基于空间约束的摆扫载荷在轨内参测量及标校方法与流程

本发明涉及星载光谱成像，具体涉及基于空间约束的摆扫载荷在轨内参测量及标校方法。

背景技术：

1、天基光电探测与成像载荷在轨几何定标是保证后续影像定量化应用水平的关键步骤之一，在天基遥感，摄影测量以及空间目标定位、跟踪等民用、军用领域有着至关重要的作用。

2、目前，常用的天基光电探测与成像载荷在轨几何定标方法主要通过高精度空间基准，如地面几何定标场，参考影像控制点以及恒星等，实现对传感器严格几何成像模型参数的精确标定，主要包括内方位参数、外方位参数，进而实现在轨影像的几何定位。然而，该方法主要面临两个方面的问题：(1)高精度空间基准获取困难，且代价高；首先，几何定标场建设及维护成本较高，且受卫星过境时间及过境时定标场天气状况影响难以发挥即时效果；其次，受辐射-几何差异影响，当前图像控制点的提取及精度难以满足所有谱段应用需求。而基于恒星的在轨几何定位方法仅适用具有响应恒星观测能力的卫星。(2)在轨解算方法复杂；在轨几何定位模型参数解算主要基于迭代最小二乘理论，当控制点数量较多时，需要较多的计算资源，效率低，且受异常控制点数据影响较大。同时，当前无地面控制点在轨几何定标方法主要存在以下问题亟待解决：(1)对卫星在轨机动能力依赖较强；通过姿态机动获取不同状态下观测数据进而校正系统误差的无控定位方法仅适用于如法国pleiades等超敏捷卫星，且其姿态控制过程易引入更大的定位误差，该方法仍处于研究阶段；(2)依赖dem数据；dem辅助的无控定位方法需通过dem匹配获取空间基准，本质仍为有空定位，且dem匹配引入新的误差，实际应用效率较低。

3、因此，亟需解决实际光电载荷在轨几何定标过程依赖大量高精度控制基准、复杂解算方法以及卫星强机动能力的问题，发明一种成本低、过程简单，可靠性强的光电载荷在轨几何定标方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对现有技术中未来天基光电探测与成像载荷高精度定位需求，提供一种基于几何约束的双向摆扫载荷在轨内方位参数解算方法，以满足实际应用需求。

2、为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

3、基于空间约束的摆扫载荷在轨内参测量及标校方法，包括以下步骤：

4、s1，通过双向摆扫成像系统获取载荷星下点的同一区域的正反扫影像；

5、s2,通过图像控制点的提取获取正反扫影像重叠区域同名像点对；

6、s3，通过卫星姿轨数据，基于双向摆扫成像系统严格几何定位模型解算正反扫影像同名像点在地心固定坐标系下的视线矢量；

7、s4,根据同名像点物方一致的几何约束关系构建约束方程，基于最小二乘原理解算模型参数，实现在轨无控内方位参数解算；

8、s5，根据步骤s4解算的内方位参数，修正双向摆扫成像系统的几何定位模型。

9、在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

10、作为本发明的优选技术方案：步骤s1中，采用搭载于低轨卫星平台的双向摆扫模式的成像系统，在t1时刻双向摆扫载荷处以获得正向扫描影像；在t2时刻双向摆扫载荷处以获得反向扫描影像。

11、作为本发明的优选技术方案：步骤s2中，基于harris算子实现图像控制点的提取出同名像点集，

12、

13、其中，tps为所提取的同名像点集；和分别为正扫影像fdimg和反扫影像bdimg对应的第i个同名像点。

14、作为本发明的优选技术方案：步骤s2中，获取的正反扫影像重叠区域同名像点对通过ransac算法消除误匹配影响。

15、作为本发明的优选技术方案：步骤s3包括以下步骤：

16、s3.1，构建天基双向摆扫载荷严格几何定位模型，其摆扫定位模型表达式为：

17、

18、其中，为图像像素坐标系下的像点(r,c)在物方点在所述地心固定坐标系下的方向矢量，其中，为卫星投影中心在所述地心固定坐标系下的位置矢量；λ为比例因子；rref(θ)为扫描镜扫描角度θ对应的平面反射矩阵；θ为所述扫描镜扫描角度值；为地心惯性坐标系与地心固定坐标系的转换关系；为卫星本体坐标系到地心惯性坐标系的转换矩阵，通常有卫星的姿态角(p,r,y)计算；p,r,y为卫星三个姿态角：俯仰角、横滚角及偏航角；为双向摆扫成像系统在所述卫星本体坐标系下的已标定的安装矩阵，所述安装矩阵的三个安装角(α,β,γ)在卫星发射前已进行精确标定；α,β,γ为载荷三个安装角；(r0,c0)为双向摆扫成像系统主点在所述像元坐标系下的坐标；δr0,δc0为所述主点偏移误差；dx,dy为所述像点在像平面上的偏移误差；λx,λy为所述像元在x和y方向的尺寸；f为所述双向摆扫成像系统主距；δf为所述主距误差量；||·||表示归一化后的单位矢量；

19、s3.2，采用两维指向角模型表征双向摆扫成像系统坐标系下的出射矢量：

20、

21、其中，a0…a9，b0…b9为两维指向角模型标定参数，(r,c)为像元行列坐标，为其对应的双向摆扫成像系统坐标系下出射矢量，为像元(r,c)在x,y方向的两维指向角。

22、作为本发明的优选技术方案：步骤s4中包括以下步骤：

23、s4.1，计算同名像点地面坐标，通过步骤s2获取的一对同名像点tp1和tp2，对地面初步标定的内、外方位元素以及在轨卫星的位置及姿态数据，计算得到同名像点对应的物方点在地心固定坐标系下的位置坐标(xecef,yecef,zecef)；

24、s4.2，基于几何约束条件构建线性方程组，根据步骤s3中的严格几何定位模型得正反扫影像同名像点定位方程如下：

25、正扫影像：

26、

27、反向影像：

28、

29、其中，fi和bi分别表示正扫、反扫影像中的第i个同名像点；

30、s4.3，基于同名像点物方一致构建几何约束关系，所求内方位参数应当同时满足步骤s4.2中的式(3)和式(4)，则可得

31、

32、式中，a0…a9，b0…b9为所要求解的内方位参数；

33、s4.4，基于最小二乘法解算载荷内方位参数，得如下线性非齐次方程组：

34、

35、即

36、a·x＝b

37、其中，

38、则基于最小二乘方法可实现双向摆扫光电载荷在轨内方位参数的高精度解算：

39、x＝(ata)-1·(atb)

40、其中，n为同名像点的个数。

41、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

42、本发明的基于空间约束的摆扫载荷在轨内参测量及标校方法，利用双向摆扫成像系统及图像控制点的提取获得载荷星下点影像的同名像点对，通过同名像点物方一致的几何约束关系构建的约束方程，解算出双向摆扫成像系统的内方位参数，实现摆扫式载荷严格几何定位模型内方位参数在轨标定，解决在轨几何定标对大量高精度控制基准的依赖难题，摆脱了对卫星在轨强机动能力及高精度控制基准的依赖。本发明基于空间约束的摆扫载荷在轨内参测量及标校方法，避开了基于迭代最小二乘理论的在轨几何定位模型参数解算中产生的问题，提供了一种解算过程简单、对卫星在轨强机动能力及高精度控制基准的依赖性低，在轨标定可靠性更高的载荷内方位参数在轨标定方法。本发明的一种基于几何约束的双向摆扫光电载荷内方位参数在轨标定方法，摆脱了对卫星在轨强机动能力及高精度控制基准的依赖的同时，降低了光电载荷在轨标定成本，提高了在轨标定的可靠性，在天基光电探测与成像载荷高精度定位领域极具应用前景。