一种星地协同的光学卫星在轨实时几何定位方法及系统与流程

本发明的技术方案属于卫星遥感数据处理技术领域，特别涉及一种星地协同的光学卫星星上几何定位处理的方法及系统。

背景技术：

随着影像分辨率的提高，光学遥感卫星获取的数据量呈几何级数增长，远远超出了数据压缩传输能力的发展，导致星上实时获取的数据无法及时下传。以高分二号遥感卫星为例，该卫星原始获取数据率达到7Gb/s，若采用常规压缩传输方法，通过2*450Mbps数传链路，也无法完成全部获取数据的实时下传，严重制约了用户获取遥感数据和信息的时效性。因此，面向高分辨率光学成像所获取的实时海量遥感数据，现有的星地数据处理模式、数据压缩方法、数据处理方法无法满足各类用户及时准确获取信息的要求。从而迫切需要研究新的数据处理模式、自动化和高时效性的数据处理方法，提升海量遥感影像的实时数据处理能力和信息提取水平，充分发挥对地观测系统的应用效能。

光学遥感卫星星上在轨实时处理打破传统“星上成像-影像下传-地面处理”的数据处理模式，可在星上从海量遥感影像数据中，针对兴趣任务目标进行提取，实时对目标影像块进行数据处理，进而转化为有效信息快速分发至地面用户，以任务驱动角度出发，大大提高了遥感数据应用的时效性及自动化、智能化程度。其中，具有高精度、实时性的星上几何定位技术是实现以任务驱动的光学遥感卫星星上在轨实时处理的必要环节，精确、可靠的地理位置信息是卫星获取的空间数据得以实时提取、转化为有效信息的基础。

光学卫星高精度几何定位依赖于精确的成像几何模型参数，受卫星发射时应力释放、卫星运行时空间热环境及力学环境等因素的影响，地面实验室对于光学相机内部及平台安装参数的检校无法满足卫星定位的精度需求。目前，地面系统处理一般采用基于地面定标场的几何定标方法，以卫星在轨运行时获取的几何定标场影像数据进行模型参数的精化解算，而星上几何定位技术受制于存储环境及处理环境的约束，无法在星上进行几何定标。

技术实现要素：

本发明针对光学卫星成像高精度在轨几何定位问题，提出了一种星地协同的光学卫星在轨实时几何定位方法及系统。

本发明提供的技术方案为一种星地协同的光学卫星在轨实时几何定位方法，包括以下步骤：

步骤1，定位模型构建及算法固化，构建适用于星上实时处理单元的光学卫星成像定位模型，并将相应定位求解方法固化于星上硬件环境，保留模型参数更新上注接口；

所述光学卫星成像定位模型，是采用线阵CCD探元指向角的内定向模型，建立基于严密共线方程模型与地球椭球面模型相交的在轨定位模型；

步骤2，初值确定，由地面实验室对相机内部及平台安装关系的检校参数或设计参数获取星上定位模型参数的初始值；

步骤3，定标数据获取，卫星在轨运行后对地面定标场进行成像，获取适宜几何定标的影像数据并下传至地面系统；

步骤4，地面系统几何定标，包括在地面处理系统中完成定标控制点的密集匹配、定标参数解算；

步骤5，定标结果验证与模型参数上注更新，对定标精度评价，确定定标结果的正确性后，更新星上定位的相应参数。

而且，步骤1中，所述线阵CCD探元指向角的内定向模型如下，

其中，(V_image)_cam为像元在像空间坐标系下的指向矢量，x、y分别为像元在像平面坐标系下垂轨和沿轨方向的坐标，ψ_x(s)、ψ_y(s)为探元s指向矢量在沿轨和垂轨方向的角度分量，f为相机主距；

对于具有多片CCD拼接成像的相机，设有m片CCD，则对于m片CCD分别采用多组三次多项式(ψ_xj(s)ψ_yj(s))进行描述，

其中，s为探元号，ψ_xj(s)、ψ_yj(s)为各片上探元指向角在沿轨和垂轨方向的角度分量，j表示CCD的标号，(ax0_j,ax1_j,ax2_j,ax3_j,ay0_j,ay1_j,ay2_j,ay3_j)为内定标参数。

而且，步骤1中，所述用基于严密共线方程模型与地球椭球面模型相交的在轨定位模型如下，

其中，为卫星本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵，为J2000坐标系到本体坐标系的旋转矩阵，为WGS84坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，(X_s,Y_s,Z_s)为成像时刻的卫星在WGS84坐标系下的位置，(X,Y,Z)为目标点在WGS84坐标系下的坐标，λ为比例因子，a_WGS84和b_WGS84分别为WGS84椭球的长半轴和短半轴，h为目标定位点在物方的高程。

而且，步骤1中，所述定位求解方法采用基于DEM数据的高程迭代定位求解方法，实现方式如下，

以目标点高程初值h₀＝0，在DEM数据的支持下，进行高程迭代求解，包括执行以下步骤，

a.令i＝1，目标点高程h＝h₀，即令h＝0，代入椭球面模型；

b.共线方程与椭球面方程联立，求得目标点物方坐标，获取光线与椭球高h处的交点M_i；

c.若i＞1，则判断此次获得的交点M_i与上次计算坐标M_i-1的修正量d(M_i-1,M_i)是否小于阈值d；

d.若修正量小于阈值，则输出定位结果，若i＝1或修正量大于阈值，则由目标点物方坐标M_i在DEM上内插更新高程值h＝h(M_i)，令i＝i+1，返回步骤b，重复b、c、d步骤直至收敛。

而且，步骤2中，确定星上模型参数的初值，实现方式如下，

对于相机在平台上安装关系的实验室检校，获取三安装角参数，与构成的三个旋转角一致，直接作为初值；

对于相机内部参数的实验室检校，按照严格物理模型，测量相机主距f、各片CCD首像元在相机坐标系下的坐标(x0_j,y0_j)，设定内定向参数的初始值，如下式，

其中，pixelsize为CCD像元大小设计值。

而且，步骤4中构建结合内部探元指向角模型与外部安装矩阵补偿的在轨几何定标模型，实现方法如下：

作为外定标参数，用于恢复相机坐标系在空间中的位置和姿态；(ax0_j,ax1_j,ax2_j,ax3_j,ay0_j,ay1_j,ay2_j,ay3_j)(j＝1,2,...,m)作为内定标参数，用于确定相机内部CCD各探元在相机坐标系下的坐标。

而且，步骤4中，基于步骤1所得在轨定位模型，执行以下步骤，

a.设在待定标影像上量测了K个高精度地面控制点作为定向点，控制点的WGS84地心直角坐标为(X_i Y_i Z_i)，像点坐标为(s_i l_i)，i＝1,2,3...k；

b.令：

其中，为像点光线在本体坐标系下的矢量，(pitch,roll,yaw)为相机在本体坐标系上的三个安装偏置角，为本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵

设外定标参数X_E、内定标参数X_I为自变量，令F()、G()分别为像空间坐标系下像点沿轨及垂轨方向的矢量残差函数，则有：

c.对外定标参数X_E、内定标参数X_I赋初值

d.将当前的内定标参数X_I视为“真值”，将外定标参数X_E视为待求的未知参数，将相应的当前值代入矢量残差函数，对每个定向点，进行线性化处理，建立误差方程式，利用最小二乘平差计算更新外定标参数X_E的当前值，

e.重复步骤d，迭代计算直至外定标参数改正数均小于预设阈值时停止，进入步骤f；

f.将当前的外定标参数X_E视为“真值”，将内定标参数X_I视为待求的未知参数，将相应的当前值代入矢量残差函数，对每个定向点，进行线性化处理，建立误差方程式，利用最小二乘平差计算更新内定标参数X_I的当前值，

g.重复步骤f，迭代计算直至内定标参数改正数均小于预设阈值时停止，完成几何内外定标参数求解。

本发明相应提供一种星地协同的光学卫星在轨实时几何定位系统，包括以下模块：

定位模型构建及算法固化模块，用于构建适用于星上实时处理单元的光学卫星成像定位模型，并将相应定位求解方法固化于星上硬件环境，保留模型参数更新上注接口；

所述光学卫星成像定位模型，是采用线阵CCD探元指向角的内定向模型，建立基于严密共线方程模型与地球椭球面模型相交的在轨定位模型；

初值确定模块，用于由地面实验室对相机内部及平台安装关系的检校参数或设计参数获取星上定位模型参数的初始值；

定标数据获取模块，用于卫星在轨运行后对地面定标场进行成像，获取适宜几何定标的影像数据并下传至地面系统；

地面系统几何定标模块，用于在地面处理系统中完成定标控制点的密集匹配、定标参数解算；

定标结果验证与模型参数上注更新模块，用于对定标精度评价，确定定标结果的正确性后，更新星上定位的相应参数。

本发明提供一种以地面几何定标和星上实时几何定位协同处理的星上高精度实时几何定位技术方案，满足了星上高精度实时几何定位的需求，解决了光学卫星在轨实时处理的一个关键技术问题。该技术方案针对星上处理环境的局限性，结合地面处理系统，形成星地协同的处理模式，实现了光学遥感卫星在轨高精度实时几何定位，提高了对地观测系统的应用效能和时效性，为实现智能化、高效的遥感数据星上实时处理技术提供必要的基础，具有重要的市场价值。

发明附图

图1为本发明的光学卫星在轨几何定位方法流程图。

图2为本发明的探元指向角模型示意图。

图3为本发明的基于DEM的单点定位迭代计算流程图。

图4为本发明的基于定标场影像的地面系统在轨几何定标流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

本发明技术方案可采用计算机软件方式支持自动运行流程。本发明实施例星地协同的光学卫星在轨实时几何定位方法如图1所示，分以下步骤进行详细描述。

(1)定位模型构建及算法固化：构建适用于星上实时处理单元的光学卫星成像定位模型，并将算法固化于星上硬件环境，保留模型参数更新上注接口。

进一步地，步骤(1)中考虑成像过程中各种误差的几何特性、统计特性及变形规律，建立了优化的光学卫星星上在轨成像定位模型。其中采用探元指向角模型代替相机的严格内检校模型，避免模型的过度参数化，并可在同等精度水平下消除相机镜头畸变、CCD畸变及内方位元素标定误差；相机外部误差通过由相机与平台间安装角度构成的旋转矩阵进行补偿。将算法固化于星上硬件时，保留探元指向角模型参数及安装角参数的更新接口。

对于光学卫星相机，可以将影响几何定位的因素分为两类，一类是内部误差，包括镜头畸变、线阵CCD变形因素导致的相机内部光轴指向的改变，另一类是外部误差，包括相机的安装误差、热变形导致的相机安装相对关系的改变和外方位元素的观测误差。其中镜头畸变、线阵CCD的变形、相机的安装误差和热变形属于静态误差，具有很强的系统性，可以通过在轨几何标定的方式进行标校和补偿。

相机严格内检校模型中由于包含众多的物理畸变参数，某些参数之间具有强相关性，因此存在过度参数化的问题，难以分别精确标校，并不适合作为相机的内定向模型。因此设计CCD探元指向角模型，如图2，X₁、Y₁、Z₁为像空间坐标系的三轴，O₁为投影中心，V_image为像元在像空间坐标系下的指向矢量，ψ_x、ψ_y为V_image分别在沿轨和垂轨方向的角度分量。对各探元的指向角进行描述，其本质上就是确定各探元的像方矢量在单位主距下相机焦平面上的投影平面坐标，即对相机主距进行了归一化处理，采用线阵CCD探元指向角的内定向模型，如下式：

其中，(V_image)_cam为像元在像空间坐标系下的指向矢量，x、y分别为像元在像平面坐标系下垂轨和沿轨方向的坐标，ψ_x(s)、ψ_y(s)为探元s指向矢量在沿轨和垂轨方向的角度分量，f为相机主距。

由于相机严格物理模型本质上就是一个三次多项式模型，为了确定各探元的指向角，采用一个三次多项式对相机CCD上各探元在相机坐标系下的指向角进行拟合，作为相机的内定向模型，对于具有多片CCD拼接成像的相机，设有m片CCD，则对于m片CCD分别采用多组三次多项式(ψ_xj(s)ψ_yj(s))进行描述：

其中，s为探元号，ψ_xj(s)、ψ_yj(s)为各片上探元指向角在沿轨和垂轨方向的角度分量，j表示CCD的标号，(ax0_j,ax1_j,ax2_j,ax3_j,ay0_j,ay1_j,ay2_j,ay3_j)为内定标参数。

则代入光学卫星成像严密共线方程模型，与地球椭球面模型联立，利用像点光束与地面物方高程面相交的几何关系，建立的光学成像在轨几何定位模型如下：

其中，为卫星本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵，由相机在平台上的安装角求得；为J2000坐标系到本体坐标系的旋转矩阵，由成像时刻的卫星平台三姿态角求得；为WGS84坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，由成像时刻及国际地球自转服务(IERS)发布的地球自转参数求得；(X_s,Y_s,Z_s)为成像时刻的卫星在WGS84坐标系下的位置；(X,Y,Z)为目标点在WGS84坐标系下的坐标；λ为比例因子；a_WGS84和b_WGS84分别为WGS84椭球的长半轴和短半轴；h为目标定位点在物方的高程。

基于构建的定位模型，在星上定位解算过程中，首先组成共线方程：输入目标点的像方坐标，则可获取其在相机坐标系下的矢量；根据像点的成像时刻，可由GPS轨道测量星历及星敏姿态测量星历内插出对应的卫星位置(WGS84坐标系)及姿态(J2000坐标系)；根据像点的成像时刻及地球自转参数可求得WGS84坐标系与J2000坐标系的转换关系；由相机安装角计算本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵。然后，将共线方程与地球椭球面方程联立，以目标点高程初值h₀＝0，在DEM数据的支持下，进行高程迭代求解，如图3所示，具体步骤为：

a.令i＝1，目标点高程h＝h₀，即令h＝0，代入椭球面模型；

b.共线方程与椭球面方程联立，求得目标点物方坐标，即光线与椭球高h处的交点M_i；

c.若i＞1，则判断此次获得的交点M_i与上次计算坐标M_i-1的修正量d(M_i-1,M_i)是否小于阈值d；

d.若修正量小于阈值，则输出定位结果，若i＝1或修正量大于阈值，则由目标点物方坐标M_i在DEM上内插更新高程值h＝h(M_i)，令i＝i+1，返回步骤b，重复b、c、d步骤直至收敛。

在卫星地面建设阶段，完成该定位模型及算法在星上处理模块(如DSP)上的固化以及DEM数据在星上存储模块的注入，并将模型中存在系统误差、需在轨几何标定的参数(ax0_j,ax1_j,ax2_j,ax3_j,ay0_j,ay1_j,ay2_j,ay3_j)(j＝1,2,...,m)保留上注更新的接口。

(2)初值确定：由地面实验室对相机内部及平台安装关系的检校参数或设计参数获取星上定位模型参数初始值。

卫星发射前，采用实验室检校的手段可获取相机内部参数及安装矩阵的地面检校值，作为在轨精确标定前的模型初值。

对于相机在平台上安装关系相应卫星本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵的实验室检校，一般获取三安装角参数，与构成的三个旋转角一致，直接作为初值；

对于相机内部参数的实验室检校，一般按照严格物理模型，测量其相机主距f、各片CCD首像元在相机坐标系下的坐标(x0_j,y0_j)(j＝1,2,...,m)，此时可忽略相机高阶畸变，结合CCD像元大小设计值pixelsize，设定内定向参数的初始值，如下式。

(3)定标数据获取：卫星在轨运行后对地面定标场进行成像，获取适宜几何定标的影像数据并下传至地面系统。

进一步地，步骤(3)中定标影像数据应该选择地物清晰无云、成像角度较小、控制点在影像内均匀分布的影像。

卫星发射后在轨运行过程中，规划成像任务时将定标场目标列为优先，对定标场进行较小成像角度的拍摄(星下点成像为最优选方案)，并将成像数据下传至地面处理系统，选取成像天气晴朗无云、地面控制数据覆盖均匀的影像数据作为待定标影像数据。

(4)地面系统几何定标：包括在地面处理系统中完成定标控制点的密集匹配、定标参数解算。

基于定标场影像的在轨几何定标，处理流程如图4所示，基于实验室标定参数、轨道和姿态数据(由GPS和星敏观测获得)和待定标影像数据进行。

在轨几何定标需要密集控制点匹配：获取待定标影像数据后，需一定数量、在影像上均匀分布的控制点作为控制信息。目前国内卫星地面几何定标场均提供了高精度数字正射影像(DOM)和数字高程模型(DEM)等参考数据，利用影像高精度匹配技术，将待定标影像直接和定标场的DOM和DEM参考数据进行影像匹配，从而实现控制点的自动量测，获取大量同名像点，为后续的平差解算提供必要可靠的控制信息。

同步骤(1)，将采用探元指向角模型的严密共线方程作为在轨几何定标模型，作为外定标参数，用于精确恢复相机坐标系在本体坐标系下的安装偏置关系；(ax0_j,ax1_j,ax2_j,ax3_j,ay0_j,ay1_j,ay2_j,ay3_j)(j＝1,2,...,m)作为内定标参数，用于确定相机内部CCD各探元在相机坐标系下的坐标。

由控制点匹配结果，基于建立的内外几何定标模型，进行在轨几何内外定标参数求解，具体解算公式及流程如下：

a.假设在待定标影像上量测了K个高精度地面控制点作为定向点，控制点的WGS84地心直角坐标为(X_i Y_i Z_i)，像点坐标为(s_i l_i)，i＝1,2,3...k；

b.令：

其中，为像点光线在本体坐标系下的矢量，(pitch,roll,yaw)为相机在本体坐标系上的三个安装偏置角，为本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵。

设外定标参数X_E、内定标参数X_I为自变量，令F()、G()分别为像空间坐标系下像点沿轨及垂轨方向的矢量残差函数，则有：

c.对外定标参数X_E、内定标参数X_I赋初值这里初值为实验室检校值或初始设计值。

d.将当前内定标参数X_I视为“真值”，将外定标参数X_E视为待求的未知参数。将它们的当前值代入上式，对每个定向点，对其进行线性化处理，建立误差方程式：

V_i＝A_iX-L_i P_i

其中

式中，L_i是利用内外定标参数当前值代入公式计算得到的常数向量；A_i是误差方程式的系数矩阵；X代表外定标参数改正数dX_E；P_i是观测值的权；V_i是像点残差向量；(dpitch,droll,dyaw)是相机平台安装角改正数；F_i、G_i与步骤b中公式一致，为各像点在像空间坐标系下的矢量残差函数。

计算法方程系数矩阵，

其中，L是常数向量，A是系数矩阵，P为权值向量。

利用最小二乘平差计算X，如下，

X＝(A^TPA)^-1(A^TPL)

更新外定标参数X_E的当前值：

e.重复步骤d，迭代计算直至外定标参数改正数均小于阈值(本领域技术人员可自行预设，优选地取10^-12)时停止，进入步骤f。

f.同样，将当前的外定标参数X_E视为“真值”，将内定标参数X_I视为待求的未知参数，将相应的当前值代入矢量残差函数，对每个定向点，进行线性化处理，建立误差方程式，利用最小二乘平差计算更新内定标参数X_I的当前值，具体实现如下，

将外定标参数的当前值视为“真值”，内定标参数视为待求的未知参数，代入公式对每个定向点构建误差方程式：

V_i＝B_iY-L_i P_i

其中，

式中，L_i是利用内外定标参数当前值计算得到的常数向量；B_i是误差方程式的系数矩阵；Y代表内定标参数改正数dX_I；P_i是观测值的权；V_i是像点残差向量；(dax₀,dax₁,dax₂,dax₃,day₀,day₁,day₂,day₃)是相机内定标参数改正数；F_i、G_i与步骤b中公式一致，为各像点在像空间坐标系下的矢量残差函数。

计算法方程系数矩阵；

其中，L是常数向量，B是系数矩阵，P为权值向量。

利用最小二乘平差计算Y，如下式；

Y＝(B^TPB)^-1(B^TPL)

更新内定标参数X_I的当前值。

g.重复步骤f，迭代计算直至内定标参数改正数均小于阈值(本领域技术人员可自行预设，优选地取10^-12)时停止，完成几何内外定标参数求解。

(5)定标结果验证与模型参数上注更新：对定标精度评价，确定定标结果的正确性后，更新星上定位算法的相应参数。

定标完成后，需要对定标效果进行评价验证，一般通过对定标后生产的产品数据进行产品几何精度测试以验证其正确性。

进一步地，步骤(5)中定标结果的正确性评价是指对定标后生产的产品数据进行产品几何精度的评价，利用地面检查点评价影像的绝对定位精度，对比定标前后的定位精度指标，评估参数精化效果。

针对星上单点定位，验证定标后产品的绝对几何精度即可，通过利用地面检查点参考信息，将检查点的地面坐标采用几何检校后的模型反算得到相应的图像坐标，求出沿轨道/垂直轨道方向真实的图像坐标与计算的图像坐标之间的差值，并统计其数学期望，由影像的几何分辨率可换算为物方精度。对比定标前后产品的绝对几何精度提升水平，评价定标结果参数的正确性和可用性。

最后，将地面处理系统在轨定标所获取的精确参数，通过星上保留的参数上注接口，提供给固化在星上硬件环境中的实时几何定位模型，更新不精确的实验室检校参数，从而实现星上高精度实时定位。

具体实施时，本发明所提供方法可基于软件技术实现自动运行流程，也可采用模块化方式实现相应系统。

本发明实施例相应提供一种星地协同的光学卫星在轨实时几何定位系统，包括以下模块：

定位模型构建及算法固化模块，用于构建适用于星上实时处理单元的光学卫星成像定位模型，并将相应定位求解方法固化于星上硬件环境，保留模型参数更新上注接口；

所述光学卫星成像定位模型，是采用线阵CCD探元指向角的内定向模型，建立基于严密共线方程模型与地球椭球面模型相交的在轨定位模型；

初值确定模块，用于由地面实验室对相机内部及平台安装关系的检校参数或设计参数获取星上定位模型参数的初始值；

定标数据获取模块，用于卫星在轨运行后对地面定标场进行成像，获取适宜几何定标的影像数据并下传至地面系统；

地面系统几何定标模块，用于在地面处理系统中完成定标控制点的密集匹配、定标参数解算；

定标结果验证与模型参数上注更新模块，用于对定标精度评价，确定定标结果的正确性后，更新星上定位的相应参数。

各模块具体实现可参见相应步骤，本发明不予赘述。

本文中所描述的具体实例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。