CN114897971B - 一种考虑不同地方时的卫星图像定位处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑不同地方时的卫星图像定位处理方法，其包括：卫星对有地面控制点的某一固定区域进行至少一个卫星回归周期的连续拍摄，得到该固定区域在卫星回归周期内不同地方时的卫星图像集；基于第一严密几何定位模型和单时刻定标参数，得到卫星图像集中的地面点的初始定位结果；构建不同地方时的姿态误差补偿模型，建立考虑回归周期的第二严密几何定位模型；利用初始定位结果，得到姿态补偿参数；基于第二严密几何模型和姿态补偿参数，得到卫星图像集中的地面点的位置信息。本发明顾及到卫星整个回归周期内同一地区不同地方时的卫星图像集，有效提升了整个卫星不同地方时的卫星图像定位精度和同一地区不同地方时图像间定位精度的一致性。

Description

一种考虑不同地方时的卫星图像定位处理方法

技术领域

本发明涉及高分辨率卫星遥感领域领域，尤其涉及一种考虑不同地方时的卫星图像定位处理方法。

背景技术

目前，影像定位精度是高分辨率卫星影像应用中的核心指标，目前高分辨率卫星图像定位处理主要采用常规严密几何模型，该模型主要针对常规太阳同步轨道卫星而建，利用的是某一地区单时刻瞬时相机参数进行定位解算，在太阳同步轨道类的卫星图像定位解算中效果较好，是目前多数在轨卫星采用的定位处理模型，具有较好的普适性。

然而，随着高分辨率非太阳同步轨道卫星的投入使用，该类卫星不像太阳同步轨道卫星每次都能以相同的地方时对同一地区成像，由于其轨道的特殊性，在一个完整的回归周期内，存在每次对同一地区成像都会有不同的地方时、不同的太阳辐照度，导致每次对同一地区成像时卫星器件受热情况差异较大，相机指向角存在随回归周期而发生周期性变化的现象。此时，若采用常规太阳同步轨道卫星几何模型对其进行定位处理，势必导致每次对同一地区成像的卫星图像定位精度各不相同、差异较大，因此，为保证同一卫星具有相对稳定的定位精度，同一地区多次成像具有相对一致的几何特性，急需优化几何定位模型，开展非太阳同步轨道卫星高精度定位处理研究。

传统定位处理方法主要采用某一地区单时刻瞬时相机参数的常规严密几何模型进行定位处理，该模型并未考虑卫星整个回归周期内不同地方时成像的相机参数变化情况，对受太阳辐射影响较大的非太阳同步轨道卫星影像定位处理适用性相对较差，导致回归周期内同一区域不同地方时的卫星图像间定位精度差异较大、一致性较弱等问题，直接制约高分辨率图像的多行业高定位精度应用，因此亟待解决同一地物多次成像地面处理定位精度差异较大、一致性较弱的难题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种考虑不同地方时的卫星图像定位处理方法，其包括：

S1，选取具有地面控制点的某一固定区域，卫星对该固定区域进行至少一个卫星回归周期的连续拍摄，得到该固定区域在卫星回归周期内不同地方时的卫星图像集；

S2，基于第一严密几何定位模型及单时刻的几何定标参数，对卫星图像集进行几何定位处理，得到卫星图像中的地面点的初始定位结果；

S3，利用地面控制点，计算步骤S2中得到的卫星图像中的地面点初始定位结果沿轨向和垂轨向的平均定位误差；

S4，根据卫星轨道高度和步骤S3得到的平均定位误差，计算得到卫星图像集对应的不同地方时下卫星的三向姿态误差；

S5，构建姿态误差补偿模型，利用卫星不同地方时下的滚动角、俯仰角和偏航角的误差参数生成转序矩阵，并将转序矩阵代入第一严密几何定位模型，建立考虑卫星回归周期的第二严密几何定位模型；

S6，将卫星图像集对应的各地方时以及在所述的各地方时的卫星的三向姿态误差代入姿态误差补偿模型，求解姿态误差补偿模型，得到卫星的姿态补偿参数；

S7，利用步骤S6得到的姿态补偿参数、单时刻几何定标参数和所述的卫星图像集，代入第二严密几何定位模型，进行考虑不同地方时的几何定位处理，得到卫星图像集的地面点的位置信息。

所述的地方时分别为t₁、t₂、…、t_n(其中t≤24时)，对应的卫星图像集分别为I₁、I₂、…、I_n。

S2，基于第一严密几何定位模型及单时刻的几何定标参数，对卫星图像集进行几何定位处理，得到卫星图像中的地面点的初始定位结果；

所述的步骤S2，包括：卫星图像通过TDI-CCD相机或TDI-CMOS相机获得，所述的第一严密几何定位模型通过探元指向角来对卫星图像中的地面点进行定位，第一严密几何定位模型的表达式为：

其中，S为卫星图像中的地面点对应的相机的成像探元的探元编号，(X,Y,Z)为需要定位的卫星图像中的地面点在WGS84坐标系下的物方空间坐标，即卫星图像中的地面点的初始定位结果，(X_GPS,Y_GPS,Z_GPS)为卫星GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的空间坐标，λ为比例因子，为J2000坐标系至WGS84坐标系的旋转矩阵，/>为卫星本体坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵，/>为相机在卫星本体坐标系下的安置矩阵，(ψ_x,ψ_y)为卫星图像中的地面点对应的相机的成像探元在相机坐标系下的指向角。所述的指向角指的是成像探元对应光线在相机坐标系下的指向。

所述的单时刻的几何定标参数包括，安置矩阵和某一基准地方时t_定标景所对应的单个卫星图像的在轨标定量(m₀,m₁,m₂,m₃,...,m_p,n₀,n₁,n₂,n₃,...,n_p)，p为标定量的阶数，(m₀,m₁,m₂,m₃,...,m_p)为图像行方向的在轨标定量，(n₀,n₁,n₂,n₃,...,n_p)为图像列方向的在轨标定量。

S3，利用地面控制点，计算步骤S2中得到的卫星图像中的地面点初始定位结果沿轨向和垂轨向的平均定位误差；

所述的步骤S3，包括：

首先，通过人工刺点或自动匹配方式得到N个地面控制点的信息，每个地面控制点的信息包括该地面控制点的图像行号r、图像列号c、经度L、纬度B、高程H；

然后，对于每个地面控制点，利用其对应卫星图像的有理函数模型参数，计算其经纬高(L,B,H)对应在卫星图像上的行列号(R,C)，得到卫星图像中的地面点对每个地面控制点的沿轨向误差和垂轨向误差，沿轨向误差的计算公式为DX＝r-R，垂轨向误差的计算公式为DY＝c-C；

最后，根据卫星图像分辨率GSD，计算卫星图像中的地面点的沿轨向和垂轨向的平均定位误差，其计算公式为：

其中，DX_i和DY_i分别为卫星图像中的地面点对第i个地面控制点的沿轨向误差和垂轨向误差；

S4，根据卫星轨道高度和步骤S3得到的平均定位误差，计算在卫星图像集对应的不同地方时下卫星的三向姿态误差；

所述的步骤S4，包括：

根据平均定位误差和/>及卫星在成像时刻的轨道高度H₀，计算在卫星图像集成像的地方时下卫星的三向姿态误差，所述的三向姿态误差包括滚动角误差Δω_t、俯仰角误差/>及偏航角误差Δκ_t，其计算方法为：

其中，Δω_t为滚动角误差，为俯仰角误差，Δκ_t为偏航角误差。

S5，构建姿态误差补偿模型，利用卫星的滚动角、俯仰角和偏航角参数生成转序矩阵，并将转序矩阵代入第一严密几何定位模型，建立考虑卫星回归周期的第二严密几何定位模型；

采用地方时的三次多项式模型进行姿态误差拟合，以拍摄某一卫星图像对应的地方时为基准地方时，则构建卫星图像集中每个地方时的姿态误差补偿模型为：

其中，Δt为卫星图像集中的其他图像对应的地方时相对于基准地方时的变化量，(a₀,a₁,a₂,a₃)、(b₀,b₁,b₂,b₃)、(c₀,c₁,c₂,c₃)分别为滚动角、俯仰角和偏航角的与地方时相关联的姿态误差补偿模型参数。

利用卫星的滚动角、俯仰角和偏航角参数生成转序矩阵R_T，其表达式为：

将转序矩阵R_T代入第一严密几何定位模型，则建立考虑卫星回归周期的第二严密几何定位模型为：

其中，(X₀,Y₀,Z₀)为卫星图像中的地面点的最终定位结果。

S6，将卫星图像集成像的各地方时以及在所述的各地方时的卫星的三向姿态误差代入姿态误差补偿模型，求解姿态误差补偿模型，得到卫星的姿态补偿参数；

S7，利用步骤S6得到的姿态补偿参数、单时刻几何定标参数和所述的卫星图像集，代入第二严密几何定位模型，进行考虑不同地方时的几何定位处理，得到卫星图像集中的地面点的位置信息。

所述的地面控制点是经过实地测量或者通过其它方法获取到其精确位置坐标信息的地面点，用于对卫星图像的定位误差进行纠正。

本发明的有益效果为：

本发明可以顾及到卫星整个回归周期内同一地区不同地方时的卫星图像集，可以提升整个卫星不同地方时的卫星图像定位精度，可以提升同一地区不同地方时图像间定位精度的一致性，降低同一地区图像间定位精度的较大差异。

附图说明

图1为本发明方法的实施流程图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。

图1为本发明方法的实施流程图。

为解决上述问题，本发明公开了一种考虑不同地方时的卫星图像定位处理方法，其包括：

S1，选取具有地面控制点的某一固定区域，卫星对该固定区域进行至少一个卫星回归周期的连续拍摄，得到该固定区域在卫星回归周期内不同地方时的卫星图像集；

S2，基于第一严密几何定位模型及单时刻的几何定标参数，对卫星图像集进行几何定位处理，得到卫星图像集的地面点的初始定位结果；

S3，利用地面控制点，计算步骤S2中得到的卫星图像集中的地面点初始定位结果沿轨向和垂轨向的平均定位误差；

S4，根据卫星轨道高度和步骤S3得到的平均定位误差，计算得到卫星图像集对应的成像的地方时下卫星的三向姿态误差；

S5，构建姿态误差补偿模型，利用卫星不同地方时下的滚动角、俯仰角和偏航角的误差参数生成转序矩阵，并将转序矩阵代入第一严密几何定位模型，建立考虑卫星回归周期的第二严密几何定位模型；

S6，将卫星图像集对应的各地方时以及在所述的各地方时的卫星的三向姿态误差代入姿态误差补偿模型，求解姿态误差补偿模型，得到卫星的姿态补偿参数；

S7，利用步骤S6得到的姿态补偿参数、单时刻几何定标参数和所述的卫星图像集，代入第二严密几何定位模型，进行考虑不同地方时的几何定位处理，得到卫星图像集中的地面点的位置信息。

步骤S1所述的该卫星图像集要求尽可能均匀分布于卫星完整回归周期内，确保不同地方时的图像均有分布。其中，所述的地方时分别为t₁、t₂、…、t_n(其中t≤24时)，对应的卫星图像集中的卫星图像分别为I₁、I₂、…、I_n。

S2，基于第一严密几何定位模型及单时刻的几何定标参数，对卫星图像集进行几何定位处理，得到卫星图像集中的地面点的初始定位结果；

所述的步骤S2，包括：卫星图像通过TDI-CCD相机或TDI-CMOS相机获得，所述的第一严密几何定位模型通过探元指向角来对卫星图像中的地面点进行定位，第一严密几何定位模型的表达式为：

其中，S为卫星图像中的地面点对应的相机的成像探元的探元编号，(X,Y,Z)为需要定位的卫星图像中的地面点在WGS84坐标系下的物方空间坐标，即卫星图像中的地面点的初始定位结果，(X_GPS,Y_GPS,Z_GPS)为卫星GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的空间坐标，λ为比例因子，为J2000坐标系至WGS84坐标系的旋转矩阵，/>为卫星本体坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵，/>为相机在卫星本体坐标系下的安置矩阵，(ψ_x,ψ_y)为卫星图像中的地面点对应的相机的成像探元在相机坐标系下的指向角。指向角指的是成像探员对应光线在相机坐标系下的指向。

所述的单时刻的几何定标参数包括，安置矩阵和某一基准地方时t_定标景所对应的单个卫星图像的在轨标定量(m₀,m₁,m₂,m₃,...,m_p,n₀,n₁,n₂,n₃,...,n_p)，p为标定量的阶数，)m₀,m₁,m₂,m₃,...,m_p)为图像行方向的在轨标定量，)n₀,n₁,n₂,n₃,...,n_p)为图像列方向的在轨标定量，以此为基准进行地面点定位。

S3，利用地面控制点，计算步骤S2中得到的卫星图像集中的地面点初始定位结果沿轨向和垂轨向的平均定位误差；

所述的步骤S3，包括：

首先，通过人工刺点或自动匹配方式得到N个地面控制点的信息，每个控制点的信息包括该地面控制点的图像行号r、图像列号c、经度L、纬度B、高程H；

然后，对于每个地面控制点，利用其对应卫星图像的有理函数模型参数，计算其经纬高(L,B,H)对应在卫星图像上的行列号(R,C)，得到卫星图像中的地面点对每个地面控制点的沿轨向误差和垂轨向误差，沿轨向误差的计算公式为DX＝r-R，垂轨向误差的计算公式为DY＝c-C；

最后，根据卫星图像分辨率GSD，计算卫星图像中的地面点的沿轨向和垂轨向的平均定位误差，其计算公式为：

其中，DX_i和DY_i分别为卫星图像中的地面点对第i个地面控制点的沿轨向误差和垂轨向误差；

S4，根据卫星轨道高度和步骤S3得到的平均定位误差，计算得到卫星图像集在不同地方时下卫星的三向姿态误差；

所述的步骤S4，包括：

根据平均定位误差和/>及卫星在成像时刻的轨道高度H₀，计算卫星在卫星图像集成像的地方时下的三向姿态误差，所述的三向姿态误差包括滚动角误差Δω_t、俯仰角误差/>及偏航角误差Δκ_t(卫星姿态误差在图像产品上主要体现在沿轨和垂轨两个方向，偏航误差引起的定位误差可忽略)，其计算方法为：

S5，构建姿态误差补偿模型，利用卫星不同地方时下的滚动角、俯仰角和偏航角的误差参数生成转序矩阵，并将转序矩阵代入第一严密几何定位模型，建立考虑卫星回归周期的第二严密几何定位模型；

采用地方时的三次多项式模型进行姿态误差拟合，以拍摄某一卫星图像对应的地方时为基准地方时，则构建卫星图像集中每个地方时的姿态误差补偿模型为：

其中，Δt为卫星图像集中的其他图像对应的地方时相对于基准地方时的变化量，(a₀,a₁,a₂,a₃)、(b₀,b₁,b₂,b₃)、(c₀,c₁,c₂,c₃)分别为滚动角、俯仰角和偏航角与地方时相关联的姿态误差补偿模型参数。

利用卫星的滚动角、俯仰角和偏航角参数生成转序矩阵R_T，其表达式为：

将转序矩阵R_T代入第一严密几何定位模型，则建立考虑卫星回归周期的第二严密几何定位模型为：

S6，将卫星图像集对应的各地方时以及在所述的各地方时的卫星的三向姿态误差代入姿态误差补偿模型，求解姿态误差补偿模型，得到卫星的姿态补偿参数；

将卫星图像集各地方时Δt和步骤S4中三向姿态误差代入步骤S5的姿态误差补偿模型，可得到姿态补偿参数。对系统图像各地方时t和步骤5中量测的相应的三向姿态误差量代入步骤5姿态误差补偿模型，采用最小二乘法求解，得到姿态补偿参数(a₀,a₁,a₂,a₃)、(b₀,b₁,b₂,b₃)、(c₀,c₁,c₂,c₃)。

S7，利用步骤S6得到的姿态补偿参数、单时刻几何定标参数和所述的卫星图像集，代入第二严密几何定位模型，进行考虑不同地方时的几何定位处理，得到卫星图像集中的地面点的位置信息。

利用步骤6姿态补偿参数、步骤2的单时刻几何定标参数和该星各地方时的原始图像，代入步骤5新型严密几何模型，即可进行考虑不同地方时的卫星图几何定位处理，得到高精度的卫星图像的地面点的位置信息。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种考虑不同地方时的卫星图像定位处理方法，其特征在于，其包括：

S1，选取具有地面控制点的某一固定区域，卫星对该固定区域进行至少一个卫星回归周期的连续拍摄，得到该固定区域在卫星回归周期内不同地方时的卫星图像集；

S2，基于第一严密几何定位模型及单时刻的几何定标参数，对卫星图像集进行几何定位处理，得到卫星图像集中的地面点的初始定位结果；

S3，利用地面控制点，计算步骤S2中得到的卫星图像集中的地面点初始定位结果沿轨向和垂轨向的平均定位误差；

S4，根据卫星轨道高度和步骤S3得到的平均定位误差，计算得到卫星图像集对应的不同地方时下卫星的三向姿态误差；

S5，构建姿态误差补偿模型，利用卫星不同地方时下的滚动角、俯仰角和偏航角的误差参数生成转序矩阵，并将转序矩阵代入第一严密几何定位模型，建立考虑卫星回归周期的第二严密几何定位模型；

S6，将卫星图像集对应的各地方时以及在所述的各地方时的卫星的三向姿态误差代入姿态误差补偿模型，求解姿态误差补偿模型，得到卫星的姿态补偿参数；

S7，利用步骤S6得到的姿态补偿参数、单时刻几何定标参数和所述的卫星图像集，代入第二严密几何定位模型，进行考虑不同地方时的几何定位处理，得到卫星图像集中的地面点的位置信息。

2.如权利要求1所述的考虑不同地方时的卫星图像定位处理方法，其特征在于，其包括：

所述的步骤S2，包括：卫星图像通过TDI-CCD相机或TDI-CMOS相机获得，所述的第一严密几何定位模型通过探元指向角来对卫星图像中的地面点进行定位，第一严密几何定位模型的表达式为：

其中，S为卫星图像中的地面点对应的相机的成像探元的探元编号，(X,Y,Z)为需要定位的卫星图像中的地面点在WGS84坐标系下的物方空间坐标，即卫星图像中的地面点的初始定位结果，(X_GPS,Y_GPS,Z_GPS)为卫星GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的空间坐标，λ为比例因子，为J2000坐标系至WGS84坐标系的旋转矩阵，/>为卫星本体坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵，/>为相机在卫星本体坐标系下的安置矩阵，(ψ_x,ψ_y)为卫星图像中的地面点对应的相机的成像探元在相机坐标系下的指向角；

所述的单时刻的几何定标参数包括，安置矩阵和某一基准地方时t_定标景所对应的单个卫星图像的在轨标定量(m₀,m₁,m₂,m₃,...,m_p,n₀,n₁,n₂,n₃,...,n_p)，p为标定量的阶数，(m₀,m₁,m₂,m₃,...,m_p)为图像行方向的在轨标定量，(n₀,n₁,n₂,n₃,...,n_p)为图像列方向的在轨标定量。

3.如权利要求2所述的考虑不同地方时的卫星图像定位处理方法，其特征在于，所述的步骤S3，包括：

首先，通过人工刺点或自动匹配方式得到N个地面控制点的信息，每个地面控制点的信息包括该地面控制点的图像行号r、图像列号c、经度L、纬度B、高程H；

然后，对于每个地面控制点，利用其对应卫星图像的有理函数模型参数，计算其经纬高(L,B,H)对应在卫星图像上的行列号(R,C)，得到卫星图像中的地面点对每个地面控制点的沿轨向误差和垂轨向误差，沿轨向误差的计算公式为DX＝r-R，垂轨向误差的计算公式为DY＝c-C；

最后，根据卫星图像分辨率GSD，计算卫星图像中的地面点的沿轨向和垂轨向的平均定位误差，其计算公式为：

其中，DX_i和DY_i分别为卫星图像中的地面点对第i个地面控制点的沿轨向误差和垂轨向误差。

4.如权利要求3所述的考虑不同地方时的卫星图像定位处理方法，其特征在于，所述的步骤S4，包括：

根据平均定位误差和/>及卫星轨道高度H₀，计算在卫星图像集成像的地方时下卫星的三向姿态误差，所述的三向姿态误差包括滚动角误差Δω_t、俯仰角误差/>及偏航角误差Δκ_t，其计算方法为：

其中，Δω_t为滚动角误差，为俯仰角误差，Δκ_t为偏航角误差。

5.如权利要求4所述的考虑不同地方时的卫星图像定位处理方法，其特征在于，所述的S5，包括：

采用地方时的三次多项式模型进行姿态误差拟合，以拍摄某一卫星图像对应的地方时为基准地方时，则构建卫星图像集中每个地方时的姿态误差补偿模型为：

其中，Δt为卫星图像集中的其他图像对应的地方时相对于基准地方时的变化量，(a₀,a₁,a₂,a₃)、(b₀,b₁,b₂,b₃)、(c₀,c₁,c₂,c₃)分别为滚动角、俯仰角和偏航角的与地方时相关联的姿态误差补偿模型参数；

利用卫星的滚动角、俯仰角和偏航角参数生成转序矩阵R_T，其表达式为：

将转序换矩阵R_T代入第一严密几何定位模型，则建立考虑卫星回归周期的第二严密几何定位模型为：

其中，(X₀,Y₀,Z₀)为卫星图像中的地面点的最终定位结果。