一种基于COCTS四元逐点摆扫方式的几何定位方法技术

本发明专利技术公开一种基于COCTS四元逐点摆扫方式的几何定位方法，该方法从0级数据中提取卫星星历，利用插值法从中获取采样时间对应的卫星位置和速度，进而得到轨道坐标系到地心旋转坐标系的转换矩阵。基于四元逐点摆扫的特征，中心视矢量分别绕X轴、Y轴旋转相应角度，获得扫描行各采样点ORB视矢量，建立视矢量与地球交叉点关系模型，从而对根据波段数据绘制的遥感图像进行地理定位。本发明专利技术使用插值法替代了传统需要6个轨道根数来计算卫星位置的复杂方法，同时直接计算ORB到ECR的转换矩阵，而不采用传统的两步转换方法，且本发明专利技术方法用于COCTS的几何定位满足一定的定位精度要求。COCTS的几何定位满足一定的定位精度要求。COCTS的几何定位满足一定的定位精度要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于COCTS四元逐点摆扫方式的几何定位方法


[0001]本专利技术涉及一种有效载荷的几何定位方法，具体涉及一种基于中国海洋水色水温扫描仪(Chinese Ocean Color Temperature Scanner，简称水色仪COCTS)四元逐点摆扫方式的几何定位方法。

技术介绍

[0002]2018年9月7日，我国在太原卫星发射中心由长征二号丙运载火箭成功发射HY
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1C卫星，2020年6月11日又成功发射HY
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1D卫星，两颗卫星组网，进一步提高了全球海洋水色、海洋带资源与生态环境的有效观测能力。作为HY
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1A/HY
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1B的后继者，HY
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1C/D的正常运行标志着海洋一号系列卫星业务化运行的成功。HY
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1C/D搭载空间分辨率约为1km的水色仪COCTS，COCTS几何定位是遥感资料预处理的核心要求，需要通过方法研究来提高定位精度，精确的地理定位数据可以提高COCTS后续产品的质量。有效载荷的几何定位方法关键过程是计算出探测器视线与地球椭球体的交叉点，过程涉及坐标系转换与计算，最后转化为地理经纬度。各有效载荷在计算过程中存在各种变形和改进，如传感器视线呈现形式不同、获得卫星位置速度的方式不同、初始视矢量所在坐标系不同、坐标系变换步骤不同、经纬度计算公式不同等等。COCTS的扫描方式是四元探头并列、逐点摆扫，目前国内外尚无关于COCTS这种扫描方式的几何定位方法。

技术实现思路

[0003]针对现有研究方法的不足，本专利技术提供了一种基于COCTS四元逐点摆扫方式的几何定位方法，结合卫星星历和姿态数据、COCTS的参数以及卫星空间几何关系，使用地球椭球体和地形表面信息计算采样像元的地理位置。整套算法涉及有效载荷几何关系、视矢量计算、插值算法、坐标系的定义和转换、交叉点算法等，方法的核心是计算COCTS各视矢量与地球椭球体的交叉点。
[0004]本专利技术为解决上述问题所提供的技术方案为：
[0005]一种基于COCTS四元逐点摆扫方式的几何定位方法，COCTS在地面的采样点构成4x1664的矩阵，沿着卫星运行方向，COCTS探头从右向左扫描，每扫描行有四元即四个探头，从下向上分别是第一元到第四元，坐标原点设置在扫描区域的正中心位置，卫星运行方向表示X轴正方向，扫描方向表示Y轴正方向，Z轴垂直X、Y轴所在平面，且Z轴正方向指向地面，构建坐标系，COCTS在卫星轨道坐标系ORB下的原点视矢量为OZ＝[0 0 1]；
[0006]该方法包括如下步骤：
[0007]S1：从COCTS 0级数据中提取星下点计数值，计算出星下点时间，根据相邻采样时间关系计算出所有采样点的采样时间；
[0008]S2：根据提取的卫星轨道数据，采用插值法获取各采样时间对应的地心旋转坐标系ECR下的卫星位置和速度；然后根据ECR卫星位置和速度计算ORB坐标系到ECR坐标系的转换矩阵；
[0009]S3：将COCTS在ORB下的原点视矢量OZ绕X、Y轴分别旋转相应角度，获得各采样点的ORB视矢量；
[0010]S4：根据ORB坐标系到ECR坐标系的转换矩阵，将各采样点的ORB视矢量转换为ECR视矢量；
[0011]S5：计算ECR视矢量与地球椭球体的交叉点坐标(X，Y，Z)；
[0012]S6：把ECR坐标系下的交叉点坐标(X，Y，Z)转化为大地坐标，即经纬度；
[0013]S7：从COCTS 0级数据中提取波段数据，据此绘制等经纬度遥感图。
[0014]进一步地，所述S2中，
[0015](1)根据采样时间T
s
找到与其相邻的两个整数时间T1、T2及其对应的位置P1、P2和速度V1、V2，计算多项式系数a0、a1、a2、a3和归一化时间间隔T：
[0016]公式如下：
[0017]a0＝P1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0018]a1＝dT*V1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0019]a2＝3*(P2‑
P1)
‑
dT*(2*V1+V2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]a3＝2*(P1‑
P2)+dT*(V1+V2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0021]其中，dT是相邻时间T1、T2之差；
[0022](2)对采样时间T
s
进行归一化处理，转化为0与1之间的数值：
[0023]T＝(T
s
‑
T1)/dT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0024](3)根据下式计算采样时间T
s
对应的卫星ECR位置、速度：
[0025]P
ecr
＝a0+a1*T+a2*T2+a3*T3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0026]V
ecr
＝(α1+2*a2*T+3*a3*T2)/dT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0027]进一步地，所述S2中，ORB坐标系到ECR坐标系的转换矩阵T
ecr/orb
的计算公式如下：
[0028]T
ecr/orb
＝[X
orb
Y
orb
Z
orb
]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0029]Z
orb
＝
‑
P
ecr
/|P
ecr
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0030]Y
orb
＝Z
orb
×
V
ecr
/|Z
orb
×
V
ecr
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0031]X
orb
＝Y
orb
×
Z
orb
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0032]进一步地，所述S3中，
[0033]各采样点的ORB的各列视矢量Vecto
rco
l的计算公式如下：
[0034][0035]XR＝roll*[831.5:
‑
1:
‑
831.5]ꢀꢀꢀꢀ
(1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于COCTS四元逐点摆扫方式的几何定位方法，COCTS在地面的采样点构成4x1664的矩阵，沿着卫星运行方向，COCTS探头从右向左扫描，每扫描行有四元即四个探头，从下向上分别是第一元到第四元，坐标原点设置在扫描区域的正中心位置，卫星运行方向表示X轴正方向，扫描方向表示Y轴正方向，Z轴垂直X、Y轴所在平面，且Z轴正方向指向地面，构建坐标系，COCTS在卫星轨道坐标系ORB下的原点视矢量为OZ＝[0 0 1]；其特征在于，该方法包括如下步骤：S1：从COCTS 0级数据中提取星下点计数值，计算出星下点时间，根据相邻采样时间关系计算出所有采样点的采样时间；S2：根据提取的卫星轨道数据，采用插值法获取各采样时间对应的地心旋转坐标系ECR下的卫星位置和速度；然后根据ECR卫星位置和速度计算ORB坐标系到ECR坐标系的转换矩阵；S3：将COCTS在ORB下的原点视矢量OZ绕X、Y轴分别旋转相应角度，获得各采样点的ORB视矢量；S4：根据ORB坐标系到ECR坐标系的转换矩阵，将各采样点的ORB视矢量转换为ECR视矢量；S5：计算ECR视矢量与地球椭球体的交叉点坐标(X，Y，Z)；S6：把ECR坐标系下的交叉点坐标(X，Y，Z)转化为大地坐标，即经纬度；S7：从COCTS 0级数据中提取波段数据，据此绘制等经纬度遥感图。2.根据权利要求1所述的基于COCTS四元逐点摆扫方式的几何定位方法，其特征在于，所述S2中，(1)根据采样时间T
s
找到与其相邻的两个整数时间T1、T2及其对应的位置P1、P2和速度V1、V2，计算多项式系数a0、a1、a2、a3和归一化时间间隔T公式如下：a0＝P1ꢀꢀꢀꢀ
(1)a1＝dT*V1ꢀꢀꢀꢀ
(2)a2＝3*(P2‑
P1)
‑
dT*(2*V1+V2)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)a3＝2*(P1‑
P2)+dT*(V1+V2)
ꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，dT是相邻时间T1、T2之差；(2)对采样时间T
s
进行归一化处理，转化为0与1之间的数值：T＝(T
s
‑
T1)/dT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)(3)根据下式计算采样时间T
s
对应的卫星ECR位置、速度P
ecr
＝a0+a1*T+a2*T2+a3*T3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)V
ecr
＝(a1+2*a2*T+3*a3*T2)/dT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)。3.根据权利要求1所述的基于COCTS四元逐点摆扫方式的几何定位方法，其特征在于，所述S2中，ORB坐标系到ECR坐标系的转换矩阵T
ecr/orb
的计算公式如下：T
ecr/orb
＝[X
orb
Y
orb
Z
orb
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)Z
orb
＝
‑
P
...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛志华，刘建阳，袁大鹏，施逸，钱政，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：