衛(wèi)星敏捷成像仿真及定位精度評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及遙感衛(wèi)星圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種衛(wèi)星敏捷成像仿真及定位 精度評(píng)估方法，特別是涉及一種考慮衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)的敏捷成像仿真及定位精度評(píng)估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)相繼開展了大量有關(guān)敏捷成像遙感衛(wèi)星的研制工 作，特別是低軌視頻小衛(wèi)星，已成為目標(biāo)追蹤、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域潛在的最具商業(yè)價(jià)值的遙感 觀測(cè)手段。敏捷衛(wèi)星通過姿態(tài)機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的快速成像，在短時(shí)間內(nèi)獲取目標(biāo)區(qū)域 的序列影像及合成視頻，可提供目標(biāo)區(qū)域豐富的地表信息和動(dòng)態(tài)信息。目前敏捷衛(wèi)星影像 的應(yīng)用還處于發(fā)展初期，受制于姿態(tài)指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度、衛(wèi)星平臺(tái)顫振、姿軌測(cè)量能力 等影響，其在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式下的成像幾何定位精度仍需大量實(shí)驗(yàn)論證。
[0003] 光學(xué)遙感衛(wèi)星敏捷成像序列影像仿真通過對(duì)敏捷成像過程進(jìn)行理論建模和仿真 分析，能夠直觀地分析和評(píng)測(cè)影響敏捷成像幾何定位精度的內(nèi)外因素和作用機(jī)制，在遙感 器的全生命周期內(nèi)發(fā)揮著不可或缺的作用，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。遙感衛(wèi)星敏捷成像 序列影像仿真可以在敏捷衛(wèi)星系統(tǒng)論證階段進(jìn)行有針對(duì)性的任務(wù)分析、流程仿真及參數(shù)設(shè) 計(jì)，可在衛(wèi)星投產(chǎn)之前對(duì)其整體性能進(jìn)行預(yù)估，以確定成像的幾何定位精度是否滿足應(yīng)用 需求，盡早發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)設(shè)計(jì)中存在的不足，從而達(dá)到提高研制水平、縮短研制周期、節(jié)約研 制成本的目的。
[0004] 因此，有必要建立一套遙感衛(wèi)星敏捷成像仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)敏捷成像序列影像仿真、 實(shí)現(xiàn)仿真多種誤差因素耦合的衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)下的成像過程并評(píng)價(jià)其幾何定位精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何針對(duì)遙感衛(wèi)星敏捷成像模式，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段根 據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)及應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)計(jì)算姿態(tài)機(jī)動(dòng)、模擬敏捷衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)條 件下序列影像生成的仿真系統(tǒng)，并對(duì)由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)造成的幾何定位精度下降進(jìn)行了定量評(píng) 估，從而指導(dǎo)衛(wèi)星及載荷設(shè)計(jì)方提出符合應(yīng)用需求的衛(wèi)星平臺(tái)及載荷的合理化指標(biāo)設(shè)計(jì)。
[0006] -個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種衛(wèi)星敏捷成像仿真及定位精度評(píng)估方法，包括：根據(jù) 應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)載荷物理參數(shù)指標(biāo)；
[0007] 根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用數(shù)值積分的方法仿真理想狀態(tài)下衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡，并 進(jìn)行攝動(dòng)因素改正；
[0008] 根據(jù)設(shè)定的初始姿態(tài)和角速度計(jì)算恒角速度或恒線速度模式下敏捷成像的姿態(tài) 機(jī)動(dòng)角度，并進(jìn)行偏流角校正；
[0009] 根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡、曝光時(shí)刻姿態(tài)數(shù)據(jù)、相機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，數(shù)字正射影像圖DOM數(shù)據(jù) 以及對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)的數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)，仿真生成理想敏捷成像序列影像及對(duì)應(yīng)的 均勻地面格網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)文件；
[0010] 根據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)，添加姿態(tài)指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度、衛(wèi)星平臺(tái)顫振數(shù)據(jù)，生成成 像軌道、姿態(tài)數(shù)據(jù)，獲得衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)下的成像仿真結(jié)果，進(jìn)而評(píng)估衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)對(duì)幾何定 位精度的影響。
[0011] 進(jìn)一步地，該方法還包括：根據(jù)衛(wèi)星飛行軌跡和成像區(qū)域范圍，自動(dòng)計(jì)算恒角速度 或恒線速度模式下敏捷成像的姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度，并進(jìn)行偏流角校正。
[0012] 進(jìn)一步地，根據(jù)設(shè)定的初始姿態(tài)和角速度或根據(jù)衛(wèi)星飛行軌跡和成像區(qū)域范圍， 計(jì)算恒角速度或恒線速度模式下敏捷成像的姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度，并進(jìn)行偏流角校正，包括：
[0013] 對(duì)于恒角速度姿態(tài)機(jī)動(dòng)模式，在給定初始姿態(tài)（pitch。，roll。，yaw。）及角速度 (vpitch，vroll，vyaw)情況下，逐幀計(jì)算成像時(shí)刻的姿態(tài)機(jī)動(dòng)角；對(duì)于恒線速度姿態(tài)機(jī)動(dòng) 模式，根據(jù)衛(wèi)星飛行軌跡和目標(biāo)成像區(qū)域的起止經(jīng)煒度坐標(biāo)，計(jì)算成像姿態(tài)機(jī)動(dòng)角；
[0014] 根據(jù)衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)及相機(jī)參數(shù)，計(jì)算偏流角改正值，將其加在偏航角yaw上，輸出 姿態(tài)序列。
[0015] 進(jìn)一步地，根據(jù)衛(wèi)星飛行軌跡和目標(biāo)成像區(qū)域的起止經(jīng)煒度坐標(biāo)，計(jì)算成像姿態(tài) 機(jī)動(dòng)角，包括：
[0016] 定義姿態(tài)機(jī)動(dòng)坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)序，衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)成像時(shí)采用俯仰pitch角和側(cè)擺roll 角成像；
[0017] 由該區(qū)域成像總時(shí)間、成像序列幀頻及目標(biāo)成像區(qū)域的起止經(jīng)煒度坐標(biāo)，在平面 投影坐標(biāo)系下計(jì)算攝影點(diǎn)移動(dòng)步長(zhǎng)及每一成像時(shí)刻攝影點(diǎn)平面坐標(biāo)，繼而得到對(duì)應(yīng)的地面 攝影點(diǎn)坐標(biāo)（Lon, Lat);
[0018] 由地面攝影點(diǎn)經(jīng)煒度坐標(biāo)結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，獲得成像目標(biāo)在地理坐標(biāo)系中的坐標(biāo) (Lon, Lat, H)，轉(zhuǎn)換到像空間坐標(biāo)系下坐標(biāo)（XTD Ytd Ztc);
[0019] 根據(jù)成像時(shí)刻衛(wèi)星在像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（XSD Ysd Zse)，計(jì)算衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)后 指向目標(biāo)地物的矢量在像空間坐標(biāo)系中的單位矢量筆^
[0020] 計(jì)算姿態(tài)機(jī)動(dòng)旋轉(zhuǎn)矩陣，并根據(jù)轉(zhuǎn)序計(jì)算姿態(tài)機(jī)動(dòng)俯仰角pitch和側(cè)擺角roll。
[0021] 進(jìn)一步地，根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡、姿態(tài)數(shù)據(jù)及相機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，高精度DOM數(shù)據(jù)以及對(duì) 應(yīng)范圍內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)，仿真生成理想敏捷成像序列影像及對(duì)應(yīng)的均勻地面格網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)文 件，包括：
[0022] 構(gòu)建敏捷成像嚴(yán)格幾何模型，建立像方均勻格網(wǎng)，并根據(jù)共線方程的原理計(jì)算對(duì) 應(yīng)的地面格網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)，生成理想地面格網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)文件；
[0023] 根據(jù)高精度DOM和DEM數(shù)據(jù)，采用分塊多線程處理，讀取DOM數(shù)據(jù)中相應(yīng)位置的紋 理信息，通過灰度插值得到理想仿真圖像。
[0024] 進(jìn)一步地，根據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)，添加姿態(tài)指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度、衛(wèi)星平臺(tái)顫振數(shù) 據(jù)，生成成像軌道、姿態(tài)數(shù)據(jù)，獲得衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)下的成像仿真結(jié)果，進(jìn)而評(píng)估衛(wèi)星綜合運(yùn) 動(dòng)對(duì)幾何定位精度的影響，包括：
[0025] 根據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)，添加姿態(tài)指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度、衛(wèi)星平臺(tái)顫振數(shù)據(jù)，生成成 像軌道、姿態(tài)序列；
[0026] 由成像軌道、姿態(tài)數(shù)據(jù)生成實(shí)際仿真圖像及對(duì)應(yīng)的均勻地面格網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)文件；
[0027] 比較理想地面格網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)及實(shí)際成像地面格網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)得到衛(wèi)星平臺(tái)及載荷 設(shè)計(jì)指標(biāo)下的成像幾何定位精度。
[0028] 本發(fā)明提供的衛(wèi)星敏捷成像仿真及定位精度評(píng)估方法，針對(duì)遙感衛(wèi)星敏捷成像模 式，建立了敏捷成像姿態(tài)機(jī)動(dòng)模型、面陣相機(jī)物理參數(shù)模型及成像幾何模型，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星綜 合運(yùn)動(dòng)下的敏捷成像序列影像仿真；針對(duì)敏捷成像模式，充分考慮了軌道攝動(dòng)因素，姿態(tài)指 向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度、衛(wèi)星平臺(tái)顫振等多項(xiàng)運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)幾何定位精度的影響，模擬了衛(wèi)星在 軌的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及成像過程，評(píng)價(jià)了衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)下的敏捷成像的幾何定位精度。
【附圖說明】
[0029] 圖1-2示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的衛(wèi)星敏捷成像仿真及定位精度評(píng)估方法的流程 圖。
[0030] 圖3A-3D為本發(fā)明實(shí)施例實(shí)現(xiàn)敏捷成像序列影像仿真系統(tǒng)示意圖。
[0031] 圖4示出敏捷成像序列影像仿真11個(gè)成像時(shí)刻的姿態(tài)角。
[0032] 圖5示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的第1~4幀仿真圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述，其中說明本發(fā)明的示例性實(shí)施例。 [0034] 本發(fā)明依托"光學(xué)遙感衛(wèi)星成像仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)"項(xiàng)目，結(jié)合技術(shù)特點(diǎn)和項(xiàng)目需求， 對(duì)光學(xué)遙感衛(wèi)星成像鏈路仿真的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行了調(diào)研及方案設(shè)計(jì)；完成了衛(wèi)星 平臺(tái)參數(shù)仿真、面陣相機(jī)物理參數(shù)仿真、軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)仿真的建模及實(shí)現(xiàn)；完成了敏捷成 像模式姿態(tài)機(jī)動(dòng)計(jì)算和面陣相機(jī)幾何構(gòu)像仿真的建模與實(shí)現(xiàn)；并針對(duì)給定的衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì) 指標(biāo)進(jìn)行了大量仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同設(shè)計(jì)指標(biāo)下的成像幾何定位精度進(jìn)行了定量評(píng)估。
[0035] 本發(fā)明針對(duì)遙感衛(wèi)星敏捷成像模式，在設(shè)計(jì)階段根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)及應(yīng)用需 求，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)計(jì)算姿態(tài)機(jī)動(dòng)、模擬敏捷衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)條件下序列影像生成的仿真系統(tǒng)， 該方法通過建立姿態(tài)機(jī)動(dòng)敏捷成像模型、面陣相機(jī)物理模型及成像幾何模型、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)誤 差模型，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)下的敏捷成像序列影像仿真，并對(duì)由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)造成的幾何 定位精度下降進(jìn)行了定量評(píng)估，從而指導(dǎo)衛(wèi)星及載荷設(shè)計(jì)方提出符合應(yīng)用需求的平臺(tái)及載 荷的合理化指標(biāo)設(shè)計(jì)。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)表明，該仿真系統(tǒng)通過自動(dòng)計(jì)算衛(wèi)星敏捷成像時(shí)刻姿態(tài) 機(jī)動(dòng)角度和建立敏捷成像幾何模型，可仿真衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)下的敏捷成像序列影像的生成， 并可對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行幾何定位精度的定量評(píng)估。
[0036] 本發(fā)明提供一種考慮衛(wèi)星綜合運(yùn)動(dòng)的敏捷成像仿真及定位精度評(píng)估系統(tǒng)，圖1-2 示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的衛(wèi)星敏捷成像仿真及定位精度評(píng)估方法的流程圖，如圖1、2所 示，包括下列步驟：
[0037] 步驟101，根據(jù)需求應(yīng)用，設(shè)計(jì)載荷物理參數(shù)指標(biāo)。
[0038] 具體地，載荷物理參數(shù)指標(biāo)包括如面陣相機(jī)傳感器大小及探元尺寸，焦距，曝光時(shí) 間等指標(biāo)。
[0039] 步驟1