本发明专利技术公开了一种摆扫式卫星的地理定位方法、定位误差分析方法及其系统，本发明专利技术的定位方法是利用摆扫式卫星的成像几何模型计算出每个目标像点的光轴指向，进而基于光轴指向与地球椭圆相交以获取目标像点的对应地面点坐标，实现定位目的。本发明专利技术的定位误差分析方法是利用检查点的像方坐标恢复成像光轴指向，并利用检查点的物方坐标及摆扫式卫星的成像几何模型逆推出相机坐标系下光轴指向，最后将两个光轴指向转换为焦平面上齐次坐标差值以分析定位误差。本发明专利技术提供的定位技术，其基于严密成像几何模型提高了定位精度以及可靠性；定位误差分析技术是以一种全新的手段来分析摆扫式卫星的定位误差。摆扫式卫星的定位误差。摆扫式卫星的定位误差。
【技术实现步骤摘要】
一种摆扫式卫星的地理定位方法、定位误差分析方法及其系统
[0001]本专利技术属于卫星影像处理
，具体涉及一种摆扫式卫星的地理定位方法、定位误差分析方法及其系统。
技术介绍
[0002]摆扫式卫星影像的地理定位是卫星影像处理的基础环节，该环节将会为摆扫式卫星影像生成相应的地理定位查找表，即建立摆扫式卫星影像与地面坐标间的一一对应关系。由于摆扫式卫星通常采用多元并扫的成像机制，需要采用大量的活动部件，以获取大的视场角。45
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镜是一种常用的摆扫式成像方案，但该机械结构将会使得多元并扫影像产生显著的像旋效应，因此需要进一步引入其他光学部件如K镜等实现对影像像旋的消除。然而，由于卫星发射时的巨大冲力及在轨后运行环境的差异，使得各个部件之间的相对关系发生变化。这些变化使得成像光线不再符合理想摆扫模型，制约了摆扫式卫星地理定位的精度。摆扫式卫星影像的地理定位查找表是通过构建成像几何模型，与地球椭球相交以获取像点的对应地面点坐标。不准确的成像几何模型将导致定位结果中存在定位误差，因此，构建精确的成像几何模型是摆扫式卫星的地理定位的关键性环节。
[0003]现有两种方法可以分析摆扫式相机的地理定位误差，分别为：在物方空间和像方空间。在第一种情况下，摆扫式影像将在特定投影中进行校正，从更高精度的参考影像中提取高精度地面控制点，在特定的投影中确定绝对地理定位精度。但摆扫式相机的地面采样间隔(GSD)随着卫星和物体之间的距离而变化。因此，像方空间中的地理定位误差取决于视角。此外，考虑到地图投影的失真，很难为超过2900公里的条带选择合适的地图投影方法。另一种是基于像方的定位误差分析方法，即将物方坐标重新投影到像方空间来确定像平面的误差。但地理定位查找表建立的像方到物方的映射过程，由于物方坐标反算像方坐标过程较为复杂，实现较为困难。
[0004]针对上述成像几何模型的精度将影响摆扫式卫星的地理定位精度的问题，本专利技术提供一种摆扫式卫星的地理定位方法，此外，针对上述摆扫式相机的地理定位误差分析问题，本专利技术提供一种定位误差分析方法予以解决。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是针对上述现有技术中至少存在的部分技术问题，提供一种摆扫式卫星的地理定位方法、定位误差分析方法及其系统。本专利技术提供的地理定位方法，其基于严密的成像几何模型进行定位，提高了定位结果的精度以及可靠性；本专利技术提供的定位误差分析方法，其引入齐次坐标，提供了一种全新的误差分析技术，且分析过程也利用了严密的成像几何模型，进一步保证了误差分析结果的可靠性。
[0006]一方面，本专利技术提供的一种摆扫式卫星的地理定位方法，其包括以下步骤：
[0007]步骤1：构建摆扫式卫星的成像几何模型，所述成像几何模型表示为如下公式或其
等价变形公式：
[0008]或
[0009]式中，坐标(x，y)表示像点在焦平面坐标系的坐标，f为主距，为卫星本体坐标到轨道坐标的变换矩阵，为轨道坐标到地心惯性系ECI坐标的变换矩阵，为卫星本体坐标到地心惯性系ECI坐标的变换矩阵，为地心惯性系ECI坐标到地心地固坐标系ECF的变换矩阵，R
mkt
为扫描组件的变换矩阵，m为比例因子，[X
s Y
s Z
s
]T
表示卫星在地心地固坐标系下的位置，T为矩阵转置符号，表示地心地固坐标系中物方坐标；
[0010]步骤2：利用所述成像几何模型计算出每个目标像点的光轴指向；
[0011]步骤3：基于光轴指向与地球椭球或数字高程模型相交以获取目标像点的对应地面点物方坐标。
[0012]进一步可选地，所述像点恢复的成像光线，表示为：
[0013][0014]式中，表示相机坐标系下像点的光轴指向，r
N
为像点所在帧的探元标号，μ表示探元的像元大小，f为主距大小，(x0，y0)是焦平面CCD(电荷耦合器件)的中心点坐标，M为探元数目。
[0015]进一步可选地，所述扫描组件包括K镜和扫描镜，所述扫描组件的变换矩阵R
mkt
表示为如下公式或其等价变形公式：
[0016][0017]式中，R
m
(θ)表示扫描镜绕X轴旋转θ角度后的反射矩阵，R
k
表示K镜的反射矩阵，表示相机坐标系光轴指向变换到镜头坐标系的变换矩阵。
[0018]进一步可选地，若所述K镜具有三个反射镜，对应的安装误差用绕X轴，Y轴，Z轴三个角度φ
‑
α
‑
γ分别表示，所述K镜的反射矩阵表示为如下公式或其等价变形公式：
[0019][0020]或
[0021][0022]且满足：
[0023]R
ki
＝R
φ
·
R
α
·
R
γ
[0024]式中，R
θ/2+φ
、R
θ/2
均表示K镜的反射矩阵，R
ki
为旋转矩阵，R
φ
，R
α
，R
γ
分别表示φ
‑
α
‑
γ方向对应的旋转矩阵，R
k0
为扫描镜指向天底时K镜的反射矩阵。
[0025]进一步可选地，当像点扫描坐标c位于图像的中心时，视为扫描角θ等于0，当匀速扫描时，扫描角θ表示为：
[0026][0027]当非匀速扫描时，扫描角θ表示为：
[0028][0029]式中，W是图像的宽度，t0是采样间隔，为扫描镜的角速度，t表示帧内的扫描时间，a
i
，w
i
，和φ
i
(i＝1，2，...，n)分别是振幅、角频率和相位，i表示正弦曲线编号。
[0030]进一步可选地，所述方法还包括利用步骤1
‑
步骤3的方式以预设间隔进行像点定位，基于像点及其对应的地面点坐标构建地理定位查找表。
[0031]第二方面，本专利技术提供一种摆扫式卫星的地理定位误差分析方法，其包括以下步骤：
[0032]利用检查点的像点坐标计算出对应的焦平面齐次坐标，所述焦平面齐次坐标与相机坐标系下的光轴指向的关系满足：
[0033][0034]其中，表示相机坐标系下的光轴指向，定义为：
[0035][0036]其中，坐标(x，y)表示像点在焦平面坐标系的坐标，f为主距；
[0037]利用检查点的物方坐标以及摆扫式卫星的成像几何模型逆转换得到焦平面系统中的坐标，再计算出对应的焦平面齐次坐标，其中，按照如下组公式或者其等价公式进行转换得到焦平面系统中的坐标：
[0038][0039]或者
[0040][0041]式中，[X
s Y
s Z
s
]T
表示卫星在地心地固坐标系下的位置，T为矩阵转置符号，表示地心地固坐标系中的物方坐标，表示本体本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种摆扫式卫星的地理定位方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：构建摆扫式卫星的成像几何模型，所述成像几何模型表示为如下公式或其等价变形公式：或式中，坐标(x，y)表示像点在焦平面坐标系的坐标，f为主距，为卫星本体坐标到轨道坐标的变换矩阵，为轨道坐标到地心惯性系ECI坐标的变换矩阵，为卫星本体坐标到地心惯性系ECI坐标的变换矩阵，为地心惯性系ECI坐标到地心地固坐标系ECF的变换矩阵，R
mkt
为扫描组件的变换矩阵，m为比例因子，[X
s Y
s Z
s
]
T
表示卫星在地心地固坐标系下的位置，T为矩阵转置符号，表示地心地固坐标系中物方坐标；步骤2：利用所述成像几何模型计算出每个目标像点的光轴指向；步骤3：基于光轴指向与地球椭球或数字高程模型相交以获取目标像点的对应地面点物方坐标。2.根据权利要求1所述的地理定位方法，其特征在于：像点恢复的成像光线，表示为：式中，表示相机坐标系下像点的光轴指向，r
N
为像点所在帧的探元标号，μ表示探元的像元大小，f为主距大小，(x0，y0)是焦平面CCD(电荷耦合器件)的中心点坐标，M为探元数目。3.根据权利要求1所述的地理定位方法，其特征在于：所述扫描组件包括K镜和扫描镜，所述扫描组件的变换矩阵R
mkt
表示为如下公式或其等价变形公式：式中，R
m
(θ)表示扫描镜绕X轴旋转θ角度后的反射矩阵，R
k
表示K镜的反射矩阵，表示相机坐标系光轴指向变换到镜头坐标系的变换矩阵。4.根据权利要求3所述的地理定位方法，其特征在于：若所述K镜具有三个反射镜，对应的安装误差用绕X轴，Y轴，Z轴三个角度φ
‑
α
‑
γ分别表示，所述K镜的反射矩阵表示为如下公式或其等价变形公式：或
且满足：R
ki
＝R
φ
·
R
α
·
R
γ
式中，R
θ/2+φ
、R
θ/2
均表示K镜的反射矩阵，R
ki
为旋转矩阵，R
φ
，R
α
，R
γ
分别表示φ
‑
α
‑
γ方向对应的旋转矩阵，R
k0
为扫描镜指向天底时K镜的反射矩阵。5.根据权利要求3所述的地理定位方法，其特征在于：当像点扫描坐标c位于图像的中心时，视为扫描角θ等于0，当匀速扫描时，扫描角θ表示为：当非匀速扫描时，扫描角θ表示为：式中，W是图像的宽度，t0是采样间隔，为扫描镜的角速度，t表示帧内的扫描时间，a
i
，w
i
，和φ
i
(i＝1，2，...，n)分别是振幅、角频率和相位，i表示正弦曲线编号。6...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘红播，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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