一种高分辨率敏捷光学与激光一体化卫星成像方法

技术领域

本发明属于光学遥感卫星领域，具体涉及一种高分辨率敏捷光学与激光一体化卫星成像方法。

背景技术

传统的测绘卫星通过不同角度的多台相机获取不同视角的影像对，实现高精度立体测绘，并有少数测绘卫星配置了激光测高仪(如资源三号、高分七号)用于提升无控制点条件下的高程精度。国外的高分辨率立体成像卫星(如Worldview、GeoEye系列卫星)通过卫星敏捷机动实现不同视角的影像对获取，实现高精度立体定位。

随着航天遥感对高空间分辨率和对高程信息精确性需求的提高，国内逐渐发展提出了高分辨率敏捷光学与激光一体化成像卫星的概念，其所配置的光学激光一体化相机，相比传统相机增加了高精度激光测高仪及激光高精度收发匹配功能，是一种可以同时实现高分辨率光学影像、高精度激光测距信息的多维度信息综合获取的空间光学遥感系统。

当前，带有激光的光学测绘卫星的成像过程无需进行卫星平台的摆动指向，只需要对预定成像区域进行条带推扫成像即可，但限制了非星下点目标拍摄的灵活性；而现有的高分辨率敏捷光学卫星还未同步搭载激光测距仪，多角度立体成像不需要考虑不同侧摆-俯仰条件下激光回波数据的可用性以及激光数据与光学影像匹配关联的问题。对于最近提出的高分辨率敏捷光学与激光一体化卫星，其工作模式设计尚未有公开的报道研究。因此，开展一种高分辨率敏捷光学与激光一体化卫星成像方法研究，对推动该类系统的工程应用尤为重要和迫切。

发明内容

本发明提出一种高分辨率敏捷光学与激光一体化卫星成像方法，利用遥感卫星同平台实现高分辨率敏捷多角度成像与激光测距模式联合，有效的将激光测距数据引入到多角度像对数据以实现高分辨率光学影像和三维立体信息的同时获取，并同时满足立体定位精度和目标拍摄效率要求。

本发明通过以下技术方案实现。

一种高分辨率敏捷光学与激光一体化卫星成像方法，包括如下步骤：

步骤一、获取卫星成像计划任务目标中心点经纬度、成像轨道高度、成像时长和场景参数；

步骤二、根据所述任务目标中心点经纬度、成像轨道高度和成像时长，结合卫星机动能力进行以目标中心点为中心对称的M个卫星指向成像动作序列推演，得到各次的姿态机动角度；

步骤三、根据所述场景参数T和姿态机动角度，依次判断M次卫星成像任务下激光数据的可用性，若可用则激光通道开机记录，若不可用，则激光通道不开机；累积激光开机次数N＝0，则本工作模式不适用，结束流程；

步骤四、将工作模式标识、激光数据及工程测量数据按类型不同打上不同虚拟信道标识，数传分系统根据所述不同虚拟信道标识，对输入至数传分系统的各通道工作模式标识、激光数据及工程测量数据交替进行处理、编排和存储；

步骤五、根据设定的工作模式及信号通路进行光学、激光及其辅助数据的记录及下传处理。

本发明的有益效果：

1、本发明可以实现光学影像信息、高精度激光高程信息等多维度信息一体化获取，保证多维度信息之间具有良好的匹配精度，提高多维度数据的应用效果；

2、本发明采用一轨多次不同姿态角度进行光学成像的推演方法，同时考虑了多角度光学成像工作模式下激光对不同任务场景适用性分析，允许一定卫星姿态角度、一定地形坡度下的光学激光一体化成像，提高了该系统的在轨实用性；

3、本发明提出按一次工作模式任务，为1次或多次成像数据打标识，并为不同类型的光学数据、激光数据、指向关联数据和姿轨数据均提供快速下传路径，保证了应用系统拿到不同类型数据的同步性，提升数据应用效能。

附图说明

图1为本发明卫星光学与激光一体化工作模式示意图；

图2为本发明具体实施方式高分辨率敏捷光学与激光一体化卫星成像方法流程图；

图3为本发明实施例激光回波信噪比与探测概率的关系示意图。

具体实施方式

下面结合参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

如图2所示，本发明的一种高分辨率敏捷光学与激光一体化卫星成像方法，具体包括如下步骤：

步骤一、获取卫星成像计划任务目标中心点经纬度(L，H)、成像轨道高度H、成像时长t和场景参数T；

步骤二、根据所述任务目标中心点经纬度(L，H)、成像轨道高度H和成像时长t，结合卫星机动能力进行以目标中心点为中心对称的M个卫星指向成像动作序列推演(M为奇数)，得到各次的姿态机动角度

2.1令卫星最大姿态机动角为±Φ，则单次卫星姿态变化角度为

2.2若

2.3M＝1时，则此次任务仅可实现1次卫星指向成像，此时卫星姿态机动合成角度为

例如：以一颗最大姿态机动能力为±60°、运行于500km轨道高度的卫星为例，其星下点移动速度约7km/s，成像任务5秒，要满足一轨7次成像，则姿态机动能力需要满足17°/16s；若成像任务10秒，则必须满足17°/11s，否则只能降低成像次数为5次，此次姿态机动能力需要满足30°/31s。若卫星姿态机动差于60°/113秒，则代表此次任务仅可实现1次卫星指向成像。

步骤三、根据所述场景参数T和姿态机动角度

本实施例中，所述任务场景参数T包括地形坡度θ和目标反射率ρ。

具体实施时，由于激光探测体制不同，则分析方法有不同，下面以模拟激光探测体制为例进行描述，具体步骤如下：

3.1根据探测概率P

SNR＝f(P

其中，噪声分布按照高斯概率密度分布，则探测概率、虚警率和激光探测系统信噪比之间的关系按下式给出：

如图3所示，根据上述公式得到图3所示的探测概率及信噪比的变化关系曲线，可以看出，在虚警率<1％，探测概率99％的条件下，要求激光回波信噪比≥5.36:1。

3.2根据所述探测系统信噪比建立从{地形坡度θ、卫星姿态机动合成角度

本实施例中，以激光探测系统信噪比形式表示的激光雷达模型如下：

其中，E

因为基于地形坡度的激光回波脉宽模型为：

其中，ω为光束半宽，Δt

3.3计算所述探测系统信噪比

例如：根据商业化硬件参数，一般光学激光一体化卫星设计，设定L为500km，

计算不同地形坡度θ、卫星姿态机动合成角度

/>

根据上表中满足激光回波信噪比≥5.36的场景组合可知：

平地、丘陵条件下(＜6°)，目标反射率0.3时：可实现卫星侧摆15°内可用；

山地条件下(6°～15°)，目标反射率0.3时：可实现卫星侧摆10°内可用；

高山条件下(＞15°)，目标反射率0.3时：可实现卫星侧摆5°内可用。

根据上述实验可以看出，该方法大大扩展了光学激光一体化成像在不同场景下的适用性。

步骤四、将工作模式标识、激光数据及工程测量数据(包括激光指向关联测量数据、姿轨数据)按类型不同打上不同虚拟信道标识，数传分系统根据所述不同虚拟信道标识，对输入至数传分系统的各通道工作模式标识、激光数据及工程测量数据交替进行处理、编排和存储；

步骤五、根据设定的工作模式及信号通路进行光学、激光及其辅助数据的记录及下传处理。

具体实施时，具体步骤如下：

5.1通过综合电子分系统发送“一体化工作模式”指令包，控制计算机解析所述指令包后按设定的工作模式完成1次或多次姿态调整；一体化相机计算机解析指令包后按设定的工作模式完成对应光学、激光及其辅助数据的记录，并传输至数传分系统；

5.2所述数传分系统按一次工作模式任务打包1次或多次数据并为其打上标识，数据经数传通道下传至地面处理系统，数传通道下传数据后恢复载荷数据并进行数据处理；

5.3所述地面处理系统对数据进行解调、解码，根据AOS格式从数据中提取工作模式、航天器标识，并按规定的虚拟信道标识和VCDU计数器将不同虚拟信道基带数据进行分离解析；

5.4所述地面处理系统判断工作模式，若为M＝1模式，处理生成高分辨率光学影像系统几何校正产品和激光点三维数据产品，以及二者的叠加融合产品；此模式下，激光探测获取地面激光M≥3模式，地面通过联合平差处理生成高分辨率光学立体像对，并提高立体像对的高程精度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。