一種大橢圓衛星地球背景成像區域晝夜分布的確定方法
【專利摘要】本發明公開了一種大橢圓遙感衛星地球背景成像區域晝夜分布的定量確定方法，包括：建立地心固聯坐標系、傳感器坐標系和圖像坐標系，構建圖像坐標系與地心固聯坐標系之間的轉換關系；確定當前時刻t，獲取當前時刻下衛星、太陽在地心固聯坐標系中的坐標，以及傳感器參數；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。本發明建立在坐標系變換和基本公式的基礎上，建立了數學模型，可以定量確定大橢圓遙感衛星圖像地球背景晝夜分布情況。
【專利說明】一種大橢圓衛星地球背景成像區域晝夜分布的確定方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于計算機視覺與航空航天技術交叉的科學【技術領域】，更具體地，涉及一種大橢圓衛星地球背景成像區域晝夜分布的確定方法。
【背景技術】
[0002]遙感技術在災害監測、礦物探測、環境監測等領域具有明顯的優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的不斷發展。隨著計算機技術的快速發展，特別是虛擬現實技術的發展，遙感成像仿真技術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射自身熱輻射。遙感成像技術是研究如何探測的反射和發射輻射，并將輻射能量通過電子系統轉換為圖像信號的科學技術。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計特性隨晝夜時相的變化關系。因此，研究遙感圖像地球背景成像區域晝夜分布對調整優化遙感器系統參數和數據獲取方案具有重要的現實意義。
[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。地球靜止軌道衛星攜帶的傳感器始終指向地球上固定一片區域，所以其地球背景成像區域晝夜分布只需考慮地球自轉和地球與太陽之間相對位置的變化。
[0004]大橢圓軌道(HEO)衛星大不相同，衛星與地球相對位置實時變化。大橢圓軌道衛星所攜帶的傳感器與地球靜止軌道衛星的傳感器工作模式不同，大橢圓衛星要求傳感器相機始終指向北極點，所以大橢圓衛星的傳感器指向地球上的區域也是實時變化的。
[0005]綜上所述，對于大橢圓軌道衛星而言，地球自轉，地球、太陽和衛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域晝夜分布實時變化的原因。因此，確定大橢圓衛星地球背景成像區域的晝夜分布是非常復雜的。國內外沒有相關文獻提到這種確定方法。
【發明內容】
[0006]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種大橢圓遙感衛星地球背景成像區域晝夜分布的定量確定方法，包括:
[0007](I)建立地心固聯坐標系、傳感器坐標系和圖像坐標系，獲取當前時刻t的太陽位置、衛星位置以及傳感器參數，確定當前時刻t下成像面到物面的轉換關系；
[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，則根據成像面到物面的轉換關系求像素點(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域的晝夜分布圖。
[0011]優先地，所述步驟(1)中各坐標系定義如下:
[0012]地心固聯坐標系: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，地心固聯坐標系下的點坐標為(X，Y，Z)；
[0013]傳感器坐標系:原點O。與衛星位置Os重合，傳感器指向Ζ。的方向為衛星位置指向北極點的方向，Ζ。方向與衛星與太陽連線方向叉乘得到Y。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)滿足如下關系:
【權利要求】
1.一種大橢圓遙感衛星地球背景成像區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、衛星位置以及傳感器參數，確定當前時刻t下成像面到物面的轉換關系； (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，則根據成像面到物面的轉換關系求像素點(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域的晝夜分布圖。
2.根據權利要求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，地心固聯坐標系下的點坐標為(X，Y，Z)； 傳感器坐標系:原點O。與衛星位置Os重合，傳感器指向Ζ。的方向為衛星位置指向北極點的方向，Ζ。方向與衛星與太陽連線方向叉乘得到Y。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)滿足如下關系:
3.如權利要求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)根據式，
4.如權利要求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 優先權日:2013年12月30日
【發明者】張天序, 陳昌勝, 肖聰, 劉珈羽, 姚守悝, 張俊青 申請人:華中科技大學
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