一种高分辨率相机不同视场积分时间确定方法

摘要

本发明一种高分辨率相机不同视场积分时间确定方法，首先确定精确计算积分时间需要的相机有关参数，并确定相机θ视场对应的Ф、θ角，分别准备卫星星历参数和卫星姿态参数；然后实现相机θ视场视向到WGS84坐标系的转换，并进行相机θ视场对应视向在WGS84坐标系下与地球椭球交汇确定摄影点的地理坐标，依据摄影点地理坐标与卫星位置便可以获得摄影点斜距。此外，计算相机θ视场对应摄影点在J2000坐标系下的运动速度，结合相机到WGS84坐标系的转换关系便可以确定摄影点像移。最后，根据计算得到的摄影点斜距和摄影点像移，按照本发明中的积分时间计算模型得到相机θ视场对应摄影点的积分时间。

主权项

一种高分辨率相机不同视场积分时间确定方法，其特征在于步骤如下：1)建立相机积分时间计算模型：$T_{\mathrm{int}}=\frac{d}{f_{\theta }}/(V_{\mathrm{g\theta }}/L_{\theta });$式中，T_int为计算的积分时间；d为CCD像元尺寸；(V_g/L)_θ为θ视场对应摄影点像移速度与摄影点斜距的比值；f_θ为相机θ视场对应的视线长度，其与相机视主距f₀关系为：f_θ＝f₀/cosθ；其中，所述θ视场为与中心视场成夹角θ的视场；定义坐标系以飞行方向为X向，指向地心方向为Z向，Y向按右手定则确定；则沿X、Y、Z方向旋转角的旋转矩阵如下：2)将θ视场对应的视向转换到WGS84坐标系下，获得θ视场在WGS84坐标系间的视向21)根据θ视场对应的视向与相机之间的转换关系R_CD＝R_x(Φ)R_y(θ)将θ视场对应的视向转换到相机坐标系下；式中，R_CD为θ视场到相机的转换矩阵；Ф为相机偏场角；θ＝n·(FOV/2)，其中n取值范围为[‑1,1]，FOV为相机的视场角；22)根据相机坐标系与卫星本体坐标系的转换关系将相机坐标系下θ视场对应的视向转换到卫星本体坐标系下；式中，R_BC为相机到卫星本体的转换矩阵；κ为相机绕偏航轴旋转的夹角；ω为相机经偏航旋转后的滚动轴旋转的夹角；为相机经上述两次旋转后经俯仰轴旋转的夹角；23)将卫星本体坐标系下θ视场对应的视向转换到WGS84坐标系下；当获取的卫星姿态为卫星本体相对于轨道系且转序为3‑1‑2的姿态角时，进入步骤231)；当获取的卫星姿态为卫星本体相对于J2000坐标系的四元数时，进入步骤233)；231)根据卫星本体坐标系与轨道坐标系的转换关系R_BO＝R_y(pitch)·R_x(roll)·R_z(yaw)将卫星本体坐标系下θ视场对应的视向转换到轨道坐标系下；式中，R_BO为卫星本体相对轨道坐标系的转换矩阵；yaw为卫星本体相对轨道坐标系的偏航角；roll为卫星本体相对轨道坐标系的滚动角；pitch为卫星本体相对轨道坐标系的俯仰角；232)根据轨道坐标系与WGS84坐标系的转换关系$R_{\mathrm{WO}}=\left[\begin{array}{ccc}{\left(X2\right)}_X& {\left(Y2\right)}_X& {\left(Z2\right)}_X\\ {\left(X2\right)}_Y& {\left(Y2\right)}_Y& {\left(Z2\right)}_Y\\ {\left(X2\right)}_Z& {\left(Y2\right)}_Z& {\left(Z2\right)}_Z\end{array}\right];$将轨道坐标系下θ视场对应的视向转换到WGS84坐标系下，获得θ视场在WGS84坐标系间的视向并跳转至步骤3)；式中，R_WO为轨道坐标系到WGS84坐标系的转换矩阵；$\left[\begin{array}{ccc}{\left(Z2\right)}_X& {\left(Z2\right)}_Y& {\left(Z2\right)}_Z\end{array}\right]=\overrightarrow{Z2}=-\frac{\overrightarrow{P\left(t\right)}}{\left|\right|\overrightarrow{P\left(t\right)}\left|\right|},$其中，为轨道坐标系偏航轴，为t时刻卫星的位置；$\left[\begin{array}{ccc}{\left(Y2\right)}_X& {\left(Y2\right)}_Y& {\left(Y2\right)}_Z\end{array}\right]=\overrightarrow{Y2}=\frac{\overrightarrow{Z2}\times \overrightarrow{V\left(t\right)}}{\left|\right|\overrightarrow{Z2}\times \overrightarrow{V\left(t\right)}\left|\right|},$其中，为轨道坐标系俯仰轴，为t时刻卫星的运行速度；$\left[\begin{array}{ccc}{\left(X2\right)}_X& {\left(X2\right)}_Y& {\left(X2\right)}_Z\end{array}\right]=\overrightarrow{X2}=\overrightarrow{Y2}\times \overrightarrow{Z2},$其中，为轨道坐标系滚动轴；233)根据卫星本体坐标系与J2000坐标系的转换关系$R_{\mathrm{BJ}}=\left[\begin{array}{ccc}2(q_0^2+q_1^2)-1& 2(q_1{q}_2+q_0{q}_3)& 2(q_1{q}_3-q_0{q}_2)\\ 2(q_1{q}_2-q_0{q}_3)& 2(q_0^2+q_2^2)-1& 2(q_2{q}_3+q_0{q}_1)\\ 2(q_1{q}_3+q_0{q}_2)& 2(q_2{q}_3-q_0{q}_1)& 2(q_0^2+q_3^2)-1\end{array}\right]$将卫星本体坐标系下θ视场对应的视向转换到J2000坐标系下；式中，R_BJ为卫星本体相对J2000坐标系的转换矩阵；$\overrightarrow{q}=\left[\begin{array}{cccc}{q}_0& q_1& q_2& q_3\end{array}\right]$为卫星姿态四元数，其中q₀为标量部分；234)根据J2000坐标系与WGS84坐标系的转换关系R_WJ＝W(t)R(t)Q(t)将J2000坐标系下θ视场对应的视向转换到WGS84坐标系，获得θ视场在WGS84坐标系间的视向式中，Q(t)为岁差和章动矩阵，采用IERS2010协议模型；R(t)为地球自转矩阵，其涉及到的时间差采用IERS广播的时间差数据拟合而成；W(t)为极移矩阵，采用IERS广播的极移数据拟合而成；3)获取摄影点斜距；31)根据公式$\left\{\begin{array}{c}X=X_S+\lambda {\left({\mu }_W\right)}_X\\ Y=Y_S+\lambda {\left({\mu }_W\right)}_Y\\ Z=Z_S+\lambda {\left({\mu }_W\right)}_Z\end{array}\right.$及$\frac{X^2+Y^2}{A^2}+\frac{Z^2}{B^2}=1,$计算获得摄影点M的位置坐标(X，Y，Z)，所述的摄影点M为θ视场的视向对应的地面点；式中，λ为比例因子，A＝a+h，B＝b+h，a为WGS84椭球长半轴，b为WGS84椭球短半轴，h为摄影点高程；32)根据步骤31)得到的摄影点M的位置坐标(X，Y，Z)，计算获得θ视场对应摄影点M的斜距$L_{\theta }=\sqrt{{(X-X_S)}^2+{(Y-Y_S)}^2+{(Z-Z_S)}^2};$4)获取摄影点像移；41)计算获得J2000坐标系下摄影点M相对于相机的速度$\overrightarrow{V_{\mathrm{MJ}}}=\overrightarrow{V_E}-\overrightarrow{V_{\mathrm{SM}}};$式中，为摄影点M的转动速度，为摄影点在J2000坐标系下相对相机的运动速度，满足：$\overrightarrow{V_{\mathrm{SM}}}=\overrightarrow{V_{\omega }}+\overrightarrow{V_r}+\overrightarrow{V_n}+\overrightarrow{V_a};$其中，为摄影点M在平行于轨道面的切向速度；为摄影点M在平行于轨道面的径向速度；为摄影点M在垂直于轨道面的法向速度；为摄影点M相对卫星姿态转动的运动速度；42)将J2000坐标系下摄影点M相对于相机的速度转换到相机焦面并投影到推扫方向，得到摄影点M的像移速度$V_{\mathrm{g\theta }}=R_{\mathrm{JC}}^{\prime }·\overrightarrow{V_{\mathrm{MJ}}}·{\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\end{array}\right]}^T;$式中，V_gθ为θ视场对应的摄影点M的像移；为摄影点M相对相机在J2000坐标系下的速度；当获取的卫星姿态为卫星本体相对于轨道系且转序为3‑1‑2的姿态角时，当获取的卫星姿态为卫星本体相对于J2000坐标系的四元数时，R'_JC＝[R^T_BJ·R_BC]^T；5)根据步骤3)获得的摄影点斜距L_θ以及步骤4)获得的θ视场对应的摄影点M的像移V_gθ，利用步骤1)建立的模型，计算获得相机积分时间T_int。