CN111538051A - 一种摆扫大幅宽光学卫星精准处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种摆扫大幅宽光学卫星精准处理方法，根据所述摆扫大幅宽卫星观测数据、内部与外部定标参数，一方面分析其扫描机构机理，进而基于所述扫描机构机理确定感应同步器测量值正负对应关系，建立扫描机构与卫星本体的转换关系，得到转换矩阵，另一方面，通过推演其成像过程，以实现轨道参数及姿态参数建模，并计算成像时刻姿轨参数，根据所述转换矩阵及成像时刻姿轨参数，构建精准处理几何模型，然后通过构建RFM模型，将所述精准处理几何模型进行等效几何模型转换并计算RPCs参数，得到所述摆扫大幅宽光学卫星的摆扫分布成像过程的等效几何成像模型，实现每帧对地观测影像的精准处理。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种摆扫大幅宽光学卫星精准处理方法。
背景技术
高分光学遥感卫星作为获取空间信息重要手段，在自然资源监测、军事侦察以及测绘等领域发挥重要作用。以往光学遥感卫星主要采用常规线阵CCD推扫的方式，且为提高对地观测影像幅宽范围，主要通过增加物理器件CCD或者相机载荷数量，采用光学拼接或者非共线CCD拼接、双相机拼接等视场拼接方式获取较大范围整体影像。
随着光学载荷成像模式多元化发展，摆扫面阵光学载荷成为获取大幅宽影像的重要观测手段，其能够在不增加探测器数量情况下，通过内部机构一维多步扫描，增加对地观测视场大小，从而实现减小载荷体积、质量、功耗与研制成本，有效提高卫星对地观测时间分辨率的效果。常见的面阵摆扫大幅宽光学卫星相机载荷包含可见光、中波红外和长波红外三个通道，其通过摆镜扫描机构垂轨方向8步摆扫可获取120Km幅宽的三通道影像，具备全天时遥感数据获取能力。
相比于以往常规线阵推扫成像以及面阵成像模式，摆扫大幅宽光学卫星采用卫星姿态机动凝扫与摆扫机构相结合多自由度方式进行影像数据获取，该模式导致卫星成像过程姿态模型非线性化程度高，成像机理复杂，且几何模型自由度高，因此，摆扫大幅宽光学卫星高精度几何成像模型构建以及精准处理较为复杂，目前尚未有相关研究给出合适的方法，这就使得摆扫大幅宽光学卫星的后续影像拼接、融合与分类监测应用较难实现。
发明内容
针对现有技术中的部分或全部问题，本发明提供一种摆扫大幅宽光学卫星精准处理方法，通过构建所述摆扫大幅宽光学卫星的摆扫分布成像过程的等效几何成像模型，实现每帧对地观测影像的精准处理，包括：
确定所述摆扫大幅宽光学卫星分步成像过程对应的等效转换矩阵，包括相机载荷与扫描机构之间的转换矩阵、扫描机构与卫星本体之间的转换矩阵以及卫星本体与物方空间之间的转换矩阵；
获取成像时刻的轨道与姿态参数；
基于所述等效转换矩阵以及所述成像时刻的轨道与姿态参数，构建所述摆扫大幅宽光学卫星的精准处理几何模型；以及
对所述精准处理几何模型进行等效拟合。
进一步地，所述等效几何成像模型的参数包括卫星轨道、卫星成像姿态、成像时刻、相机内部标定参数以及不同载荷之间安装参数。
进一步地，所述精准处理几何模型采用拉格朗日多项式进行建模得到。
进一步地，所述相机载荷与扫描机构之间的转换矩阵为固定值，通过相机载荷与卫星本体安装参数确定。
进一步地，所述扫描机构与卫星本体之间转换矩阵通过感应同步器测量参数确定：定义沿着卫星飞行方向，感应同步器顺时针成像记录角度为负值，逆时针成像记录角度为正值，星下点成像角度为零，则可得到成像时刻t时的扫描机构与卫星本体之间转换矩阵。
进一步地，所述姿态参数建模采用滑动窗口拟合多项式进行。
进一步地，采用有理函数模型RFM等效拟合所述摆扫大幅宽光学卫星精准处理几何模型。
进一步地，所述RFM模型的有理多项式系数RPCs的计算包括：
对每帧影像建立全局虚拟格网；
基于所述摆扫大幅宽光学卫星精准处理几何模型的正反变换函数，求出物方虚拟格网坐标作为控制点；以及
利用最小二乘平差原理进行参数计算。
进一步地，在所述有理多项式系数RPCs的计算中，采用岭估计的方式解决方程病态问题。
本发明提供的一种摆扫大幅宽光学卫星精准处理方法，实现了高精度严密几何成像模型构建以及精准处理，通过该方法可以解决针对摆扫大幅宽光学卫星高精度对地观测问题，为该卫星后续处理与应用奠定基础。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出本发明一个实施例的一种摆扫大幅宽光学卫星精准处理方法的流程示意图；
图2示出本发明一个实施例的一种摆扫大幅宽光学卫星精准处理方法的流程示意图；以及
图3示出本发明一个实施例的一种摆扫大幅宽光学卫星成像过程的模拟示意图。
具体实施方式
以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
摆扫大幅宽光学卫星相机载荷通过分光技术具备可见光、中波红外、长波红外三个通道探测功能，单帧影像视场角为1.6°。为解决单次成像幅宽太小，卫星主要采用1：3降地速以及自身安装的扫描机构进行摆扫成像，通过控制帧与帧之间重叠进行拼接实现垂轨方向120公里大幅宽成像。扫描机构主要由扫描镜、旋转轴系、力矩电机及感应同步器等组成。扫描镜绕卫星本体坐标系X轴进行±3.5°的来回摆动(一个周期内单向摆扫8步得到9帧影像，每190ms转动0.8°，反向不成像)，通过感应同步器记录每帧影像摆扫角度。感应同步器的位置测量精度不低于±3〞，重复精度优于0.2〞。
为了给所述摆扫大幅宽光学卫星的后续处理与应用奠定基础，本发明提供一种摆扫大幅宽光学卫星精准处理方法，如图2及图3所示，根据所述摆扫大幅宽卫星观测数据、内部与外部定标参数，一方面分析其扫描机构机理，进而基于所述扫描机构机理确定感应同步器测量值正负对应关系，建立扫描机构与卫星本体的转换关系，得到转换矩阵，另一方面，通过推演其成像过程，以实现轨道参数及姿态参数建模，并计算成像时刻姿轨参数，根据所述转换矩阵及成像时刻姿轨参数，构建精准处理几何模型，然后通过构建RFM模型，将所述精准处理几何模型进行等效几何模型转换并计算RPCs参数，得到所述摆扫大幅宽光学卫星的摆扫分布成像过程的等效几何成像模型，实现每帧对地观测影像的精准处理。下面对本发明的技术方案作进一步描述。
图1示出本发明一个实施例的一种摆扫大幅宽光学卫星精准处理方法的流程示意图。如图1所示，一种摆扫大幅宽光学卫星精准处理方法，通过构建所述摆扫大幅宽光学卫星的摆扫分布成像过程的等效几何成像模型，实现每帧对地观测影像的精准处理，包括：
步骤101，确定转换矩阵。为实现每帧对地观测影像精准处理，需构建严密的等效几何成像模型，在本发明的一个实施例中，所述等效几何成像模型涉及到的模型参数包括卫星轨道、卫星成像姿态、成像时刻、相机内部标定参数、不同载荷之间安装参数等。卫星通过扫描镜摆扫分步成像的过程可以等效成建立相机载荷与扫描机构之间的转换矩阵
扫描机构与卫星本体之间的转换矩阵
以及卫星本体与物方空间的转换矩阵，其中：
相机载荷与扫描机构之间的转换矩阵
采用相机载荷与卫星本体安装参数作为固定值；以及
扫描机构与卫星本体之间的转换矩阵
通过感应同步器测量参数进行确定：定义沿着卫星飞行方向，感应同步器顺时针成像记录角度为负值，逆时针成像记录角度为正值，星下点成像角度为零。则在某成像时刻t，记感应同步器记录角度为θ，扫描机构与卫星本体之间转换矩阵
表示为：
接下来，在步骤102，获取轨道与姿态参数。根据所述摆扫大幅宽光学卫星成像过程和机理可知，为实现120公里垂轨摆扫成像，卫星需进行1：3降地速，由于卫星姿态在降地速成像过程中采取了姿态机动控制，在不同时刻姿态变化较快且成强非线性，因此，为保证每帧影像可以得到高精度外方位参数，需要对卫星不同成像时刻的轨道和姿态进行精细化建模才能进行后续精准处理。在本发明的一个实施例中，考虑到卫星成像过程中轨道无任何机动，因此，采用拉格朗日多项式进行精准处理几何模型的建模，然后采用滑动窗口拟合多项式对卫星不同成像时刻的轨道和姿态进行精细化建模，所述姿态参数建模过程包括：
设卫星姿态观测值组包括n个时间序列输出值(q1,q2,q3,…,qn-1,qn)，tk为成像时刻，记n个历元的姿态四元数为(q0i,q1i,q2i,q3i),i＝1,2,…,n，相应m-1次最佳正交多项式Pqri(t)拟合如下:
Pqri(t)＝a0+a1t+a2t2+…+am-1tm-1,(m≤n,r＝1,2,3),
其中，t表示时刻，aj,j＝0,1,…,m-1表示多项式系数，设上式为各正交多项式δj(t)的线性组合:
Pqri(t)＝c0δo(t)+c1δ1(t)+…+cm-1δm-1(t),(r＝1,2,3),
其中，cj,j＝0,1,…,m-1表示正交多项式系数，则根据最小二乘原理可以得到tk成像时刻的姿态四元数拟合值如下：
其中，
表示tk时刻四元数矢量部分拟合值，
表示tk时刻四元数标量部分拟合值，
表示四元数矢量部分正交多项式拟合系数，
表示四元数矢量部分正交多项式；
接下来，在步骤103，构建精准处理几何模型。基于所述转换矩阵以及轨道与姿态参数，构建所述摆扫大幅宽光学卫星精准处理几何模型：
其中，
表示相机载荷定标系数，Rbroadsensor表示广义安装矩阵，所述相机载荷定标系数以及广义安装矩阵通过在轨定标方式计算得到；t表示成像时刻，[X Y Z]T表示目标点的物方坐标，(Ψx(l,s),Ψy(l,s))表示CCD探元号(l,s)的指向角大小，[Xs(t) Ys(t) Zs(t)]T表示摄影中心的物方坐标，所述坐标通过轨道参数内插得到；λ表示成像比例系数，
分别表示由扫描机构到相机载荷测量坐标系的旋转矩阵、卫星本体到扫描机构的旋转矩阵、由J2000坐标系到卫星本体坐标系旋转矩阵、以及WGS84坐标系到J2000坐标系旋转矩阵；以及
最后，在步骤104，获取等效几何成像模型。所述精准处理几何模型虽然可以建立每帧影像的像点像素坐标与其对应物方点地理坐标关系，但其在后续传感器校正、图像融合等应用过程中通用性不强，计算效率低且坐标反算需多次迭代。因此，为了实现每帧对地观测影像的精准处理，还需要对进行等效拟合，在本发明的一个实施例中，采用了有理函数模型RFM(Rational Function Model)对所述精准处理几何模型进行等效拟合，包括：
对像点图像坐标(l,s)、经纬度坐标(B,L)和椭球高H进行正则化处理，使坐标范围在[-1,1]之间,则像点图像坐标(l,s)对应的像方归一化坐标(ln,sn)、物方坐标(B,L,H)的归一化坐标(U,V,W)计算公式分别表示为:
其中，LineOff、SampleOff分别表示像方坐标的平移值；LineScale、SampleScale分别表示像方坐标的缩放值；LonOff、LatOff、HeiOff分别表示物方坐标的平移值；以及LonScale、LatScale、HeiScale分别表示物方坐标的缩放值；
则，对于每一景影像，像方坐标和物方坐标的关系可以用多项式比值表示如下：
其中，
NumL(U,V,W)
＝a1+a2V+a3U+a4W+a5VU+a6VW+a7UW+a8V2+a9U2
+a10W2+a11VUW+a12V3+a13VU2+a14VW2+a15V2U+a16U3
+a17UW2+a18V2W+a19U2W+a20W3
DenL(U,V,W)
＝b1+b2V+b3U+b4W+b5VU+b6VW+b7UW+b8V2+b9U2
+b10W2+b11VUW+b12V3+b13VU2+b14VW2+b15V2U+b16U3
+b17UW2+b18V2W+b19U2W+b20W3
NumS(U,V,W)
＝c1+c2V+c3U+c4W+c5VU+c6VW+c7UW+c8V2+c9U2
+c10W2+c11VUW+c12V3+c13VU2+c14VW2+c15V2U+c16U3
+c17UW2+c18V2W+c19U2W+c20W3
DenS(U,V,W)
＝d1+d2V+d3U+d4W+d5VU+d6VW+d7UW+d8V2+d9U2
+d10W2+d11VUW+d12V3+d13VU2+d14VW2+d15V2U
+d16U3+d17UW2+d18V2W+d19U2W+d20W3
其中，ai,bi,ci,di(i＝1,2,…,20)为有理多项式系数RPCs(Rational PolynomialCoefficients)；
在本发明的一个实施例中，所述有理多项式系数RPCs的计算包括：
对每帧影像建立全局虚拟格网；
基于所述摆扫大幅宽光学卫星精准处理几何模型的正反变换函数，求出物方虚拟格网坐标作为控制点；以及
利用最小二乘平差原理进行参数计算。
在本发明的又一个实施例中，在所述RPCs的计算中，采用岭估计的方式解决方程病态问题，以克服解算RPCs的控制点非均匀分布或模型过度参数化所导致的矩阵奇异。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。
Claims (9)
1.一种摆扫大幅宽光学卫星精准处理方法，其特征在于，包括步骤：
确定所述摆扫大幅宽光学卫星分步成像过程对应的等效转换矩阵，所述等效转换矩阵包括相机载荷与扫描机构之间的转换矩阵、扫描机构与卫星本体之间的转换矩阵以及卫星本体与物方空间之间的转换矩阵；
获取成像时刻的轨道与姿态参数；
基于所述等效变换矩阵以及所述成像时刻的轨道与姿态参数，构建所述摆扫大幅宽光学卫星的精准处理几何模型；以及
对所述精准处理几何模型进行等效拟合。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相机载荷与扫描机构之间的转换矩阵为固定值，所述固定值由相机载荷与卫星本体安装参数确定。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扫描机构与卫星本体之间转换矩阵通过感应同步器测量参数确定，所述确定包括下列步骤：
定义沿着卫星飞行方向，感应同步器顺时针成像记录角度为负值，逆时针成像记录角度为正值，星下点成像角度为零，则可得到成像时刻t时的扫描机构与卫星本体之间转换矩阵
如下：
其中，θ为成像时刻t的感应同步器记录角度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，成像时刻的轨道与姿态参数通过采用滑动窗口拟合多项式建模得到，tk成像时刻的姿态四元数拟合值如下所示：
其中，
表示tk时刻四元数矢量部分拟合值，
表示tk时刻四元数标量部分拟合值，
表示四元数矢量部分正交多项式拟合系数，
表示四元数矢量部分正交多项式。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述精准处理几何模型采用拉格朗日多项式进行建模得到，所述精准处理几何模型表示如下：
其中：
Rbroadsensor表示广义安装矩阵；
t表示成像时刻；
[X Y Z]T表示目标点的物方坐标；
(Ψx(l，s)，Ψy(l，s))表示CCD探元号(l，s)的指向角大小；
[Xs(t) Ys(t) Zs(t)]T表示摄影中心的物方坐标；
λ表示成像比例系数；
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述相机载荷定标系数以及广义安装矩阵通过在轨定标方式计算得到，所述摄影中心的物方坐标通过轨道参数内插得到。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用有理函数模型RFM对所述精准处理几何模型进行等效拟合，所述等效拟合包括：
对像点图像坐标(l，s)、经纬度坐标(B，L)和椭球高H进行正则化处理，使坐标范围在[-1，1]之间，得到像方坐标(ln，sn)以及物方坐标的归一化坐标(U，V，W)；以及
建立所述像方坐标与所述物方坐标的RFM模型：
其中：
NumL(U，V，W)
＝a1+a2V+a3U+a4W+a5VU+a6VW+a7UW+a8V2+a9U2+a10W2+a11VUW+a12V3+a13VU2+a14VW2+a15V2U+a16U3+a17UW2+a18V2W+a19U2W+a20W3
DenL(U，V，W)
＝b1+b2V+b3U+b4W+b5VU+b6VW+b7UW+b8V2+b9U2+b10W2+b11VUW+b12V3+b13VU2+b14VW2+b15V2U+b16U3+b17UW2+b18V2W+b19U2W+b20W3
Nums(U，V，W)
＝c1+c2V+c3U+c4W+c5VU+c6VW+c7UW+c8V2+c9U2+c10W2+c11VUW+c12V3+c13VU2+c14VW2+c15V2U+c16U3+c17UW2+c18V2W+c19U2W+c20W3
Dens(U，V，W)
＝d1+d2V+d3U+d4W+d5VU+d6VW+d7UW+d8V2+d9U2+d10W2+d11VUW+d12V3+d13VU2+d14VW2+d15V2U+d16U3+d17UW2+d18V2W+d19U2W+d20W3
其中，ai，bi，ci，di(i＝1，2，...，20)为有理多项式系数RPCs。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述有理多项式系数RPCs的计算包括下列步骤：
对每帧影像建立全局虚拟格网；
基于所述摆扫大幅宽光学卫星精准处理几何模型的正反变换函数，求出物方虚拟格网坐标作为控制点；以及
利用最小二乘平差原理进行参数计算。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述有理多项式系数RPCs的计算中，采用岭估计的方式解决方程病态问题。
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