遥感卫星对地观测快速定位计算方法研究及应用.pdf

遥感卫星对地观测快速定位计算方法研究及应用 邱岳 林元 (北京遥感信息研究所-北京·100085) 摘要研究了卫星飞行轨道、卫星姿态，卫星遥感器与遥感对象的相对空间关 系。提出了实用的遥感卫星对地观测快速定位计算数学模型和计算方法，在工程 应用上具有快速简便的特点，经过理论计算比对和实际遥感成像控制点验证，精 度达到了较高程度，在实际应用中效果很好。 关键词遥感卫星；定位；计算方法 随着我国综合国力的不断提高，近年来我国卫星遥感事业蓬勃发展，在测绘、农业、 工程设计、地质勘探、国土普查、海洋水文、灾害监测等方面发挥了重要作用，创造了巨 大的经济效益。对于地球遥感卫星来说，非常重要的就是遥感器光轴要对准地面预定遥感 对象，完成对地遥感观测任务。因此，对地遥感定位及遥感地面覆盖区域计算是一项关键 的计算，直接关系到遥感观测任务的成败。本文根据卫星轨道、卫星姿态、卫星遥感器工 作模型以及遥感区域位置信息，研究卫星遥感器与遥感地面位置在空间坐标系中相对关系， 使用一系列模型，包括轨道模型、传感器模型和地球模型等，对卫星遥感对地观测定位及 覆盖区域计算进行了数学建模，研究了快速简便的工程应用计算方法，编制了计算机程序， 进行了理论计算比对和实际遥感成像控制点验证，得到了满意的精度和应用结果。 1 遥感卫星对地观测快速定位计算方法建模 遥感卫星对地观测计算任务主要解决两方面问题。第一个问题是卫星飞行前，在安排 遥感任务计划时，预先根据卫星飞行轨道预报、遥感器模型、地面遥感点位置，计算什么 时刻、以多少遥感器侧视角，执行遥感任务，这个问题已在《一种快速简便的遥感卫星侧 视角计算方法》一文中叙述。第二个问题是卫星飞行后，已知实际飞行时刻t时的卫星空 间位置、卫星遥感器侧视角口、卫星飞行偏流角∥和卫星三个姿态角(y，目，9)，计算实际 遥感对地观测点位置，也就是本文要研究解决的问题。 首先列出计算过程中需要用到的坐标系定义。 卫星本体坐标系(O-XsYsZs) 原点在卫星星体质心，三个坐标轴分别在卫星的三个 互相垂直的特征轴上，X轴为卫星星体纵轴，指向卫星头部，z轴位于第一象限(在轨状 态指向地面)，Y轴同Z轴X轴成右手系。 卫星轨道坐标系(O．XYZ) 原点在卫星星体质心，基本平面为轨道面，X轴为卫星 飞行方向，Z轴指向地心，Y轴同ZX轴成右手系。 卫星当地地平坐标系 原点位于卫星质心，Z轴垂直于当地地平，X轴指向卫星头部 在飞行方向上，Y轴同ZX轴成右手系。 地球惯性坐标系(O．XiVIZI) 原点在地球中心，参考平面为J2000平赤道面，X轴 指向J2000平春分点。 地球固定坐标系(O-XEYEZE) 原点在地球中心，基本平面为与地心和CIO连线正 交的平面，x轴指向基本平面与格林尼治子午面的交线方向。 大地坐标系(O—XGYGZG) 参考面是长半轴为a，，以短半轴b。为旋转轴的椭球面。 对卫星遥感器指向到地球表面的空间几何关系进行分析。卫星遥感器安装在卫星本体 坐标系上，如果不考虑安装误差，则遥感器视场光轴与卫星本体坐标系z轴重合。卫星飞 行中采用轨道坐标系进行姿态角测定，如果卫星头部朝前飞行，则星体坐标系与卫星轨道 坐标系重合。需要说明的是，有些卫星在执行遥感任务时，尽量平行于当地地平飞行，卫 星姿态控制按卫星当地地平坐标系进行，并且进行偏流角和侧视角控制。此时，当地地平 坐标系与卫星轨道坐标系的视差(三个方向都有，主要反映在俯仰角上，最大有0．20)可 视为卫星俯仰角的偏置角，偏流角可视为偏航角的偏置角，侧视角可视为滚动角的偏置角。 这三个偏置角要加上当时时刻三个姿态角，作为实际的姿态角来考虑。 ～般情况下，卫星以固定倾角绕地球飞行，地球在自转，卫星运动在地心惯性坐标系 中描述。遥感器安装在卫星平台上，以星体坐标系描述。卫星飞行姿态在卫星轨道坐标系 中描述，这样卫星遥感器光轴指向与地面遥感位置点就可以通过这些坐标系的转换关系得 到了关联。 计算步骤是首先计算遥感器光轴在星体坐标系中的向量，通过坐标系的旋转，我们可 以在地固坐标系中描述遥感器光轴指向的向量，同时光轴经过卫星这个已知点，得出光轴 直线方程，遥感器视场光轴指向地面点的位置即为该直线与地球椭球的交点。 根据遥感器工作时刻t，经过多项式差值平滑处理，得到对应时刻的卫星轨道数据、 姿态角、偏流角、侧视角，计算遥感器光轴指向地面点的位置。所谓快速计算，主要体现在 工程应用上考虑一些简化，一是较短时间姿态变化不大的，不做差值平滑，二是将当地地 平坐标系与轨道坐标系的视差，不做坐标系转换，而是计算不同纬度上的视差，对俯仰角 进行修正。 为了求出卫星遥感器光轴中心在地面的经纬度，我们要进行三次旋转：第一由星体坐 标系到轨道坐标系；第二由轨道坐标系到惯性坐标系；第三由惯性坐标系到地固坐