專利名稱：基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于遙感圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光學(xué)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)地理定位方法， 特別是一種基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的高精度直接定位方法。
背景技術(shù)：
隨著衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)技術(shù)在空間分辨率、光譜分辨率、時(shí)間分辨率以及觀測(cè)模式上的不斷發(fā)展，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的綜合定量處理、增值處理及深層次應(yīng)用處理需求日益高漲，特別是在地圖測(cè)繪、多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的融合、地面目標(biāo)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用處理中，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的高精度幾何定位問(wèn)題已經(jīng)成為眾多遙感應(yīng)用領(lǐng)域亟待解決的瓶頸問(wèn)題。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)高精度幾何定位技術(shù)是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)定量化處理的關(guān)鍵基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一，其精度將直接影響定量化處理及增值處理的深度。衛(wèi)星遙感影像的地理定位，指的是確定遙感圖像中每個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的地面位置信息的過(guò)程。對(duì)于光學(xué)遙感而言，圖像中的每個(gè)像元都與衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)時(shí)的某一瞬時(shí)視場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，其地面位置信息包括地理經(jīng)緯度、地面高度。遙感影像高精度定位的依據(jù)是攝影測(cè)量理論，其定位的關(guān)鍵技術(shù)之一是建立傳感器成像的數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)稱為成像模型，它反映的就是地面點(diǎn)的地理坐標(biāo)與相應(yīng)像點(diǎn)在像平面坐標(biāo)系的像元坐標(biāo)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。定位技術(shù)大致分為直接定位和幾何精校正兩類。直接定位是指基于衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)、衛(wèi)星軌道模型以及觀測(cè)時(shí)間信息直接確定觀測(cè)時(shí)刻的衛(wèi)星位置，然后根據(jù)衛(wèi)星掃描特性、衛(wèi)星觀測(cè)角及衛(wèi)星姿態(tài)角，計(jì)算出衛(wèi)星各個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的地面坐標(biāo)位置。幾何精校正是指利用地面控制點(diǎn)(Ground Control Points, GCPs)的已知精確地理坐標(biāo)位置和直接定位出的地理坐標(biāo)位置間的誤差，采用幾何變換方法進(jìn)一步提高衛(wèi)星遙感圖像定位精度的過(guò)程。決定幾何定位精度的因素包括傳感器觀測(cè)角測(cè)量精度、衛(wèi)星軌道與姿態(tài)信息測(cè)量精度、地球模型和高程模型精度、可參照的地理信息或基準(zhǔn)圖像精度、地面控制點(diǎn)分布狀況的合理性等諸多因素。但由于上述參數(shù)均存在一定程度的誤差，因此直接定位的精度往往不是很高，只能達(dá)到數(shù)像元級(jí)的水平。幾何精校正精度雖然能夠達(dá)到亞像元級(jí)的水平，但卻需要獲取大量的地面控制點(diǎn)。在我國(guó)西部無(wú)圖區(qū)域以及海域、沙漠等無(wú)法獲取地面控制點(diǎn)的區(qū)域，幾何精校正方法難以實(shí)施。針對(duì)這類應(yīng)用需求，稀疏或地面控制點(diǎn)缺少情況下的高精度幾何定位問(wèn)題已成為人們的關(guān)注焦點(diǎn)之一。有關(guān)這一問(wèn)題，目前已存在不少理論分析與公式推導(dǎo)研究，并形成了若干稀無(wú)地面控制點(diǎn)情況下的高精度定位方法。一方面，幾何精校正方法通常將直接定位誤差通過(guò)仿射變換的形式加以表達(dá)，但直接定位誤差往往起因于衛(wèi)星軌道、觀測(cè)角及姿態(tài)測(cè)量誤差，在廣域情形下這種表達(dá)缺乏足夠的精度。另一方面，由于無(wú)地面測(cè)控狀況下衛(wèi)星軌道及其飛行姿態(tài)的基本穩(wěn)定性，如果一景觀測(cè)時(shí)的衛(wèi)星軌道、觀測(cè)角及姿態(tài)誤差可以精確估計(jì)的話，那么這一精確估計(jì)結(jié)果可以用于一定時(shí)間間隔內(nèi)其他景衛(wèi)星遙感圖像的無(wú)控制點(diǎn)精確定位，以達(dá)到較高的定位精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法及系統(tǒng)，以達(dá)到較高的地理定位精度。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法，包括以下步驟控制點(diǎn)獲取步驟，用于在在衛(wèi)星遙感圖像的第一景圖像上選取至少一個(gè)控制點(diǎn)， 并獲取相應(yīng)控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)及該些控制點(diǎn)的高程信息；坐標(biāo)誤差計(jì)算步驟，用于轉(zhuǎn)換所述控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)為地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并計(jì)算所述控制點(diǎn)在所述地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的粗略坐標(biāo)，以獲取該些控制點(diǎn)在該地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)誤差；精確觀測(cè)角計(jì)算步驟，用于獲取衛(wèi)星傳感器觀測(cè)角誤差，并將該觀測(cè)角誤差補(bǔ)償?shù)酵壍牡诙皥D像中，以獲取精確的觀測(cè)角值；像素點(diǎn)精確定位步驟，用于根據(jù)所述精確的觀測(cè)角值獲取無(wú)控制點(diǎn)的同軌第二景圖像的精確定位結(jié)果。上述基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法，其特征在于，所述坐標(biāo)誤差計(jì)算步驟進(jìn)一步包括步驟21，將所述控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)
(^x,ζη,步驟22，使用所述控制點(diǎn)的高程信息通過(guò)直接定位法計(jì)算所述控制點(diǎn)在地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的粗略坐標(biāo)(Xi, Yi, Zi), i = 1，…，η。步驟23 用所述控制點(diǎn)的精確坐標(biāo)減去直接定位的所述粗略坐標(biāo)得到所述控制點(diǎn)在所述地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)誤差(ΔΧ，ΔΥ，ΔΖ)；所述步驟21、22中，i = 1，…，η，η為控制點(diǎn)的數(shù)目。上述基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法，其特征在于，所述精確觀測(cè)角計(jì)算步驟進(jìn)一步包括步驟31 由控制點(diǎn)在地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)誤差(ΔΧ，Δ Y, ΔΖ)，計(jì)算觀測(cè)角的誤差為(Δ Ψχ，Δ Vy)。步驟32 將得到的觀測(cè)角誤差(Δ Ψχ，Δ Vy)補(bǔ)償?shù)剿鲂l(wèi)星遙感的同軌第二景圖像中，獲取精確的傳感器觀測(cè)角值為(Ψχ+Δ Ψχ, ￥y+A Vy)。上述所述的基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法，其特征在于，像素點(diǎn)精確定位步驟中是使用所述精確觀測(cè)角值通過(guò)直接定位法計(jì)算所述同軌第二景圖像中像素點(diǎn)的地理坐標(biāo)以進(jìn)行精確定位的。上述基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法，其特征在于，所述控制點(diǎn)獲取步驟中，所述控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)通過(guò)數(shù)字地圖獲取。上述基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法，其特征在于，所述控制點(diǎn)獲取步驟中，所述控制點(diǎn)的高程信息通過(guò)全球DME模型獲取。本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種一種應(yīng)用上述基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法的系統(tǒng)，包括
控制點(diǎn)獲取模塊，用于在在衛(wèi)星遙感圖像的第一景圖像上選取至少一個(gè)控制點(diǎn)， 并獲取相應(yīng)控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)及該些控制點(diǎn)的高程信息；坐標(biāo)誤差計(jì)算模塊，用于轉(zhuǎn)換所述控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)為地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并計(jì)算所述控制點(diǎn)在所述地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的粗略坐標(biāo)，以獲取該些控制點(diǎn)在該地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)誤差；精確觀測(cè)角計(jì)算模塊，用于獲取衛(wèi)星傳感器觀測(cè)角誤差，并將該觀測(cè)角誤差補(bǔ)償?shù)酵壍牡诙皥D像中，以獲取精確的觀測(cè)角值；像素點(diǎn)精確定位模塊，用于根據(jù)所述精確的觀測(cè)角值通過(guò)直接定位法計(jì)算衛(wèi)星遙感圖像的第二景圖像中像素點(diǎn)的地理坐標(biāo)。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)定位精度得到了很大提高，其不僅可以用于對(duì)SP0T-5的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，還可以針對(duì)其他的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。


圖1為本發(fā)明基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法的主要流程；圖2為衛(wèi)星觀測(cè)角及衛(wèi)星本體坐標(biāo)系示意圖；圖3為衛(wèi)星嚴(yán)格成像模型示意圖；圖4為本發(fā)明定位方法的具體實(shí)施流程圖；圖5為本發(fā)明基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位系統(tǒng)的示意框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明，以進(jìn)一步了解本發(fā)明的目的、方案及功效， 但所附圖式并非用于限制本發(fā)明保護(hù)范圍。參考圖1，示出了本發(fā)明基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法的主要流程，該定位方法包括以下步驟控制點(diǎn)獲取步驟S10，用于在在衛(wèi)星遙感圖像的第一景圖像上選取至少一個(gè)控制點(diǎn)，并獲取相應(yīng)控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)及該些控制點(diǎn)的高程信息；坐標(biāo)誤差計(jì)算步驟S20，用于轉(zhuǎn)換所述控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)為地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并計(jì)算所述控制點(diǎn)在所述地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的粗略坐標(biāo)，以獲取該些控制點(diǎn)在該地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)誤差；精確觀測(cè)角計(jì)算步驟S30，用于獲取衛(wèi)星傳感器觀測(cè)角誤差，并將該觀測(cè)角誤差補(bǔ)償?shù)酵壍牡诙皥D像中，以獲取精確的觀測(cè)角值；像素點(diǎn)精確定位步驟S40，用于根據(jù)所述精確的觀測(cè)角值獲取無(wú)控制點(diǎn)的同軌第二景圖像的精確定位結(jié)果。為更清楚的說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方案，下面詳細(xì)介紹光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)地理定位的過(guò)程。目前大多數(shù)光學(xué)遙感衛(wèi)星是通過(guò)CXD線陣推帚成像方式獲取的，CXD線陣的觀測(cè)方向由衛(wèi)星本體坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的兩個(gè)角度！^和UTy確定，參見(jiàn)圖2。這樣在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中，像元P的觀測(cè)方向?yàn)閁1= [-tg￥y tgVx-l]T。在直接定位過(guò)程中，需要首先計(jì)算觀測(cè)方向在地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，再經(jīng)過(guò)如下兩次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換由衛(wèi)星本體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。(1).衛(wèi)星本體坐標(biāo)系到軌道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換衛(wèi)星本體坐標(biāo)系到軌道坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系主要由衛(wèi)星姿態(tài)角所控制。這個(gè)轉(zhuǎn)
換是一個(gè)三維旋轉(zhuǎn)矩陣。它是衛(wèi)星三個(gè)姿態(tài)角側(cè)傾角Y (roll)、俯仰角識(shí)(pitch)、偏航角
θ (yaw)的函數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法，其特征在于，包括以下步驟控制點(diǎn)獲取步驟，用于在在衛(wèi)星遙感圖像的第一景圖像上選取至少一個(gè)控制點(diǎn)，并獲取相應(yīng)控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)及該些控制點(diǎn)的高程信息；坐標(biāo)誤差計(jì)算步驟，用于轉(zhuǎn)換所述控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)為地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并計(jì)算所述控制點(diǎn)在所述地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的粗略坐標(biāo)，以獲取該些控制點(diǎn)在該地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)誤差；精確觀測(cè)角計(jì)算步驟，用于獲取衛(wèi)星傳感器觀測(cè)角誤差，并將該觀測(cè)角誤差補(bǔ)償?shù)酵壍牡诙皥D像中，以獲取精確的觀測(cè)角值；像素點(diǎn)精確定位步驟，用于根據(jù)所述精確的觀測(cè)角值獲取無(wú)控制點(diǎn)的同軌第二景圖像的精確定位結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法，其特征在于，所述坐標(biāo)誤差計(jì)算步驟進(jìn)一步包括步驟21，將所述控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)， 步驟22，使用所述控制點(diǎn)的高程信息通過(guò)直接定位法計(jì)算所述控制點(diǎn)在地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的粗略坐標(biāo)(X^YiJi), i = 1，…，η。步驟23 用所述控制點(diǎn)的精確坐標(biāo)減去直接定位的所述粗略坐標(biāo)得到所述控制點(diǎn)在所述地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)誤差(ΔΧ，ΔΥ，ΔΖ)；所述步驟21、22中，i = 1，…，n，n為控制點(diǎn)的數(shù)目。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法，其特征在于，所述精確觀測(cè)角計(jì)算步驟進(jìn)一步包括步驟31 由控制點(diǎn)在地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)誤差(ΔΧ，ΔY, ΔΖ)，計(jì)算觀測(cè)角的誤差為(Δ ψχ，Δ ψγ)。步驟32 將得到的觀測(cè)角誤差(Δ ψχ, Δ Vy)補(bǔ)償?shù)剿鲂l(wèi)星遙感的同軌第二景圖像中，獲取精確的傳感器觀測(cè)角值為(Ψχ+Δ Ψχ, ￥y+A Vy)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的所述的基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法，其特征在于，像素點(diǎn)精確定位步驟中是使用所述精確觀測(cè)角值通過(guò)直接定位法計(jì)算所述同軌第二景圖像中像素點(diǎn)的地理坐標(biāo)以進(jìn)行精確定位的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法，其特征在于，所述控制點(diǎn)獲取步驟中，所述控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)通過(guò)數(shù)字地圖獲取。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法，其特征在于，所述控制點(diǎn)獲取步驟中，所述控制點(diǎn)的高程信息通過(guò)全球DME模型獲取。
7.一種應(yīng)用權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括控制點(diǎn)獲取模塊，用于在在衛(wèi)星遙感圖像的第一景圖像上選取至少一個(gè)控制點(diǎn)，并獲取相應(yīng)控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)及該些控制點(diǎn)的高程信息；坐標(biāo)誤差計(jì)算模塊，用于轉(zhuǎn)換所述控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)為地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并計(jì)算所述控制點(diǎn)在所述地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的粗略坐標(biāo)，以獲取該些控制點(diǎn)在該地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)誤差；精確觀測(cè)角計(jì)算模塊，用于獲取衛(wèi)星傳感器觀測(cè)角誤差，并將該觀測(cè)角誤差補(bǔ)償?shù)酵壍牡诙皥D像中，以獲取精確的觀測(cè)角值；像素點(diǎn)精確定位模塊，用于根據(jù)所述精確的觀測(cè)角值通過(guò)直接定位法計(jì)算衛(wèi)星遙感圖像的第二景圖像中像素點(diǎn)的地理坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于衛(wèi)星觀測(cè)角誤差估計(jì)的直接定位方法及系統(tǒng)，該方法包括以下步驟控制點(diǎn)獲取步驟，用于在在衛(wèi)星遙感圖像的第一景圖像上選取至少一個(gè)控制點(diǎn)，并獲取相應(yīng)控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)及該些控制點(diǎn)的高程信息；坐標(biāo)誤差計(jì)算步驟，用于轉(zhuǎn)換所述控制點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)為地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并計(jì)算所述控制點(diǎn)在所述地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的粗略坐標(biāo)，以獲取該些控制點(diǎn)在該地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)誤差；精確觀測(cè)角計(jì)算步驟，用于獲取衛(wèi)星傳感器觀測(cè)角誤差，并將該觀測(cè)角誤差補(bǔ)償?shù)酵壍牡诙皥D像中，以獲取精確的觀測(cè)角值；像素點(diǎn)精確定位步驟，用于根據(jù)所述精確的觀測(cè)角值獲取無(wú)控制點(diǎn)的同軌第二景圖像的精確定位結(jié)果。
文檔編號(hào)G01C11/04GK102346033SQ20101024681
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2010年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月6日
發(fā)明者孫衛(wèi)東, 安鴦, 馬洪兵 申請(qǐng)人:清華大學(xué)