T为一种普适性的转换矩阵，通用性强。
当传感器坐标系和地心固定坐标系已知，且两者之间的相对位置也已知时，针对步骤100，在一些实施方式中，包括：
确定传感器中心点的反向视线矢量与地心直角坐标系三条轴线的夹角；
基于夹角确定从传感器坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵T’；
基于转换矩阵T’，获得地心固定坐标下的第二观测矢量
在该实施例中，由于已知传感器坐标系和地心固定坐标系以及两者之间的相对关系，因此，确定转换矩阵及观测矢量之间的转换过程相对简单，但是通用性稍差。
针对步骤100，如图6所示，在一些实施方式中，包括：已知传感器中心点的视线矢量为确定其反向视线矢量/>
基于已知的传感器坐标系信息和地心固定坐标系信息，确定反向视线矢量在地心直角坐标系下的投影OP；
计算反向视线矢量与地心直角坐标系Z轴的夹角/>
计算投影OP与地心直角坐标系X轴的夹角δ；
计算地心直角坐标系Z轴与传感器坐标系Y轴的夹角γ(图中未示出)，其中，传感器坐标系Y轴垂直于反向视线矢量
基于夹角夹角θ和夹角γ，确定转换矩阵T’；
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种卫星下视地球的探测边界确定方法，其特征在于，包括：
将卫星传感器坐标系下的第一观测矢量 变换至地心固定坐标系下的第二观测矢量；
基于所述第二观测矢量和地球椭球体方程，求解所述传感器探测视场中边界像素四个顶点的观测视线与地球表面的交点；
连接所述交点中处于最外围的交点，得到卫星下视地球的探测边界；
所述将卫星传感器坐标系下的第一观测矢量变换至地心固定坐标系下的第二观测矢量/>，包括：
确定传感器中心点的反向视线矢量与地心直角坐标系三条轴线的夹角；
基于所述夹角确定从传感器坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵T’；
基于所述转换矩阵T’，获得所述地心固定坐标下的第二观测矢量，/>=T’/>；
所述确定传感器中心点的反向视线矢量与地心直角坐标系三条轴线的夹角，包括：
已知传感器中心点的视线矢量为，确定其反向视线矢量/>=-/>；
基于已知的传感器坐标系信息和地心固定坐标系信息，确定所述反向视线矢量在地心直角坐标系下的投影OP；
计算所述反向视线矢量与地心直角坐标系Z轴的夹角/>；
计算所述投影OP与地心直角坐标系X轴的夹角；
计算地心直角坐标系Z轴与传感器坐标系Y轴的夹角，其中，所述传感器坐标系Y轴垂直于所述反向视线矢量/>；
所述基于所述夹角确定从传感器坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵T’，包括：
基于所述夹角、所述夹角/>和所述夹角/>，确定转换矩阵T’；
。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定卫星传感器坐标系下的第一观测矢量，包括：
设O点为传感器表面的中心，Z轴指向地心，X轴是卫星的飞行方向，Y轴是扫描方向，所述Y轴与所述X轴垂直；
设F点为传感器的焦点，N点为传感器某一像素的中心点或者边界点，M点为在传感器的边界上且在Y轴上的一点，则在圆边界上任何一点的观测矢量可由/>沿着Z轴旋转θ角得到；
设所述第一观测矢量 ，设/>，圆锥截面圆半径/>,则，/>，/>，具体定义如下：
基于，将所述T2归一化为：
其中，为传感器半视场角，/>为传感器半场范围内/>的中间角，单位均为弧度。
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胡雅斯."星载传感器对地覆盖及可视化研究".《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》.2010,第7-51页. *

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