一种大椭圆卫星地球背景成像区域昼夜分布的确定方法
【专利摘要】本发明公开了一种大椭圆遥感卫星地球背景成像区域昼夜分布的定量确定方法，包括：建立地心固联坐标系、传感器坐标系和图像坐标系，构建图像坐标系与地心固联坐标系之间的转换关系；确定当前时刻t，获取当前时刻下卫星、太阳在地心固联坐标系中的坐标，以及传感器参数；判断当前时刻下，成像面上点映射到物面上的点是否为地球上的点，并计算该点在上地球上的点，计算地球上的点在当前时刻下的太阳高度角，并根据太阳高度角判断这个点的昼夜情况；对成像面上的所有点都做上述处理，判断成像面上各点在地球上对应点的昼夜情况。本发明建立在坐标系变换和基本公式的基础上，建立了数学模型，可以定量确定大椭圆遥感卫星图像地球背景昼夜分布情况。
【专利说明】一种大椭圆卫星地球背景成像区域昼夜分布的确定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于计算机视觉与航空航天技术交叉的科学【技术领域】，更具体地，涉及一种大椭圆卫星地球背景成像区域昼夜分布的确定方法。
【背景技术】
[0002]遥感技术在灾害监测、矿物探测、环境监测等领域具有明显的优势和广泛的应用前景。但是，遥感探测特别是航天遥感成本高，传感器的制造周期长，阻碍目前遥感成像技术的不断发展。随着计算机技术的快速发展，特别是虚拟现实技术的发展，遥感成像仿真技术极为有效的解决这类问题。自然界中的一切物体，都会反射太阳辐射或发射自身热辐射。遥感成像技术是研究如何探测的反射和发射辐射，并将辐射能量通过电子系统转换为图像信号的科学技术。遥感成像仿真是基于遥感成像机理，在某种成像条件(大气条件、传感器平台)下，模拟场景中的地物如何反射太阳辐射和发射自身热辐射，将辐射能量映射到图像信号，最终生成遥感图像。显然，太阳的照射对于遥感图像仿真起着重要的作用。为了更好地对地球进行遥感探测，我们需要研究不同地球背景的辐射统计特性随昼夜时相的变化关系。因此，研究遥感图像地球背景成像区域昼夜分布对调整优化遥感器系统参数和数据获取方案具有重要的现实意义。
[0003]大椭圆轨道，与地球静止轨道不同，远地点距离地面高度几万公里，近地点距离地面几百公里。地球静止轨道(GEO)卫星与地面相对静止，固定在赤道上空，其星下点轨迹是一个点，运动周期与地球自转周期相等，它的轨道离心率和轨道倾角均为零，距地面高度约为3.6万公里。地球静止轨道卫星携带的传感器始终指向地球上固定一片区域，所以其地球背景成像区域昼夜分布只需考虑地球自转和地球与太阳之间相对位置的变化。
[0004]大椭圆轨道(HEO)卫星大不相同，卫星与地球相对位置实时变化。大椭圆轨道卫星所携带的传感器与地球静止轨道卫星的传感器工作模式不同，大椭圆卫星要求传感器相机始终指向北极点，所以大椭圆卫星的传感器指向地球上的区域也是实时变化的。
[0005]综上所述，对于大椭圆轨道卫星而言，地球自转，地球、太阳和卫星三者相对位置的实时变化以及传感器始终指向北极点等因素都是造成地球背景成像区域昼夜分布实时变化的原因。因此，确定大椭圆卫星地球背景成像区域的昼夜分布是非常复杂的。国内外没有相关文献提到这种确定方法。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大椭圆遥感卫星地球背景成像区域昼夜分布的定量确定方法，包括:
[0007](I)建立地心固联坐标系、传感器坐标系和图像坐标系，获取当前时刻t的太阳位置、卫星位置以及传感器参数，确定当前时刻t下成像面到物面的转换关系；
[0008](2)判断当前时刻t下，成像面上点(U，ν)映射到物面上的点是否为地球上的点，如果是地球上的点，则根据成像面到物面的转换关系求像素点(U，V)在物面上的点(X，Y，Z),如果不是地球上的点，则处理成像面上下一个像素点；
[0009](3)计算像素点U，V)在物面上的点(X，Y，Ζ)在当前时刻t的太阳高度角，并根据该太阳高度角的正负来判断这个点的昼夜情况，即太阳高度角为正，则为白天，否则为晚上；
[0010](4)遍历地球背景成像区域的成像面上的所有像素点，计算其在物面上的对应点，并判断物面上的每个对应点的昼夜情况，得到地球背景成像区域的昼夜分布图。
[0011]优先地，所述步骤(1)中各坐标系定义如下:
[0012]地心固联坐标系:原点O为地心，X轴指向本初子午线，Z轴指向正北，按照右手螺旋法则确定Y轴方向，地心固联坐标系下的点坐标为(X，Y，Z)；
[0013]传感器坐标系:原点O。与卫星位置Os重合，传感器指向Ζ。的方向为卫星位置指向北极点的方向，Ζ。方向与卫星与太阳连线方向叉乘得到Y。轴方向，按照右手螺旋法则确定Xc轴；
[0014]图像坐标系:包括图像像素坐标系和图像物理坐标系，图像像素坐标系的原点O1定义为卫星传感器光轴与图像平面的交点，其横轴u和纵轴ν分别与传感器坐标系的X。和Y。平行，其像素坐标以(U，ν)表示，(u0, ν0)为原点O1在图像像素坐标系下的坐标；图像物理坐标系与图像像素坐标系平行，其像素坐标以(x，y)表示，图像物理坐标系中每一个像素点在X轴与I轴方向上的物理尺寸为dx、dy ；
[0015]成像面中的点(U，V)与其在物面中的对应点(X，Y，Z)满足如下关系:
【权利要求】
1.一种大椭圆遥感卫星地球背景成像区域昼夜分布的确定方法，其特征在于，所述方法包括: (1)建立地心固联坐标系、传感器坐标系和图像坐标系，获取当前时刻t的太阳位置、卫星位置以及传感器参数，确定当前时刻t下成像面到物面的转换关系； (2)判断当前时刻t下，成像面上点(U，V)映射到物面上的点是否为地球上的点，如果是地球上的点，则根据成像面到物面的转换关系求像素点(U，V)在物面上的点(X，Y，Z)，如果不是地球上的点，则处理成像面上下一个像素点； (3)计算像素点(U，V)在物面上的点(X，Y，Z)在当前时刻t的太阳高度角，并根据该太阳高度角的正负来判断这个点的昼夜情况，即太阳高度角为正，则为白天，否则为晚上； (4)遍历地球背景成像区域的成像面上的所有像素点，计算其在物面上的对应点，并判断物面上的每个对应点的昼夜情况，得到地球背景成像区域的昼夜分布图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中各坐标系定义如下: 地心固联坐标系:原点O为地心，X轴指向本初子午线，Z轴指向正北，按照右手螺旋法则确定Y轴方向，地心固联坐标系下的点坐标为(X，Y，Z)； 传感器坐标系:原点O。与卫星位置Os重合，传感器指向Ζ。的方向为卫星位置指向北极点的方向，Ζ。方向与卫星与太阳连线方向叉乘得到Y。轴方向，按照右手螺旋法则确定X。轴； 图像坐标系:包括图像像素坐标系和图像物理坐标系，图像像素坐标系的原点O1定义为卫星传感器光轴与图像平面的交点，其横轴u和纵轴V分别与传感器坐标系的X。和Y。平行，其像素坐标以(U，V)表示，(u0, ν0)为原点O1在图像像素坐标系下的坐标；图像物理坐标系与图像像素坐标系平行，其像素坐标以(x，y)表示，图像物理坐标系中每一个像素点在X轴与y轴方向上的物理尺寸为dx、dy ； 成像面中的点(U，V)与其在物面中的对应点(X，Y，Z)满足如下关系:
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中判断成像面上点(U，V)映射到物面上的点是否为地球上的点，以及计算像面上的像素点U，V)在物面上地球上的点(X，Y，Z)，具体为: (2.1)根据式，
4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括:(3.1)根据该物面上的点(X，Y，Z)及当前时刻t，确定地理纬度供，太阳赤纬角δ，太阳时角τ ；
(3.2)计算
【文档编号】G01C11/04GK103868502SQ201310750432
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】张天序, 陈昌胜, 肖聪, 刘珈羽, 姚守悝, 张俊青 申请人:华中科技大学