衛(wèi)星敏捷成像仿真及定位精度評估方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及遙感衛(wèi)星圖像處理技術領域，具體涉及一種衛(wèi)星敏捷成像仿真及定位 精度評估方法，特別是涉及一種考慮衛(wèi)星綜合運動的敏捷成像仿真及定位精度評估方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，國內外相關研究機構相繼開展了大量有關敏捷成像遙感衛(wèi)星的研制工 作，特別是低軌視頻小衛(wèi)星，已成為目標追蹤、動態(tài)監(jiān)測等領域潛在的最具商業(yè)價值的遙感 觀測手段。敏捷衛(wèi)星通過姿態(tài)機動實現對目標區(qū)域的快速成像，在短時間內獲取目標區(qū)域 的序列影像及合成視頻，可提供目標區(qū)域豐富的地表信息和動態(tài)信息。目前敏捷衛(wèi)星影像 的應用還處于發(fā)展初期，受制于姿態(tài)指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度、衛(wèi)星平臺顫振、姿軌測量能力 等影響，其在復雜運動模式下的成像幾何定位精度仍需大量實驗論證。
[0003] 光學遙感衛(wèi)星敏捷成像序列影像仿真通過對敏捷成像過程進行理論建模和仿真 分析，能夠直觀地分析和評測影響敏捷成像幾何定位精度的內外因素和作用機制，在遙感 器的全生命周期內發(fā)揮著不可或缺的作用，具有十分重要的應用價值。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)論證階段進行有針對性的任務分析、流程仿真及參數設 計，可在衛(wèi)星投產之前對其整體性能進行預估，以確定成像的幾何定位精度是否滿足應用 需求，盡早發(fā)現并改進設計中存在的不足，從而達到提高研制水平、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)，實現敏捷成像序列影像仿真、 實現仿真多種誤差因素耦合的衛(wèi)星綜合運動下的成像過程并評價其幾何定位精度。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術問題是如何針對遙感衛(wèi)星敏捷成像模式，在系統(tǒng)設計階段根 據衛(wèi)星平臺設計參數及應用需求，設計一套自動計算姿態(tài)機動、模擬敏捷衛(wèi)星綜合運動條 件下序列影像生成的仿真系統(tǒng)，并對由于衛(wèi)星運動造成的幾何定位精度下降進行了定量評 估，從而指導衛(wèi)星及載荷設計方提出符合應用需求的衛(wèi)星平臺及載荷的合理化指標設計。
[0006] -個方面，本發(fā)明提供了一種衛(wèi)星敏捷成像仿真及定位精度評估方法，包括：根據 應用需求，設計載荷物理參數指標；
[0007] 根據衛(wèi)星平臺設計指標，采用數值積分的方法仿真理想狀態(tài)下衛(wèi)星運動軌跡，并 進行攝動因素改正；
[0008] 根據設定的初始姿態(tài)和角速度計算恒角速度或恒線速度模式下敏捷成像的姿態(tài) 機動角度，并進行偏流角校正；
[0009] 根據衛(wèi)星運動軌跡、曝光時刻姿態(tài)數據、相機設計參數，數字正射影像圖DOM數據 以及對應數據范圍內的數字高程模型DEM數據，仿真生成理想敏捷成像序列影像及對應的 均勻地面格網點坐標文件；
[0010] 根據平臺設計指標，添加姿態(tài)指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度、衛(wèi)星平臺顫振數據，生成成 像軌道、姿態(tài)數據，獲得衛(wèi)星綜合運動下的成像仿真結果，進而評估衛(wèi)星綜合運動對幾何定 位精度的影響。
[0011] 進一步地，該方法還包括：根據衛(wèi)星飛行軌跡和成像區(qū)域范圍，自動計算恒角速度 或恒線速度模式下敏捷成像的姿態(tài)機動角度，并進行偏流角校正。
[0012] 進一步地，根據設定的初始姿態(tài)和角速度或根據衛(wèi)星飛行軌跡和成像區(qū)域范圍， 計算恒角速度或恒線速度模式下敏捷成像的姿態(tài)機動角度，并進行偏流角校正，包括：
[0013] 對于恒角速度姿態(tài)機動模式，在給定初始姿態(tài)（pitch。，roll。，yaw。）及角速度 (vpitch，vroll，vyaw)情況下，逐幀計算成像時刻的姿態(tài)機動角；對于恒線速度姿態(tài)機動 模式，根據衛(wèi)星飛行軌跡和目標成像區(qū)域的起止經煒度坐標，計算成像姿態(tài)機動角；
[0014] 根據衛(wèi)星軌道數據及相機參數，計算偏流角改正值，將其加在偏航角yaw上，輸出 姿態(tài)序列。
[0015] 進一步地，根據衛(wèi)星飛行軌跡和目標成像區(qū)域的起止經煒度坐標，計算成像姿態(tài) 機動角，包括：
[0016] 定義姿態(tài)機動坐標系及轉序，衛(wèi)星姿態(tài)機動成像時采用俯仰pitch角和側擺roll 角成像；
[0017] 由該區(qū)域成像總時間、成像序列幀頻及目標成像區(qū)域的起止經煒度坐標，在平面 投影坐標系下計算攝影點移動步長及每一成像時刻攝影點平面坐標，繼而得到對應的地面 攝影點坐標（Lon, Lat);
[0018] 由地面攝影點經煒度坐標結合DEM數據，獲得成像目標在地理坐標系中的坐標 (Lon, Lat, H)，轉換到像空間坐標系下坐標（XTD Ytd Ztc);
[0019] 根據成像時刻衛(wèi)星在像空間坐標系中的坐標（XSD Ysd Zse)，計算衛(wèi)星姿態(tài)機動后 指向目標地物的矢量在像空間坐標系中的單位矢量筆^
[0020] 計算姿態(tài)機動旋轉矩陣，并根據轉序計算姿態(tài)機動俯仰角pitch和側擺角roll。
[0021] 進一步地，根據衛(wèi)星運動軌跡、姿態(tài)數據及相機設計參數，高精度DOM數據以及對 應范圍內的DEM數據，仿真生成理想敏捷成像序列影像及對應的均勻地面格網點坐標文 件，包括：
[0022] 構建敏捷成像嚴格幾何模型，建立像方均勻格網，并根據共線方程的原理計算對 應的地面格網點坐標，生成理想地面格網點坐標文件；
[0023] 根據高精度DOM和DEM數據，采用分塊多線程處理，讀取DOM數據中相應位置的紋 理信息，通過灰度插值得到理想仿真圖像。
[0024] 進一步地，根據平臺設計指標，添加姿態(tài)指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度、衛(wèi)星平臺顫振數 據，生成成像軌道、姿態(tài)數據，獲得衛(wèi)星綜合運動下的成像仿真結果，進而評估衛(wèi)星綜合運 動對幾何定位精度的影響，包括：
[0025] 根據平臺設計指標，添加姿態(tài)指向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度、衛(wèi)星平臺顫振數據，生成成 像軌道、姿態(tài)序列；
[0026] 由成像軌道、姿態(tài)數據生成實際仿真圖像及對應的均勻地面格網點坐標文件；
[0027] 比較理想地面格網點坐標及實際成像地面格網點坐標，統(tǒng)計得到衛(wèi)星平臺及載荷 設計指標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估方法，針對遙感衛(wèi)星敏捷成像模 式，建立了敏捷成像姿態(tài)機動模型、面陣相機物理參數模型及成像幾何模型，實現了衛(wèi)星綜 合運動下的敏捷成像序列影像仿真；針對敏捷成像模式，充分考慮了軌道攝動因素，姿態(tài)指 向精度、姿態(tài)穩(wěn)定度、衛(wèi)星平臺顫振等多項運動誤差對幾何定位精度的影響，模擬了衛(wèi)星在 軌的真實運動狀態(tài)及成像過程，評價了衛(wèi)星綜合運動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)明一個實施例的衛(wèi)星敏捷成像仿真及定位精度評估方法的流程 圖。
[0030] 圖3A-3D為本發(fā)明實施例實現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個成像時刻的姿態(tài)角。
[0032] 圖5示出本發(fā)明一個實施例的第1~4幀仿真圖像。
【具體實施方式】
[0033] 下面參照附圖對本發(fā)明進行更全面的描述，其中說明本發(fā)明的示例性實施例。 [0034] 本發(fā)明依托"光學遙感衛(wèi)星成像仿真設計平臺"項目，結合技術特點和項目需求， 對光學遙感衛(wèi)星成像鏈路仿真的關鍵技術和實現流程進行了調研及方案設計；完成了衛(wèi)星 平臺參數仿真、面陣相機物理參數仿真、軌道和姿態(tài)數據仿真的建模及實現；完成了敏捷成 像模式姿態(tài)機動計算和面陣相機幾何構像仿真的建模與實現；并針對給定的衛(wèi)星載荷設計 指標進行了大量仿真實驗，對不同設計指標下的成像幾何定位精度進行了定量評估。
[0035] 本發(fā)明針對遙感衛(wèi)星敏捷成像模式，在設計階段根據衛(wèi)星平臺設計參數及應用需 求，設計一套自動計算姿態(tài)機動、模擬敏捷衛(wèi)星綜合運動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)機動敏捷成像模型、面陣相機物理模型及成像幾何模型、衛(wèi)星運動誤 差模型，實現了衛(wèi)星綜合運動下的敏捷成像序列影像仿真，并對由于衛(wèi)星運動造成的幾何 定位精度下降進行了定量評估，從而指導衛(wèi)星及載荷設計方提出符合應用需求的平臺及載 荷的合理化指標設計。經仿真實驗表明，該仿真系統(tǒng)通過自動計算衛(wèi)星敏捷成像時刻姿態(tài) 機動角度和建立敏捷成像幾何模型，可仿真衛(wèi)星綜合運動下的敏捷成像序列影像的生成， 并可對仿真結果進行幾何定位精度的定量評估。
[0036] 本發(fā)明提供一種考慮衛(wèi)星綜合運動的敏捷成像仿真及定位精度評估系統(tǒng)，圖1-2 示出本發(fā)明一個實施例的衛(wèi)星敏捷成像仿真及定位精度評估方法的流程圖，如圖1、2所 示，包括下列步驟：
[0037] 步驟101，根據需求應用，設計載荷物理參數指標。
[0038] 具體地，載荷物理參數指標包括如面陣相機傳感器大小及探元尺寸，焦距，曝光時 間等指標。
[0039] 步驟1