本发明涉及一种基于姿态辅助信息的高轨卫星影像定位方法及系统，用于实现高分四号卫星高精度影像目标定位，属于卫星总体设计技术领域。
背景技术：
影像目标定位是遥感卫星应用的核心技术之一，也是遥感产品开发的基础和预处理工作。目标定位精度是卫星系统的一项重要指标，与目标定位精度有关的主要因素有姿态确定误差、卫星位置确定误差、仪器的安装误差、星上时间同步误差。其中，仪器的安装误差表示用于姿态确定的敏感器的基准和相机的基准不一致。在姿态敏感器和相机生产和总装过程中进行严格控制，可使之减小或精确测量。此部分误差为系统误差，可通过在轨的地面标定获得其大小，可作为常值误差消除。因此在后续的分析中考虑对定位误差影响的主要因素有：姿态确定误差、卫星位置确定误差、星上时间同步误差。要实现较高的图像定位精度，通常意味着需要高精度的姿态和轨道测量，以及高精度的系统时钟要求等。
高分四号卫星是我国首颗高轨高分辨率光学遥感卫星，运行于36000km的轨道高度，其轨道高度是低轨光学遥感卫星的数十倍，在无地面控制点的情况下对定位精度提出了很高的要求。主要体现在两个方面，其一是高的轨道高度导致相同面积探测器探测到的能量比低轨光学遥感卫星小的多，因此成像曝光时间是低轨光学遥感卫星的数倍到数十倍，长时间成像曝光给目标定位带来了前所未有的难题；其二是高的轨道高度导致微小的姿态测量误差对定位精度的影响比低轨光学遥感卫星大的多，因此姿态确定精度对目标定位影响大。因此，如何高精度实现高分四号卫星影像目标定位已成为该卫星数据应用及推广的关键步骤，同时，这成为一个具有研究价值的问题。
针对上述问题，美国“地球静止环境业务卫星”(goes)系列、中国风云(fy-4)卫星及欧洲航天局“第三代气象卫星”(mtg)采用了图像导航与配准(imagenavigationandregistration，inr)系统，该系统通过对卫星系统的扰动源分析并采取补偿措施，使气象卫星的成像设备具有较高的指向精度和稳定性，从而减小了像素与实际地理坐标之间的误差。但inr系统的更多的是强调对星上扰振源的分析，从而对载荷的摆镜进行补偿控制，高分四号卫星采用面阵凝视成像体制，载荷不存在摆镜，不适合采用该系统。此外，该系统没有在根本上解决星上时间同步误差。
技术实现要素：
本发明解决的问题：克服现有技术的不足，针对高分四号卫星轨道高度高、曝光时间长、姿态测量精度要求高的特点，提供一种基于姿态辅助信息的高轨卫星影像定位方法及系统，利用高频次姿态辅助信息获取曝光时刻中间值的轨道、姿态参数，从而提高高分四号卫星无控制点目标定位精度。
本发明的技术解决方案：一种基于姿态辅助信息的高轨卫星影像定位方法，该方法步骤如下：
(1)、获取卫星影像对应的成像曝光时刻前后预设的一段时间内的卫星轨道、姿态辅助数据及其对应的时间信息，所述时间信息与卫星时间同步；
(2)、获取卫星影像对应的成像曝光时间段的中间时刻；
(3)、对轨道、姿态辅助数据进行插值运算，得到步骤(2)所述成像曝光时间段的中间时刻所对应的轨道、姿态信息；
(4)、利用成像曝光时间段的中间时刻所对应的轨道、姿态信息对高分四号卫星影像进行定位，得到高分四号卫星影像对应的位置信息。
所述轨道、姿态辅助数据的数据更新周期小于等于100ms。
所述的“成像曝光时刻前后一段时间”大于等于30s。
步骤(2)中卫星影像对应的成像曝光时间段的中间时刻通过下列方法获取：
(2.1)、相机开机之后，利用本地时钟进行计数，接收外部输入的秒脉冲信号及其对应的卫星同步时间，所述秒脉冲有效时刻对应卫星同步时间的整秒时刻；
(2.2)、记录卫星影像对应的成像曝光起始时刻之前最近的秒脉冲对应的本地时钟计数值m，成像曝光起始时刻之后最近的秒脉冲对应的本地时钟计数值n，卫星影像成像曝光起始时刻对应的本地时钟计数值p，计算该卫星影像幅的成像曝光起始时刻的亚秒t：
(2.3)、将成像曝光起始时刻亚秒t，加上成像曝光起始时刻之前最近的秒脉冲对应的卫星整秒时刻t，即可获得卫星影像对应的成像曝光起始时刻对应的卫星时刻tn：
tn＝t+t；
(2.4)、将卫星影像对应的成像曝光起始时刻对应的卫星时刻tn，加上相机曝光时间s的一半，即可获得高精度成像曝光中间时刻对应的卫星时刻tm：
tm＝tn+s/2。
所述卫星轨道信息包括轨道六根数：半长轴l、升交点赤径ω、偏心率e、倾角i、真近点角f、近地点幅角ω，所述卫星姿态信息包括卫星姿态四元数：卫星姿态四元数q0、卫星姿态四元数q1、卫星姿态四元数q2、卫星姿态四元数q3。
一种基于姿态辅助信息的高轨卫星影像定位系统，该系统包括数管分系统、控制分系统、相机分系统、数传分系统、定位处理系统，其中：
控制分系统，将轨道、姿态辅助数据及对应的时间信息按照预设的周期通过数传分系统发送至定位处理系统，所述时间信息与卫星时间同步；
数管分系统，向相机分系统发送秒冲信号及其对应的卫星同步时刻，所述秒脉冲有效时刻对应卫星同步时间的整秒时刻；
相机分系统，开机之后，利用本地时钟进行计数，接收数管分系统发送的秒脉冲信号及其对应的卫星同步时刻，将卫星影像对应的成像曝光起始时刻之前最近的秒脉冲对应的本地时钟计数值m和卫星整秒时刻t、成像曝光起始时刻之后最近的秒脉冲对应的本地时钟计数值n、卫星影像成像曝光起始时刻对应的本地时钟计数值p与对应的卫星影像按照预设的编码格式编帧通过数传分系统发送至定位处理系统；
定位处理系统，解算卫星图影像对应的成像曝光中间时刻对应的卫星时刻tm，再通过拉格朗日插值方法计算出所述成像曝光时间段的中间时刻所对应的轨道、姿态信息对高分四号卫星影像进行定位，得到高分四号卫星影像对应的位置信息。
所述预设的周期小于等于100ms。
解算卫星图影像对应的成像曝光中间时刻对应的卫星时刻tm的具体方法为：
(a)、根据卫星影像对应的成像曝光起始时刻之前最近的秒脉冲对应的本地时钟计数值m，成像曝光起始时刻之后最近的秒脉冲对应的本地时钟计数值n，卫星影像成像曝光起始时刻对应的本地时钟计数值p，计算该卫星影像幅的成像曝光起始时刻的亚秒t：
(b)、将成像曝光起始时刻亚秒t，加上成像曝光起始时刻之前最近的秒脉冲对应的卫星整秒时刻t，即可获得卫星影像对应的成像曝光起始时刻对应的卫星时刻tn：
tn＝t+t；
(c)、将卫星影像对应的成像曝光起始时刻对应的卫星时刻tn，加上相机曝光时间s的一半，即可获得高精度成像曝光中间时刻对应的卫星时刻tm：
tm＝tn+s/2。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明从卫星设计层面，优化卫星辅助数据设计，增加曝光时刻前后的高频次轨道及姿态数据，从地面处理层面，利用高频次轨道及姿态数据，通过插值获取相机曝光时刻中间值所对应的高精度轨道和姿态参数，作为地面无控制点定位精度的轨道、姿态参数，提高曝光时间的轨道、姿态参数的准确性，从而提高高分四号卫星影像无控制点目标定位精度。
(2)、本发明选择成像曝光时刻中间值的轨道及姿态数据作为表征影像成像时刻，解决了高分四号卫星轨道高度高、曝光时间长，图像与卫星轨道、姿态参数不同步，导致高分四号卫星无控制点目标定位精度偏差的问题，从而提高高分四号卫星影像无控制点定位精度。
(3)、本发明成像曝光时间段的中间时刻由卫星相机分系统接收外部输入的秒脉冲信号及其对应的卫星时间，通过本地时钟计数来实现高精度的时间同步性，确保曝光时间与卫星时刻的时间同步性。
(4)、本发明获取成像曝光前后30s的高频次轨道、姿态数据，为内插提供大量的样本数据，进一步提高了拉格朗日插值算法计算得到卫星外方位元素信息的准确性。
(5)、本发明建立控制分系统与数传分系统之间的传输链路，可提供成像曝光前后的高频次轨道、姿态辅助数据，用于地面处理时轨道及姿态辅助数据插值提高成像时刻的外推精度。
附图说明
图1为本发明实施例卫星影像目标定位系统组成及其数据流图。
图2为本发明实施例基于高频次姿态辅助信息的高分四号卫星影像目标定位方法的流程图；
图3为本发明实施例相机分系统秒脉冲校时计时方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
高分四号卫星为静止轨道卫星，长期驻留固定区域上空，数据传输不受卫星过境时间限制，因此可利用该特点，实现卫星高频次轨道、姿态辅助数据的下传，进一步提高影像定位精度。
本发明提供了一种基于姿态辅助信息的高轨卫星影像定位系统，该系统从卫星设计层面，优化卫星辅助数据设计，增加曝光时刻前后的高频次轨道及姿态数据，从地面处理层面，利用高频次轨道及姿态数据，通过插值获取相机曝光时刻中间值所对应的高精度轨道和姿态参数，作为地面无控制点定位精度的轨道、姿态参数，提高曝光时间的轨道、姿态参数的准确性，从而提高高分四号卫星影像无控制点目标定位精度。
以图1所示的高分四号卫星影像目标定位系统为例，所述系统包括控制分系统、数管分系统、相机分系统、数传分系统、定位处理系统，其中：
控制分系统，将轨道、姿态辅助数据及其对应的时间信息发送给数管分系统，同时，将轨道、姿态辅助数据及对应的时间信息按照预设的周期通过数传分系统发送至定位处理系统，所述时间信息与卫星时间同步，保证采集的信号与卫星时间的高度同步；高频次轨道及姿态数据的频率越高，数据处理的精度越高，考虑到信道容量，所述预设的周期设为小于等于100ms，相对于传统的数据发送周期500ms而言大大减小，提高了轨道、姿态数据的频次。获取成像曝光前后30s以上的高频次轨道、姿态数据，为内插提供大量的样本数据。控制分系统与数传分系统之间采用rs422接口进行数据通信。
数管分系统，通过1553b总线每500ms向相机分系统发送轨道、姿态辅助数据及其对应的时间信息；向相机分系统发送秒冲信号及其对应的卫星同步时刻，所述秒脉冲有效时刻对应卫星同步时间的整秒时刻；
相机分系统，开机之后，利用本地时钟进行计数，接收数管分系统发送的轨道、姿态辅助数据及其对应的时间信息、秒脉冲信号及秒脉冲对应的卫星同步时刻，将卫星影像对应的成像曝光起始时刻之前最近的秒脉冲对应的本地时钟计数值m和卫星整秒时刻t、成像曝光起始时刻之后最近的秒脉冲对应的本地时钟计数值n、卫星影像成像曝光起始时刻对应的本地时钟计数值p与对应的卫星影像按照预设的编码格式编帧通过数传分系统发送至定位处理系统；
相机分系统包括相机管理控制器和可见光红外探测器组件与视频电路，相机管理控制器通过1553b总线每500ms接收数管分系统传输的轨道、姿态辅助数据及其对应的时间信息，将内部产生的相机辅助数据(包括卫星影像对应的成像曝光起始时刻之前最近的秒脉冲对应的本地时钟计数值m和卫星整秒时刻t、成像曝光起始时刻之后最近的秒脉冲对应的本地时钟计数值n、卫星影像成像曝光起始时刻对应的本地时钟计数值p)实时经三线控制接口分别发送给视频处理电路，视频信号处理电路在曝光起始时锁存最近一次收到的轨道、姿态辅助数据及其对应的时间信息，将其与相机内部产生的相机辅助数据按编码格式要求编入图像数据中。
数传分系统接收相机分系统的图像数据及控制分系统的轨道、姿态数据，数据处理器将接收的数据进行aos格式编排、crc校验、加扰和ldpc编码后，发送至地面数据接收站；
定位处理系统，解算卫星图影像对应的成像曝光中间时刻对应的卫星时刻tm，再通过拉格朗日插值方法计算出所述成像曝光时间段的中间时刻所对应的轨道、姿态信息对高分四号卫星影像进行定位，得到高分四号卫星影像对应的位置信息。
为了提高系统的可靠性，控制分系统也可以通过数管分系统每500ms向相机分系统发送轨道、姿态数据。
解算卫星图影像对应的成像曝光中间时刻对应的卫星时刻tm的具体步骤如下：
(a)、根据卫星影像对应的成像曝光起始时刻之前最近的秒脉冲对应的本地时钟计数值m，成像曝光起始时刻之后最近的秒脉冲对应的本地时钟计数值n，卫星影像成像曝光起始时刻对应的本地时钟计数值p，计算该卫星影像幅的成像曝光起始时刻的亚秒t：
(b)、将成像曝光起始时刻亚秒t，加上成像曝光起始时刻之前最近的秒脉冲对应的卫星整秒时刻t，即可获得卫星影像对应的成像曝光起始时刻对应的卫星时刻tn：
tn＝t+t；(2)
(c)、将卫星影像对应的成像曝光起始时刻对应的卫星时刻tn，加上相机曝光时间s的一半，即可获得高精度成像曝光中间时刻对应的卫星时刻tm：
tm＝tn+s/2。(3)
基于上述设计思路，本发明提供了一种基于姿态辅助信息的高轨卫星影像定位方法，该方法步骤如图2所示，具体包括如下步骤：
(1)、获取卫星影像对应的成像曝光时刻前后预设的一段时间内的卫星轨道、姿态辅助数据及其对应的时间信息，所述时间信息与卫星时间同步；
所述卫星轨道信息包括轨道六根数：半长轴l、升交点赤径ω、偏心率e、倾角i、真近点角f、近地点幅角ω，所述卫星姿态信息包括卫星姿态四元数：卫星姿态四元数q0、卫星姿态四元数q1、卫星姿态四元数q2、卫星姿态四元数q3。
所述的一段时间大于等于30s。所述卫星轨道、姿态辅助数据的数据更新周期小于等于100ms。
(2)、获取卫星影像对应的成像曝光时间段的中间时刻；
如图3所示，步骤(2)中卫星影像对应的成像曝光时间段的中间时刻通过下列方法获取：
(2.1)、相机开机之后，利用本地时钟进行计数，接收外部输入的秒脉冲信号及其对应的卫星同步时间，所述秒脉冲有效时刻对应卫星同步时间的整秒时刻；
(2.2)、卫星相机分系统记录并下传根据卫星影像对应的成像曝光起始时刻之前最近的秒脉冲对应的本地时钟计数值m，成像曝光起始时刻之后最近的秒脉冲对应的本地时钟计数值n，卫星影像成像曝光起始时刻对应的本地时钟计数值p，地面定位系统计算该卫星影像幅的成像曝光起始时刻的亚秒t：
(2.3)、地面定位系统将成像曝光起始时刻亚秒t，加上相机分系统记录并下传的成像曝光起始时刻之前最近的秒脉冲对应的卫星整秒时刻t，即可获得卫星影像对应的成像曝光起始时刻对应的卫星时刻tn：
tn＝t+t；
(2.4)、地面定位系统将卫星影像对应的成像曝光起始时刻对应的卫星时刻tn，加上相机分系统记录并下传的相机曝光时间s的一半，即可获得高精度成像曝光中间时刻对应的卫星时刻tm：
tm＝tn+s/2。
(3)、对轨道、姿态辅助数据进行插值运算，得到步骤(2)所述成像曝光时间段的中间时刻所对应的轨道、姿态信息；
(3.1)轨道计算绝对时刻为to，对应该计算绝对时刻下的轨道六根数：半长轴l、升交点赤径ω、偏心率e、倾角i、真近点角f、近地点幅角ω，由轨道六根数构成卫星的位置信息w，已知to1，to2，。。，ton时刻卫星的位置信息分别为w1，w2，。。，wn，通过拉格朗日多项式插值法来获取tm时刻卫星的轨道信息，n次拉格朗日的插值多项式如下：
其中pn(toi)＝wi(i＝1,2,...,n)，而n次插值基数需满足条件：
则n次插值的基函数定义如下：
从而由式(4)便可计算出tm时刻的卫星的轨道信息wtn。
(3.2)姿态计算绝对时刻为tp，对应该计算绝对时刻下的卫星姿态四元数：卫星姿态四元数q0、卫星姿态四元数q1、卫星姿态四元数q2、卫星姿态四元数q3，由卫星姿态四元数构成卫星的姿态信息z，已知tp1，tp2，。。，tpn时刻卫星的姿态信息分别为z1，z2，。。，zn，通过拉格朗日多项式插值法来获取tm时刻卫星的姿态信息，n次拉格朗日的插值多项式如下：
从而由式(7)便可计算出tm时刻的卫星的姿态信息ztn。
(4)、利用成像曝光时间段的中间时刻所对应的轨道、姿态信息对高分四号卫星影像进行定位，得到高分四号卫星影像对应的位置信息。
利用步骤(3)获得的成像曝光时间段中间时刻所对应的轨道六根数、姿态四元素及地面系统已构建的高轨面阵相机在轨几何检校参数，构建无控制点高轨面阵相机定位模型如下：
式中，(xg,yg,zg)与(xgps,ygps,zgps)分别表示像点对应的物方点及由轨道六根数转换得到光轴指向在wgs84坐标系下的坐标；
解算上述模型即可得到高分四号卫星影像对应的位置信息。
本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员的公知常识。