CN115908569A - 基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位方法及系统，涉及空间遥感技术领域，建立高轨大面阵相机在轨几何模型；对模型相机观测场内的地球轮廓进行提取，获得地球轮廓的坐标；以地球轮廓的坐标为基础，求取地球轮廓中心点；根据地球轮廓中心点与地球球心位置计算相机姿态角；利用相机姿态角的方位角和仰角计算遥感影像在LOS投影平面内极坐标，利用相机姿态角的旋转角得到参考地图投影匹配时的遥感影像投影，进行遥感影像中像点到所对应的地球表面点的地心固定系坐标的变换，实现在轨几何定位。本发明提供的基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位方法及系统解决了云雾、控制点数量、分布等对定位精度影响较大的技术问题。

Description

基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位方法及系统

技术领域

本发明涉及空间遥感技术领域，更具体的说是涉及一种基于地球轮廓的高轨大面阵相机高精度在轨几何定位方法及系统。

背景技术

目前，受发射及在轨运行过程中振动、冲击及热环境变化的影响，在地面标定的遥感相机的几何定位模型将产生偏差，影响影像的几何精度，实际应用中必须进行重新标定。目前通常采用地面控制点(GCP)或恒星作为参考，构建几何标定模型，根据卫星定轨测姿系统提供的姿轨参数实现标定参数解算。受定轨测姿系统的测量精度、参考信息的获取精度等影响，在轨几何定位方法通常依赖于地面定标场，利用遥感相机在轨运行时拍摄的地面几何定标场影像，提取高精度GCP，从而实现定位模型解算。该方法大多应用于高精度测绘卫星。

但是，由于建立地面定标场需投入大量的人力、物力，且无法实现全球范围内布控，不满足任意场景下实现在轨定位的要求，且基于地面定标场的方法严重依赖高精度地面定标场参考信息和手动选取的地面控制点数量，通常效率低下且不稳定。为了减少对定标场的依赖，提高解算效率，基于地理参考自动提取GCP实现在轨定位的方法得到广泛应用，通过将数字正射影像图和数字高程模型分别与在轨影像进行匹配以提取大量GCP。尽管上述GCP提取方法有助于自动校准，但图像的几何定位精度很大程度上取决于图像中的云覆盖率和GCP的分布。然而，由于云覆盖难以预测，且某些特征与参考图像相比会发生很大变化，导致无法实时获取可用的遥感图像，给紧急定位需求的即时校准带来很大困难。此外，基于恒星的在轨几何定位方法是将恒星视为一种控制点，与基于地面控制点方法类似，要求获取大量高精度的恒星位置信息作为参考，但由于相机视场内可观测恒星数量有限，当仅有几颗甚至一颗恒星时，控制点数量不足以用来解算校准参数，限制了该方法的使用。

因此，如何避免云雾、控制点数量、分布等因素对定位精度的影响是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位方法，利用地球轮廓解算相机姿态参数，实现相机高精度几何定位。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位方法，包括如下步骤：

步骤1：建立高轨大面阵相机在轨几何模型；

步骤2：根据步骤1中建立的高轨大面阵相机在轨几何模型，对高轨大面阵相机观测视场内地球轮廓进行提取，并建立图像坐标系与焦平面坐标系，提取地球轮廓点图像坐标；

步骤3：利用步骤2中地球轮廓点图像坐标，计算地球轮廓中心点；

步骤4：建立相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c，根据步骤3中地球轮廓中心点与地球球心位置计算相机姿态角；

步骤5：通过步骤4中相机姿态角参数中的方位角和仰角计算得到遥感影像在LOS投影平面内极坐标；利用相机姿态角参数中的旋转角得到与参考地图投影匹配时的遥感影像投影，进行遥感影像中像点到所对应的地球表面点的地心固定系坐标的变换，实现在轨几何定位。

采用上述方法的有益效果为：通过地球轮廓确定相机姿态信息，解算定位模型，解决现有方法定位精度受定轨测姿系统测量精度限制的问题，实现高轨大面阵相机高精度几何定位。

优选的，所述步骤2具体按照以下步骤实施：对于大面阵相机所拍摄的遥感影像，采用Sobel算子检测并提取地球轮廓，Sobel算子卷积核为：

I表示原始图像，G_u，G_v表示经横向及纵向边缘检测的图像灰度值，根据上述公式获取N个地球轮廓点图像坐标(u_i，v_i)。

优选的，所述步骤3具体按照以下步骤实施：根据N个地球轮廓点图像坐标，采用最小二乘法计算得到相机对地球球心成像所对应的像点O’位置坐标(u_O,，v_O,)，公式如下所示：

(u_i，v_i)为地球轮廓点图像坐标，R为计算得到的圆心半径。

优选的，步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1：相机姿态角包括方位角θ和仰角φ，(θ，φ)由下式计算得到：

(u_O’，v_O’)为相机对地球球心成像所对应的像点O’位置坐标，(u₀，v₀)为图像坐标系中相机主点坐标，dx和dy分别为x轴、_y轴方向像元尺寸，f为相机焦距：

步骤4.2：相机姿态角还包括旋转角ψ，在相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c中，LOS_O，为相机对地球球心的观测矢量，构建一个垂直于LOS_O,的平面，该平面为LOS投影平面；在LOS投影平面建立极坐标系，O_LOS为极点，Ψ为极轴，将遥感影像和参考地图通过投影矩阵分别转换到极坐标系，在LOS投影平面内将遥感影像投影沿Ψ轴平移，将平移后的遥感影像投影与参考地图投影匹配；当两者匹配时，遥感影像投影沿Ψ轴平移增加的角度为旋转角ψ。

采用上述方法的有益效果为：可将遥感图像坐标(u，v)转换到极坐标(r，Ψ)_img，即LOS投影平面极坐标系下遥感影像投影；将参考地图的地心固定系坐标(X，Y，Z)转换到极坐标(r，Ψ)_map，即LOS投影平面极坐标系下参考地图投影。

步骤4.2.1：LOS投影平面内极坐标(r，Ψ)到图像坐标系(u，v)的投影矩阵由下式计算得到：

分别为LOS投影平面绕X_c，Y_c，Z_c轴旋转的旋转矩阵；

步骤4.2.2：θ_E为地球表面点所对应的地心角，由下式计算得到：

为相机中心Oc与该地球表面点间的距离，θ_s＝arctan(r)；

步骤4.2.3：LOS投影平面极坐标到参考地图的投影矩阵通过以下公式得到：

(X，Y，Z)、(lon，lat，R)分别为地心固定坐标系和大地测量坐标系下地球表面点坐标，R为地球半径，Xce轴、Yce轴、Zce轴分别为地心固定坐标系的三轴指向，Xce轴位于赤道面内指向Greenwich子午线与赤道的交点，Yce轴位于赤道面内垂直于Xce轴，Zce轴垂直于赤道面指向北天极，R_Xce(·)，R_Yce(·)，R_Zce(·)分别为LOS投影平面绕Xce，Yce，Zce轴旋转的旋转矩阵。

为实现上述目的，本发明还提供了基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位系统，包括：

模型构建模块，建立高轨大面阵相机在轨几何模型；

轮廓坐标提取模块，对高轨大面阵相机观测视场内地球轮廓进行提取，并建立图像坐标系与焦平面坐标系，提取地球轮廓点图像坐标；

轮廓中心点计算模块，建立相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c，计算地球轮廓中心点；

姿态角确定模块，根据地球轮廓中心点与地球球心位置计算相机姿态角；

在轨几何定位模块，通过相机姿态角参数中的方位角和仰角计算得到遥感影像在LOS投影平面内极坐标；利用旋转角，则得到与参考地图投影匹配时的遥感影像投影，进行遥感影像中像点到所对应的地球表面点的地心固定系坐标的变换，实现在轨几何定位。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位方法及系统，通过模型构建模块构建的地球轮廓确定相机姿态信息，利用轮廓坐标提取模块提取地球轮廓点图像坐标，轮廓中心点计算模块计算地球轮廓中心点，姿态角确定模块计算相机姿态角，在轨几何定位模块在LOS投影平面建立极坐标系将遥感影像和参考地图通过投影矩阵分别转换到极坐标系，解算定位模型，解决现有方法定位精度受定轨测姿系统测量精度限制的问题，避免云覆盖、恒星数量等因素的限制，实现高轨大面阵相机高精度几何定位。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为高轨大面阵相机观测视场的模型示意图。

图2附图为高轨大面阵相机方位角与旋转角求解示意图。

图3附图为高轨大面阵相机旋转角求解示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。

本发明实施例公开了基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：建立高轨大面阵相机在轨几何模型；

步骤2：根据步骤1中建立的高轨大面阵相机在轨几何模型，对高轨大面阵相机观测视场内地球轮廓进行提取，并建立图像坐标系与焦平面坐标系，提取地球轮廓点图像坐标；

步骤3：利用步骤2中地球轮廓点图像坐标，计算地球轮廓中心点；

步骤4：建立相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c，根据步骤3中地球轮廓中心点与地球球心位置计算相机姿态角；

步骤5：通过步骤4中相机姿态角参数中的方位角和仰角计算得到遥感影像在LOS投影平面内极坐标；利用相机姿态角参数中的旋转角得到与参考地图投影匹配时的遥感影像投影，进行遥感影像中像点到所对应的地球表面点的地心固定系坐标的变换，实现在轨几何定位。

在一个具体实施例中，以地球同步轨道卫星为例，轨道高度约36000km，高轨大面阵相机可实现对地探测，相机视场内包含地球全圆盘图像及地球轮廓，其中，本发明中相机可以为单线阵、双线阵、三线阵数字相机。

在一个具体实施例中，步骤2中对于大面阵相机所拍摄的遥感影像，采用Sobel算子检测并提取地球轮廓，Sobel算子卷积核为：

其中，I表示原始图像，G_u，G_v表示经横向及纵向边缘检测的图像灰度值，根据上述公式获取N个地球轮廓点图像坐标(u_i，v_i)。

在一个具体实施例中，获取的遥感影像可以为模拟图像，须通过图像扫描仪等手段进行A/D转换才能由计算机进行处理。

在一个具体实施例中，步骤3还包括根据N个地球轮廓点图像坐标，采用最小二乘法计算得到相机对地球球心成像所对应的像点O，位置坐标(u_O’，v_O’)，公式如下所示：

其中，(u_i，v_i)为地球轮廓点图像坐标，R为计算得到的圆心半径。

在一个具体实施例中，如图2所示，相机姿态角(θ，φ，ψ)分别定义如下：在相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c中，LOS_O’为相机对地球球心的观测矢量，方位角θ是LOS_0’在X_cO_cZ_c平面的投影与-Z_c轴之间的夹角；仰角φ是LOS_O’和X_cO_cZ_c平面之间的角度；旋转角ψ是指相机绕LOS_O’旋转的角度，它是两个平面(由Y_c轴和LOS₀,构成的平面与地球Z轴与LOS_o’构成的平面)的夹角。

在一个具体实施例中，步骤4还包括：

步骤4.1：相机姿态角包括方位角θ和仰角φ，(θ，φ)由下式计算得到：

其中，(u_O’，v_O’)为相机对地球球心成像所对应的像点O’位置坐标，(u₀，v₀)为图像坐标系中相机主点坐标，dx和dy分别为x轴、y轴方向像元尺寸，f为相机焦距：

步骤4.2：相机姿态角还包括旋转角ψ，在相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c中，LOS_0’为相机对地球球心的观测矢量，构建一个垂直于LOS_0’的平面，该平面为LOS投影平面；在LOS投影平面建立极坐标系，O_LOS为极点，Ψ为极轴，将遥感影像和参考地图通过投影矩阵分别转换到极坐标系，在LOS投影平面内将遥感影像投影沿Ψ轴平移，将平移后的遥感影像投影与参考地图投影匹配；当两者匹配时，遥感影像投影沿Ψ轴平移增加的角度为旋转角ψ。

在一个具体实施例中，基于陆地海洋区域识别采用区域匹配方法实现LOS投影平面极坐标系下遥感影像投影与参考地图投影的匹配。

在一个具体实施例中，如图3所示，步骤4.2还包括：

构建一个垂直于LOS_O’，且与相机中心O_c距离为1的平面，即LOS投影平面。

步骤4.2.1：LOS投影平面内极坐标(r，Ψ)到图像坐标系(u，v)的投影矩阵由下式计算得到：

分别为LOS投影平面绕X_c，Y_c，Z_c轴旋转的旋转矩阵。其中，根据上式则可将遥感图像坐标(u，v)转换到极坐标(r，Ψ)_img，即LOS投影平面极坐标系下遥感影像投影。

步骤4.2.2：θ_E为地球表面点所对应的地心角，由下式计算得到：

为相机中心Oc与该地球表面点间的距离，θ_s＝arctan(r)。其中，根据以上分析可将参考地图的地心固定系坐标(X，Y，Z)转换到极坐标(r，Ψ)_map，即LOS投影平_面极坐标系下参考地图投影。

步骤4.2.3：LOS投影平面极坐标到参考地图的投影矩阵通过以下公式得到：

(X，Y，Z)、(lon，lat，R)分别为地心固定坐标系和大地测量坐标系下地球表面点坐标，R为地球半径，Xce轴、Yce轴、Zce轴分别为地心固定坐标系的三轴指向，Xce轴位于赤道面内指向Greenwich子午线与赤道的交点，Yce轴位于赤道面内垂直于Xce轴，Zce轴垂直于赤道面指向北天极，R_Xce(·)，R_Yce(·)，R_Zce(·)分别为LOS投影平面绕Xce，Yce，Zce轴旋转的旋转矩阵。

在一个具体实施例中，步骤5中包括：基于步骤4.2.1中公式(4)，利用姿态参数(θ，φ)可计算得到遥感影像(u，v)在LOS投影平面内极坐标(r，Ψ)_img。利用旋转角ψ，则可得到与参考地图投影匹配时的遥感影像投影，即(r，Ψ+ψ)_img＝(r，Ψ)_map。然后根据参考地图与步骤4.2.2中计算已获得的极坐标系下参考地图投影(r，Ψ)_map，可计算得到LOS投影平面内像点极坐标(r，Ψ+ψ)_img所对应的地球表面点地心固定系坐标(X，Y，Z)，即可完成从遥感影像中像点(u，v)到所对应的地球表面点的地心固定系坐标(X，Y，Z)的变换，实现在轨几何定位。

在一个具体实施例中，提供了一种基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位系统，包括：

模型构建模块，建立高轨大面阵相机在轨几何模型；

轮廓坐标提取模块，对高轨大面阵相机观测视场内地球轮廓进行提取，并建立图像坐标系与焦平面坐标系，提取地球轮廓点图像坐标；

轮廓中心点计算模块，建立相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c，计算地球轮廓中心点：

姿态角确定模块，根据地球轮廓中心点与地球球心位置计算相机姿态角；

在轨几何定位模块，通过相机姿态角参数中的方位角和仰角计算得到遥感影像在LOS投影平面内极坐标；利用旋转角，则得到与参考地图投影匹配时的遥感影像投影，进行遥感影像中像点到所对应的地球表面点的地心固定系坐标的变换，实现在轨几何定位。

本发明提供的基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位方法及系统，基于地球轮廓确定相机姿态信息，解算定位模型，解决现有方法定位精度受定轨测姿系统测量精度限制的问题，避免了现有技术中关于云覆盖、恒星数量等因素的限制，实现高轨大面阵相机高精度几何定位。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1：建立高轨大面阵相机在轨几何模型；

步骤2：根据步骤1中建立的高轨大面阵相机在轨几何模型，对高轨大面阵相机观测视场内地球轮廓进行提取，并建立图像坐标系与焦平面坐标系，提取地球轮廓点图像坐标；

步骤3：利用步骤2中地球轮廓点图像坐标，计算地球轮廓中心点；

步骤4：建立相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c，根据步骤3中地球轮廓中心点与地球球心位置计算相机姿态角；

步骤5：通过步骤4中相机姿态角参数中的方位角和仰角计算得到遥感影像在LOS投影平面内极坐标；利用相机姿态角参数中的旋转角得到与参考地图投影匹配时的遥感影像投影，进行遥感影像中像点到所对应的地球表面点的地心固定系坐标的变换，实现在轨几何定位。

2.根据权利要求1的基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位方法，其特征在于：步骤2中包括对于大面阵相机所拍摄的遥感影像，采用Sobel算子检测并提取地球轮廓，Sobel算子卷积核为：

I表示原始图像，G_u,G_v表示经横向及纵向边缘检测的图像灰度值，根据上述公式获取N个地球轮廓点图像坐标(u_i,v_i)。

3.根据权利要求2的基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位方法，其特征在于：步骤3中包括根据N个地球轮廓点图像坐标，采用最小二乘法计算得到相机对地球球心成像所对应的像点O’位置坐标(u_O’,v_O’)，公式如下所示：

(u_i，v_i)为地球轮廓点图像坐标，R为计算得到的圆心半径。

4.根据权利要求3的基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位方法，其特征在于，步骤4包括：

步骤4.1：相机姿态角包括方位角θ和仰角φ，(θ，φ)由下式计算得到：

(u_O’，v_O’)为相机对地球球心成像所对应的像点O’位置坐标，(u₀，v₀)为图像坐标系中相机主点坐标，dx和dy分别为x轴、y轴方向像元尺寸，f为相机焦距；

步骤4.2：相机姿态角还包括旋转角ψ，在相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c中，LOS_0’为相机对地球球心的观测矢量，构建一个垂直于LOS_0’的平面，该平面为LOS投影平面；在LOS投影平面建立极坐标系，O_LOS为极点，Ψ为极轴，将遥感影像和参考地图通过投影矩阵分别转换到极坐标系，在LOS投影平面内将遥感影像投影沿Ψ轴平移，将平移后的遥感影像投影与参考地图投影匹配；当两者匹配时，遥感影像投影沿Ψ轴平移增加的角度为旋转角ψ。

5.根据权利要求4的基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位方法，其特征在于，步骤4.2包括：

步骤4.2.1：LOS投影平面内极坐标(r，Ψ)到图像坐标系(u，v)的投影矩阵由下式计算得到：

分别为LOS投影平面绕X_c，Y_c，Z_c轴旋转的旋转矩阵；

步骤4.2.2：θ_E为地球表面点所对应的地心角，由下式计算得到：

为相机中心O_c与该地球表面点间的距离，θ_s＝arctan(t)；

步骤4.2.3：LOS投影平面极坐标到参考地图的投影矩阵通过以下公式得到：

(X，Y，Z)、(lon，lat，R)分别为地心固定坐标系和大地测量坐标系下地球表面点坐标，R为地球半径，Xce轴、Yce轴、Zce轴分别为地心固定坐标系的三轴指向，Xce轴位于赤道面内指向Greenwich子午线与赤道的交点，Yce轴位于赤道面内垂直于Xce轴，Zce轴垂直于赤道面指向北天极，R_Xce(·)，R_Yce(·)，R_Zce(·)分别为LOS投影平面绕Xce，Yce，Zce轴旋转的旋转矩阵。

6.基于地球轮廓的高轨大面阵相机在轨几何定位系统，其特征在于，包括：

模型构建模块，建立高轨大面阵相机在轨几何模型；

轮廓坐标提取模块，对高轨大面阵相机观测视场内地球轮廓进行提取，并建立图像坐标系与焦平面坐标系，提取地球轮廓点图像坐标；

轮廓中心点计算模块，建立相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c，计算地球轮廓中心点；

姿态角确定模块，根据地球轮廓中心点与地球球心位置计算相机姿态角；

在轨几何定位模块，通过相机姿态角参数中的方位角和仰角计算得到遥感影像在LOS投影平面内极坐标；利用旋转角，则得到与参考地图投影匹配时的遥感影像投影，进行遥感影像中像点到所对应的地球表面点的地心固定系坐标的变换，实现在轨几何定位。

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