CN115183669A - 一种基于卫星图像的目标定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于卫星图像的目标定位方法，确定目标于卫星图像中的像素位置信息、卫星的轨位信息及姿态信息、卫星的星载相机的相机属性信息，利用目标的像素位置信息、星载相机的象元数及视场信息计算目标于相机视场坐标系中的位置矢量，对目标于相机视场坐标系中的位置矢量进行归一化处理，获取目标于相机视场坐标系中的单位矢量，根据卫星的轨位信息及姿态信息，计算单位矢量于地球固连坐标系下的坐标，根据单位矢量于地球固连坐标系下的坐标，进行目标高程信息的预估，计算各目标于地球固连坐标系下的位置信息，输出并完成目标定位计算。

Description

一种基于卫星图像的目标定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于卫星图像的目标定位方法，属于航天飞行器应用领域。

背景技术

利用地球静止轨道卫星的星载相机观测近地移动目标时，目标在卫星图像中通常表现为一个亮斑，该亮斑在图像中的位置与目标地理位置、卫星轨位、卫星姿态相关。对于卫星使用者而言，需要根据亮斑在图像中的位置，结合卫星轨位、卫星姿态，获取目标实际地理位置信息。现有技术中，通常采用双星视线完成定位，或采用单星视线结合高程的方法来获取位置信息；其中双星定位需要更多的卫星资源，而单星定位解算迭代速度较慢。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，现有的双星定位需要资源多、单星定位解算迭代速度较慢的问题，提出了一种基于卫星图像的目标定位方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于卫星图像的目标定位方法，包括：

确定目标于卫星图像中的像素位置信息、卫星的轨位信息及姿态信息、卫星的星载相机的相机属性信息，包括象元数、视场信息；

利用目标的像素位置信息、星载相机的象元数及视场信息计算目标于相机视场坐标系中的位置矢量；

对目标于相机视场坐标系中的位置矢量进行归一化处理，获取目标于相机视场坐标系中的单位矢量；

根据卫星的轨位信息及姿态信息，计算单位矢量于地球固连坐标系下的坐标；

根据单位矢量于地球固连坐标系下的坐标，进行目标高程信息的预估，计算各目标于地球固连坐标系下的位置信息；

输出位置信息，完成目标定位计算。

于卫星图像中建立相机视场坐标系，以相面中心为原点，以相面法线为+Z轴，以相面的CCD器件的横向为x轴、纵向为y轴，将目标成像于相机视场坐标系中的坐标记为(x,y)，为像素位置信息；

卫星的轨位信息及姿态信息具体为：

轨位信息：地球静止轨道卫星的定点经度Ω；

姿态信息：卫星相对于卫星轨道坐标系的三轴姿态欧拉角

θ，ψ及相应的转序，其中，卫星轨道坐标系以卫星质心为原点，+Z轴指向地心，+Y轴垂直于轨道平面指向南半球，+X轴在轨道平面内，与+Y+Z轴构成右手坐标系；

星载相机的相机属性信息包括以像素点数表示卫星图像大小的象元数信息、星载相机图像对应的视场大小信息；所述的象元数包括相机画幅宽度W、相机画幅高度H；所述视场大小信息以角度表示，包括相机画幅对应的对地观测横向张角α，对地观测纵向张角β。

目标于相机视场坐标系中的位置矢量记为

计算方法为：

式中，W为相机画幅宽度，H为相机画幅高度，α为相机画幅对应的对地观测横向张角，β为纵向张角。

归一化处理得到目标在相机视场坐标系中的单位矢量V，具体为：

式中，V即为归一化后的目标于相机视场坐标系中的位置矢量，

为

的模。

通过V求取目标的单位矢量于地球固连坐标系下的坐标V_f，其中地球固连坐标系以地心为原点，+X轴指向赤道与0度经线交点，+Z轴指向北极，+Y轴与+X+Z轴构成右手坐标系，V_f的计算方法为：

式中，

分别为卫星轨道坐标系到地球固连坐标系的坐标转换矩阵，卫星本体系到卫星轨道系的坐标转换矩阵，相机视场坐标系到卫星本体系的坐标转换矩阵，

根据卫星定点经度Ω及轨道倾角确定，

根据卫星三轴姿态

θ,ψ确定，

根据星载相机在卫星上的安装角度确定。

预设目标的所有高程信息为h_i(i＝1,2,...,k)，通过迭代计算确定目标于地球固连坐标系下的所有位置信息，具体步骤为：

设定矢径长度的迭代初值l₀，确定目标位于地球固连坐标系下的三维坐标初值H₀；

根据三维坐标初值H₀计算所选目标的经度、纬度、高程信息初值，分别为ω₀,κ₀,η₀；

若η₀＜h_i，以比例μ减小迭代初值l₀，否则比例μ增大并迭代初值l₀，得到矢径长度迭代值l₁；

获取矢径长度迭代值l₁对应的目标三维坐标值及对应的经度、纬度、高程信息，并继续进行比较，若仍不满足η₁＝h_i的条件，则以比例μ减小或增大并迭代l₁，得到矢径长度迭代值l₂；持续进行迭代直至l_j对应的目标三维坐标值及对应的经度、纬度、高程信息满足条件为止；

确定满足条件的迭代后目标于地球固连坐标系下的三维坐标，确定所选目标的经度、纬度、高程信息；

确定h_i对应的目标的经度、纬度、高程信息，为ω_j,κ_j,η_j，以ω_j,κ_j,η_j为目标高程h_i所对应的目标经纬度、高程信息

作为位置信息。

任一给定l₀下，目标于地球固连坐标系下的三维坐标初值H₀确定方法如下：

H₀＝l₀V_f+V_sat

式中，V_sat为卫星在地球固连坐标系下的三维坐标，可通过卫星定点经度Ω及轨道倾角确定。

矢径长度迭代值l₁的确定方法为：

l₁＝l₀+μ(η₀-h_i)

式中，μ为人工设置的迭代系数。

迭代系数μ的确定方法为：

式中，δ是V_f与-V_sat的夹角，r_s,r_ER分别为卫星到地心的距离，地球半径。

给定h_i(i＝1,2,...,k)下，所选目标的经度、纬度、高程信息ω_j,κ_j,η_j需要重复进行迭代计算，直至η_j与h_i的误差满足收敛条件。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种基于卫星图像的目标定位方法，提出了基于卫星图像的目标定位计算方法，通过单颗卫星图像，结合卫星自身的轨位、姿态，以及先验/预估的目标高程信息，即可快速解算得到目标的地理位置，对于通过卫星观测获取合作/非合作近地目标的空间信息，克服了当前单星定位解算迭代速度较慢的问题，具有良好的实用价值。

附图说明

图1为发明提供的目标在卫星图像中的像素位置信息示意图；

图2为发明提供的目标定位计算流程图；

具体实施方式

一种基于卫星图像的目标定位方法，根据卫星的图像信息和卫星轨位、姿态，以及先验/预估的目标高程信息，通过计算获得目标真实的地理位置，具体方法步骤如下：

确定目标于卫星图像中的像素位置信息、卫星的轨位信息及姿态信息、卫星的星载相机的相机属性信息，包括象元数、视场信息；

利用目标的像素位置信息、星载相机的象元数及视场信息计算目标于相机视场坐标系中的位置矢量；

对目标于相机视场坐标系中的位置矢量进行归一化处理，获取目标于相机视场坐标系中的单位矢量；

根据卫星的轨位信息及姿态信息，计算单位矢量于地球固连坐标系下的坐标；

根据单位矢量于地球固连坐标系下的坐标，进行目标高程信息的预估，计算不同高程对应的目标于地球固连坐标系下的位置信息；

输出位置信息，完成目标定位计算。

于卫星图像中建立相机视场坐标系，以相机成像器件的幅面中心为原点，以相面法线为+Z轴，以相面CCD器件的横向为x轴、纵向为y轴将目标所成的像于相机视场坐标系中的坐标记为(x,y)，为像素位置信息；

卫星的轨位信息及姿态信息具体为：

轨位信息：地球静止轨道卫星的定点经度Ω

姿态信息：卫星相对于卫星轨道坐标系的三轴姿态欧拉角

θ，ψ及相应的转序，其中，卫星轨道坐标系以卫星质心为原点，+Z轴指向地心，+Y轴垂直于轨道平面指向南半球，+X轴在轨道平面内，与+Y+Z轴构成右手坐标系

星载相机的相机属性信息包括以像素点数表示卫星图像大小的象元数信息、星载相机图像对应的视场大小信息；所述的象元数包括相机画幅宽度W和相机画幅高度H；所述视场大小信息以角度表示，包括相机画幅对应的对地观测横向张角α，对地观测纵向张角β。

目标于相机视场坐标系中的位置矢量记为

其计算方法为

式中，W为相机成像画幅宽度，H为相机成像画幅高度，α为相机画幅对应的对地观测横向张角，β为纵向张角。

归一化处理得到目标在相机视场坐标系中的单位矢量V，具体为：

式中，V即为归一化后的目标于相机视场坐标系中的位置矢量，

为

的模。

通过V求取目标的单位矢量于地球固连坐标系下的坐标V_f，其中地球固连坐标系以地心为原点，+X轴指向赤道与0度经线交点，+Z轴指向北极，+Y轴与+X+Z轴构成右手坐标系。V_f的计算方法为：

式中，

分别为卫星轨道坐标系到地球固连坐标系的坐标转换矩阵，卫星本体系到卫星轨道系的坐标转换矩阵，相机视场坐标系到卫星本体系的坐标转换矩阵，

根据卫星定点经度Ω及轨道倾角确定，

根据卫星三轴姿态

θ,ψ确定，

根据星载相机在卫星上的安装角度确定。

预设目标的多个高程信息为h_i(i＝1,2,...,k)，通过迭代计算确定各目标于地球固连坐标系下的多个位置信息，具体步骤为：

设定矢径长度的迭代初值l₀，确定目标位于地球固连坐标系下的三维坐标初值H₀；

根据三维坐标初值H₀计算所选目标的经度、纬度、高程信息初值，分别为ω₀,κ₀,η₀；

若η₀＜h_i，以比例μ减小迭代初值l₀，否则比例μ增大并迭代初值l₀，得到矢径长度迭代值l₁；

获取矢径长度迭代值l₁对应的目标三维坐标值及对应的经度、纬度、高程信息，并继续进行比较，若仍不满足η₀＝h_i的条件则持续迭代直至l_j对应的目标三维坐标值及对应的经度、纬度、高程信息满足条件为止；

确定满足条件的迭代后目标于地球固连坐标系下的三维坐标，确定所选目标的经度、纬度、高程信息；

确定h_i对应的目标的经度、纬度、高程信息，为ω_j,κ_j,η_j，以ω_j,κ_j,η_j为目标高程h_i所对应的目标经纬度、高程信息

作为位置信息。

任一给定l₀下，目标于地球固连坐标系下的三维坐标初值H₀确定方法如下：

H₀＝l₀V_f+V_sat

式中，V_sat为卫星在地球固连坐标系下的三维坐标，可通过卫星定点经度Ω及轨道倾角确定。

矢径长度迭代值l₁的确定方法为：

l₁＝l₀+μ(η₀-h_i)

式中，μ为人工设置的迭代系数。

迭代系数的确定方法为：

式中，δ是V_f与-V_sat的夹角，r_s,r_ER分别为卫星到地心的距离，地球半径。

给定h_i(i＝1,2,...,k)下，，所选目标的经度、纬度、高程信息ω_j,κ_j,η_j需要重复进行迭代计算，直至η_j与h_i的误差满足收敛条件。

下面根据具体实施例进行进一步说明：

当前实施例中，基于卫星图像的目标定位计算方法的主要技术途径是：

首先给定输入信息，包括目标在卫星图像中的像素位置信息，卫星的轨位信息、姿态信息，以及星载相机象元数、视场等相机属性信息。

而后利用目标的像素位置信息和相机象元数、视场等信息，求解目标在相机视场坐标系中的位置矢量；

而后利用卫星的轨位信息、姿态信息，求解目标在轨道坐标系下的位置矢量，而后以一系列预估目标高程信息为附加输入，求解目标在地球固连坐标系下的一系列位置信息，进而得到目标的大地经度、纬度、高程信息。

最后将一系列预估高程下的目标的大地经度、纬度、高程信息，作为最终的输出，完成基于卫星图像的目标定位计算。

(1)给定输入信息，包括目标在卫星图像中的像素位置信息，卫星的轨位信息、姿态信息，以及星载相机象元数、视场等相机属性信息，其中：

目标在卫星图像中的像素位置信息，用相面象元坐标表示，以相面中心为原点，坐标记为(x,y)，如图1所示；

卫星轨位、姿态信息包括：

轨位信息：地球静止轨道卫星的定点经度Ω

姿态信息：卫星相对于卫星轨道坐标系的三轴姿态欧拉角

θ，ψ及相应的转序；

星载相机的相机属性信息包括以像素点数表示卫星图像大小的象元数信息、星载相机图像对应的视场大小信息；所述的象元数包括相机画幅宽度W和相机画幅高度H；所述视场大小信息以角度表示，包括相机画幅对应的对地观测横向张角α，对地观测纵向张角β；

(2)利用目标的像素位置信息和相机象元数、视场等信息，求解目标在相机视场坐标系中的位置矢量，求解方式如下：

将该位置矢量做归一化处理，得到目标在相机视场坐标系中的单位矢量：

(3)利用卫星的轨位信息、姿态信息，求解目标在地球固连坐标系下的位置矢量，而后以一系列预估目标高程信息为附加输入，求解一系列目标在地球固连坐标系下的位置信息，具体为：

(a)计算矢量V在地球固连坐标系下的坐标表示V_f

式中

分别代表卫星轨道系到地球固连坐标系的坐标转换矩阵，卫星本体系到轨道系的坐标转换矩阵，视场坐标系到卫星本体系的坐标转换矩阵。

与卫星定点经度Ω及轨道倾角等有关，

与卫星三轴姿态

θ,ψ有关，

与星载相机在卫星上的安装角度有关，计算方法属于本领域公共知识；

根据V_f，设定目标的高程分别为h_i(i＝1,2,...,k)，而后可以以迭代的方式计算不同高程对应的目标的地理坐标；

(b)给出矢径长度的迭代初值l₀，由此得到目标在地球固连坐标系下的三维坐标初值

H₀＝l₀V_f+V_sat

式中V_sat代表卫星在地球固连坐标系下的三维坐标，可通过卫星定点经度Ω及轨道倾角等信息获得；

根据目标在地球固连坐标系下的坐标初值H₀，进而计算得到目标的经度、纬度、高程信息初值，分别记为ω₀,κ₀,η₀，计算方法属于本领域公共知识；

若η₀＜h_i，则适当减小l₀，反之则增大l₀，得到l₁；

l₁＝l₀+μ(η₀-h_i)

此处μ为人工设置的迭代系数，可以取常值，或根据一定策略换算出随迭代变化的值，不失一般性的，此处采用如下公式计算μ：

δ是V_f与-V_sat的夹角，r_s,r_ER分别为卫星到地心的距离，地球半径；

返回开始步骤，通过迭代不断得到新的l_j,

ω_j,κ_j,η_j，直至η_j与h_i的误差满足收敛条件。此时ω_j,κ_j,η_j即为给定高程h_i对应的目标经纬度，记为

(c)对每个h_i(i＝1,2,...,k)，按上述步骤解算，得到一系列预估高程下的目标信息

(4)将上述预估高程下的目标大地经度、纬度、高程信息输出，从而完成本目标定位方法的计算实施，如图2所示，作为其他后处理的基础。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于卫星图像的目标定位方法，其特征在于包括：

确定目标于卫星图像中的像素位置信息、卫星的轨位信息及姿态信息、卫星的星载相机的相机属性信息，包括象元数、视场信息；

利用目标的像素位置信息、星载相机的象元数及视场信息计算目标于相机视场坐标系中的位置矢量；

对目标于相机视场坐标系中的位置矢量进行归一化处理，获取目标于相机视场坐标系中的单位矢量；

根据卫星的轨位信息及姿态信息，计算单位矢量于地球固连坐标系下的坐标；

根据单位矢量于地球固连坐标系下的坐标，进行目标高程信息的预估，计算各目标于地球固连坐标系下的位置信息；

输出位置信息，完成目标定位计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于卫星图像的目标定位方法，其特征在于：

于卫星图像中建立相机视场坐标系，以相面中心为原点，以相面法线为+Z轴，以相面的CCD器件的横向为x轴、纵向为y轴，将目标成像于相机视场坐标系中的坐标记为(x,y)，为像素位置信息；

卫星的轨位信息及姿态信息具体为：

轨位信息：地球静止轨道卫星的定点经度Ω；

姿态信息：卫星相对于卫星轨道坐标系的三轴姿态欧拉角

θ，ψ及相应的转序，其中，卫星轨道坐标系以卫星质心为原点，+Z轴指向地心，+Y轴垂直于轨道平面指向南半球，+X轴在轨道平面内，与+Y+Z轴构成右手坐标系；

星载相机的相机属性信息包括以像素点数表示卫星图像大小的象元数信息、星载相机图像对应的视场大小信息；所述的象元数包括相机画幅宽度W、相机画幅高度H；所述视场大小信息以角度表示，包括相机画幅对应的对地观测横向张角α，对地观测纵向张角β。

3.根据权利要求2所述的一种基于卫星图像的目标定位方法，其特征在于：

目标于相机视场坐标系中的位置矢量记为

计算方法为：

式中，W为相机画幅宽度，H为相机画幅高度，α为相机画幅对应的对地观测横向张角，β为纵向张角。

4.根据权利要求3所述的一种基于卫星图像的目标定位方法，其特征在于：

归一化处理得到目标在相机视场坐标系中的单位矢量V，具体为：

式中，V即为归一化后的目标于相机视场坐标系中的位置矢量，

为

的模。

5.根据权利要求4所述的一种基于卫星图像的目标定位方法，其特征在于：

通过V求取目标的单位矢量于地球固连坐标系下的坐标V_f，其中地球固连坐标系以地心为原点，+X轴指向赤道与0度经线交点，+Z轴指向北极，+Y轴与+X+Z轴构成右手坐标系，V_f的计算方法为：

式中，

分别为卫星轨道坐标系到地球固连坐标系的坐标转换矩阵，卫星本体系到卫星轨道系的坐标转换矩阵，相机视场坐标系到卫星本体系的坐标转换矩阵，

根据卫星定点经度Ω及轨道倾角确定，

根据卫星三轴姿态

θ,ψ确定，

根据星载相机在卫星上的安装角度确定。

6.根据权利要求5所述的一种基于卫星图像的目标定位方法，其特征在于：

预设目标的所有高程信息为h_i(i＝1,2,...,k)，通过迭代计算确定目标于地球固连坐标系下的所有位置信息，具体步骤为：

设定矢径长度的迭代初值l₀，确定目标位于地球固连坐标系下的三维坐标初值H₀；

根据三维坐标初值H₀计算所选目标的经度、纬度、高程信息初值，分别为ω₀,κ₀,η₀；

若η₀＜h_i，以比例μ减小迭代初值l₀，否则比例μ增大并迭代初值l₀，得到矢径长度迭代值l₁；

获取矢径长度迭代值l₁对应的目标三维坐标值及对应的经度、纬度、高程信息，并继续进行比较，若仍不满足η₁＝h_i的条件，则以比例μ减小或增大并迭代l₁，得到矢径长度迭代值l₂；持续进行迭代直至l_j对应的目标三维坐标值及对应的经度、纬度、高程信息满足条件为止；

确定满足条件的迭代后目标于地球固连坐标系下的三维坐标，确定所选目标的经度、纬度、高程信息；

确定h_i对应的目标的经度、纬度、高程信息，为ω_j,κ_j,η_j，以ω_j,κ_j,η_j为目标高程h_i所对应的目标经纬度、高程信息

(i＝1,2,...,k)，作为位置信息。

7.根据权利要求6所述的一种基于卫星图像的目标定位方法，其特征在于：

任一给定l₀下，目标于地球固连坐标系下的三维坐标初值H₀确定方法如下：

H₀＝l₀V_f+V_sat

式中，V_sat为卫星在地球固连坐标系下的三维坐标，可通过卫星定点经度Ω及轨道倾角确定。

8.根据权利要求6所述的一种基于卫星图像的目标定位方法，其特征在于：

矢径长度迭代值l₁的确定方法为：

l₁＝l₀+μ(η₀-h_i)

式中，μ为人工设置的迭代系数。

9.根据权利要求8所述的一种基于卫星图像的目标定位方法，其特征在于：

迭代系数μ的确定方法为：

式中，δ是V_f与-V_sat的夹角，r_s,r_ER分别为卫星到地心的距离，地球半径。

10.根据权利要求6所述的一种基于卫星图像的目标定位方法，其特征在于：

给定h_i(i＝1,2,...,k)下，所选目标的经度、纬度、高程信息ω_j,κ_j,η_j需要重复进行迭代计算，直至η_j与h_i的误差满足收敛条件。

Images