CN115523921A - 一种基于天地协同的星上目标高精度定位方法及系统 - Google Patents

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CN115523921A CN202211061231.4A CN202211061231A CN115523921A CN 115523921 A CN115523921 A CN 115523921A CN 202211061231 A CN202211061231 A CN 202211061231A CN 115523921 A CN115523921 A CN 115523921A
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徐笑
刘银年
孙德新
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Abstract

本发明公开了一种基于天地协同的星上目标高精度定位方法及系统，属于航天遥感监测的技术领域，包括星上目标实时识别、成像光线解算、相机检校以及地面坐标解算，星上采集的遥感影像数据和姿态辅助信息分别通过目标识别完成目标的识别和提取，成像光线解算完成成像光线向量的解算，然后经星地传输链路传输至卫星地面处理系统，根据数字高程完成对目标精确坐标的解算，再通过与控制点库进行对比判别此目标是否为已知三维坐标的控制点:若为控制点，则输入到星上系统的相机检校模块计算出相机检校参数。本方法可以充分利用星上系统与地面系统各自优势，最优化在轨目标实时识别流程，提高星上目标获取效率和实时性。

Description

一种基于天地协同的星上目标高精度定位方法及系统
技术领域
本发明涉及航天遥感监测的技术领域，尤其涉及一种基于天地协同的星上目标高精度定位方法及系统。
背景技术
随着遥感、雷达等卫星载荷技术的迅速发展，星上载荷数据的容量和速率快速提高。星上数据传输技术和存储技术在不断进步，仅靠把原始数据下传不能满足载荷数据的增长需求，严重制约载荷使用效率。同时，卫星载荷数据实时应用需求越来越强，在现有体系下，遥感数据被下行传输到地面站，经过预处理，然后分发给用户，这个过程会产生长时间的延迟，这是遥感数据实时应用的主要瓶颈，用户不能直接从卫星获得感兴趣的目标和其精确坐标，难以满足侦查、监测等应用的时效性需求。。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于天地协同的星上目标高精度定位方法以及系统，以解决传统航天遥感监测中目标实时性高精度定位的技术问题，本发明充分利用卫星过境时间窗口和有限传输带宽，建立了星上系统和地面系统协同联合处理的模式，即星上对原始数据进行在轨实时检测，以直接提取并下传目标相关信息，然后地面系统接收到目标信息后结合辅助数据直接进行类型判别和高精度坐标解算，以满足用户实时性需求，本发明的内容如下：
在本发明的第一个目的在于提供一种基于天地协同的星上目标高精度定位方法，其技术点在于，包含以下步骤：
目标识别步骤：对影像数据进行目标识别获得目标地物数据；
成像光线解算步骤：从目标识别步骤中目标地物数据选择目标中心的像素坐标，将目标中心的像素坐标和姿态数据进行成像光线解算获得目标中心所对应的成像光线在三维空间中的矢量；
坐标解算步骤：将所述目标地物数据和成像光线在三维空间中的矢量进行第一次数据压缩后用数字高程模型计算得到目标精确坐标；
控制点判别步骤：将所述目标精确坐标与控制点库中所有控制点进行比对，判别目标是否为控制点，如果是控制点则进行第二次数据压缩后进入相机检校步骤，所述控制点库中存有控制点图片和控制点图片坐标值；
相机检校步骤：根据控制点库中的控制点图片坐标值和星上系统中的姿态数据计算出相机检校参数，并将相机检校参数上传到星上系统对成像光线在三维空间中的矢量进行修正。
在本发明的有的实施例中，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中相机检校参数包括相机内方位元素改正数和相机安装矩阵改正数。
在本发明的有的实施例中，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中目标识别步骤是在星上短时存储中的多帧影像数据上完成。
在本发明的有的实施例中，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中坐标解算步骤中根据成像光线在三维空间中的矢量与数字高程模型进行迭代求解其两者交点坐标。
在本发明的有的实施例中，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中控制点判别步骤中先根据目标精确坐标确定备选控制点，然后通过与所述控制点图片比对，确定目标是否为控制点，并记录在列表中。
在本发明的有的实施例中，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中相机检校步骤中会使用所有记录在列表中的控制点完成检校参数计算。
本发明的第二个目的在于提供一种基于天地协同的星上目标高精度定位系统，其技术点在于，包含星上系统和地面系统，所述星上系统根据姿态数据和影像数据获取目标地物数据和成像光线在三维空间中的矢量进行第一次数据压缩后下传至地面系统；所述地面系统将星上系统下传下来的压缩数据与控制点库比对后第二次进行数据压缩，并将第二次压缩数据上传至星上系统进行相机校验获得相机检校参数后对成像光线在三维空间中的矢量进行修正。
在本发明的有的实施例中，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中星上系统包括以下模块：
目标识别模块：对影像数据进行目标识别获得目标地物数据；
成像光线解算模块：从目标识别步骤中目标地物数据选择目标中心的像素坐标，将目标中心的像素坐标和姿态数据进行成像光线解算获得目标中心所对应的成像光线在三维空间中的矢量；
相机检校模块：根据控制点库中的控制点图片坐标值和星上系统中的姿态数据计算出相机检校参数，并将相机检校参数上传到星上系统对成像光线在三维空间中的矢量进行修正。
在本发明的有的实施例中，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中地面系统包含以下模块：
坐标解算模块：将所述目标地物数据和成像光线在三维空间中的矢量进行第一次数据压缩后用数字高程模型计算得到目标精确坐标；
控制点判别模块：将所述目标精确坐标与控制点库中所有控制点进行比对，判别目标是否为控制点，如果是控制点则进行第二次数据压缩后进入相机检校步骤，所述控制点库中存有控制点图片和控制点图片坐标值。
本发明提供的基于天地协同的星上目标高精度定位方法以及系统，能够达到以下有益效果：
其一，充分利用在轨星上系统实时获取遥感数据并实时处理的特点，由于仅下传目标相关信息，极大的减少了星地传输链路的负荷。
其二，充分利用地面系统中的数字高程模型和控制点库等基础地理信息数据，实现对目标的高精度定位；
其三，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法在星上系统和星上系统进行两次数据压缩，极大的减少了数据上下传带宽，提高了数据的传输速率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法的流程示意图；
图2为本发明的坐标解算示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
如图1所示的在本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法包含以下步骤：
目标识别步骤：对影像数据进行目标识别获得目标地物数据；
成像光线解算步骤：从目标识别步骤中目标地物数据选择目标中心的像素坐标，将目标中心的像素坐标和姿态数据进行成像光线解算获得目标中心所对应的成像光线在三维空间中的矢量，若系统中已存有从地面系统上传的相机检校参数，则先通过相机检校参数对相机的内方位和安装矩阵进行改正，然后再计算目标成像光线；
坐标解算步骤：将所述目标地物数据和成像光线在三维空间中的矢量进行第一次数据压缩后用数字高程模型计算得到目标精确坐标，其中第一次数据压缩分为图像数据压缩和坐标数据压缩。作为优选的，图像数据压缩算法可以选择基于静态及动态霍夫曼编码算法、基于算术编码算法、基于LZW编码及其改进算法、基于行程编码及改进自适应游程编码算法、基于费诺香农编码算法和jpeg2000图像编码中的一种。作为优选的，坐标数据压缩算法可以选择常规压缩方法gzip、bzip2、xz、xz-e、lz4和zop中的一种或者按照中国专利CN202010303198 .6公开的《坐标数据压缩方法》进行坐标数据压缩。
控制点判别步骤：将所述目标精确坐标与控制点库中所有控制点进行比对，判别目标是否为控制点，如果是控制点则进行第二次数据压缩后进入相机检校步骤，所述控制点库中存有控制点图片和控制点图片坐标值，其中第二次数据压缩为坐标数据压缩方法与第一次数据压缩中的坐标数据压缩相同；
相机检校步骤：根据控制点库中的控制点图片坐标值和星上系统中的姿态数据计算出相机检校参数，并将相机检校参数上传到星上系统对成像光线在三维空间中的矢量进行修正。
作为优选的，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中成像光线解算的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，是成像光线在三维空间中的矢量，
Figure 786114DEST_PATH_IMAGE002
为尺度因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为从卫星本体参考系到地球固定地面参考系的转换矩阵，
Figure 239967DEST_PATH_IMAGE004
是由卫星姿态信息
Figure DEST_PATH_IMAGE005
所构成的转换矩阵，
Figure 593588DEST_PATH_IMAGE006
是由相机安装信息
Figure DEST_PATH_IMAGE007
所构成的安装矩阵，
Figure 532725DEST_PATH_IMAGE008
是像点坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
是相机内方位元素，
Figure 43210DEST_PATH_IMAGE010
是相机安装矩阵改正数，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
是相机内方位元素改正数。
作为优选的，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中相机检校参数包括相机内方位元素改正数和相机安装矩阵改正数。
作为优选的，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中目标识别步骤是在星上短时存储中的多帧影像数据上完成。
作为优选的，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中坐标解算步骤中根据成像光线在三维空间中的矢量与数字高程模型进行迭代求解其两者交点坐标，如图2所示，图中，
Figure 977668DEST_PATH_IMAGE012
是初始高程值，一般为平均海拔值或者0，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
分别是迭代过程中逐步优化的高程值，
Figure 49660DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure DEST_PATH_IMAGE015
均为平面坐标。根据坐标附近的数字高程模型和目标的成像光线计算目标精确坐标的具体步骤如下：
1）设第
Figure 866306DEST_PATH_IMAGE016
次迭代物方点的高程为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，其初始值为
Figure 248658DEST_PATH_IMAGE012
；
2）获取成像光线矢量在高程面
Figure 506464DEST_PATH_IMAGE017
上的坐标
Figure 280516DEST_PATH_IMAGE018
;
3）获取数字高程模型在
Figure DEST_PATH_IMAGE019
处的高程值
Figure 787721DEST_PATH_IMAGE020
；
4）重复步骤2）和3）直到第
Figure DEST_PATH_IMAGE021
次解算出的高程值
Figure 640008DEST_PATH_IMAGE022
和第
Figure DEST_PATH_IMAGE023
次解算出的高程值
Figure 345796DEST_PATH_IMAGE024
之间差值小于给定的阈值，则
Figure DEST_PATH_IMAGE025
即为目标的精确坐标值。
作为优选的，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中控制点判别步骤中先根据目标精确坐标确定备选控制点，然后通过与所述控制点图片逐一对比，找出两者之间距离小于给定阈值的所有控制点作为备选控制点，若不存在备选控制点则直接返回“否”，反之则计算出目标图片和各备选控制点图片之间的相关性，取出其中相关性最高的备选控制点，若其相关性小于给定阈值则返回“否”，否则返回“是”并将目标信息和此控制点信息打包记录在列表中。
作为优选的，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中相机检校步骤中根据列表中所有目标与控制点信息作为观测值带入到公式1中求解出相机内方位元素改正数和相机安装矩阵改正数，并通过星地传输到星上系统中。
一种基于天地协同的星上目标高精度定位系统包含星上系统和地面系统，所述星上系统根据姿态数据和影像数据获取目标地物数据和成像光线在三维空间中的矢量进行第一次数据压缩后下传至地面系统；所述地面系统将星上系统下传下来的压缩数据与控制点库比对后第二次进行数据压缩，并将第二次压缩数据上传至星上系统进行相机校验获得相机检校参数后对成像光线在三维空间中的矢量进行修正。
进一步的，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中星上系统包括以下模块：
目标识别模块：对影像数据进行目标识别获得目标地物数据；
成像光线解算模块：从目标识别步骤中目标地物数据选择目标中心的像素坐标，将目标中心的像素坐标和姿态数据进行成像光线解算获得目标中心所对应的成像光线在三维空间中的矢量；
相机检校模块：根据控制点库中的控制点图片坐标值和星上系统中的姿态数据计算出相机检校参数，并将相机检校参数上传到星上系统对成像光线在三维空间中的矢量进行修正。
进一步的，本发明的基于天地协同的星上目标高精度定位方法中地面系统包含以下模块：
坐标解算模块：将所述目标地物数据和成像光线在三维空间中的矢量进行第一次数据压缩后用数字高程模型计算得到目标精确坐标；
控制点判别模块：将所述目标精确坐标与控制点库中所有控制点进行比对，判别目标是否为控制点，如果是控制点则进行第二次数据压缩后进入相机检校步骤，所述控制点库中存有控制点图片和控制点图片坐标值。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种基于天地协同的星上目标高精度定位方法，其特征在于，包含以下步骤：
目标识别步骤：对影像数据进行目标识别获得目标地物数据；
成像光线解算步骤：从目标识别步骤中目标地物数据选择目标中心的像素坐标，将目标中心的像素坐标和姿态数据进行成像光线解算获得目标中心所对应的成像光线在三维空间中的矢量；
坐标解算步骤：将所述目标地物数据和成像光线在三维空间中的矢量进行第一次数据压缩后用数字高程模型计算得到目标精确坐标；
控制点判别步骤：将所述目标精确坐标与控制点库中所有控制点进行比对，判别目标是否为控制点，如果是控制点则进行第二次数据压缩后进入相机检校步骤，所述控制点库中存有控制点图片和控制点图片坐标值；
相机检校步骤：根据控制点库中的控制点图片坐标值和星上系统中的姿态数据计算出相机检校参数，并将相机检校参数上传到星上系统对成像光线在三维空间中的矢量进行修正。
2.根据权利要求1所述的一种基于天地协同的星上目标高精度定位方法，其特征在于，所述相机检校参数包括相机内方位元素改正数和相机安装矩阵改正数。
3.根据权利要求1所述的一种基于天地协同的星上目标高精度定位方法，其特征在于，所述目标识别步骤是在星上短时存储中的多帧影像数据上完成。
4.根据权利要求1所述的一种基于天地协同的星上目标高精度定位方法，其特征在于，所述坐标解算步骤中根据成像光线在三维空间中的矢量与数字高程模型进行迭代求解其两者交点坐标。
5.根据权利要求1所述的一种基于天地协同的星上目标高精度定位方法，其特征在于，所述控制点判别步骤中先根据目标精确坐标确定备选控制点，然后通过与所述控制点图片比对，确定目标是否为控制点，并记录在列表中。
6.根据权利要求5所述的一种基于天地协同的星上目标高精度定位方法，其特征在于，所述相机检校步骤中会使用所有记录在列表中的控制点完成检校参数计算。
7.一种基于天地协同的星上目标高精度定位系统，其特征在于，包含星上系统和地面系统，所述星上系统根据姿态数据和影像数据获取目标地物数据和成像光线在三维空间中的矢量进行第一次数据压缩后下传至地面系统；所述地面系统将星上系统下传下来的压缩数据与控制点库比对后第二次进行数据压缩，并将第二次压缩数据上传至星上系统进行相机校验获得相机检校参数后对成像光线在三维空间中的矢量进行修正。
8.根据权利要求7所述的一种基于天地协同的星上目标高精度定位系统，其特征在于，所述星上系统包括以下模块：
目标识别模块：对影像数据进行目标识别获得目标地物数据；
成像光线解算模块：从目标识别步骤中目标地物数据选择目标中心的像素坐标，将目标中心的像素坐标和姿态数据进行成像光线解算获得目标中心所对应的成像光线在三维空间中的矢量；
相机检校模块：根据控制点库中的控制点图片坐标值和星上系统中的姿态数据计算出相机检校参数，并将相机检校参数上传到星上系统对成像光线在三维空间中的矢量进行修正。
9.根据权利要求7所述的一种基于天地协同的星上目标高精度定位系统，其特征在于，所述地面系统包含以下模块：
坐标解算模块：将所述目标地物数据和成像光线在三维空间中的矢量进行第一次数据压缩后用数字高程模型计算得到目标精确坐标；
控制点判别模块：将所述目标精确坐标与控制点库中所有控制点进行比对，判别目标是否为控制点，如果是控制点则进行第二次数据压缩后进入相机检校步骤，所述控制点库中存有控制点图片和控制点图片坐标值。
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