一种考虑卫星姿态变化的三线阵影像像方偏差的获取方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及测绘、摄影测量与遥感领域，尤其是设及一种考虑卫星姿态变化的= 线阵影像像方偏差的获取方法。
【背景技术】
[0002] 航天平台姿态变化对CCD线阵传感器成像几何的影响非常明显，平台俯仰角 (Pitch)的变化会导致影像行之间的缝隙或者重叠，翻滚角（Roll)的变化会引起线阵影像 在列方向上的形变，偏航角（Yaw)的变化对成像几何的影像与平台高度、传感器视场角等 有着复杂的关系。
[0003] =线阵传感器的原理来自于上世纪六十年代的=缝隙连续胶片摄影机，八十年 代，由德国的化fmann博± (1984,1988)提出S线阵CCD传感器的构想，在随后的二十多 年间，摄影测量学界对=线阵影像摄影测量原理进行了大量的研究，从理论和实际上解决 了外方位元素重构问题，提高了基于S线阵影像的摄影测量定位精度（化aserand化ao， 1996;王任享，2006;)。王任享（2006)系统阐述了S线阵CCD影像卫星摄影测量原理。目 前，关于航天平台姿态角变化与与S线阵影像像方偏差之间关系模型的研究较为少见。Jia etal. (2013)和贾桂敏（2013)针对航空平台（飞机、飞艇）S线阵传感器，从几何图形角 度给出了航空平台姿态角变化对=线阵影像成像几何的影响。
【发明内容】
[0004] 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偏差模型先进、 偏差数据准确、方法先进的考虑卫星姿态变化的=线阵影像像方偏差的获取方法。
[0005] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0006] -种考虑卫星姿态变化的=线阵影像像方偏差的获取方法，包括W下步骤：
[0007] 1)在卫星成像时刻，根据相应坐标系之间的旋转关系，建立在卫星理想轨道下的 地面点坐标与像点坐标之间转换关系的数学模型；
[0008] 2)当卫星姿态角发生变化时，获取卫星本体坐标系与卫星轨道坐标系之间的旋转 关系，并建立姿态角变化的地面点坐标与像点坐标之间关系的数学模型；
[0009] 3)根据卫星姿态角变化前后地面点坐标不变W及在卫星理想轨道下的地面点坐 标与像点坐标之间转换关系的数学模型和姿态角变化的地面点坐标与像点坐标之间关系 的数学模型，获得=线阵影像像方偏差与姿态角变化量之间的定量模型，并获取考虑卫星 姿态变化的=线阵影像像方偏差。
[0010] 所述的步骤1)中的理想轨道为卫星绕X。轴旋转的翻滚角变化量为0,卫星绕Y。轴 旋转的俯仰角变化量为0,卫星绕Z。轴旋转的偏航角变化量为0。
[0011] 所述的步骤1)中在卫星理想轨道下的地面点坐标与像点坐标之间转换关系的数 学模型为：
[0014] 其中，狂m，Ym，Zm)为像点在像空间辅助坐标系中的坐标，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坐标，^为比例因子，
[X，y，-f]T为地面点的像方空间坐标，为由传感器坐标系到地面WGS84坐标系的旋转 正交矩阵，为由传感器坐标系到卫星本体坐标系的旋转正交矩阵，巧:I'为由卫星本 体坐标到卫星轨道坐标系的旋转正交矩阵，适W为由卫星轨道坐标系到地球惯性系的旋 转正交矩阵，巧品端4为由地球惯性系到WGS84坐标系的旋转正交矩阵；
[0015]由于传感器坐标系与卫星本体坐标系坐标轴指向一致，巧,tl,.为单位阵，由于卫星 轨道是稳定的，巧滅M和巧還'自^4与卫星姿态无关，则有基本转换公式；
[0016]
[0017] 当卫星的S个姿态角变化均为0时，乂,苦为单位阵，则有：
[0018]
[001引其中，成进为卫星轨道坐标系由到卫星本体坐标系的旋转正交矩阵，巧為，为卫 星轨道坐标系到WGS84坐标系的旋转正交矩阵，k.v，-/氏为卫星未发生姿态变化时地 面点对应的像空间坐标。
[0020] 所述的步骤2)具体包括W下步骤：
[0021] 21)根据卫星绕X。轴旋转的翻滚角Roll发生的变化，获取翻滚角Roll变化的旋 转矩阵，建立当翻滚角Roll发生变化时地面点坐标与像点坐标之间关系的数学模型；
[0022] 22)根据卫星绕Y。轴旋转的俯仰角Pitch发生的变化，获取俯仰角Pitch变化的 旋转矩阵，建立当俯仰角Pitch发生变化时地面点坐标与像点坐标之间关系的数学模型；
[0023] 23)根据卫星绕Z。轴旋转的偏航角Yaw发生的变化，获取偏航角Yaw变化的旋转 矩阵，建立当偏航角Yaw发生变化时地面点坐标与像点坐标之间关系的数学模型。
[0024] 所述的步骤21)具体包括W下步骤：
[00巧]对于翻滚角Roll发生变化时，则有：
[0026]
[0027]其中，Aa为翻滚角Roll的变化量，为比例因子，[x，y，-/広ww。.为翻滚角 Roll发生变化时地面点对应的像空间坐标，
为翻滚角Roll变化的旋 转矩阵。
[0028] 所述的步骤22)具体包括W下步骤：
[0029] 对于俯仰角Pitch发生变化时，则有；
[0030]
[00引]其中，A0为俯仰角Pitch的变化量，^2为比例因子，b，.V，-/広hwwer为俯仰角发 生变化时地面点对应的像空间坐标
为俯仰角Pitch变化的旋转矩 阵。
[0032] 所述的步骤23)具体包括W下步骤：
[0033] 对于偏航角Yaw发生变化时，则有；
[0034]
[00对其中，AW为偏航角Yaw的变化量，A3为比例因子，为偏航角发生 变化时地面点对应的像空间坐标
为偏航角Yaw变化的旋转矩阵。
[0036] 所述的步骤3)具体包括W下步骤：
[0037] 31)根据基本转换公式和当翻滚角Roll发生变化时地面点坐标与像点坐标之间 关系的数学模型，获得受到卫星绕X。轴旋转的翻滚角Roll变化影响的沿轨严格像方偏差 AXRoiijitter和垂牵九严格像方偏差AyRolljitter;
[0038]
[0039]
[0040] 32)根据基本转换公式和当俯仰角Pitch发生变化时地面点坐标与像点坐标之间 关系的数学模型，获得受到卫星绕Y。轴旋转的俯仰角Pitch变化影响的沿轨严格像方偏差 AXpiteWitte济垂轨严格像方偏差AyPit加itter;
[0043] 33)根据基本转换公式和当偏航角Yaw发生变化时地面点坐标与像点坐标之间 关系的数学模型，获得受到卫星绕Z。轴旋转的偏航角Yaw变化影响的沿轨严格像方偏差 AXy。,litter和垂轨严格像方偏差AyY。,litter;
[0046] 与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0047] -、偏差模型先进；本发明给出了姿态角Roll、Yaw和Pitch角变化对卫星S线阵 影像像方偏差影响的严密定量模型，国际上属首次。
[004引二、偏差数据准确；本发明中卫星姿态角Roll、Yaw和Pitch角的X方向上，定量模 型计算结果与实际验证结果一致，仅在姿态角Pitch的y方向上存在约为姿态角变化量的 1/500的误差。
[0049]=、理论方法严密：本发明基于航天摄影测量严格成像模型，从共线方程出发，主 要研究了姿态角变化对=线阵传感器成像几何的影响机制，严格推导了姿态角变化与像方 偏差之间的定量模型，揭示了平台姿态角变化造成像方偏差的规律和影响，为卫星姿态稳 定度设计提供重要的参考指标。
【附图说明】
[0050] 图1为卫星传感器成像中设及的坐标系之间旋转关系图。
[0051] 图2为卫星传感器的S个姿态角示意图。
[0052] 图3为S线阵传感器成像时刻构像示意图。
[0053] 图4为Roll姿态角变化引起的偏差示意图。
[0054] 图5为Pitch姿态角变化引起的偏差示意图。
[00巧]图6为Yaw姿态角变化引起的偏差示意图。
[0056] 图7为=线阵传感器姿态变化仿真实验流程图。
[0057] 图8为S线阵影像像方偏差分布图，其中，图8a为Roll= 8. 4932"时的下视影 像像方偏差分布图，图8b为Roll= 8. 4932"时的前视影像像方偏差分布图，图8c为Roll =8. 4932"时的后视影像像方偏差分布图，图8d为Pitch= 8. 4932"时的下视影像像方 偏差分布图，图8e为Pitch= 8. 4932"时的前视影像像方偏差分布图，图8f为Pitch= 8.4932"时的后视影像像方偏差分布图，图8g为Yaw= 8. 4932"时的下视影像像方偏差分 布图，图她为Yaw= 8. 4932"时的前视影像像方偏差分布图，图8i为Yaw= 8. 4932"时 的后视影像像方偏差分布图，图8j为=个姿态角均为8. 4932"时的下视影像像方偏差分 布图，图8k为S个姿态角均为8. 4932"时的前视影像像方偏差分布图，图81为S个姿态角 均为8. 4932"时的后视影像像方偏差分布图.
[0058] 图9为姿态角Roll变化造成的像方偏差侧视图，其中，图9a为Roll