专利名称：基于卫星观测角误差估计的直接定位方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于遥感图像处理技术领域，涉及一种光学遥感卫星数据地理定位方法， 特别是一种基于卫星观测角误差估计的高精度直接定位方法。
背景技术：
随着卫星对地观测技术在空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率以及观测模式上的不断发展，卫星遥感数据的综合定量处理、增值处理及深层次应用处理需求日益高涨，特别是在地图测绘、多源卫星遥感数据的融合、地面目标监测等应用处理中，卫星遥感数据的高精度几何定位问题已经成为众多遥感应用领域亟待解决的瓶颈问题。卫星遥感数据高精度几何定位技术是卫星遥感数据定量化处理的关键基础支撑技术之一，其精度将直接影响定量化处理及增值处理的深度。卫星遥感影像的地理定位，指的是确定遥感图像中每个像元所对应的地面位置信息的过程。对于光学遥感而言，图像中的每个像元都与卫星对地观测时的某一瞬时视场相对应，其地面位置信息包括地理经纬度、地面高度。遥感影像高精度定位的依据是摄影测量理论，其定位的关键技术之一是建立传感器成像的数学模型，简称为成像模型，它反映的就是地面点的地理坐标与相应像点在像平面坐标系的像元坐标之间的数学关系。定位技术大致分为直接定位和几何精校正两类。直接定位是指基于卫星星历数据、卫星轨道模型以及观测时间信息直接确定观测时刻的卫星位置，然后根据卫星扫描特性、卫星观测角及卫星姿态角，计算出卫星各个瞬时视场所对应的地面坐标位置。几何精校正是指利用地面控制点(Ground Control Points, GCPs)的已知精确地理坐标位置和直接定位出的地理坐标位置间的误差，采用几何变换方法进一步提高卫星遥感图像定位精度的过程。决定几何定位精度的因素包括传感器观测角测量精度、卫星轨道与姿态信息测量精度、地球模型和高程模型精度、可参照的地理信息或基准图像精度、地面控制点分布状况的合理性等诸多因素。但由于上述参数均存在一定程度的误差，因此直接定位的精度往往不是很高，只能达到数像元级的水平。几何精校正精度虽然能够达到亚像元级的水平，但却需要获取大量的地面控制点。在我国西部无图区域以及海域、沙漠等无法获取地面控制点的区域，几何精校正方法难以实施。针对这类应用需求，稀疏或地面控制点缺少情况下的高精度几何定位问题已成为人们的关注焦点之一。有关这一问题，目前已存在不少理论分析与公式推导研究，并形成了若干稀无地面控制点情况下的高精度定位方法。一方面，几何精校正方法通常将直接定位误差通过仿射变换的形式加以表达，但直接定位误差往往起因于卫星轨道、观测角及姿态测量误差，在广域情形下这种表达缺乏足够的精度。另一方面，由于无地面测控状况下卫星轨道及其飞行姿态的基本稳定性，如果一景观测时的卫星轨道、观测角及姿态误差可以精确估计的话，那么这一精确估计结果可以用于一定时间间隔内其他景卫星遥感图像的无控制点精确定位，以达到较高的定位精度。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于卫星观测角误差估计的直接定位方法及系统，以达到较高的地理定位精度。为达到上述目的，本发明的基于卫星观测角误差估计的直接定位方法，包括以下步骤控制点获取步骤，用于在在卫星遥感图像的第一景图像上选取至少一个控制点， 并获取相应控制点的精确地理坐标及该些控制点的高程信息；坐标误差计算步骤，用于转换所述控制点的精确地理坐标为地心旋转坐标系下的坐标，并计算所述控制点在所述地心旋转坐标系下的粗略坐标，以获取该些控制点在该地心旋转坐标系中的坐标误差；精确观测角计算步骤，用于获取卫星传感器观测角误差，并将该观测角误差补偿到同轨的第二景图像中，以获取精确的观测角值；像素点精确定位步骤，用于根据所述精确的观测角值获取无控制点的同轨第二景图像的精确定位结果。上述基于卫星观测角误差估计的直接定位方法，其特征在于，所述坐标误差计算步骤进一步包括步骤21，将所述控制点的精确地理坐标转换为地心旋转坐标系下的坐标
(^x,ζη,步骤22，使用所述控制点的高程信息通过直接定位法计算所述控制点在地心旋转坐标系下的粗略坐标(Xi, Yi, Zi), i = 1，…，η。步骤23 用所述控制点的精确坐标减去直接定位的所述粗略坐标得到所述控制点在所述地心旋转坐标系中的坐标误差(ΔΧ，ΔΥ，ΔΖ)；所述步骤21、22中，i = 1，…，η，η为控制点的数目。上述基于卫星观测角误差估计的直接定位方法，其特征在于，所述精确观测角计算步骤进一步包括步骤31 由控制点在地心旋转坐标系中的坐标误差(ΔΧ，Δ Y, ΔΖ)，计算观测角的误差为(Δ Ψχ，Δ Vy)。步骤32 将得到的观测角误差(Δ Ψχ，Δ Vy)补偿到所述卫星遥感的同轨第二景图像中，获取精确的传感器观测角值为(Ψχ+Δ Ψχ, ￥y+A Vy)。上述所述的基于卫星观测角误差估计的直接定位方法，其特征在于，像素点精确定位步骤中是使用所述精确观测角值通过直接定位法计算所述同轨第二景图像中像素点的地理坐标以进行精确定位的。上述基于卫星观测角误差估计的直接定位方法，其特征在于，所述控制点获取步骤中，所述控制点的精确地理坐标通过数字地图获取。上述基于卫星观测角误差估计的直接定位方法，其特征在于，所述控制点获取步骤中，所述控制点的高程信息通过全球DME模型获取。本发明进一步提供了一种一种应用上述基于卫星观测角误差估计的直接定位方法的系统，包括
控制点获取模块，用于在在卫星遥感图像的第一景图像上选取至少一个控制点， 并获取相应控制点的精确地理坐标及该些控制点的高程信息；坐标误差计算模块，用于转换所述控制点的精确地理坐标为地心旋转坐标系下的坐标，并计算所述控制点在所述地心旋转坐标系下的粗略坐标，以获取该些控制点在该地心旋转坐标系中的坐标误差；精确观测角计算模块，用于获取卫星传感器观测角误差，并将该观测角误差补偿到同轨的第二景图像中，以获取精确的观测角值；像素点精确定位模块，用于根据所述精确的观测角值通过直接定位法计算卫星遥感图像的第二景图像中像素点的地理坐标。本发明相对于现有技术定位精度得到了很大提高，其不仅可以用于对SP0T-5的遥感数据进行定位，还可以针对其他的卫星遥感数据进行处理。


图1为本发明基于卫星观测角误差估计的直接定位方法的主要流程；图2为卫星观测角及卫星本体坐标系示意图；图3为卫星严格成像模型示意图；图4为本发明定位方法的具体实施流程图；图5为本发明基于卫星观测角误差估计的直接定位系统的示意框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做详细的说明，以进一步了解本发明的目的、方案及功效， 但所附图式并非用于限制本发明保护范围。参考图1，示出了本发明基于卫星观测角误差估计的直接定位方法的主要流程，该定位方法包括以下步骤控制点获取步骤S10，用于在在卫星遥感图像的第一景图像上选取至少一个控制点，并获取相应控制点的精确地理坐标及该些控制点的高程信息；坐标误差计算步骤S20，用于转换所述控制点的精确地理坐标为地心旋转坐标系下的坐标，并计算所述控制点在所述地心旋转坐标系下的粗略坐标，以获取该些控制点在该地心旋转坐标系中的坐标误差；精确观测角计算步骤S30，用于获取卫星传感器观测角误差，并将该观测角误差补偿到同轨的第二景图像中，以获取精确的观测角值；像素点精确定位步骤S40，用于根据所述精确的观测角值获取无控制点的同轨第二景图像的精确定位结果。为更清楚的说明本发明的实施方案，下面详细介绍光学卫星遥感数据地理定位的过程。目前大多数光学遥感卫星是通过CXD线阵推帚成像方式获取的，CXD线阵的观测方向由卫星本体坐标系为基准的两个角度！^和UTy确定，参见图2。这样在卫星本体坐标系中，像元P的观测方向为U1= [-tg￥y tgVx-l]T。在直接定位过程中，需要首先计算观测方向在地心旋转坐标系中的坐标，再经过如下两次坐标转换由卫星本体坐标系转换到地心旋转坐标系。(1).卫星本体坐标系到轨道坐标系的转换卫星本体坐标系到轨道坐标系之间的转换关系主要由卫星姿态角所控制。这个转
换是一个三维旋转矩阵。它是卫星三个姿态角侧倾角Y (roll)、俯仰角识(pitch)、偏航角
θ (yaw)的函数。
权利要求
1.一种基于卫星观测角误差估计的直接定位方法，其特征在于，包括以下步骤控制点获取步骤，用于在在卫星遥感图像的第一景图像上选取至少一个控制点，并获取相应控制点的精确地理坐标及该些控制点的高程信息；坐标误差计算步骤，用于转换所述控制点的精确地理坐标为地心旋转坐标系下的坐标，并计算所述控制点在所述地心旋转坐标系下的粗略坐标，以获取该些控制点在该地心旋转坐标系中的坐标误差；精确观测角计算步骤，用于获取卫星传感器观测角误差，并将该观测角误差补偿到同轨的第二景图像中，以获取精确的观测角值；像素点精确定位步骤，用于根据所述精确的观测角值获取无控制点的同轨第二景图像的精确定位结果。
2.根据权利要求1所述的基于卫星观测角误差估计的直接定位方法，其特征在于，所述坐标误差计算步骤进一步包括步骤21，将所述控制点的精确地理坐标转换为地心旋转坐标系下的坐标， 步骤22，使用所述控制点的高程信息通过直接定位法计算所述控制点在地心旋转坐标系下的粗略坐标(X^YiJi), i = 1，…，η。步骤23 用所述控制点的精确坐标减去直接定位的所述粗略坐标得到所述控制点在所述地心旋转坐标系中的坐标误差(ΔΧ，ΔΥ，ΔΖ)；所述步骤21、22中，i = 1，…，n，n为控制点的数目。
3.根据权利要求2所述的基于卫星观测角误差估计的直接定位方法，其特征在于，所述精确观测角计算步骤进一步包括步骤31 由控制点在地心旋转坐标系中的坐标误差(ΔΧ，ΔY, ΔΖ)，计算观测角的误差为(Δ ψχ，Δ ψγ)。步骤32 将得到的观测角误差(Δ ψχ, Δ Vy)补偿到所述卫星遥感的同轨第二景图像中，获取精确的传感器观测角值为(Ψχ+Δ Ψχ, ￥y+A Vy)。
4.根据权利要求3所述的所述的基于卫星观测角误差估计的直接定位方法，其特征在于，像素点精确定位步骤中是使用所述精确观测角值通过直接定位法计算所述同轨第二景图像中像素点的地理坐标以进行精确定位的。
5.根据权利要求1所述的基于卫星观测角误差估计的直接定位方法，其特征在于，所述控制点获取步骤中，所述控制点的精确地理坐标通过数字地图获取。
6.根据权利要求1所述的基于卫星观测角误差估计的直接定位方法，其特征在于，所述控制点获取步骤中，所述控制点的高程信息通过全球DME模型获取。
7.一种应用权利要求1 6中任一项所述的基于卫星观测角误差估计的直接定位方法的系统，其特征在于，包括控制点获取模块，用于在在卫星遥感图像的第一景图像上选取至少一个控制点，并获取相应控制点的精确地理坐标及该些控制点的高程信息；坐标误差计算模块，用于转换所述控制点的精确地理坐标为地心旋转坐标系下的坐标，并计算所述控制点在所述地心旋转坐标系下的粗略坐标，以获取该些控制点在该地心旋转坐标系中的坐标误差；精确观测角计算模块，用于获取卫星传感器观测角误差，并将该观测角误差补偿到同轨的第二景图像中，以获取精确的观测角值；像素点精确定位模块，用于根据所述精确的观测角值通过直接定位法计算卫星遥感图像的第二景图像中像素点的地理坐标。
全文摘要
本发明公开了一种基于卫星观测角误差估计的直接定位方法及系统，该方法包括以下步骤控制点获取步骤，用于在在卫星遥感图像的第一景图像上选取至少一个控制点，并获取相应控制点的精确地理坐标及该些控制点的高程信息；坐标误差计算步骤，用于转换所述控制点的精确地理坐标为地心旋转坐标系下的坐标，并计算所述控制点在所述地心旋转坐标系下的粗略坐标，以获取该些控制点在该地心旋转坐标系中的坐标误差；精确观测角计算步骤，用于获取卫星传感器观测角误差，并将该观测角误差补偿到同轨的第二景图像中，以获取精确的观测角值；像素点精确定位步骤，用于根据所述精确的观测角值获取无控制点的同轨第二景图像的精确定位结果。
文档编号G01C11/04GK102346033SQ20101024681
公开日2012年2月8日 申请日期2010年8月6日 优先权日2010年8月6日
发明者孙卫东, 安鸯, 马洪兵 申请人:清华大学