卫星敏捷成像仿真及定位精度评估方法技术

本发明专利技术提供一种卫星敏捷成像仿真及定位精度评估方法，包括：根据应用需求，设计载荷物理参数指标；根据卫星平台设计指标，采用数值积分的方法仿真理想状态下卫星运动轨迹，并进行摄动因素改正；计算恒角速度或恒线速度模式下敏捷成像的姿态机动角度，并进行偏流角校正；根据卫星运动轨迹、曝光时刻姿态数据、相机设计参数，DOM数据以及对应数据范围内的DEM数据，仿真生成理想敏捷成像序列影像及对应的均匀地面格网点坐标文件；根据平台设计指标和运动误差项获得卫星综合运动下的成像仿真结果，进而评估卫星综合运动对几何定位精度的影响。本发明专利技术的方法可以模拟卫星在轨的真实运动状态及成像过程，并评价卫星综合运动下的敏捷成像的几何定位精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及遥感卫星图像处理
，具体涉及一种卫星敏捷成像仿真及定位 精度评估方法，特别是涉及一种考虑卫星综合运动的敏捷成像仿真及定位精度评估方法。
技术介绍
近年来，国内外相关研究机构相继开展了大量有关敏捷成像遥感卫星的研制工 作，特别是低轨视频小卫星，已成为目标追踪、动态监测等领域潜在的最具商业价值的遥感 观测手段。敏捷卫星通过姿态机动实现对目标区域的快速成像，在短时间内获取目标区域 的序列影像及合成视频，可提供目标区域丰富的地表信息和动态信息。目前敏捷卫星影像 的应用还处于发展初期，受制于姿态指向精度、姿态稳定度、卫星平台颤振、姿轨测量能力 等影响，其在复杂运动模式下的成像几何定位精度仍需大量实验论证。 光学遥感卫星敏捷成像序列影像仿真通过对敏捷成像过程进行理论建模和仿真 分析，能够直观地分析和评测影响敏捷成像几何定位精度的内外因素和作用机制，在遥感 器的全生命周期内发挥着不可或缺的作用，具有十分重要的应用价值。遥感卫星敏捷成像 序列影像仿真可以在敏捷卫星系统论证阶段进行有针对性的任务分析、流程仿真及参数设 计，可在卫星投产之前对其整体性能进行预估，以确定成像的几何定位精度是否满足应用 需求，尽早发现并改进设计中存在的不足，从而达到提高研制水平、缩短研制周期、节约研 制成本的目的。 因此，有必要建立一套遥感卫星敏捷成像仿真系统，实现敏捷成像序列影像仿真、 实现仿真多种误差因素耦合的卫星综合运动下的成像过程并评价其几何定位精度。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是如何针对遥感卫星敏捷成像模式，在系统设计阶段根 据卫星平台设计参数及应用需求，设计一套自动计算姿态机动、模拟敏捷卫星综合运动条 件下序列影像生成的仿真系统，并对由于卫星运动造成的几何定位精度下降进行了定量评 估，从而指导卫星及载荷设计方提出符合应用需求的卫星平台及载荷的合理化指标设计。 -个方面，本专利技术提供了一种，包括：根据 应用需求，设计载荷物理参数指标； 根据卫星平台设计指标，采用数值积分的方法仿真理想状态下卫星运动轨迹，并 进行摄动因素改正； 根据设定的初始姿态和角速度计算恒角速度或恒线速度模式下敏捷成像的姿态 机动角度，并进行偏流角校正； 根据卫星运动轨迹、曝光时刻姿态数据、相机设计参数，数字正射影像图DOM数据 以及对应数据范围内的数字高程模型DEM数据，仿真生成理想敏捷成像序列影像及对应的 均匀地面格网点坐标文件； 根据平台设计指标，添加姿态指向精度、姿态稳定度、卫星平台颤振数据，生成成 像轨道、姿态数据，获得卫星综合运动下的成像仿真结果，进而评估卫星综合运动对几何定 位精度的影响。 进一步地，该方法还包括：根据卫星飞行轨迹和成像区域范围，自动计算恒角速度 或恒线速度模式下敏捷成像的姿态机动角度，并进行偏流角校正。 进一步地，根据设定的初始姿态和角速度或根据卫星飞行轨迹和成像区域范围， 计算恒角速度或恒线速度模式下敏捷成像的姿态机动角度，并进行偏流角校正，包括： 对于恒角速度姿态机动模式，在给定初始姿态（pitch。，roll。，yaw。）及角速度 (vpitch，vroll，vyaw)情况下，逐帧计算成像时刻的姿态机动角；对于恒线速度姿态机动 模式，根据卫星飞行轨迹和目标成像区域的起止经炜度坐标，计算成像姿态机动角； 根据卫星轨道数据及相机参数，计算偏流角改正值，将其加在偏航角yaw上，输出 姿态序列。 进一步地，根据卫星飞行轨迹和目标成像区域的起止经炜度坐标，计算成像姿态 机动角，包括： 定义姿态机动坐标系及转序，卫星姿态机动成像时采用俯仰pitch角和侧摆roll 角成像； 由该区域成像总时间、成像序列帧频及目标成像区域的起止经炜度坐标，在平面 投影坐标系下计算摄影点移动步长及每一成像时刻摄影点平面坐标，继而得到对应的地面 摄影点坐标（Lon, Lat); 由地面摄影点经炜度坐标结合DEM数据，获得成像目标在地理坐标系中的坐标 (Lon, Lat, H)，转换到像空间坐标系下坐标（XTD Ytd Ztc); 根据成像时刻卫星在像空间坐标系中的坐标（XSD Ysd Zse)，计算卫星姿态机动后 指向目标地物的矢量在像空间坐标系中的单位矢量笔^ 计算姿态机动旋转矩阵，并根据转序计算姿态机动俯仰角pitch和侧摆角roll。 进一步地，根据卫星运动轨迹、姿态数据及相机设计参数，高精度DOM数据以及对 应范围内的DEM数据，仿真生成理想敏捷成像序列影像及对应的均匀地面格网点坐标文 件，包括： 构建敏捷成像严格几何模型，建立像方均匀格网，并根据共线方程的原理计算对 应的地面格网点坐标，生成理想地面格网点坐标文件； 根据高精度DOM和DEM数据，采用分块多线程处理，读取DOM数据中相应位置的纹 理信息，通过灰度插值得到理想仿真图像。 进一步地，根据平台设计指标，添加姿态指向精度、姿态稳定度、卫星平台颤振数 据，生成成像轨道、姿态数据，获得卫星综合运动下的成像仿真结果，进而评估卫星综合运 动对几何定位精度的影响，包括： 根据平台设计指标，添加姿态指向精度、姿态稳定度、卫星平台颤振数据，生成成 像轨道、姿态序列； 由成像轨道、姿态数据生成实际仿真图像及对应的均匀地面格网点坐标文件； 比较理想地面格网点坐标及实际成像地面格网点坐标，统计得到卫星平台及载荷 设计指标下的成像几何定位精度。 本专利技术提供的，针对遥感卫星敏捷成像模 式，建立了敏捷成像姿态机动模型、面阵相机物理参数模型及成像几何模型，实现了卫星综 合运动下的敏捷成像序列影像仿真；针对敏捷成像模式，充分考虑了轨道摄动因素，姿态指 向精度、姿态稳定度、卫星平台颤振等多项运动误差对几何定位精度的影响，模拟了卫星在 轨的真实运动状态及成像过程，评价了卫星综合运动下的敏捷成像的几何定位精度。【附图说明】 图1-2示出本专利技术一个实施例的的流程 图。 图3A-3D为本专利技术实施例实现敏捷成像序列影像仿真系统示意图。 图4示出敏捷成像序列影像仿真11个成像时刻的姿态角。 图5示出本专利技术一个实施例的第1~4帧仿真图像。【具体实施方式】 下面参照附图对本专利技术进行更全面的描述，其中说明本专利技术的示例性实施例。 本专利技术依托"光学遥感卫星成像仿真设计平台"项目，结合技术特点和项目需求， 对光学遥感卫星成像链路仿真的关键技术和实现流程进行了调研及方案设计；完成了卫星 平台参数仿真、面阵相机物理参数仿真、轨道和姿态数据仿真的建模及实现；完成了敏捷成 像模式姿态机动计算和面阵相机几何构像仿真的建模与实现；并针对给定的卫星载荷设计 指标进行了大量仿真实验，对不同设计指标下的成像几何定位精度进行了定量评估。 本专利技术针对遥感卫星敏捷成像模式，在设计阶段根据卫星平台设计参数及应用需 求，设计一套自动计算姿态机动、模拟敏捷卫星综合运动条件下序列影像生成的仿真系统， 该方法通过建立姿态机动敏捷成像模型、面阵相机物理模型及成像几何模型、卫星运动误 差模型，实现了卫星综合运动下的敏捷成像序列影像仿真，并对由于卫星运动造成的几何 定位精度下降进行了定量评估，从而指导卫星及载荷设计方提出符合应用需求的平台及载 荷的合理化指标设计。经仿真实验表明，该仿真系统通过自动计算卫星敏捷成像时刻姿态 机动角度和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卫星敏捷成像仿真及定位精度评估方法，其特征在于，包括：根据应用需求，设计载荷物理参数指标；根据卫星平台设计指标，采用数值积分的方法仿真理想状态下卫星运动轨迹，并进行摄动因素改正；根据设定的初始姿态和角速度计算恒角速度或恒线速度模式下敏捷成像的姿态机动角度，并进行偏流角校正；根据卫星运动轨迹、曝光时刻姿态数据、相机设计参数，数字正射影像图DOM数据以及对应数据范围内的数字高程模型DEM数据，仿真生成理想敏捷成像序列影像及对应的均匀地面格网点坐标文件；根据平台设计指标，添加姿态指向精度、姿态稳定度、卫星平台颤振数据，生成成像轨道、姿态数据，获得卫星综合运动下的成像仿真结果，进而评估卫星综合运动对几何定位精度的影响。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘一良，马灵霞，肖倩，宋学忠，贺誉，汪红强，
申请(专利权)人：航天恒星科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11