考虑卫星综合运动的凝视成像仿真及质量评估方法及装置

摘要

本发明提供一种考虑卫星综合运动的凝视成像仿真及质量评估方法及装置，该方法包括：根据应用需求设计载荷物理参数指标；根据卫星平台设计指标，仿真理想状态下卫星运动轨迹并进行摄动因素改正；根据卫星运动轨迹及成像目标地理位置自动计算卫星凝视成像时刻的姿态机动角度，并进行偏流角校正；根据卫星运动轨迹、姿态数据及相机设计参数等生成理想凝视成像仿真图像；通过离散化曝光时间，生成曝光时间内带有卫星运动误差的瞬时仿真图像序列，并合成一次曝光的仿真图像，使用刃边法统计图像MTF值，对卫星综合运动下目标凝视成像质量评估。本发明实现了卫星综合运动下的目标凝视成像图像仿真，及考虑卫星综合运动的凝视成像图像质量评估。

说明书

技术领域

本发明涉及遥感卫星图像处理技术领域，特别是涉及一种考虑卫星综合运 动的凝视成像仿真及质量评估方法及装置。

背景技术

近年来，国内外相关研究机构相继开展大量对敏捷成像遥感卫星的研制工 作，特别是低轨视频小卫星，已成为目标追踪、动态监测等领域潜在的最具商 业价值的遥感观测手段。敏捷成像遥感卫星通过姿态机动实现对目标的凝视成 像，在短时间内获取目标地物的多张面阵序列影像，可快速获取目标信息，还 可以通过将多帧影像合成视频，提供目标地物的动态信息。目前敏捷卫星凝视 成像的应用还处于发展初期，受制于姿态指向精度、姿态稳定度、卫星平台颤 振、载荷成像能力等影响，其在复杂运动模式下的成像质量是否满足应用需求 仍有待研究。

敏捷卫星目标凝视成像仿真通过对敏捷卫星凝视成像过程进行理论建模和 仿真分析，直观地分析和评测影响凝视成像图像质量的内外因素和作用机制， 具有十分重要的应用价值。通过对敏捷遥感卫星目标凝视成像仿真，可在卫星 系统论证阶段进行有针对性的任务规划及参数设计，在系统投产之前对其整体 性能进行预估，以确定系统的成像质量是否满足应用需求，尽早发现并改进设 计中存在的不足，从而达到提高研制水平、缩短研制周期、节约研制成本的目 的。

因此，如何建立一种敏捷卫星目标凝视成像图像仿真模型、如何仿真多种 运动误差耦合的成像过程并对其成像质量进行评估是本发明重点解决的问题。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是：如何针对敏捷卫星目标凝视成像，以及 如何在设计阶段根据卫星平台和载荷设计参数及应用需求，设计一种自动计算 凝视成像姿态机动角度、模拟卫星综合运动下的凝视成像仿真及成像质量评估 方法及装置。

本发明提供了一种考虑卫星综合运动的凝视成像仿真及成像质量评估方 法，包括：根据应用需求，设计载荷物理参数指标；根据卫星平台设计指标， 仿真理想状态下卫星运动轨迹，并进行摄动因素改正；根据卫星运动轨迹及成 像目标地理位置，自动计算卫星凝视成像时刻的姿态机动角度，并进行偏流角 校正；根据卫星运动轨迹及曝光时刻姿态数据、相机设计参数，高精度DOM数 据以及对应范围内的DEM数据，生成理想凝视成像仿真图像，所述理想凝视成 像仿真图像为瞬时凝视成像仿真图像，通过离散化曝光时间，生成曝光时间内 考虑卫星运动误差的瞬时仿真图像序列，并合成一次曝光的仿真图像，评估设 计指标下卫星综合运动下目标凝视成像的成像质量。

进一步地，根据卫星运动轨迹及成像目标地理位置，自动计算卫星凝视成 像时刻的姿态机动角度，并进行偏流角校正，包括：(1)定义姿态机动坐标系 及转序，卫星姿态机动成像时采用俯仰pitch角和侧摆roll角机动；(2)由成像 目标经纬度坐标，结合DEM数据，得到成像目标在地理坐标系中的坐标(Lon_T, Lat_T,H_T)，转换到像空间坐标系下坐标(X_TC,Y_TC,Z_TC)；(3)根据某一成像时刻 卫星在像空间坐标系中的坐标(X_SC,Y_SC,Z_SC)，计算卫星姿态机动后指向目标地 物的矢量在像空间坐标系下的单位矢量Z′_N；(4)计算姿态机动的旋转矩阵，根 据转序计算姿态机动俯仰角pitch和侧摆角roll；(5)根据卫星轨道数据及相机 参数，计算偏流角改正值，将其加在偏航角yaw上，输出姿态序列。

进一步地，根据卫星运动轨迹及曝光时刻姿态数据、相机设计参数，高精 度DOM数据以及对应范围内的DEM数据，生成理想凝视成像仿真图像包括： 建立敏捷卫星目标凝视成像的严格几何模型；根据严格成像几何模型及DEM高 程数据，由像方坐标迭代求解对应地面点坐标，并读取DOM数据中相应位置的 纹理信息，通过灰度插值得到仿真图像。

进一步地，所述通过离散化曝光时间，生成曝光时间内考虑卫星运动误差 的瞬时仿真图像序列，并合成一次曝光的仿真图像，评估设计指标下卫星综合 运动下目标凝视成像的成像质量包括：根据卫星及载荷设计参数，离散化曝光 时间，计算产生1/N个像素像移的时间间隔Δt，由曝光时间及合成图像时间间 隔Δt，得到一次曝光内的瞬时成像时间序列，其中N>1，Δt小于曝光时间；根 据瞬时成像时间序列插值出对应的卫星轨道序列和姿态序列；添加姿态指向精 度、姿态稳定度、卫星平台颤振等运动误差项，生成成像轨道、姿态数据；得 到瞬时凝视成像仿真图像序列，并合成一次曝光时间的仿真图像；使用刃边法 计算理想仿真图像与合成仿真图像的MTF曲线，评估目标凝视成像的成像质量。

本发明还提供一种考虑卫星综合运动的凝视成像仿真与质量评估装置，包 括：载荷物理参数指标设计模块，用于根据应用需求，设计载荷物理参数指标； 卫星运动轨迹仿真模块，用于根据卫星平台设计指标，仿真理想状态下卫星运 动轨迹，并进行摄动因素改正；凝视成像姿态计算模块，用于根据卫星运动轨 迹及成像目标地理位置，自动计算卫星凝视成像时刻的姿态机动角度，并进行 偏流角校正；成像仿真图像生成模块，用于根据卫星运动轨迹及曝光时刻姿态 机动角度数据、相机设计参数，高精度DOM数据以及对应范围内的DEM数据， 生成仿真图像；卫星运动误差仿真模块，考虑卫星在轨时的综合运动情况，添 加姿态指向精度、姿态稳定度、卫星平台颤振等运动误差项，生成成像轨道、 姿态数据；成像质量评估模块，使用刃边法统计图像MTF值，实现成像质量评 估。

本发明提供的考虑卫星综合运动的凝视成像仿真与质量评估方法及装置， 通过建立目标凝视成像姿态机动模型、面阵相机物理参数模型及几何构像模型、 卫星运动误差模型和成像质量评估模型，实现了卫星综合运动下的目标凝视成 像图像仿真，并对由卫星综合运动下的凝视成像图像质量进行了定量评估，从 而指导卫星及载荷设计方提出符合应用需求的合理化指标。

本发明提供的考虑卫星综合运动的凝视成像仿真与质量评估方法及装置， 用于在敏捷卫星系统设计阶段针对平台及载荷不同设计指标下的考虑卫星综合 运动的目标凝视成像图像仿真及成像质量评估；根据分析结果对系统指标设计 提出合理化建议，指导卫星系统设计和论证。

附图说明

图1示出本发明一个实施例的考虑卫星综合运动的凝视成像仿真及质量评 估的流程图。

图2示出本发明一个实施例的敏捷卫星凝视成像仿真及质量评估的流程图。

图3-7示出本发明一个实施例的敏捷卫星目标凝视成像仿真系统界面的示 意图。

图8示出本发明一个实施例的敏捷卫星目标凝视成像姿态机动角度的示意 图，其中包括目标凝视成像11个成像时刻的姿态机动角度。

图9和图10分别示出设定卫星载荷设计指标下不同曝光时间长度(瞬时， 0.25ms，0.5ms，1ms)对应的仿真图像生成及MTF曲线(姿态稳定度0.001°/s， 颤振频率1170HZ，幅度0.001°，离散间隔0.05ms)。

图11示出本发明一个实施例的考虑卫星综合运动的凝视成像仿真与质量评 估装置的结构框图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施 例。

图1示出本发明一个实施例的考虑卫星综合运动的凝视成像仿真的流程图。 图2示出本发明另一个实施例的考虑卫星综合运动的凝视成像仿真与质量评 估方法的流程图。如图1-2所示，该方法主要包括：

步骤101，根据应用需求，设计载荷物理参数指标。

具体地，载荷物理参数指标包括如面阵相机传感器大小及探元尺寸、焦 距、曝光时间、相机安装角等。

步骤102，根据卫星平台设计指标，仿真理想状态下卫星运动轨迹，并进行 摄动因素改正。

具体地，根据卫星平台设计指标和初始轨道数据，利用数值积分的方法 仿真理想状态下卫星运动轨迹，并对重力、光压、大气阻力、固体潮、N体 摄动、极潮、海潮等摄动因素进行改正。其中，卫星平台设计指标可以包括 卫星质量Mass、卫星有效面积参数SatArea、太阳光压系数Cr和大气阻力系 数Cd等参数。

步骤103，根据卫星运动轨迹及成像目标地理位置，自动计算卫星凝视成像 时刻的姿态机动角度，并进行偏流角校正。

在一个实施例中，该步骤可以包括以下步骤：

步骤1031，默认卫星正常飞行时为下视成像，像空间坐标系与本体坐标 系三轴重合，像空间坐标系Z轴单位矢量为[0,0,1]^T；设定姿态转序为213 转序，卫星姿态机动成像时进行俯仰(pitch角)和侧摆(roll角)机动(机 动成像对偏航角yaw的转动没有要求，且值不唯一，这里假设偏航角不发生 变化)。

步骤1032，由成像目标经纬度坐标，结合DEM(DigitalElevationModel， 数字高程模型)数据，得到成像目标在地理坐标系中的坐标(Lon_T,Lat_T,H_T)， 经由WGS84坐标系、J2000坐标系、轨道坐标系、本体坐标系、转换到像空 间坐标系下坐标(X_TC,Y_TC,Z_TC)。

步骤1033，设某一时刻卫星在像空间坐标系中的坐标是(X_SC,Y_SC,Z_SC)， 卫星姿态机动后指向目标地物的矢量在像空间坐标系中表示为Z'，则有：

$Z^{\prime }=\left(\begin{array}{c}{X}_{TC}-X_{SC}\\ Y_{TC}-Y_{SC}\\ Z_{TC}-Z_{SC}\end{array}\right)---\left(1\right)$

则单位矢量为Z′_N＝Z′/||Z′||；

步骤1034，如(1)中设定条件，姿态机动应满足条件：

$Z^{\prime }=R_{roll}·R_{pitch}·Z=\left(\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right)·Z---\left(2\right)$

其中R_roll，R_pitch分别为绕X轴、Y轴的旋转矩阵：

$R_{roll}=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(roll\right)& \sin \left(roll\right)\\ 0& -\sin \left(roll\right)& \cos \left(roll\right)\end{array}\right)---\left(3\right)$

$R_{pitch}=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(pitch\right)& 0& -\sin \left(pitch\right)\\ 0& 1& 0\\ \sin \left(pitch\right)& 0& \cos \left(pitch\right)\end{array}\right)---\left(4\right)$

由此可得

roll＝atan(r₂₁/r₃₁)(5)

$pitch=a\tan [\frac{r_{11}}{r_{21}}·\sin \left(roll\right)]---\left(6\right)$

roll和pitch即为卫星对目标成像时的姿态机动侧摆角和俯仰角；

步骤1035，根据卫星轨道数据及相机参数，计算摄影点地速方向与卫星 飞行方向的夹角，即偏流角改正值，将其加在偏航角yaw上，输出姿态序列。

步骤104，根据卫星运动轨迹及曝光时刻姿态数据、相机设计参数，高精度 DOM(DigitalOrthophotoMap，数字正射影像图)数据以及对应范围内的数字 高程模型DEM数据，生成理想凝视成像仿真图像。

在一个实施例中，所述理想凝视成像仿真图像为瞬时凝视成像仿真图像 IdealImg。

在一个实施例中，该步骤可以包括以下流程：

步骤1041，建立敏捷卫星目标凝视成像严格成像几何模型。具体包括： 步骤a、解析待仿真曝光时间序列、对应的轨道、姿态数据、仿真载荷内外参数 及曝光时间等信息；步骤b、根据共线方程的原理，构建严格成像几何模型，根 据给定的初始高程值，得到其对应物方点在WGS84坐标系下的坐标，如下所示：

$\left(\begin{array}{c}{X}_A\\ Y_A\\ Z_A\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{X}_S\\ Y_S\\ Z_S\end{array}\right)+{\mathrm{\lambda R}}_{JW}{R}_{OJ}{R}_{BO}{R}_{GB}\left(\begin{array}{c}\tan \left({\theta }_x\right)\\ \tan \left({\theta }_y\right)\\ -1\end{array}\right)---\left(7\right)$

其中：

θ_x、θ_y分别为某探元指向角在像空间坐标系X轴、Y轴方向的分量；

[X_S,Y_S,Z_S]为该时刻卫星在WGS84坐标系下的坐标，即卫星当前位置(P_X, P_Y,P_Z)；

[X_A,Y_A,Z_A]为某像元对应的地面目标点在WGS84坐标系下的坐标；

λ为比例因子；

R_CB为像空间坐标系到卫星本体坐标系的转换矩阵，为相机安装矩阵；

R_BO为该时刻下卫星本体坐标系到卫星轨道坐标系的旋转矩阵，由输入的姿 态角文件得到；

R_OJ为该时刻下卫星轨道坐标系到J2000.0坐标系的旋转矩阵，由升交点赤 经、轨道倾角、幅角等构成；

R_JW为该时刻下J2000.0坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵，需进行岁差 改正、章动改正、格林尼治恒星时改正和极移改正；

步骤1042，根据高精度DOM数据和相应DEM数据，生成理想(瞬时) 仿真图像。

具体地，该步骤可以包括：步骤a、根据步骤1041中所述严格成像几何 模型及DEM数据，迭代计算待仿真图像每一个像点对应的地面点坐标(Lon_A, Lat_A,H_A)；步骤b.根据地面点坐标(Lon_A,Lat_A,H_A)，读取DOM数据中相 应位置的纹理信息，采用双线性插值或三次卷积方法进行灰度插值，得到理 想(瞬时)仿真图像IdealImg。

步骤105，通过离散化曝光时间，生成曝光时间内的瞬时仿真图像序列， 并合成一次曝光的仿真图像，评估卫星综合运动下目标凝视成像成像的图像 质量。

该步骤具体包括：步骤1051、离散化曝光时间T，得到一次曝光时间内的 瞬时成像时间序列(t₁,t₂,t₃,…,t_m)。

在一个具体地实施方式中，假设曝光时间为T，根据卫星及载荷设计参 数，离散化一次曝光时间，计算产生1/N(N>1)个像素像移的时间间隔Δt (Δt<T)，N值的设定应考虑离散精细程度与计算量之间的平衡，由曝光 时间及离散化时间间隔Δt，得到一次曝光的成像时间序列(t₁,t₂,t₃,…,t_m)， m＝int(T/Δt)；

步骤1052、根据瞬时成像时间序列，使用lagrange插值法分别插值出对应 的卫星轨道序列和姿态序列。

在一个具体地实施方式中，参照图1、2，对步骤102和103计算出的某 一曝光时刻的轨道和姿态数据，根据离散瞬时成像时间序列，使用lagrange 插值法分别插值出对应的卫星轨道序列和姿态序列。

步骤1053、添加姿态指向精度、姿态稳定度、卫星平台颤振等运动误差， 生成成像轨道、姿态序列。

在一个具体地实施方式中，根据卫星设计指标，添加姿态指向精度、姿 态稳定度、卫星平台颤振等运动误差，生成成像轨道、姿态数据序列。

其中步骤1053可以包括以下流程：步骤a、根据姿态指向精度 AttAccuracy和姿态稳定度AttStability，生成随机误差，将误差添加到姿态数 据中；步骤b.获取颤振测量数据或颤振测量参数，包括颤振持续的起始时 间StartTimeCode和终止时间EndTimeCode、采样间隔SampleGap、总的采 样个数DataNum、时间time、颤振在滚转角、俯仰角、偏航角方向上的分量 droll、dpitch、dyaw，采用正弦模型将颤振误差添加到理论姿态数据中，生 成成像姿态数据；

步骤1054、根据步骤104中所述方法，生成瞬时仿真图像序列(SimuImg₁, SimuImg₂,SimuImg₃,…,SimuImg_m)，并合成一次曝光时间的仿真图像SimuImg。

具体地，根据步骤104中所述方法逐帧生成曝光时间内考虑卫星运动误 差的瞬时仿真图像序列(SimuImg₁,SimuImg₂,SimuImg₃,…,SimuImg_m)，并 合成一次曝光时间的仿真图像SimuImg，每一像素点的DN值等于图像序列 中对应位置的所有像素点DN值之和的均值；

${\mathrm{DN}}_{i,j}=\mathrm{int}\left(\frac{\Sigma UM({\mathrm{DN}}_{i,j}^1,{\mathrm{DN}}_{i,j}^2,{\mathrm{DN}}_{i,j}^3,\mathrm{...},{\mathrm{DN}}_{i,j}^m)}{m}\right)---\left(8\right)$

其中，i,j为图像行列坐标。

步骤1055、使用刃边法计算理想(瞬时)仿真图像IdealImg与瞬时图像序 列合成的仿真图像SimuImg的MTF(ModulationTransferFunction，调制传递函 数)曲线，评估凝视成像的成像质量。

本发明提供的考虑卫星综合运动的凝视成像仿真与质量评估方法及装置， 相对于现有技术，有益效果在于：(1)本发明针对敏捷卫星目标凝视成像模式， 建立了凝视成像姿态机动模型，根据卫星飞行轨迹及目标地物的地理位置，自 动计算凝视成像时刻姿态机动角度；(2)本发明针对敏捷卫星凝视成像模式， 通过建立卫星平台与载荷的运动误差模型，加入了包含姿态指向精度、姿态稳 定度、卫星平台颤振在内的多种误差项，实现卫星综合运动下的凝视成像图像 仿真，并使用刃边法统计图像MTF曲线，对成像质量进行了定量评估。

图11示出本发明一个实施例的考虑卫星综合运动的凝视成像仿真与质量评 估装置的结构框图。

载荷物理参数指标设计模块1001，用于根据应用需求，设计载荷物理参数 指标；

卫星运动轨迹仿真模块1002，用于根据卫星平台设计指标，仿真理想状态 下卫星运动轨迹，并进行摄动因素改正；

凝视成像姿态计算模块1003，用于根据卫星运动轨迹及成像目标地理位置， 自动计算卫星凝视成像时刻的姿态机动角度，并进行偏流角校正；

成像仿真图像生成模块1004，用于根据卫星运动轨迹及曝光时刻姿态机动 角度数据、相机设计参数，高精度DOM数据以及对应范围内的DEM数据，生 成理想凝视成像仿真图像，所述理想凝视成像仿真图像为瞬时凝视成像仿真图 像。卫星运动误差仿真模块1005，考虑卫星在轨时的综合运动情况，添加姿态 指向精度、姿态稳定度、卫星平台颤振等运动误差项，生成成像轨道、姿态数 据；成像质量评估模块1006，用于使用刃边法统计图像MTF值，实现成像质量 评估。

本发明针对敏捷卫星目标凝视成像，在设计阶段根据卫星平台和载荷设计 参数及应用需求，设计一种自动计算凝视成像姿态机动角度、模拟卫星综合运 动下的凝视成像仿真及成像质量评估方法，该方法通过建立目标凝视成像姿态 机动模型、面阵相机物理参数模型及几何构像模型、卫星运动误差模型和成像 质量评估模型，实现了卫星综合运动下的目标凝视成像图像仿真，并对由卫星 综合运动下的凝视成像图像质量进行了定量评估，从而指导卫星及载荷设计方 提出符合应用需求的合理化指标。经仿真实验表明，该仿真方法通过自动计算 卫星凝视成像时刻姿态机动角度和建立目标凝视成像模型，可实现卫星综合运 动下的凝视成像仿真，并可对凝视成像仿真图像进行成像质量的定量评估。