一种火星轨道相机影像仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种火星轨道相机影像仿真方法及系统，输入仿真数据源，包括火星全球DEM和火星全球数字影像模型MDIM；仿真火星轨道相机的位置和姿态参数，包括利用三次多项式建立火星轨道器姿轨模型，并顾及相机安装矩阵，计算曝光时刻相机的位置和姿态参数；建立火星轨道相机成像模型和相机视向量模型；将仿真影像平面上像素逐一投影到火星全球DEM表面；在火星全球影像MDIM上内插计算像素的灰度值；将火星全球影像MDIM上对应像素的灰度值逐一赋值给仿真影像平面上像素。本发明专利技术能够真实、准确的反应火星表面的形貌特征，适用于火星轨道的框幅式相机和线阵推扫式相机等所有类型的成像相机影像的仿真，可以针对不同火星形貌特征的区域进行相机影像仿真。区域进行相机影像仿真。区域进行相机影像仿真。

【技术实现步骤摘要】
一种火星轨道相机影像仿真方法及系统


[0001]本专利技术属于行星摄影测量与遥感领域，特别是涉及一种火星轨道相机影像仿真方法及系统。

技术介绍

[0002]火星轨道相机影像可以直观的帮助人们了解火星表面形貌特征；利用火星相机立体轨道影像数据产生的全球或局部地形信息可用于火星探测器的着陆选址、精确着陆、着陆器巡视导航任务；通过分析火星形貌特点、特征，可以反映火星地质构造的演化过程、寻找水、火星是否存在生命的证据。火星轨道相机的几何设计及验证至关重要，而火星轨道相机影像仿真是相机验证的重要手段，对优化相机设计参数提高火星立体影像几何定位精度具有重要意义。火星表面独特的形貌特征以及与地球表面相比所具有的弱纹理的特点，使得常规的相机仿真方法难以顾及火星表面的形貌特征、特点。
[0003]现有的火星轨道器相机成像仿真技术，都是基于地球表面的影像和地形或模拟影像和模拟地形进行仿真，这些方法不能够真实、准确的反应火星表面的形貌特征。
[0004]本专利技术提出利用火星全球DEM和火星全球数字影像模型(MDIM)作为仿真数据源，设计相应的相机影像仿真方法，充分顾及了火星实际形貌特征、特点，能够有效的满足火星轨道相机设计验证需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术的不足，提供一种火星轨道相机影像仿真方案。
[0006]本专利技术提供的技术方案是一种火星轨道相机影像仿真方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1，输入仿真数据源，包括火星全球DEM和火星全球数字影像模型MDIM；
[0008]步骤2，仿真火星轨道相机的位置和姿态参数，包括利用三次多项式建立火星轨道器姿轨模型，并顾及相机安装矩阵，计算曝光时刻相机的位置和姿态参数；
[0009]步骤3，建立火星轨道相机成像模型，包括根据步骤2计算的曝光时刻相机的位置和姿态参数，建立火星轨道相机成像模型，进一步推导出相机视向量模型；
[0010]步骤4，计算仿真影像平面上像素对应的物方坐标，包括利用步骤3的相机成像模型，将仿真影像平面上像素逐一投影到火星全球DEM表面，通过相机视向量模型计算视向量与火星全球DEM表面的交点坐标，获得对应物方点的位置；
[0011]步骤5，根据步骤4计算的物方点位置，在火星全球影像MDIM上内插计算像素的灰度值；
[0012]步骤6，将步骤5所得火星全球影像MDIM上对应像素的灰度值逐一赋值给仿真影像平面上像素。
[0013]而且，步骤2中，利用以下三次多项式建立火星轨道器姿轨模型，
[0014][0015][0016]其中，X
S
(t)、Y
S
(t)、Z
S
(t)表示t时刻轨道器在火星体固坐标系中的位置；ω(t)、κ(t)表示t时刻轨道器在火星体固坐标系中的姿态；a
i
、b
i
、c
i
、d
i
、e
i
、f
i
分别表示多项式模型的系数，i＝0,1,2,3；σ
ω
(t)、σ
φ
(t)、σ
κ
(t)分别为位置和姿态随机噪声；
[0017]设相机安装矩阵为在时刻t轨道器到火星体固坐标系的旋转矩阵为则计算如下，
[0018][0019]其中，为在时刻t火星轨道相机坐标系到火星体固坐标系的旋转矩阵。
[0020]而且，步骤3中，建立火星轨道相机成像模型的实现方式如下，
[0021]根据步骤2中计算的曝光时刻相机的位置和姿态参数，建立t时刻火星轨道相机成像模型，如下，
[0022][0023]其中，表示火星表面物方点在火星体固坐标系中的坐标；表示火星轨道相机投影中心在火星体固坐标系中的坐标；表示时刻t火星轨道相机坐标系到火星体固坐标系旋转矩阵；λ为比例系数；x,y为仿真影像平面上像元的平面坐标；f为相机主距；
[0024]设表示t时刻火星轨道相机投影中心位置矢量，表示t时刻火星轨道相机视向量；设有物方点M(X,Y,Z)，视向量则式(4)进一步表示为式(5)所示相机视向量模型，
[0025][0026]其中，表示火星表面上M点的向量，μ表示比例系数，分别表示视向量的三个坐标分量。
[0027]而且，步骤4中，计算仿真影像平面上像素对应的物方坐标的实现方式如下，
[0028]设火星的椭球方程为：
[0029][0030][0031]其中，a、b分别表示初始的火星椭球体的赤道半径和极半径；h表示椭球高；A、B分别表示迭代过程中火星椭球体的新的赤道半径和新的极半径；
[0032]将式(5)代入式(6)得到下列方程式：
[0033][0034]执行如下步骤，
[0035](1)计算视向量与火星椭球面的初始交点坐标
[0036]令h＝0，解算式(8)，取比例系数μ＝min{μ1,μ2}并代入式(5)，计算交点坐标M
k
(X
k
,Y
k
,Z
k
)，下标k表示迭代次数，第一次执行步骤(1)时k＝0；μ1、μ2分别表示式(8)的两个根；
[0037](2)将第k次计算的用直角坐标表示的交点坐标M
k
(X
k
,Y
k
,Z
k
)转换为经、纬度和椭球高表示的交点坐标根据计算的经、纬度坐标对火星全球DEM进行双线性内插，得到新的椭球高h
k
；
[0038](3)重新计算视向量与火星椭球面的交点坐标，
[0039]令h＝h
k
，解算式(8)，取μ
min
＝min{μ1,μ2}并代入式(5)，计算新的交点坐标M
k+1
(X
k+1
,Y
k+1
,Z
k+1
)，令k＝k+1；
[0040](4)根据影像分辨率相应的预设阈值ρ，重复(2)、(3)，直至||M
k
M
k+1
||＜ρ，此时交点收敛；视向量与全球DEM交点的直角坐标M(X,Y,Z)为仿真影像平面上像素对应的物方坐标，转换为经、纬度和椭球高表示的大地坐标作为步骤4最终的结果。
[0041]而且，步骤5中，根据步骤4计算的仿真影像平面上像素对应的物方点的经、纬度坐标对火星全球影像MDIM进行双线性内插，计算对应像素的灰度值。
[0042]另一方面本专利技术提供一种火星轨道相机影像仿真系统，用于实现如上所述的一种火星轨道相机影像仿真方法。
[0043]而且，包括以下模块，
[0044]第一模块，用于输入仿真数据源，包括火星全球DEM和火星全球数字影像模型MDIM；
[0045]第二模块，用于仿真火星轨道相机的位置和姿态参数，包括利用三次多项式建立
火星轨道器姿轨模型，并顾及相机安装矩阵，计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种火星轨道相机影像仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，输入仿真数据源，包括火星全球DEM和火星全球数字影像模型MDIM；步骤2，仿真火星轨道相机的位置和姿态参数，包括利用三次多项式建立火星轨道器姿轨模型，并顾及相机安装矩阵，计算曝光时刻相机的位置和姿态参数；步骤3，建立火星轨道相机成像模型，包括根据步骤2计算的曝光时刻相机的位置和姿态参数，建立火星轨道相机成像模型，进一步推导出相机视向量模型；步骤4，计算仿真影像平面上像素对应的物方坐标，包括利用步骤3的相机成像模型，将仿真影像平面上像素逐一投影到火星全球DEM表面，通过相机视向量模型计算视向量与火星全球DEM表面的交点坐标，获得对应物方点的位置；步骤5，根据步骤4计算的物方点位置，在火星全球影像MDIM上内插计算像素的灰度值；步骤6，将步骤5所得火星全球影像MDIM上对应像素的灰度值逐一赋值给仿真影像平面上像素。2.根据权利要求1所述火星轨道相机影像仿真方法，其特征在于：步骤2中，利用以下三次多项式建立火星轨道器姿轨模型，次多项式建立火星轨道器姿轨模型，其中，X
S
(t)、Y
S
(t)、Z
S
(t)表示t时刻轨道器在火星体固坐标系中的位置；ω(t)、κ(t)表示t时刻轨道器在火星体固坐标系中的姿态；a
i
、b
i
、c
i
、d
i
、e
i
、f
i
分别表示多项式模型的系数，i＝0,1,2,3；σ
ω
(t)、σ
φ
(t)、σ
κ
(t)分别为位置和姿态随机噪声；设相机安装矩阵为在时刻t轨道器到火星体固坐标系的旋转矩阵为则计算如下，其中，为在时刻t火星轨道相机坐标系到火星体固坐标系的旋转矩阵。3.根据权利要求1所述火星轨道相机影像仿真方法，其特征在于：步骤3中，建立火星轨道相机成像模型的实现方式如下，根据步骤2中计算的曝光时刻相机的位置和姿态参数，建立t时刻火星轨道相机成像模型，如下，
其中，表示火星表面物方点在火星体固坐标系中的坐标；表示火星轨道相机投影中心在火星体固坐标系中的坐标；表示时刻t火星轨道相机坐标系到火星体固坐标系旋转矩阵；λ为比例系数；x,y为仿真影像平面上像元的平面坐标；f为相机主距；设表示t时刻火星轨道相机投影中心位置矢量，表示t时刻火星轨道相机视向量；设有物方点M(X,Y,Z)，视向量则式(4)进一步表示为式(5)所示相机视向量模型，其中，表示火星表面上M点的向量，μ表示比例系数，分别表示视向量的三个坐标分量。4.根据权利要求1所述火星轨道相机影像仿真方法，其特征在于：步骤4中，计算仿真影像平面上像素对应的物方坐标的实现方式如下，设火星的椭球方程为：设火星的椭球方程为：其中，a、b分别表示初始的火星椭球体的赤道半径和极半径；h表示椭球高；A、B分别表示迭代过程中火星椭球体的新的赤道半径和新的极半径；将式(5)代入式(6)得到下列方程式：执行如下步骤，(1)计算视向量与火星椭球面的初始交点坐标令h＝0，解算式(8)，取比例系数μ＝min{μ1,μ2}并代入式(5)，计算交点坐标M
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵双明，喻国荣，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：