一種大橢圓衛(wèi)星地球背景成像區(qū)域晝夜分布的確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大橢圓遙感衛(wèi)星地球背景成像區(qū)域晝夜分布的定量確定方法，包括：建立地心固聯(lián)坐標系、傳感器坐標系和圖像坐標系，構(gòu)建圖像坐標系與地心固聯(lián)坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；確定當前時刻t，獲取當前時刻下衛(wèi)星、太陽在地心固聯(lián)坐標系中的坐標，以及傳感器參數(shù)；判斷當前時刻下，成像面上點映射到物面上的點是否為地球上的點，并計算該點在上地球上的點，計算地球上的點在當前時刻下的太陽高度角，并根據(jù)太陽高度角判斷這個點的晝夜情況；對成像面上的所有點都做上述處理，判斷成像面上各點在地球上對應點的晝夜情況。本發(fā)明建立在坐標系變換和基本公式的基礎上，建立了數(shù)學模型，可以定量確定大橢圓遙感衛(wèi)星圖像地球背景晝夜分布情況。
【專利說明】一種大橢圓衛(wèi)星地球背景成像區(qū)域晝夜分布的確定方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于計算機視覺與航空航天技術(shù)交叉的科學【技術(shù)領域】，更具體地，涉及一種大橢圓衛(wèi)星地球背景成像區(qū)域晝夜分布的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]遙感技術(shù)在災害監(jiān)測、礦物探測、環(huán)境監(jiān)測等領域具有明顯的優(yōu)勢和廣泛的應用前景。但是，遙感探測特別是航天遙感成本高，傳感器的制造周期長，阻礙目前遙感成像技術(shù)的不斷發(fā)展。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，特別是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，遙感成像仿真技術(shù)極為有效的解決這類問題。自然界中的一切物體，都會反射太陽輻射或發(fā)射自身熱輻射。遙感成像技術(shù)是研究如何探測的反射和發(fā)射輻射，并將輻射能量通過電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為圖像信號的科學技術(shù)。遙感成像仿真是基于遙感成像機理，在某種成像條件(大氣條件、傳感器平臺)下，模擬場景中的地物如何反射太陽輻射和發(fā)射自身熱輻射，將輻射能量映射到圖像信號，最終生成遙感圖像。顯然，太陽的照射對于遙感圖像仿真起著重要的作用。為了更好地對地球進行遙感探測，我們需要研究不同地球背景的輻射統(tǒng)計特性隨晝夜時相的變化關(guān)系。因此，研究遙感圖像地球背景成像區(qū)域晝夜分布對調(diào)整優(yōu)化遙感器系統(tǒng)參數(shù)和數(shù)據(jù)獲取方案具有重要的現(xiàn)實意義。
[0003]大橢圓軌道，與地球靜止軌道不同，遠地點距離地面高度幾萬公里，近地點距離地面幾百公里。地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星與地面相對靜止，固定在赤道上空，其星下點軌跡是一個點，運動周期與地球自轉(zhuǎn)周期相等，它的軌道離心率和軌道傾角均為零，距地面高度約為3.6萬公里。地球靜止軌道衛(wèi)星攜帶的傳感器始終指向地球上固定一片區(qū)域，所以其地球背景成像區(qū)域晝夜分布只需考慮地球自轉(zhuǎn)和地球與太陽之間相對位置的變化。
[0004]大橢圓軌道(HEO)衛(wèi)星大不相同，衛(wèi)星與地球相對位置實時變化。大橢圓軌道衛(wèi)星所攜帶的傳感器與地球靜止軌道衛(wèi)星的傳感器工作模式不同，大橢圓衛(wèi)星要求傳感器相機始終指向北極點，所以大橢圓衛(wèi)星的傳感器指向地球上的區(qū)域也是實時變化的。
[0005]綜上所述，對于大橢圓軌道衛(wèi)星而言，地球自轉(zhuǎn)，地球、太陽和衛(wèi)星三者相對位置的實時變化以及傳感器始終指向北極點等因素都是造成地球背景成像區(qū)域晝夜分布實時變化的原因。因此，確定大橢圓衛(wèi)星地球背景成像區(qū)域的晝夜分布是非常復雜的。國內(nèi)外沒有相關(guān)文獻提到這種確定方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種大橢圓遙感衛(wèi)星地球背景成像區(qū)域晝夜分布的定量確定方法，包括:
[0007](I)建立地心固聯(lián)坐標系、傳感器坐標系和圖像坐標系，獲取當前時刻t的太陽位置、衛(wèi)星位置以及傳感器參數(shù)，確定當前時刻t下成像面到物面的轉(zhuǎn)換關(guān)系；
[0008](2)判斷當前時刻t下，成像面上點(U，ν)映射到物面上的點是否為地球上的點，如果是地球上的點，則根據(jù)成像面到物面的轉(zhuǎn)換關(guān)系求像素點(U，V)在物面上的點(X，Y，Z),如果不是地球上的點，則處理成像面上下一個像素點；
[0009](3)計算像素點U，V)在物面上的點(X，Y，Ζ)在當前時刻t的太陽高度角，并根據(jù)該太陽高度角的正負來判斷這個點的晝夜情況，即太陽高度角為正，則為白天，否則為晚上；
[0010](4)遍歷地球背景成像區(qū)域的成像面上的所有像素點，計算其在物面上的對應點，并判斷物面上的每個對應點的晝夜情況，得到地球背景成像區(qū)域的晝夜分布圖。
[0011]優(yōu)先地，所述步驟(1)中各坐標系定義如下:
[0012]地心固聯(lián)坐標系:原點O為地心，X軸指向本初子午線，Z軸指向正北，按照右手螺旋法則確定Y軸方向，地心固聯(lián)坐標系下的點坐標為(X，Y，Z)；
[0013]傳感器坐標系:原點O。與衛(wèi)星位置Os重合，傳感器指向Ζ。的方向為衛(wèi)星位置指向北極點的方向，Ζ。方向與衛(wèi)星與太陽連線方向叉乘得到Y(jié)。軸方向，按照右手螺旋法則確定Xc軸；
[0014]圖像坐標系:包括圖像像素坐標系和圖像物理坐標系，圖像像素坐標系的原點O1定義為衛(wèi)星傳感器光軸與圖像平面的交點，其橫軸u和縱軸ν分別與傳感器坐標系的X。和Y。平行，其像素坐標以(U，ν)表示，(u0, ν0)為原點O1在圖像像素坐標系下的坐標；圖像物理坐標系與圖像像素坐標系平行，其像素坐標以(x，y)表示，圖像物理坐標系中每一個像素點在X軸與I軸方向上的物理尺寸為dx、dy ；
[0015]成像面中的點(U，V)與其在物面中的對應點(X，Y，Z)滿足如下關(guān)系:
【權(quán)利要求】
1.一種大橢圓遙感衛(wèi)星地球背景成像區(qū)域晝夜分布的確定方法，其特征在于，所述方法包括: (1)建立地心固聯(lián)坐標系、傳感器坐標系和圖像坐標系，獲取當前時刻t的太陽位置、衛(wèi)星位置以及傳感器參數(shù)，確定當前時刻t下成像面到物面的轉(zhuǎn)換關(guān)系； (2)判斷當前時刻t下，成像面上點(U，V)映射到物面上的點是否為地球上的點，如果是地球上的點，則根據(jù)成像面到物面的轉(zhuǎn)換關(guān)系求像素點(U，V)在物面上的點(X，Y，Z)，如果不是地球上的點，則處理成像面上下一個像素點； (3)計算像素點(U，V)在物面上的點(X，Y，Z)在當前時刻t的太陽高度角，并根據(jù)該太陽高度角的正負來判斷這個點的晝夜情況，即太陽高度角為正，則為白天，否則為晚上； (4)遍歷地球背景成像區(qū)域的成像面上的所有像素點，計算其在物面上的對應點，并判斷物面上的每個對應點的晝夜情況，得到地球背景成像區(qū)域的晝夜分布圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(1)中各坐標系定義如下: 地心固聯(lián)坐標系:原點O為地心，X軸指向本初子午線，Z軸指向正北，按照右手螺旋法則確定Y軸方向，地心固聯(lián)坐標系下的點坐標為(X，Y，Z)； 傳感器坐標系:原點O。與衛(wèi)星位置Os重合，傳感器指向Ζ。的方向為衛(wèi)星位置指向北極點的方向，Ζ。方向與衛(wèi)星與太陽連線方向叉乘得到Y(jié)。軸方向，按照右手螺旋法則確定X。軸； 圖像坐標系:包括圖像像素坐標系和圖像物理坐標系，圖像像素坐標系的原點O1定義為衛(wèi)星傳感器光軸與圖像平面的交點，其橫軸u和縱軸V分別與傳感器坐標系的X。和Y。平行，其像素坐標以(U，V)表示，(u0, ν0)為原點O1在圖像像素坐標系下的坐標；圖像物理坐標系與圖像像素坐標系平行，其像素坐標以(x，y)表示，圖像物理坐標系中每一個像素點在X軸與y軸方向上的物理尺寸為dx、dy ； 成像面中的點(U，V)與其在物面中的對應點(X，Y，Z)滿足如下關(guān)系:

3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中判斷成像面上點(U，V)映射到物面上的點是否為地球上的點，以及計算像面上的像素點U，V)在物面上地球上的點(X，Y，Z)，具體為: (2.1)根據(jù)式，
4.如權(quán)利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)具體包括:(3.1)根據(jù)該物面上的點(X，Y，Z)及當前時刻t，確定地理緯度供，太陽赤緯角δ，太陽時角τ ；
(3.2)計算
【文檔編號】G01C11/04GK103868502SQ201310750432
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】張?zhí)煨? 陳昌勝, 肖聰, 劉珈羽, 姚守悝, 張俊青 申請人:華中科技大學