CN118882665B - 基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，属于定位测量技术领域，用于对月观测影像导航配准，数据准备包括准备卫星姿态数据、月球星历数据、月球图像数据、卫星位置和速度数据；数据处理包括边缘检测、椭圆拟合、得到椭圆参数、图像裁剪、高斯滤波，高斯滤波结果反馈给边缘检测，椭圆拟合得到月球图像的几何中心，椭圆参数进行拟合结果验证；模型构建包括建立坐标系之间的转换矩阵，计算图像中心的扫描角和步进角，得到全月扫描角和步进角，使用传感器光轴定位月面点的方法，将月面点的两角转换为月面坐标，最后进行配准结果输出。本发明能成功实现月球图像坐标到月面坐标的转换，并且具有很高的精度。

Description

基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法

技术领域

本发明公开基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，属于定位测量技术领域。

背景技术

月球具有很高的稳定性，可以作为卫星传感器的校准对象，目前大多数通过建立月球辐照度模型作为卫星校准的参考，然而月球的天平动和月相角影响月球辐照度模型的准确性。月球的一些特征地区具有很高的校准意义，因此需要得到具有地理信息的月球图像，以选择这些特征区域作为校准目标。现有方法通过将月球图像进行三次旋转映射到月面坐标，主要通过计算已知月面坐标的模板图像和原始月球观测图像的互相关图，利用互相关图计算旋转角度，这种方法比较依赖于算法的精度，图像匹配算法还受到月相的限制，具有很高的不确定性。本发明设计的方法只需要考虑地-月-卫三者的几何位置，找到传感器光轴指向月面点的位置，利用坐标系之间的转换关系，逐步将月球图像坐标转为月球地理坐标。

发明内容

本发明的目的在于提供基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，以解决现有技术中，难以确定静止卫星月球观测图像和月球表面点坐标之间的对应关系的问题。

基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，包括数据准备、数据处理和模型构建；

数据准备包括准备卫星姿态数据、月球星历数据、月球图像数据、卫星位置和速度数据；

数据处理包括边缘检测、椭圆拟合、得到椭圆参数、图像裁剪、高斯滤波，高斯滤波结果反馈给边缘检测，椭圆拟合得到月球图像的几何中心，椭圆参数进行拟合结果验证；

模型构建包括建立坐标系之间的转换矩阵，计算图像中心的扫描角和步进角，得到全月扫描角和步进角，使用传感器光轴定位月面点的方法，将月面点的两角转换为月面坐标，最后进行配准结果输出。

建立坐标系之间的转换矩阵包括建立卫星轨道坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到卫星轨道坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵、惯性坐标系到月球固定坐标系的旋转矩阵。

建立卫星轨道坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵包括：

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式中，和分别为卫星在下的位置和速度矢量，、、是旋转矩阵在三个维度上的分量。

建立卫星本体坐标系到卫星轨道坐标系的旋转矩阵包括：

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式中，、、分别表示滚动角、俯仰角和偏航角，、、分别表示的三个坐标轴逆时针旋转、、角度以后的结果。

建立卫星本体坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵包括：

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建立惯性坐标系到月球固定坐标系的旋转矩阵包括：

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式中，、、为月球相对于国际天球参考框架的三个月球天平动参数，为的坐标轴逆时针旋转角度以后的结果，为的坐标轴逆时针旋转角度以后的结果，为的坐标轴逆时针旋转角度以后的结果。

得到月球图像几何中心的扫描角和步进角包括获得地心天球坐标系下的月球位置，根据月球图像观测时刻的协调世界时，利用星历表计算当前时刻的月心坐标矢量，利用常值矩阵将月心坐标从转到；

使用插值算法求得观测时刻下的卫星位置，计算月心在以卫星质心为原点的框架下的坐标，然后根据求得月心在下的位置：

；；

计算月球质心在卫星传感器下的坐标，通过求得传感器光轴在下指向月心的坐标，求得图像中心所在的扫描角和步进角：

；。

传感器光轴定位月面点包括以卫星质心为原点建立右手笛卡尔坐标系，月球质心坐标为，传感器光轴向量从卫星质心出发，指向月球正面某点，求解在右手笛卡尔坐标系下的坐标；

设有一条自出发的线段，经过点，终点为点，与月球表面有至少一个交点，已知点的扫描角和步进角，求传感器光轴的方向向量：

；；；

将按单位向量进行倍数延长得到的坐标，线段经过点、点和点，线段的参数方程为：

；

式中，为已知倍数，为参数方程的待求参数，是的坐标值。

传感器光轴定位月面点包括月球方程为：

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式中，为月球半径，、、是月球方程的三个位置未知数；

将线段的参数方程代入月球方程：

；；

；；；

式中，、、是方程的三个系数，计算判定式的值判断线段和月球的交点数量。

将月面点的两角转换为月面坐标包括将月球图像点的行列号转为两个角度：

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式中，分别表示月球图像的行号和列号，分别表示月球图像中的两角，分别表示南北和东西方向的角度，分别表示月球图像中心所在行列号，分别表示卫星在南北和东西方向上的角度采样间隔；

将两个角度转为月面点在下的坐标，再通过坐标转换得到月面点在下的坐标：

；

式中，表示点在月球固定坐标系下的坐标。

相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明在基于静止卫星观测模式的基础上，研究卫星传感器与月球在空间中的几何位置关系，开发了一套从静止卫星月球观测图像定位到月球表面点坐标位置的方法，不管是在满月情况下还是在缺月情况下，均能成功实现月球图像坐标到月面坐标的转换，并且具有很高的精度，实验的两幅月球图像在特征区域如第谷坑等大面积撞击坑处经纬度范围一致，转换后图像与实际月球图像也能吻合。

附图说明

图1是本发明的技术流程图；

图2是缺月的月球检测边缘图；

图3是缺月的月球原始图像；

图4是全月的月球检测边缘图；

图5是全月的月球原始图像；

图6是缺月的拟合结果；

图7为全月的拟合结果；

图8是地球月球卫星的关系图；

图9是传感器光轴向量坐标和扫描角与步进角的关系图；

图10是光轴向量、月面点和月球图像在月球坐标系下的坐标之间的关系图；

图11是求解单位矢量的关系图；

图12是缺月的计算结果；

图13是全月的计算结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，包括数据准备、数据处理和模型构建；

数据准备包括准备卫星姿态数据、月球星历数据、月球图像数据、卫星位置和速度数据；

数据处理包括边缘检测、椭圆拟合、得到椭圆参数、图像裁剪、高斯滤波，高斯滤波结果反馈给边缘检测，椭圆拟合得到月球图像的几何中心，椭圆参数进行拟合结果验证；

模型构建包括建立坐标系之间的转换矩阵，计算图像中心的扫描角和步进角，得到全月扫描角和步进角，使用传感器光轴定位月面点的方法，将月面点的两角转换为月面坐标，最后进行配准结果输出。

建立坐标系之间的转换矩阵包括建立卫星轨道坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到卫星轨道坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵、惯性坐标系到月球固定坐标系的旋转矩阵。

建立卫星轨道坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵包括：

；；

；；

式中，和分别为卫星在下的位置和速度矢量，、、是旋转矩阵在三个维度上的分量。

建立卫星本体坐标系到卫星轨道坐标系的旋转矩阵包括：

；

；

；

；

式中，、、分别表示滚动角、俯仰角和偏航角，、、分别表示的三个坐标轴逆时针旋转、、角度以后的结果。

建立卫星本体坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵包括：

。

建立惯性坐标系到月球固定坐标系的旋转矩阵包括：

；

式中，、、为月球相对于国际天球参考框架的三个月球天平动参数，为的坐标轴逆时针旋转角度以后的结果，为的坐标轴逆时针旋转角度以后的结果，为的坐标轴逆时针旋转角度以后的结果。

得到月球图像几何中心的扫描角和步进角包括获得地心天球坐标系下的月球位置，根据月球图像观测时刻的协调世界时，利用星历表计算当前时刻的月心坐标矢量，利用常值矩阵将月心坐标从转到；

使用插值算法求得观测时刻下的卫星位置，计算月心在以卫星质心为原点的框架下的坐标，然后根据求得月心在下的位置：

；；

计算月球质心在卫星传感器下的坐标，通过求得传感器光轴在下指向月心的坐标，求得图像中心所在的扫描角和步进角：

；。

传感器光轴定位月面点包括以卫星质心为原点建立右手笛卡尔坐标系，月球质心坐标为，传感器光轴向量从卫星质心出发，指向月球正面某点，求解在右手笛卡尔坐标系下的坐标；

设有一条自出发的线段，经过点，终点为点，与月球表面有至少一个交点，已知点的扫描角和步进角，求传感器光轴的方向向量：

；；；

将按单位向量进行倍数延长得到的坐标，线段经过点、点和点，线段的参数方程为：

；

式中，为已知倍数，为参数方程的待求参数，是的坐标值。

传感器光轴定位月面点包括月球方程为：

；

式中，为月球半径，、、是月球方程的三个位置未知数；

将线段的参数方程代入月球方程：

；；

；；；

式中，、、是方程的三个系数，计算判定式的值判断线段和月球的交点数量。

将月面点的两角转换为月面坐标包括将月球图像点的行列号转为两个角度：

；

；

式中，分别表示月球图像的行号和列号，分别表示月球图像中的两角，分别表示南北和东西方向的角度，分别表示月球图像中心所在行列号，分别表示卫星在南北和东西方向上的角度采样间隔；

将两个角度转为月面点在下的坐标，再通过坐标转换得到月面点在下的坐标：

；

式中，表示点在月球固定坐标系下的坐标。

本发明的技术流程如图1所示，包括数据准备、数据处理和模型构建；数据准备包括准备卫星姿态数据、月球星历数据、月球图像数据、卫星位置和速度数据；数据处理包括边缘检测、椭圆拟合、得到椭圆参数、图像裁剪、高斯滤波，高斯滤波结果反馈给边缘检测，椭圆拟合得到月球图像的几何中心，椭圆参数进行拟合结果验证；模型构建包括建立坐标系之间的转换矩阵，计算图像中心的扫描角和步进角，得到全月扫描角和步进角，使用传感器光轴定位月面点的方法，将月面点的两角转换为月面坐标，最后进行配准结果输出。

数据准备阶段，本发明在数据上需要两幅.nc格式的月球数据，一幅是包含完整月球图像的数据，称为满月，另一种是包含不完整月球图像的数据如上弦月，称为缺月，两幅月球图像均是在可见光波段获取的，满月图像的月相角为8.48°，缺月图像的月相角为45.66°。提取.nc格式的文件中的月球辐亮度数据，本发明以月面最大辐亮度的5%为阈值，将低于此阈值的部分当作非月球部分，分别按照月球辐亮度最大值的5%最为阈值，将大于此阈值的数据保存为csv文件，用作月球图像导航配准后的亮度值；以及将全部月球辐亮度数据保存为csv数据，用作月球图像边缘检测。本发明还需要下的卫星位置和速度数据，星历表DE421数据来计算月球的位置。卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的卫星姿态数据，用来表示这两坐标系之间的转换关系。

边缘检测中，将获取的.nc格式的月球数据读取显示，去除其中包含地球部分区域以及受地球杂散光影响的部分，然后保存为.csv格式的文件。边缘检测算法是针对0-255范围的整数值进行检测，月球数据是以辐亮度表示的，且为浮点数，因此需要将浮点数整数化。对整数辐亮值进行高斯滤波，调整滤波参数以去除月球内部的噪声，防止对椭圆拟合造成影响，然后运用canny边缘检测算子，调整输入参数，找到最佳的月球检测边缘，图2表示缺月的月球检测边缘，图3表示缺月的原始图像，图4表示全月的月球检测边缘，图5表示全月的原始图像。

本发明采用的椭圆拟合算法基于最小二乘方法，不加赘述。成功提取满月和缺月的月球图像边缘之后，分别带入椭圆拟合算法中，得到拟合后椭圆基本参数如长短轴、椭圆中心所在位置和椭圆的旋转角，由红圈表示。读取并显示剪切之后的月球图像，将得到的椭圆参数带入椭圆方程中，然后导入月球图像，其中图6为缺月的拟合结果，图7为全月的拟合结果。月球图像的几何中心即为拟合后的椭圆中心，由于原始月球数据是以行列号描述的，月球图像的几何中心按照四舍五入方法匹配到最近的行列号。

通常情况下静止卫星获取的月球数据并没有经过导航配准，缺失了几何信息，如图8所示，月球图像在传感器焦平面所在位置以行列号表示，需要找到图像点所在的行列号对应的传感器光轴指向月面点的坐标，传感器光轴向量坐标则以扫描角与步进角描述，如图9所示。找到光轴向量与月面点在月球坐标系下的坐标之间的关系即可完成月球图像的几何定位，这三者之间的关系可以按图10简单的表述，也就是行列号、两角和经纬度的关系。

月球与卫星之间的距离在40万公里左右，卫星传感器质心与卫星质心之间的距离相差不到10米，因此本文不考虑卫星传感器坐标系与卫星本体坐标系之间的差异。由于传感器焦点距卫星质心距离相对于卫星与月球距离太小，可以忽略不计。当判定式小于0时方程无解，说明与月球没有交点，判定式大于0时有两个交点，分别为正对卫星的交点和月球背面的交点，取最小的值表示月球正对卫星的交点，判定式等于0时有唯一的交点静止卫星的传感器在不同波段的角度采样间隔不同，选择相应波段在南北和东西方向的角度采样间隔，计算出整幅月球图像点的两个角度位置。

如图11所示，首先将作为计算的统一坐标系，通过将月面点在卫星本体坐标系下的单位矢量转换到，所有图像点均带入方法流程中进行判断，当方程无解时，说明该图像点不是真实的月面点，当有至少一个解时，得到下月面点的方向向量与月球表面的交点，最终通过矢量计算得到下月面点的坐标，利用与之间的旋转矩阵，将下的月面点转到中，实现月面点的几何定位。图12为一幅缺月的月球的计算的结果，图13为一幅全月的月球的计算的结果，图12月相角为45.66度，图13月相角为8.48度，两幅月球图像在特征区域如第谷坑等大面积撞击坑处经纬度范围一致，转换后图像与实际月球图像也能吻合。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，其特征在于，包括数据准备、数据处理和模型构建；

数据准备包括准备卫星姿态数据、月球星历数据、月球图像数据、卫星位置和速度数据；

数据处理包括边缘检测、椭圆拟合、得到椭圆参数、图像裁剪、高斯滤波，高斯滤波结果反馈给边缘检测，椭圆拟合得到月球图像的几何中心，椭圆参数进行拟合结果验证；

模型构建包括建立坐标系之间的转换矩阵，计算图像中心的扫描角和步进角，得到全月扫描角和步进角，使用传感器光轴定位月面点的方法，将月面点的两角转换为月面坐标，最后进行配准结果输出；

将月面点的两角转换为月面坐标包括将月球图像点的行列号转为两个角度：

；

；

式中，分别表示月球图像的行号和列号，分别表示月球图像中的两角，分别表示南北和东西方向的角度，分别表示月球图像中心所在行列号，分别表示卫星在南北和东西方向上的角度采样间隔。

2.根据权利要求1所述的基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，其特征在于，建立坐标系之间的转换矩阵包括建立卫星轨道坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到卫星轨道坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵、惯性坐标系到月球固定坐标系的旋转矩阵。

3.根据权利要求2所述的基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，其特征在于，建立卫星轨道坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵包括：

；；

；；

式中，和分别为卫星在下的位置和速度矢量，、、是旋转矩阵在三个维度上的分量。

4.根据权利要求3所述的基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，其特征在于，建立卫星本体坐标系到卫星轨道坐标系的旋转矩阵包括：

；

；

；

；

式中，、、分别表示滚动角、俯仰角和偏航角，、、分别表示的三个坐标轴逆时针旋转、、角度以后的结果。

5.根据权利要求4所述的基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，其特征在于，建立卫星本体坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵包括：

。

6.根据权利要求5所述的基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，其特征在于，建立惯性坐标系到月球固定坐标系的旋转矩阵包括：

；

式中，、、为月球相对于国际天球参考框架的三个月球天平动参数，为的坐标轴逆时针旋转角度以后的结果，为的坐标轴逆时针旋转角度以后的结果，为的坐标轴逆时针旋转角度以后的结果。

7.根据权利要求6所述的基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，其特征在于，得到月球图像几何中心的扫描角和步进角包括获得地心天球坐标系下的月球位置，根据月球图像观测时刻的协调世界时，利用星历表计算当前时刻的月心坐标矢量，利用常值矩阵将月心坐标从转到；

使用插值算法求得观测时刻下的卫星位置，计算月心在以卫星质心为原点的框架下的坐标，然后根据求得月心在下的位置：

；；

计算月球质心在卫星传感器下的坐标，通过求得传感器光轴在下指向月心的坐标，求得图像中心所在的扫描角和步进角：

；。

8.根据权利要求7所述的基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，其特征在于，传感器光轴定位月面点包括以卫星质心为原点建立右手笛卡尔坐标系，月球质心坐标为，传感器光轴向量从卫星质心出发，指向月球正面某点，求解在右手笛卡尔坐标系下的坐标；

设有一条自出发的线段，经过点，终点为点，与月球表面有至少一个交点，已知点的扫描角和步进角，求传感器光轴的方向向量：

；；；

将按单位向量进行倍数延长得到的坐标，线段经过点、点和点，线段的参数方程为：

；

式中，为已知倍数，为参数方程的待求参数，是的坐标值。

9.根据权利要求8所述的基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，其特征在于，传感器光轴定位月面点包括月球方程为：

；

式中，为月球半径，、、是月球方程的三个位置未知数；

将线段的参数方程代入月球方程：

；；

；；；

式中，、、是方程的三个系数，计算判定式的值判断线段和月球的交点数量。

10.根据权利要求9所述的基于几何位置精解算的静止卫星月球影像导航配准方法，其特征在于，将两个角度转为月面点在下的坐标，再通过坐标转换得到月面点在下的坐标：

；

式中，表示点在月球固定坐标系下的坐标。