敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配算法制造技术

敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配算法，涉及航空航天技术领域，解决现有同轨条带拼接技术无法实现条带无缝拼接下的姿态与成像问题，确定卫星星下点经纬度及各条带成像起始点经纬度；并计算卫星星下点经纬度及各条带成像起始点经纬度对应在WGS84坐标系下的位置矢量；根据获得的位置矢量计算卫星指向第一条带成像起始点的横滚角和俯仰角，根据地球半径以及卫星横滚后地面区域对应的地心角，获得地面幅宽，根据地面幅宽公式和条带重叠率，迭代计算其他条带成像起始点的卫星的横滚角和俯仰角；求取各条带成像起始点的偏航角，并根据获得的各条带的横滚角、俯仰角和偏航角，实现敏捷卫星同轨条带无缝拼接。本发明专利技术所述的方法精确度高，简单可靠。

【技术实现步骤摘要】
敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配方法
本专利技术涉及航空航天
，具体涉及一种敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配方法。
技术介绍
卫星遥感作为人类获取地球系统数据和认知地球系统的重要手段，已经广泛应用于国土资源遥感、灾害监测、环境测绘与大气探测、国防军事等诸多领域。依据目标对象和星载传感器瞬间视场的相对大小关系，卫星观测目标可分为点目标和区域目标两类。点目标通常是一个面积较小的区域，它可以被星载传感器的一个瞬间视场覆盖；而区域目标通常是由多边形或封闭曲线包含的大范围区域，需要星载传感器经过多轨多次拍摄才能完成观测任务，区域目标的图像是多张条带的拼接产物。同轨多条带拼接成像工作模式是利用快速姿态机动能力，使卫星实现同一轨道多次同向推扫拼接成像，以增大幅宽。该模式要求卫星完成一个条带推扫后，在卫星继续飞行过程中立即进行俯仰方向的反向机动，同时通过一定角度的横滚将卫星指向平移约一个幅宽的距离，使得后一次推扫的起始条带与前一次推扫的起始条带相邻。条带拼接成像模式可以得到若干条幅宽和条带长度相同的影像，从而实现对区域目标的大幅宽成像，在未来卫星遥感成像事业中具有广阔的应用前景。目前中国同轨条带拼接仍处于起步阶段，其中如何保证条带无缝拼接是一大技术难点。且现有卫星条带拼接成像技术由于姿态机动复杂，拼接图像经常容易漏缝或重叠过多，浪费幅宽等问题。专利号为CN103983254A的《一种新型敏捷卫星机动中成像方法》中，提出了卫星对点目标成像时姿态的计算公式，保证了卫星光轴始终指向点目标，但是该方法对区域目标并不适用。专利号为CN103217987A的《一种用于敏捷卫星动态成像的姿态调整方法》中，提出了卫星根据滚动-俯仰-偏航的姿态转序进行姿态机动，深入推导了滚动角、俯仰角和偏航角变化规律的计算公式，但没有涉及卫星条带的拼接；专利号为CN102905061A的《双镜头九片面阵探测器的无缝拼接成像光电系统》中，从光学设计角度出发，提供了一种双镜头九片面阵探测器的无缝拼接成像光电系统，但是并不涉及卫星的工作模式，无法解决条带无缝拼接下的姿态与成像问题。
技术实现思路
本专利技术为解决现有同轨条带拼接技术无法实现条带无缝拼接下的姿态与成像问题，提供一种敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配方法。敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配方法，该方法由以下步骤实现：步骤一、确定卫星星下点经纬度及各条带成像起始点经纬度；并计算所述卫星星下点经纬度及各条带成像起始点经纬度对应在WGS84坐标系下的位置矢量；步骤二、根据步骤一中获得的位置矢量计算卫星指向卫星条带一成像起始点的横滚角和俯仰角θ1，横滚角在三角形ΔAG1S中：俯仰角θ1为式中，Re为地球半径，H为轨道高度，卫星的位置为A，A的坐标为(xA,yA,zA)，G1为卫星条带一的成像起始点，xG1为卫星条带一在x轴的成像起始点，yG1为卫星条带一在y轴的成像起始点,zG1为卫星条带一在z轴的成像起始点，S为星条带一的成像起始点G1点沿星下点轨迹方向到卫星星下点的垂直交点，S点的位置矢量为(xS,yS,zS)，O为地心角，∠AOS为在三角形ΔOAS中OA与OS的夹角；根据地球半径Re以及卫星横滚后地面区域对应的地心角β2，获得地面幅宽W1，即卫星条带一成像的宽度；W1＝β2*Re；步骤三、根据各条带重叠率和步骤二中获得的地面幅宽公式，迭代计算卫星条带n成像起始点的横滚角和俯仰角；所述n为大于等于2的正整数；第n-1个卫星条带地面幅宽对应的地心角为β(2n-2)，式中，为条带n-1的横滚角，条带n的非重叠部分对应的地心角β(2n-1)为：β(2n-1)＝β(2n-2)*(1-m％)；卫星条带n的横滚角为：卫星条带n的俯仰角θn为：式中，v为卫星飞行速度，t(n-1)是卫星从G(n-1)点经推扫成像再指向Gn点经过的时间；m为条带重叠率，α为相机视场角；步骤四、求取各条带成像起始点的偏航角，并根据获得的各条带的横滚角、俯仰角和偏航角，实现敏捷卫星同轨条带无缝拼接；所述条带一的偏航角ψ1为：式中，ωe为地球自转角速度，成像起始点G1的纬度，为卫星指向条带一成像起始点时星下点K1的纬度，μ为地球引力常数，t0为在对卫星条带一开始成像的时刻，tΩ为过降交点时刻，a是卫星轨道半长轴；卫星条带n的偏航角ψn为：式中，成像起始点Gn的纬度，为卫星指向条带n成像起始点时星下点Kn的纬度，μ为地球引力常数，t(n-1)是卫星从G(n-1)点经推扫成像再指向Gn点经过的时间。本专利技术的有益效果：本专利技术所述的方法本专利技术针对快速姿态机动卫星的需求，解决了卫星同轨条带无缝拼接成像的问题。卫星条带拼接成像由于姿态机动复杂，拼接图像经常容易漏缝或重叠过多，浪费幅宽。本专利技术基于无缝的角度出发计算卫星姿态角，既保证了拼接图像的完整又不至于造成幅宽的浪费，大大提高快速姿态机动卫星拼接成像模式的观测范围和观测效率。并且本专利技术充分结合地球曲面性，不仅能求得较精确的解，而且计算速度快，能够满足大规模优化问题对于算法时间复杂度的约束。附图说明图1为本专利技术所述的敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配方法的流程图；图2为本专利技术所述的敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配方法中椭球(平面投影图)半径与地心纬度关系示意图；图3为本专利技术所述的敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配方法中卫星横滚角俯仰角示意图；图4为本专利技术所述的敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配方法中卫星横滚地面幅宽示意图；图5为本专利技术所述的敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配方法中卫星成像条带拼接重叠示意图；图6为本专利技术所述的敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配方法中卫星偏航角示意图；图7为本专利技术所述的敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配方法中的成像点速度关系图。具体实施方式具体实施方式一、结合图1至图7说明本实施方式，敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配方法，该方法由以下步骤实现：确定卫星星下点经纬度及各条带成像起始点经纬度；并计算所述卫星星下点经纬度及各条带成像起始点经纬度对应在WGS84坐标系下的位置矢量；一、确定卫星星下点经纬度及各条带成像起始点经纬度；结合图2，设地面一点X的经纬度为(γ,λ)，在WGS84坐标系下的地球长半轴aearth＝6378.137km，地球离心率eearth＝0.08181919的模型下，该点的位置矢量坐标(x,y,z)为进而获得卫星条带一成像起始点G1点和星下点K1点的位置矢量(xG1,yG1,zG1)，(xK1,yK1,zK1)。结合图3，设地球半径为Re，轨道高度为H，卫星位置A的坐标为(xA,yA,zA)，对应的星下点位置为K1，卫星飞行速度为v，计算指向G1点的卫星横滚角和俯仰角θ1。由得出S点的位置矢量(xs,ys,zs)解三角形ΔOAS得对应的圆心角为：横滚角在三角形ΔAG1S中有俯仰角式中，S为星条带一的成像起始点G1点沿星下点轨迹方向到卫星星下点的垂直交点，O为地心角，∠AOS为在三角形ΔOAS中OA与OS的夹角；结合图4，设定α为卫星相机的视场角，B、C分别为卫星横滚后地面幅宽的左右边界，β1是对应的地心角，β2是对应的地心角。计算卫星横滚后横本文档来自技高网...

【技术保护点】
敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配算法，其特征是，该算法由以下步骤实现：步骤一、确定卫星星下点经纬度及各条带成像起始点经纬度；并计算所述卫星星下点经纬度及各条带成像起始点经纬度对应在WGS84坐标系下的位置矢量；步骤二、根据步骤二中获得的位置矢量计算卫星指向卫星条带一成像起始点的横滚角和俯仰角θ1，横滚角在三角形ΔAG1S中：G1S=(xG1-xS)2+(yG1-ys)2+(zG1-zS)2]]>AG1=(xA-xG1)2+(yA-yG1)2+(zA-zG1)2]]>俯仰角θ1为式中，Re为地球半径，H为轨道高度，卫星的位置为A，A的坐标为(xA,yA,zA)，G1为卫星条带一的成像起始点，S为星条带一的成像起始点G1点沿星下点轨迹方向到卫星星下点的垂直交点，S点的位置矢量为(xS,yS,zS)，O为地心角，∠AOS为在三角形ΔOAS中OA与OS的夹角；根据地球半径Re以及卫星横滚后地面区域对应的地心角β2，获得地面幅宽W1，即卫星条带一成像的宽度；W1＝β2*Re；步骤三、根据各条带重叠率和步骤二中获得的地面幅宽公式，迭代计算卫星条带n成像起始点的横滚角和俯仰角；所述n为大于等于2的正整数；第n‑1个卫星条带地面幅宽对应的地心角为β(2n‑2)，式中，为条带n‑1的横滚角，条带n的非重叠部分对应的地心角β(2n‑1)为：β(2n‑1)＝β(2n‑2)*(1‑m％)；卫星条带n的横滚角为：卫星条带n的俯仰角θn为：式中，v为卫星飞行速度，t(n‑1)是卫星从G(n‑1)点经推扫成像再指向Gn点经过的时间；m为条带重叠率，α为相机视场角；步骤四、求取各条带成像起始点的偏航角，并根据获得的各条带的横滚角、俯仰角和偏航角，实现敏捷卫星同轨条带无缝拼接；所述条带一的偏航角ψ1为：式中，ωe为地球自转角速度，λG1成像起始点G1的纬度，λK1为卫星指向条带一成像起始点时星下点K1的纬度，μ为地球引力常数，t0为在对卫星条带一开始成像的时刻，tΩ为过降交点时刻，卫星条带n的偏航角ψn为：式中，λGn成像起始点Gn的纬度，λKn为卫星指向条带n成像起始点时星下点Kn的纬度，μ为地球引力常数，t(n‑1)是卫星从G(n‑1)点经推扫成像再指向Gn点经过的时间。...

【技术特征摘要】
1.敏捷卫星同轨条带无缝拼接姿态配准与成像匹配方法，其特征是，该算法由以下步骤实现：步骤一、确定卫星星下点经纬度及各条带成像起始点经纬度；并计算所述卫星星下点经纬度及各条带成像起始点经纬度对应在WGS84坐标系下的位置矢量；步骤二、根据步骤一中获得的位置矢量计算卫星指向卫星条带一成像起始点的横滚角和俯仰角θ1，横滚角在三角形ΔAG1S中：俯仰角θ1为式中，Re为地球半径，H为轨道高度，卫星的位置为A，A的坐标为(xA,yA,zA)，G1为卫星条带一的成像起始点，xG1为卫星条带一在x轴的成像起始点，yG1为卫星条带一在y轴的成像起始点,zG1为卫星条带一在z轴的成像起始点，S为星条带一的成像起始点G1点沿星下点轨迹方向到卫星星下点的垂直交点，S点的位置矢量为(xS,yS,zS)，O为地心角，∠AOS为在三角形ΔOAS中OA与OS的夹角；根据地球半径Re以及卫星横滚后地面区域对应的地心角β2，获得地面幅宽W1，即卫星条带一成像的宽度；W1...

【专利技术属性】
技术研发人员：金光，王亚敏，徐伟，杨秀彬，林星辰，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22