一种基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及卫星姿态颤振探测方法，尤其是设及一种基于密集控制点的高分辨率 卫星姿态颤振探测方法。
【背景技术】
[0002] 从90年代开始，对地观测卫星对精度和稳定性的要求越来越高，国内外开始重视 和研究由各种原因造成的卫星平台的波动。与其他成像方式的传感器相比，线阵CCD传感 器在推扫成像的过程中更容易受到卫星运动和旋转的影响。卫星本身的机械运动如太阳 帆板、动量轮和天线等，星体的受热扭曲W及姿态控制等操作，都会引起姿态的变化。当卫 星的测姿设备的测量频率低于姿态变化的频率时，无法从姿态观测数据中反演其高频的变 化，导致卫星影像的几何处理精度降低。因此，在遥感影像的几何处理之前，必须先去除姿 态波动造成的影响。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够准确地探 测出卫星平台的姿态颤振现象的基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法。
[0004] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0005] 一种基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，包括W下步骤：
[0006] 1)参考影像预处理；
[0007] 2)预处理后的参考影像和实时获取的卫星影像的密集匹配；
[000引3)卫星姿态颤振的解算。
[0009] 步骤1)中，所述预处理包括高斯滤波和降采样处理。
[0010] 步骤2)中，所述密集匹配具体为：
[OCm] 201)从预处理后的参考影像中提取出待匹配特征点，并根据相应的DEM获得待匹 配特征点的地面坐标，所述待匹配特征点的采点间隔小于5*5像素区域；
[0012] 202)将所述待匹配特征点通过所述卫星影像的严格成像模型向后投影至卫星影 像上，获得匹配点的初始值；
[0013] 203)根据匹配点初始值使用最小二乘匹配的方法，得到卫星影像和预处理之后的 参考影像之间的密集控制点。
[0014] 所述密集匹配还包括：
[0015] 采用相关系数阔值法和基于严格成像模型和仿射变换模型的几何约束条件的剔 除策略剔除误匹配点。
[0016] 所述严格成像模型为：
[0017]
[001引其中，化Y，口为地面点在物方空间坐标系中的坐标，狂s，Ys，Zs)为卫星在在物方 空间坐标系中的位置，A为比例因子，（x，y)为像方空间坐标，f为相机焦距，是由 地球惯性系到WGS84坐标系的旋转正交矩阵，i《.著0是由卫星轨道坐标系到地球惯性系的 旋转正交矩阵，巧f是由卫星本体坐标到卫星轨道坐标系的旋转正交矩阵，it",t。是由相 机坐标系到卫星本体坐标系的旋转正交矩阵。
[0019] 所述步骤201)中，采用FOrstner特征提取算子从参考影像中提取待匹配特征点。
[0020] 所述步骤203)具体为：
[0021] 设参考影像上的点gi(X。yi)和卫星影像上的点g2咕，y2)之间存在线性的福射崎 变和仿射几何崎变，则有
[002引gi (X。yi) +ni = h o+h偏咕，y2) +02
[0023] = h〇+hig2 (a〇+aiXi+a2y。bo+biXi+baYi) +ri2
[0024] 其中，化。，hi)为福射崎变参数，（n。rg为影像所包含的随机噪声， (a〇,a。32,b。，bi，b2)为几何崎变参数，
[0025] 将上式线性化，并根据像点匹配初值，迭代计算几何形变和福射崎变参数，得到最 佳匹配点位。
[0026] 所述步骤3)具体为：
[0027] 301)通过严格成像模型，将密集控制点后向投影至影像像方，迭代计算其像方像 素坐标；
[002引 302)提取像方残差中周期性的残差分量（Ax'，Ay')，并利用正弦函数拟合所 述残差分量：
[0029]
【主权项】
1. 一种基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 参考影像预处理； 2) 预处理后的参考影像和实时获取的卫星影像的密集匹配； 3) 卫星姿态颤振的解算。
2. 根据权利要求1所述的基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其特征 在于，步骤1)中，所述预处理包括高斯滤波和降采样处理。
3. 根据权利要求1所述的基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其特征 在于，步骤2)中，所述密集匹配具体为： 201) 从预处理后的参考影像中提取出待匹配特征点，并根据相应的DEM获得待匹配特 征点的地面坐标，所述待匹配特征点的采点间隔小于5*5像素区域； 202) 将所述待匹配特征点通过所述卫星影像的严格成像模型向后投影至卫星影像上， 获得匹配点的初始值； 203) 根据匹配点初始值使用最小二乘匹配的方法，得到卫星影像和预处理之后的参考 影像之间的密集控制点。
4. 根据权利要求3所述的基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其特征 在于，所述密集匹配还包括： 采用相关系数阈值法和基于严格成像模型和仿射变换模型的几何约束条件的剔除策 略剔除误匹配点。
5. 根据权利要求3或4所述的基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其 特征在于，所述严格成像模型为：
其中，（X，Y，Z)为地面点在物方空间坐标系中的坐标，（XS，YS，Zs)为卫星在在物方空间 坐标系中的位置，λ为比例因子，（x，y)为像方空间坐标，f为相机焦距，Ai=I4是由地球 惯性系到WGS84坐标系的旋转正交矩阵，是由卫星轨道坐标系到地球惯性系的旋转 正交矩阵，是由卫星本体坐标到卫星轨道坐标系的旋转正交矩阵，是由相机坐 标系到卫星本体坐标系的旋转正交矩阵。
6. 根据权利要求3所述的基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其特征 在于，所述步骤201)中，采用Fdrstner特征提取算子从参考影像中提取待匹配特征点。
7. 根据权利要求3所述的基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其特征 在于，所述步骤203)具体为： 设参考影像上的点A(Xpy1)和卫星影像上的点g2(x2，y 2)之间存在线性的辐射畸变和 仿射几何畸变，则有 g! (X1, y!) +II1= h 0+1ι$2 (x2, y2) +n2= h 0+1ι$2 (ao+aji+a；^，bo+biXi+b；^) +n2 其中，(Kh1)为辐射畸变参数，Oipn2)为影像所包含的随机噪声，（Btl, B1, I^b2) 为几何畸变参数， 将上式线性化，并根据像点匹配初值，迭代计算几何形变和辐射畸变参数，得到最佳匹 配点位。
8.根据权利要求1所述的基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，其特征 在于，所述步骤3)具体为： 301) 通过严格成像模型，将密集控制点后向投影至影像像方，迭代计算其像方像素坐 标； 302) 提取像方残差中周期性的残差分量（Ax'，Ay')，并利用正弦函数拟合所述残 差分量：
式中，Aiditt^ ωχ、&分别表示拟合得到的沿轨方向的周期性像方残差的幅值、频率和 相位，A"_ittOT、《y、％分别表示拟合得到的垂轨方向的周期性像方残差的幅值、频率和相 位； 303) 通过以下公式获得姿态颤振变化幅值：
式中，Am11为翻滚角姿态颤振变化幅值，Apitdl为俯仰角姿态颤振变化幅值，η为线阵CCD 探元的数量，persize为线阵(XD探元的大小，f为相机的焦距。
【专利摘要】本发明涉及一种基于密集控制点的高分辨率卫星姿态颤振探测方法，包括以下步骤：1)参考影像预处理；2)预处理后的参考影像和实时获取的卫星影像的密集匹配；3)卫星姿态颤振的解算。与现有技术相比，本发明利用外部参考数据(数字正射影像DOM和数字高程模型DEM)的支持，能够准确地探测出卫星平台的姿态颤振现象，从而还原卫星在轨运动的真实状态，具有准确性高、探测精度高等优点。
【IPC分类】G01C11-14
【公开号】CN104864852
【申请号】CN201510232330
【发明人】童小华, 王凤香, 刘世杰, 李凌云, 叶真, 谢欢, 陈鹏, 张松林
【申请人】同济大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月8日