一种星地协同的光学卫星在轨实时几何定位方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种星地协同的光学卫星在轨实时几何定位方法及系统，包括构建适用于星上实时处理单元的光学卫星成像定位模型，由地面实验室对相机内部及平台安装关系的检校参数或设计参数获取星上定位模型参数的初始值，卫星在轨后获取地面定标场影像数据并下传，利用下传的定标场影像在地面处理系统中完成定标匹配及定标参数解算；定标结果验证与模型参数上注更新。本发明专利技术针对星上处理环境的局限性，结合地面处理系统，形成星地协同的处理模式，实现了光学遥感卫星在轨高精度实时几何定位，提高了对地观测系统的应用效能和时效性，为实现智能化、高效的遥感数据星上实时处理技术提供必要的基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的技术方案属于卫星遥感数据处理
，特别涉及一种星地协同的光学卫星星上几何定位处理的方法及系统。
技术介绍
随着影像分辨率的提高，光学遥感卫星获取的数据量呈几何级数增长，远远超出了数据压缩传输能力的发展，导致星上实时获取的数据无法及时下传。以高分二号遥感卫星为例，该卫星原始获取数据率达到7Gb/s，若采用常规压缩传输方法，通过2*450Mbps数传链路，也无法完成全部获取数据的实时下传，严重制约了用户获取遥感数据和信息的时效性。因此，面向高分辨率光学成像所获取的实时海量遥感数据，现有的星地数据处理模式、数据压缩方法、数据处理方法无法满足各类用户及时准确获取信息的要求。从而迫切需要研究新的数据处理模式、自动化和高时效性的数据处理方法，提升海量遥感影像的实时数据处理能力和信息提取水平，充分发挥对地观测系统的应用效能。光学遥感卫星星上在轨实时处理打破传统“星上成像-影像下传-地面处理”的数据处理模式，可在星上从海量遥感影像数据中，针对兴趣任务目标进行提取，实时对目标影像块进行数据处理，进而转化为有效信息快速分发至地面用户，以任务驱动角度出发，大大提高了遥感数据应用的时效性及自动化、智能化程度。其中，具有高精度、实时性的星上几何定位技术是实现以任务驱动的光学遥感卫星星上在轨实时处理的必要环节，精确、可靠的地理位置信息是卫星获取的空间数据得以实时提取、转化为有效信息的基础。光学卫星高精度几何定位依赖于精确的成像几何模型参数，受卫星发射时应力释放、卫星运行时空间热环境及力学环境等因素的影响，地面实验室对于光学相机内部及平台安装参数的检校无法满足卫星定位的精度需求。目前，地面系统处理一般采用基于地面定标场的几何定标方法，以卫星在轨运行时获取的几何定标场影像数据进行模型参数的精化解算，而星上几何定位技术受制于存储环境及处理环境的约束，无法在星上进行几何定标。
技术实现思路
本专利技术针对光学卫星成像高精度在轨几何定位问题，提出了一种星地协同的光学卫星在轨实时几何定位方法及系统。本专利技术提供的技术方案为一种星地协同的光学卫星在轨实时几何定位方法，包括以下步骤：步骤1，定位模型构建及算法固化，构建适用于星上实时处理单元的光学卫星成像定位模型，并将相应定位求解方法固化于星上硬件环境，保留模型参数更新上注接口；所述光学卫星成像定位模型，是采用线阵CCD探元指向角的内定向模型，建立基于严密共线方程模型与地球椭球面模型相交的在轨定位模型；步骤2，初值确定，由地面实验室对相机内部及平台安装关系的检校参数或设计参数获取星上定位模型参数的初始值；步骤3，定标数据获取，卫星在轨运行后对地面定标场进行成像，获取适宜几何定标的影像数据并下传至地面系统；步骤4，地面系统几何定标，包括在地面处理系统中完成定标控制点的密集匹配、定标参数解算；步骤5，定标结果验证与模型参数上注更新，对定标精度评价，确定定标结果的正确性后，更新星上定位的相应参数。而且，步骤1中，所述线阵CCD探元指向角的内定向模型如下，其中，(Vimage)cam为像元在像空间坐标系下的指向矢量，x、y分别为像元在像平面坐标系下垂轨和沿轨方向的坐标，ψx(s)、ψy(s)为探元s指向矢量在沿轨和垂轨方向的角度分量，f为相机主距；对于具有多片CCD拼接成像的相机，设有m片CCD，则对于m片CCD分别采用多组三次多项式(ψxj(s)ψyj(s))进行描述，其中，s为探元号，ψxj(s)、ψyj(s)为各片上探元指向角在沿轨和垂轨方向的角度分量，j表示CCD的标号，(ax0j,ax1j,ax2j,ax3j,ay0j,ay1j,ay2j,ay3j)为内定标参数。而且，步骤1中，所述用基于严密共线方程模型与地球椭球面模型相交的在轨定位模型如下，其中，为卫星本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵，为J2000坐标系到本体坐标系的旋转矩阵，为WGS84坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，(Xs,Ys,Zs)为成像时刻的卫星在WGS84坐标系下的位置，(X,Y,Z)为目标点在WGS84坐标系下的坐标，λ为比例因子，aWGS84和bWGS84分别为WGS84椭球的长半轴和短半轴，h为目标定位点在物方的高程。而且，步骤1中，所述定位求解方法采用基于DEM数据的高程迭代定位求解方法，实现方式如下，以目标点高程初值h0＝0，在DEM数据的支持下，进行高程迭代求解，包括执行以下步骤，a.令i＝1，目标点高程h＝h0，即令h＝0，代入椭球面模型；b.共线方程与椭球面方程联立，求得目标点物方坐标，获取光线与椭球高h处的交点Mi；c.若i＞1，则判断此次获得的交点Mi与上次计算坐标Mi-1的修正量d(Mi-1,Mi)是否小于阈值d；d.若修正量小于阈值，则输出定位结果，若i＝1或修正量大于阈值，则由目标点物方坐标Mi在DEM上内插更新高程值h＝h(Mi)，令i＝i+1，返回步骤b，重复b、c、d步骤直至收敛。而且，步骤2中，确定星上模型参数的初值，实现方式如下，对于相机在平台上安装关系的实验室检校，获取三安装角参数，与构成的三个旋转角一致，直接作为初值；对于相机内部参数的实验室检校，按照严格物理模型，测量相机主距f、各片CCD首像元在相机坐标系下的坐标(x0j,y0j)，设定内定向参数的初始值，如下式，其中，pixelsize为CCD像元大小设计值。而且，步骤4中构建结合内部探元指向角模型与外部安装矩阵补偿的在轨几何定标模型，实现方法如下：作为外定标参数，用于恢复相机坐标系在空间中的位置和姿态；(ax0j,ax1j,ax2j,ax3j,ay0j,ay1j,ay2j,ay3j)(j＝1,2,...,m)作为内定标参数，用于确定相机内部CCD各探元在相机坐标系下的坐标。而且，步骤4中，基于步骤1所得在轨定位模型，执行以下步骤，a.设在待定标影像上量测了K个高精度地面控制点作为定向点，控制点的WGS84地心直角坐标为(XiYiZi)，像点坐标为(sili)，i＝1,2,3...k；b.令：其中，为像点光线在本体坐标系下的矢量，(pitch,roll,yaw)为相机在本体坐标系上的三个安装偏置角，为本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵设外定标参数XE、内定标参数XI为自变量，令F()、G()分别为像空间坐标系下像点沿轨及垂轨方向的矢量残差函数，则有：c.对外定标参数XE、内定标参数XI赋初值d.将当前的内定标参数XI视为“真值”，将外定标参数XE视为待求的未知参数，将相应的当前值代入矢量残差函数，对每个定向点，进行线性化处理，建立误差方程式，利用最小二乘平差计算更新外定标参数XE的当前值，e.重复步骤d，迭代计算直至外定标参数改正数均小于预设阈值时停止，进入步骤f；f.将当前的外定标参数XE视为“真值”，将内定标参数XI视为待求的未知参数，将相应的当前值代入矢量残差函数，对每个定向点，进行线性化处理，建立误差方程式，利用最小二乘平差计算更新内定标参数XI的当前值，g.重复步骤f，迭代计算直至内定标参数改正数均小于预设阈值时停止，完成几何内外定标参数求解。本专利技术相应提供一种星地协同的光学卫星在轨实时几何定位系统，包括以下模块：定位模型构建及算法固化模块，用于构建适用于星上实时处理单元的光学卫星成像定位模型，并将相应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种星地协同的光学卫星在轨实时几何定位方法，包括以下步骤：步骤1，定位模型构建及算法固化，构建适用于星上实时处理单元的光学卫星成像定位模型，并将相应定位求解方法固化于星上硬件环境，保留模型参数更新上注接口；所述光学卫星成像定位模型，是采用线阵CCD探元指向角的内定向模型，建立基于严密共线方程模型与地球椭球面模型相交的在轨定位模型；步骤2，初值确定，由地面实验室对相机内部及平台安装关系的检校参数或设计参数获取星上定位模型参数的初始值；步骤3，定标数据获取，卫星在轨运行后对地面定标场进行成像，获取适宜几何定标的影像数据并下传至地面系统；步骤4，地面系统几何定标，包括在地面处理系统中完成定标控制点的密集匹配、定标参数解算；步骤5，定标结果验证与模型参数上注更新，对定标精度评价，确定定标结果的正确性后，更新星上定位的相应参数。

【技术特征摘要】
1.一种星地协同的光学卫星在轨实时几何定位方法，包括以下步骤：步骤1，定位模型构建及算法固化，构建适用于星上实时处理单元的光学卫星成像定位模型，并将相应定位求解方法固化于星上硬件环境，保留模型参数更新上注接口；所述光学卫星成像定位模型，是采用线阵CCD探元指向角的内定向模型，建立基于严密共线方程模型与地球椭球面模型相交的在轨定位模型；步骤2，初值确定，由地面实验室对相机内部及平台安装关系的检校参数或设计参数获取星上定位模型参数的初始值；步骤3，定标数据获取，卫星在轨运行后对地面定标场进行成像，获取适宜几何定标的影像数据并下传至地面系统；步骤4，地面系统几何定标，包括在地面处理系统中完成定标控制点的密集匹配、定标参数解算；步骤5，定标结果验证与模型参数上注更新，对定标精度评价，确定定标结果的正确性后，更新星上定位的相应参数。2.根据权利要求1所述星地协同的光学卫星在轨实时几何定位方法，其特征在于：步骤1中，所述线阵CCD探元指向角的内定向模型如下，(Vimage)cam=xfyf1T=tan(ψx(s))tan(ψy(s))1T]]>其中，(Vimage)cam为像元在像空间坐标系下的指向矢量，x、y分别为像元在像平面坐标系下垂轨和沿轨方向的坐标，ψx(s)、ψy(s)为探元s指向矢量在沿轨和垂轨方向的角度分量，f为相机主距；对于具有多片CCD拼接成像的相机，设有m片CCD，则对于m片CCD分别采用多组三次多项式(ψxj(s)ψyj(s))进行描述，ψxj(s)=ax0j+ax1j·s+ax2j·s2+ax3j·s3ψyj(s)=ay0j+ay1j·s+ay2j·s2+ay3j·s3,j=1,2,...,m]]>其中，s为探元号，ψxj(s)、ψyj(s)为各片上探元指向角在沿轨和垂轨方向的角度分量，j表示CCD的标号，(ax0j,ax1j,ax2j,ax3j,ay0j,ay1j,ay2j,ay3j)为内定标参数。3.根据权利要求2所述星地协同的光学卫星在轨实时几何定位方法，其特征在于：步骤1中，所述用基于严密共线方程模型与地球椭球面模型相交的在轨定位模型如下，tan(ψxj(s))tan(ψyj(s))1=λRinscamRJ2000insRWGS84J2000X-XsY-YsZ-ZsX2+Y2(aWGS84+h)2+Z2(bWGS84+h)2=1]]>其中，为卫星本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵，为J2000坐标系到本体坐标系的旋转矩阵，为WGS84坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，(Xs,Ys,Zs)为成像时刻的卫星在WGS84坐标系下的位置，(X,Y,Z)为目标点在WGS84坐标系下的坐标，λ为比例因子，aWGS84和bWGS84分别为WGS84椭球的长半轴和短半轴，h为目标定位点在物方的高程。4.根据权利要求3所述星地协同的光学卫星在轨实时几何定位方法，其特征在于：步骤1中，所述定位求解方法采用基于DEM数据的高程迭代定位求解方法，实现方式如下，以目标点高程初值h0＝0，在DEM数据的支持下，进行高程迭代求解，包括执行以下步骤，a.令i＝1，目标点高程h＝h0，即令h＝0，代入椭球面模型；b.共线方程与椭球面方程联立，求得目标点物方坐标，获取光线与椭球高h处的交点Mi；c.若i＞1，则判断此次获得的交点Mi与上次计算坐标Mi-1的修正量d(Mi-1,Mi)是否小于阈值d；d.若修正量小于阈值，则输出定位结果，若i＝1或修正量大于阈值，则由目标点物方坐标Mi在DEM上内插更新高程值h＝h(Mi)，令i＝i+1，返回步骤b，重复b、c、d步骤直至收敛。5.根据权利要求1或2或3或4所述星地协同的光学卫星在轨实时几何定位方法，其特征在于：步骤2中，确定星上模型参数的初值，实现方式如下，对于相机在平台上...

【专利技术属性】
技术研发人员：王密，田原，李德仁，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42