一種星地協同的光學衛星在軌實時幾何定位方法及系統與流程
本發明的技術方案屬于衛星遙感數據處理技術領域，特別涉及一種星地協同的光學衛星星上幾何定位處理的方法及系統。
背景技術：
隨著影像分辨率的提高，光學遙感衛星獲取的數據量呈幾何級數增長，遠遠超出了數據壓縮傳輸能力的發展，導致星上實時獲取的數據無法及時下傳。以高分二號遙感衛星為例，該衛星原始獲取數據率達到7Gb/s，若采用常規壓縮傳輸方法，通過2*450Mbps數傳鏈路，也無法完成全部獲取數據的實時下傳，嚴重制約了用戶獲取遙感數據和信息的時效性。因此，面向高分辨率光學成像所獲取的實時海量遙感數據，現有的星地數據處理模式、數據壓縮方法、數據處理方法無法滿足各類用戶及時準確獲取信息的要求。從而迫切需要研究新的數據處理模式、自動化和高時效性的數據處理方法，提升海量遙感影像的實時數據處理能力和信息提取水平，充分發揮對地觀測系統的應用效能。
光學遙感衛星星上在軌實時處理打破傳統“星上成像-影像下傳-地面處理”的數據處理模式，可在星上從海量遙感影像數據中，針對興趣任務目標進行提取，實時對目標影像塊進行數據處理，進而轉化為有效信息快速分發至地面用戶，以任務驅動角度出發，大大提高了遙感數據應用的時效性及自動化、智能化程度。其中，具有高精度、實時性的星上幾何定位技術是實現以任務驅動的光學遙感衛星星上在軌實時處理的必要環節，精確、可靠的地理位置信息是衛星獲取的空間數據得以實時提取、轉化為有效信息的基礎。
光學衛星高精度幾何定位依賴于精確的成像幾何模型參數，受衛星發射時應力釋放、衛星運行時空間熱環境及力學環境等因素的影響，地面實驗室對于光學相機內部及平臺安裝參數的檢校無法滿足衛星定位的精度需求。目前，地面系統處理一般采用基于地面定標場的幾何定標方法，以衛星在軌運行時獲取的幾何定標場影像數據進行模型參數的精化解算，而星上幾何定位技術受制于存儲環境及處理環境的約束，無法在星上進行幾何定標。
技術實現要素：
本發明針對光學衛星成像高精度在軌幾何定位問題，提出了一種星地協同的光學衛星在軌實時幾何定位方法及系統。
本發明提供的技術方案為一種星地協同的光學衛星在軌實時幾何定位方法，包括以下步驟：
步驟1，定位模型構建及算法固化，構建適用于星上實時處理單元的光學衛星成像定位模型，并將相應定位求解方法固化于星上硬件環境，保留模型參數更新上注接口；
所述光學衛星成像定位模型，是采用線陣CCD探元指向角的內定向模型，建立基于嚴密共線方程模型與地球橢球面模型相交的在軌定位模型；
步驟2，初值確定，由地面實驗室對相機內部及平臺安裝關系的檢校參數或設計參數獲取星上定位模型參數的初始值；
步驟3，定標數據獲取，衛星在軌運行后對地面定標場進行成像，獲取適宜幾何定標的影像數據并下傳至地面系統；
步驟4，地面系統幾何定標，包括在地面處理系統中完成定標控制點的密集匹配、定標參數解算；
步驟5，定標結果驗證與模型參數上注更新，對定標精度評價，確定定標結果的正確性后，更新星上定位的相應參數。
而且，步驟1中，所述線陣CCD探元指向角的內定向模型如下，
其中，(Vimage)cam為像元在像空間坐標系下的指向矢量，x、y分別為像元在像平面坐標系下垂軌和沿軌方向的坐標，ψx(s)、ψy(s)為探元s指向矢量在沿軌和垂軌方向的角度分量，f為相機主距；
對于具有多片CCD拼接成像的相機，設有m片CCD，則對于m片CCD分別采用多組三次多項式(ψxj(s)ψyj(s))進行描述，
其中，s為探元號，ψxj(s)、ψyj(s)為各片上探元指向角在沿軌和垂軌方向的角度分量，j表示CCD的標號，(ax0j,ax1j,ax2j,ax3j,ay0j,ay1j,ay2j,ay3j)為內定標參數。
而且，步驟1中，所述用基于嚴密共線方程模型與地球橢球面模型相交的在軌定位模型如下，
其中，為衛星本體坐標系到相機坐標系的旋轉矩陣，為J2000坐標系到本體坐標系的旋轉矩陣，為WGS84坐標系到J2000坐標系的旋轉矩陣，(Xs,Ys,Zs)為成像時刻的衛星在WGS84坐標系下的位置，(X,Y,Z)為目標點在WGS84坐標系下的坐標，λ為比例因子，aWGS84和bWGS84分別為WGS84橢球的長半軸和短半軸，h為目標定位點在物方的高程。
而且，步驟1中，所述定位求解方法采用基于DEM數據的高程迭代定位求解方法，實現方式如下，
以目標點高程初值h0＝0，在DEM數據的支持下，進行高程迭代求解，包括執行以下步驟，
a.令i＝1，目標點高程h＝h0，即令h＝0，代入橢球面模型；
b.共線方程與橢球面方程聯立，求得目標點物方坐標，獲取光線與橢球高h處的交點Mi；
c.若i＞1，則判斷此次獲得的交點Mi與上次計算坐標Mi-1的修正量d(Mi-1,Mi)是否小于閾值d；
d.若修正量小于閾值，則輸出定位結果，若i＝1或修正量大于閾值，則由目標點物方坐標Mi在DEM上內插更新高程值h＝h(Mi)，令i＝i+1，返回步驟b，重復b、c、d步驟直至收斂。
而且，步驟2中，確定星上模型參數的初值，實現方式如下，
對于相機在平臺上安裝關系的實驗室檢校，獲取三安裝角參數，與構成的三個旋轉角一致，直接作為初值；
對于相機內部參數的實驗室檢校，按照嚴格物理模型，測量相機主距f、各片CCD首像元在相機坐標系下的坐標(x0j,y0j)，設定內定向參數的初始值，如下式，
其中，pixelsize為CCD像元大小設計值。
而且，步驟4中構建結合內部探元指向角模型與外部安裝矩陣補償的在軌幾何定標模型，實現方法如下：
作為外定標參數，用于恢復相機坐標系在空間中的位置和姿態；(ax0j,ax1j,ax2j,ax3j,ay0j,ay1j,ay2j,ay3j)(j＝1,2,...,m)作為內定標參數，用于確定相機內部CCD各探元在相機坐標系下的坐標。
而且，步驟4中，基于步驟1所得在軌定位模型，執行以下步驟，
a.設在待定標影像上量測了K個高精度地面控制點作為定向點，控制點的WGS84地心直角坐標為(Xi Yi Zi)，像點坐標為(si li)，i＝1,2,3...k；
b.令：
其中，為像點光線在本體坐標系下的矢量，(pitch,roll,yaw)為相機在本體坐標系上的三個安裝偏置角，為本體坐標系到相機坐標系的旋轉矩陣
設外定標參數XE、內定標參數XI為自變量，令F()、G()分別為像空間坐標系下像點沿軌及垂軌方向的矢量殘差函數，則有：
c.對外定標參數XE、內定標參數XI賦初值
d.將當前的內定標參數XI視為“真值”，將外定標參數XE視為待求的未知參數，將相應的當前值代入矢量殘差函數，對每個定向點，進行線性化處理，建立誤差方程式，利用最小二乘平差計算更新外定標參數XE的當前值，
e.重復步驟d，迭代計算直至外定標參數改正數均小于預設閾值時停止，進入步驟f；
f.將當前的外定標參數XE視為“真值”，將內定標參數XI視為待求的未知參數，將相應的當前值代入矢量殘差函數，對每個定向點，進行線性化處理，建立誤差方程式，利用最小二乘平差計算更新內定標參數XI的當前值，
g.重復步驟f，迭代計算直至內定標參數改正數均小于預設閾值時停止，完成幾何內外定標參數求解。
本發明相應提供一種星地協同的光學衛星在軌實時幾何定位系統，包括以下模塊：
定位模型構建及算法固化模塊，用于構建適用于星上實時處理單元的光學衛星成像定位模型，并將相應定位求解方法固化于星上硬件環境，保留模型參數更新上注接口；
所述光學衛星成像定位模型，是采用線陣CCD探元指向角的內定向模型，建立基于嚴密共線方程模型與地球橢球面模型相交的在軌定位模型；
初值確定模塊，用于由地面實驗室對相機內部及平臺安裝關系的檢校參數或設計參數獲取星上定位模型參數的初始值；
定標數據獲取模塊，用于衛星在軌運行后對地面定標場進行成像，獲取適宜幾何定標的影像數據并下傳至地面系統；
地面系統幾何定標模塊，用于在地面處理系統中完成定標控制點的密集匹配、定標參數解算；
定標結果驗證與模型參數上注更新模塊，用于對定標精度評價，確定定標結果的正確性后，更新星上定位的相應參數。
本發明提供一種以地面幾何定標和星上實時幾何定位協同處理的星上高精度實時幾何定位技術方案，滿足了星上高精度實時幾何定位的需求，解決了光學衛星在軌實時處理的一個關鍵技術問題。該技術方案針對星上處理環境的局限性，結合地面處理系統，形成星地協同的處理模式，實現了光學遙感衛星在軌高精度實時幾何定位，提高了對地觀測系統的應用效能和時效性，為實現智能化、高效的遙感數據星上實時處理技術提供必要的基礎，具有重要的市場價值。
發明附圖
圖1為本發明的光學衛星在軌幾何定位方法流程圖。
圖2為本發明的探元指向角模型示意圖。
圖3為本發明的基于DEM的單點定位迭代計算流程圖。
圖4為本發明的基于定標場影像的地面系統在軌幾何定標流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例詳細說明本發明技術方案。
本發明技術方案可采用計算機軟件方式支持自動運行流程。本發明實施例星地協同的光學衛星在軌實時幾何定位方法如圖1所示，分以下步驟進行詳細描述。
(1)定位模型構建及算法固化：構建適用于星上實時處理單元的光學衛星成像定位模型，并將算法固化于星上硬件環境，保留模型參數更新上注接口。
進一步地，步驟(1)中考慮成像過程中各種誤差的幾何特性、統計特性及變形規律，建立了優化的光學衛星星上在軌成像定位模型。其中采用探元指向角模型代替相機的嚴格內檢校模型，避免模型的過度參數化，并可在同等精度水平下消除相機鏡頭畸變、CCD畸變及內方位元素標定誤差；相機外部誤差通過由相機與平臺間安裝角度構成的旋轉矩陣進行補償。將算法固化于星上硬件時，保留探元指向角模型參數及安裝角參數的更新接口。
對于光學衛星相機，可以將影響幾何定位的因素分為兩類，一類是內部誤差，包括鏡頭畸變、線陣CCD變形因素導致的相機內部光軸指向的改變，另一類是外部誤差，包括相機的安裝誤差、熱變形導致的相機安裝相對關系的改變和外方位元素的觀測誤差。其中鏡頭畸變、線陣CCD的變形、相機的安裝誤差和熱變形屬于靜態誤差，具有很強的系統性，可以通過在軌幾何標定的方式進行標校和補償。
相機嚴格內檢校模型中由于包含眾多的物理畸變參數，某些參數之間具有強相關性，因此存在過度參數化的問題，難以分別精確標校，并不適合作為相機的內定向模型。因此設計CCD探元指向角模型，如圖2，X1、Y1、Z1為像空間坐標系的三軸，O1為投影中心，Vimage為像元在像空間坐標系下的指向矢量，ψx、ψy為Vimage分別在沿軌和垂軌方向的角度分量。對各探元的指向角進行描述，其本質上就是確定各探元的像方矢量在單位主距下相機焦平面上的投影平面坐標，即對相機主距進行了歸一化處理，采用線陣CCD探元指向角的內定向模型，如下式：
其中，(Vimage)cam為像元在像空間坐標系下的指向矢量，x、y分別為像元在像平面坐標系下垂軌和沿軌方向的坐標，ψx(s)、ψy(s)為探元s指向矢量在沿軌和垂軌方向的角度分量，f為相機主距。
由于相機嚴格物理模型本質上就是一個三次多項式模型，為了確定各探元的指向角，采用一個三次多項式對相機CCD上各探元在相機坐標系下的指向角進行擬合，作為相機的內定向模型，對于具有多片CCD拼接成像的相機，設有m片CCD，則對于m片CCD分別采用多組三次多項式(ψxj(s)ψyj(s))進行描述：
其中，s為探元號，ψxj(s)、ψyj(s)為各片上探元指向角在沿軌和垂軌方向的角度分量，j表示CCD的標號，(ax0j,ax1j,ax2j,ax3j,ay0j,ay1j,ay2j,ay3j)為內定標參數。
則代入光學衛星成像嚴密共線方程模型，與地球橢球面模型聯立，利用像點光束與地面物方高程面相交的幾何關系，建立的光學成像在軌幾何定位模型如下：
其中，為衛星本體坐標系到相機坐標系的旋轉矩陣，由相機在平臺上的安裝角求得；為J2000坐標系到本體坐標系的旋轉矩陣，由成像時刻的衛星平臺三姿態角求得；為WGS84坐標系到J2000坐標系的旋轉矩陣，由成像時刻及國際地球自轉服務(IERS)發布的地球自轉參數求得；(Xs,Ys,Zs)為成像時刻的衛星在WGS84坐標系下的位置；(X,Y,Z)為目標點在WGS84坐標系下的坐標；λ為比例因子；aWGS84和bWGS84分別為WGS84橢球的長半軸和短半軸；h為目標定位點在物方的高程。
基于構建的定位模型，在星上定位解算過程中，首先組成共線方程：輸入目標點的像方坐標，則可獲取其在相機坐標系下的矢量；根據像點的成像時刻，可由GPS軌道測量星歷及星敏姿態測量星歷內插出對應的衛星位置(WGS84坐標系)及姿態(J2000坐標系)；根據像點的成像時刻及地球自轉參數可求得WGS84坐標系與J2000坐標系的轉換關系；由相機安裝角計算本體坐標系到相機坐標系的旋轉矩陣。然后，將共線方程與地球橢球面方程聯立，以目標點高程初值h0＝0，在DEM數據的支持下，進行高程迭代求解，如圖3所示，具體步驟為：
a.令i＝1，目標點高程h＝h0，即令h＝0，代入橢球面模型；
b.共線方程與橢球面方程聯立，求得目標點物方坐標，即光線與橢球高h處的交點Mi；
c.若i＞1，則判斷此次獲得的交點Mi與上次計算坐標Mi-1的修正量d(Mi-1,Mi)是否小于閾值d；
d.若修正量小于閾值，則輸出定位結果，若i＝1或修正量大于閾值，則由目標點物方坐標Mi在DEM上內插更新高程值h＝h(Mi)，令i＝i+1，返回步驟b，重復b、c、d步驟直至收斂。
在衛星地面建設階段，完成該定位模型及算法在星上處理模塊(如DSP)上的固化以及DEM數據在星上存儲模塊的注入，并將模型中存在系統誤差、需在軌幾何標定的參數(ax0j,ax1j,ax2j,ax3j,ay0j,ay1j,ay2j,ay3j)(j＝1,2,...,m)保留上注更新的接口。
(2)初值確定：由地面實驗室對相機內部及平臺安裝關系的檢校參數或設計參數獲取星上定位模型參數初始值。
衛星發射前，采用實驗室檢校的手段可獲取相機內部參數及安裝矩陣的地面檢校值，作為在軌精確標定前的模型初值。
對于相機在平臺上安裝關系相應衛星本體坐標系到相機坐標系的旋轉矩陣的實驗室檢校，一般獲取三安裝角參數，與構成的三個旋轉角一致，直接作為初值；
對于相機內部參數的實驗室檢校，一般按照嚴格物理模型，測量其相機主距f、各片CCD首像元在相機坐標系下的坐標(x0j,y0j)(j＝1,2,...,m)，此時可忽略相機高階畸變，結合CCD像元大小設計值pixelsize，設定內定向參數的初始值，如下式。
(3)定標數據獲取：衛星在軌運行后對地面定標場進行成像，獲取適宜幾何定標的影像數據并下傳至地面系統。
進一步地，步驟(3)中定標影像數據應該選擇地物清晰無云、成像角度較小、控制點在影像內均勻分布的影像。
衛星發射后在軌運行過程中，規劃成像任務時將定標場目標列為優先，對定標場進行較小成像角度的拍攝(星下點成像為最優選方案)，并將成像數據下傳至地面處理系統，選取成像天氣晴朗無云、地面控制數據覆蓋均勻的影像數據作為待定標影像數據。
(4)地面系統幾何定標：包括在地面處理系統中完成定標控制點的密集匹配、定標參數解算。
基于定標場影像的在軌幾何定標，處理流程如圖4所示，基于實驗室標定參數、軌道和姿態數據(由GPS和星敏觀測獲得)和待定標影像數據進行。
在軌幾何定標需要密集控制點匹配：獲取待定標影像數據后，需一定數量、在影像上均勻分布的控制點作為控制信息。目前國內衛星地面幾何定標場均提供了高精度數字正射影像(DOM)和數字高程模型(DEM)等參考數據，利用影像高精度匹配技術，將待定標影像直接和定標場的DOM和DEM參考數據進行影像匹配，從而實現控制點的自動量測，獲取大量同名像點，為后續的平差解算提供必要可靠的控制信息。
同步驟(1)，將采用探元指向角模型的嚴密共線方程作為在軌幾何定標模型，作為外定標參數，用于精確恢復相機坐標系在本體坐標系下的安裝偏置關系；(ax0j,ax1j,ax2j,ax3j,ay0j,ay1j,ay2j,ay3j)(j＝1,2,...,m)作為內定標參數，用于確定相機內部CCD各探元在相機坐標系下的坐標。
由控制點匹配結果，基于建立的內外幾何定標模型，進行在軌幾何內外定標參數求解，具體解算公式及流程如下：
a.假設在待定標影像上量測了K個高精度地面控制點作為定向點，控制點的WGS84地心直角坐標為(Xi Yi Zi)，像點坐標為(si li)，i＝1,2,3...k；
b.令：
其中，為像點光線在本體坐標系下的矢量，(pitch,roll,yaw)為相機在本體坐標系上的三個安裝偏置角，為本體坐標系到相機坐標系的旋轉矩陣。
設外定標參數XE、內定標參數XI為自變量，令F()、G()分別為像空間坐標系下像點沿軌及垂軌方向的矢量殘差函數，則有：
c.對外定標參數XE、內定標參數XI賦初值這里初值為實驗室檢校值或初始設計值。
d.將當前內定標參數XI視為“真值”，將外定標參數XE視為待求的未知參數。將它們的當前值代入上式，對每個定向點，對其進行線性化處理，建立誤差方程式：
Vi＝AiX-Li Pi
其中
式中，Li是利用內外定標參數當前值代入公式計算得到的常數向量；Ai是誤差方程式的系數矩陣；X代表外定標參數改正數dXE；Pi是觀測值的權；Vi是像點殘差向量；(dpitch,droll,dyaw)是相機平臺安裝角改正數；Fi、Gi與步驟b中公式一致，為各像點在像空間坐標系下的矢量殘差函數。
計算法方程系數矩陣，
其中，L是常數向量，A是系數矩陣，P為權值向量。
利用最小二乘平差計算X，如下，
X＝(ATPA)-1(ATPL)
更新外定標參數XE的當前值：
e.重復步驟d，迭代計算直至外定標參數改正數均小于閾值(本領域技術人員可自行預設，優選地取10-12)時停止，進入步驟f。
f.同樣，將當前的外定標參數XE視為“真值”，將內定標參數XI視為待求的未知參數，將相應的當前值代入矢量殘差函數，對每個定向點，進行線性化處理，建立誤差方程式，利用最小二乘平差計算更新內定標參數XI的當前值，具體實現如下，
將外定標參數的當前值視為“真值”，內定標參數視為待求的未知參數，代入公式對每個定向點構建誤差方程式：
Vi＝BiY-Li Pi
其中，
式中，Li是利用內外定標參數當前值計算得到的常數向量；Bi是誤差方程式的系數矩陣；Y代表內定標參數改正數dXI；Pi是觀測值的權；Vi是像點殘差向量；(dax0,dax1,dax2,dax3,day0,day1,day2,day3)是相機內定標參數改正數；Fi、Gi與步驟b中公式一致，為各像點在像空間坐標系下的矢量殘差函數。
計算法方程系數矩陣；
其中，L是常數向量，B是系數矩陣，P為權值向量。
利用最小二乘平差計算Y，如下式；
Y＝(BTPB)-1(BTPL)
更新內定標參數XI的當前值。
g.重復步驟f，迭代計算直至內定標參數改正數均小于閾值(本領域技術人員可自行預設，優選地取10-12)時停止，完成幾何內外定標參數求解。
(5)定標結果驗證與模型參數上注更新：對定標精度評價，確定定標結果的正確性后，更新星上定位算法的相應參數。
定標完成后，需要對定標效果進行評價驗證，一般通過對定標后生產的產品數據進行產品幾何精度測試以驗證其正確性。
進一步地，步驟(5)中定標結果的正確性評價是指對定標后生產的產品數據進行產品幾何精度的評價，利用地面檢查點評價影像的絕對定位精度，對比定標前后的定位精度指標，評估參數精化效果。
針對星上單點定位，驗證定標后產品的絕對幾何精度即可，通過利用地面檢查點參考信息，將檢查點的地面坐標采用幾何檢校后的模型反算得到相應的圖像坐標，求出沿軌道/垂直軌道方向真實的圖像坐標與計算的圖像坐標之間的差值，并統計其數學期望，由影像的幾何分辨率可換算為物方精度。對比定標前后產品的絕對幾何精度提升水平，評價定標結果參數的正確性和可用性。
最后，將地面處理系統在軌定標所獲取的精確參數，通過星上保留的參數上注接口，提供給固化在星上硬件環境中的實時幾何定位模型，更新不精確的實驗室檢校參數，從而實現星上高精度實時定位。
具體實施時，本發明所提供方法可基于軟件技術實現自動運行流程，也可采用模塊化方式實現相應系統。
本發明實施例相應提供一種星地協同的光學衛星在軌實時幾何定位系統，包括以下模塊：
定位模型構建及算法固化模塊，用于構建適用于星上實時處理單元的光學衛星成像定位模型，并將相應定位求解方法固化于星上硬件環境，保留模型參數更新上注接口；
所述光學衛星成像定位模型，是采用線陣CCD探元指向角的內定向模型，建立基于嚴密共線方程模型與地球橢球面模型相交的在軌定位模型；
初值確定模塊，用于由地面實驗室對相機內部及平臺安裝關系的檢校參數或設計參數獲取星上定位模型參數的初始值；
定標數據獲取模塊，用于衛星在軌運行后對地面定標場進行成像，獲取適宜幾何定標的影像數據并下傳至地面系統；
地面系統幾何定標模塊，用于在地面處理系統中完成定標控制點的密集匹配、定標參數解算；
定標結果驗證與模型參數上注更新模塊，用于對定標精度評價，確定定標結果的正確性后，更新星上定位的相應參數。
各模塊具體實現可參見相應步驟，本發明不予贅述。
本文中所描述的具體實例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
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