一种升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法
阅读说明：本技术 一种升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法 (Lifting rail imaging double-star ground object apparent radiance difference calculation method ) 是由 王超 韩杏子 赵鸿志 张可立 朱军 王丽丽 于 2021-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法,属于卫星遥感技术领域；步骤一、建立升轨成像卫星的STK仿真场景和降轨成像卫星的STK仿真场景；步骤二、获得升轨成像卫星的STK仿真场景的三个矢量和降轨成像卫星的STK仿真场景的三个矢量；步骤三、仿真夹角α-(1)、夹角α-(2)、夹角α-(3)、夹角α-(4)；步骤四、计算升轨成像卫星地物表观亮度数值I-(1)、降轨成像卫星地物表观亮度数值I-(2)；计算亮度差异值ΔI；本发明考虑了升轨成像及降轨成像卫星对同一地区观测时由于观测时间、地面光照条件、观测视角等因素引起的入瞳辐亮度差异并分析对成像质量的影响,指导卫星载荷在轨成像参数设置及地面数据预处理,具有重大意义。(The invention relates to a calculation method for the difference of apparent radiance of a double-star ground object in lifting rail imaging, belonging to the technical field of satellite remote sensing; step one, establishing an STK simulation scene of an orbit-ascending imaging satellite and an STK simulation scene of an orbit-descending imaging satellite; step two, obtaining three vectors of the STK simulation scene of the orbit-rising imaging satellite and three vectors of the STK simulation scene of the orbit-falling imaging satellite; step three, simulating included angle alpha 1 Angle alpha 2 Angle alpha 3 Angle alpha 4 (ii) a Step four, calculating the apparent brightness value I of the ground object of the orbit-ascending imaging satellite 1 To fall down toApparent brightness value I of satellite-like ground object 2 (ii) a Calculating a brightness difference value delta I; the method considers the entrance pupil radiance difference caused by factors such as observation time, ground illumination conditions, observation visual angles and the like when the ascending orbit imaging satellite and the descending orbit imaging satellite observe the same area, analyzes the influence on the imaging quality, guides the satellite load in-orbit imaging parameter setting and ground data preprocessing, and has great significance.)
技术领域
本发明属于卫星遥感技术领域，涉及一种升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法。
背景技术
相比于同一轨道面、不同相位的双星轨道设计方法，卫星升轨和降轨成像轨道设计方法，可增加卫星降交点地方时分布范围，有利于卫星对特定区域和目标的多时相观测，对丰富光学载荷数据辐射多样性具有重大意义。通常，光学遥感卫星降轨成像降交点地方时设置为10:00am至12:00am之间，升轨成像降交点地方时设置为01:00am至03:00am之间。地方时与太阳天顶角密切相关，地方时越靠近正午，太阳天顶角度值越大，在相同观测视场角情况下，目标辐亮度值越高。双星升降轨道设计及成像模式，对同一目标观测时，地方时不一致引起的双星地物表观辐亮度差异，对载荷成像参数设置及在轨数据一致性、数据处理精度具有一定影响。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法，考虑了升轨成像及降轨成像卫星对同一地区观测时由于观测时间、地面光照条件、观测视角等因素引起的入瞳辐亮度差异并分析对成像质量的影响，指导卫星载荷在轨成像参数设置及地面数据预处理，具有重大意义。
本发明解决技术的方案是：
一种升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法，包括如下步骤：
步骤一、建立升轨成像卫星的STK仿真场景和降轨成像卫星的STK仿真场景；
步骤二、根据升轨成像卫星的STK仿真场景获得三个矢量，分别为升轨成像卫星的卫星观测矢量、升轨成像卫星的成像平面法向量和升轨成像卫星的太阳辐射矢量；根据降轨成像卫星的STK仿真场景获得三个矢量，分别为降轨成像卫星的卫星观测矢量、降轨成像卫星的成像平面法向量和降轨成像卫星的太阳辐射矢量；
步骤三、仿真实时获取升轨成像卫星的卫星观测矢量与升轨成像卫星的成像平面法向量之间的夹角α1、升轨成像卫星的成像平面法向量与升轨成像卫星的太阳辐射矢量之间的夹角α2；降轨成像卫星的卫星观测矢量与降轨成像卫星的成像平面法向量之间的夹角α3、降轨成像卫星的成像平面法向量与降轨成像卫星的太阳辐射矢量之间的夹角α4；
步骤四、以夹角α1、夹角α2为输入值，计算升轨成像卫星地物表观亮度数值I1；以夹角α3、夹角α4为输入值，计算降轨成像卫星地物表观亮度数值I2；计算亮度差异值ΔI。
在上述的一种升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法，所述步骤一中，升轨成像卫星的STK仿真场景的建立方法为：
预设升轨成像卫星的轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经和平近点角；将轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经和平近点角作为STK的输入参数，建立得到升轨成像卫星的STK仿真场景；
将轨成像卫星的STK仿真场景的建立方法为：
预设降轨成像卫星的轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经和平近点角；将轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经和平近点角作为STK的输入参数，建立得到降轨成像卫星的STK仿真场景。
在上述的一种升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法，所述步骤二中，卫星观测矢量为：以卫星视向与地面交点处为原点O，方向指向卫星坐中心Osat；
太阳辐射矢量为：以卫星视向与地面交点处为原点O，方向指向太阳中心Osun；
成像平面法向量为：以卫星视向与地面交点处为原点O，做切平面，平面法向量为成像平面法向量。
在上述的一种升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法，所述步骤三中，仿真时还实时获取当前UTC时间和当前视向与地面交点的经纬度。
在上述的一种升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法，所述步骤四中，升轨成像卫星地物表观亮度数值I1的计算方法为：
式中，Esun为地球辐射照射在地物上的辐照度；Esun＝1367W/m2；
ρ为地表反射率；当为海面地物目标时，ρ＝0.1；当为陆地地物目标时，ρ＝0.3-0.7；
A为地物面积。
在上述的一种升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法，所述步骤四中，降轨成像卫星地物表观亮度数值I2的计算方法为：
在上述的一种升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法，所述步骤四中，亮度差异值ΔI的计算方法为：
ΔI＝I1-I2。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明提供的一种升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法，场景建立简洁，各矢量及夹角关系明确，便于后续数据计算；
(2)本发明实现了仿真计算得到卫星系统对地物表观辐亮度观测数值，并计算在升降轨情况下差异值；
(3)本发明应用于某低轨遥感卫星，双星采用升降轨成像模式，利用在轨数据验证了本发明方案的正确性及合理性；同时为指导卫星载荷在轨成像参数设置及地面数据预处理，提供理论依据。
附图说明
图1为本发明双星地物表观亮度差异计算流程图；
图2为本发明实施例的矢量构建示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法，分析双星升降轨地面太阳高度角随时间和经纬度变化特性，建立光照-观测模型，仿真计算升轨成像及降轨成像卫星对同一地区观测时由于观测时间、地面光照条件、观测视角等因素引起的入瞳辐亮度差异并分析对成像质量的影响，指导卫星载荷在轨成像参数设置及地面数据预处理，具有重大意义。
升降轨成像双星地物表观辐亮度差异计算方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤一、建立升轨成像卫星的STK仿真场景和降轨成像卫星的STK仿真场景；升轨成像卫星的STK仿真场景的建立方法为：
预设升轨成像卫星的轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经和平近点角；将轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经和平近点角作为STK的输入参数，建立得到升轨成像卫星的STK仿真场景；
将轨成像卫星的STK仿真场景的建立方法为：
预设降轨成像卫星的轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经和平近点角；将轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经和平近点角作为STK的输入参数，建立得到降轨成像卫星的STK仿真场景。
步骤二、根据升轨成像卫星的STK仿真场景获得三个矢量，分别为升轨成像卫星的卫星观测矢量、升轨成像卫星的成像平面法向量和升轨成像卫星的太阳辐射矢量；根据降轨成像卫星的STK仿真场景获得三个矢量，分别为降轨成像卫星的卫星观测矢量、降轨成像卫星的成像平面法向量和降轨成像卫星的太阳辐射矢量；卫星观测矢量为：以卫星视向与地面交点处为原点O，方向指向卫星坐中心Osat。太阳辐射矢量为：以卫星视向与地面交点处为原点O，方向指向太阳中心Osun。成像平面法向量为：以卫星视向与地面交点处为原点O，做切平面，平面法向量为成像平面法向量。
步骤三、仿真实时获取升轨成像卫星的卫星观测矢量与升轨成像卫星的成像平面法向量之间的夹角α1、升轨成像卫星的成像平面法向量与升轨成像卫星的太阳辐射矢量之间的夹角α2；降轨成像卫星的卫星观测矢量与降轨成像卫星的成像平面法向量之间的夹角α3、降轨成像卫星的成像平面法向量与降轨成像卫星的太阳辐射矢量之间的夹角α4；仿真时还实时获取当前UTC时间和当前视向与地面交点的经纬度。
步骤四、以夹角α1、夹角α2为输入值，计算升轨成像卫星地物表观亮度数值I1；以夹角α3、夹角α4为输入值，计算降轨成像卫星地物表观亮度数值I2；计算亮度差异值ΔI。
升轨成像卫星地物表观亮度数值I1的计算方法为：
式中，Esun为地球辐射照射在地物上的辐照度；Esun＝1367W/m2；
ρ为地表反射率；当为海面地物目标时，ρ＝0.1；当为陆地地物目标时，ρ＝0.3-0.7；
A为地物面积。
降轨成像卫星地物表观亮度数值I2的计算方法为：
亮度差异值ΔI的计算方法为：
ΔI＝I1-I2。
实施例
步骤一、建立升轨成像卫星的STK仿真场景和降轨成像卫星的STK仿真场景。
降轨成像卫星，轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经和平近点角的取值可以如下：半长轴＝7028.14km、偏心率＝0.0010691°、轨道倾角＝98.45°、近地点幅角＝253.74°、升交点赤经＝225.84°、平近点角＝45.22°。
升轨成像卫星，轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经和平近点角的取值可以如下：半长轴＝7028.14km、偏心率＝0.0011169°、轨道倾角＝98.46°、近地点幅角＝326.05°、升交点赤经＝322.74°、平近点角＝7.29°。
步骤二、卫星观测矢量为：以卫星视向与地面交点处为原点O，方向指向卫星坐中心Osat，获得卫星观测矢量Vo2sat，如图2所示。太阳辐射矢量为：以卫星视向与地面交点处为原点O，方向指向太阳中心Osun，获得太阳辐射矢量Vo2sun。成像平面法向量为：以卫星视向与地面交点处为原点O，做切平面，平面法向量为成像平面法向量n。
步骤三、仿真实时获取升轨成像卫星的卫星观测矢量与升轨成像卫星的成像平面法向量之间的夹角α1、升轨成像卫星的成像平面法向量与升轨成像卫星的太阳辐射矢量之间的夹角α2；降轨成像卫星的卫星观测矢量与降轨成像卫星的成像平面法向量之间的夹角α3、降轨成像卫星的成像平面法向量与降轨成像卫星的太阳辐射矢量之间的夹角α4；仿真时还实时获取当前UTC时间和当前视向与地面交点的经纬度。
步骤四、以夹角α1、夹角α2为输入值，计算升轨成像卫星地物表观亮度数值I1，单位lm/sn；以夹角α3、夹角α4为输入值，计算降轨成像卫星地物表观亮度数值I2，单位lm/sn；计算亮度差异值ΔI，单位lm/sn。
升轨成像卫星地物表观亮度数值I1的计算方法为：
式中，Esun为地球辐射照射在地物上的辐照度；Esun＝1367W/m2；
ρ为地表反射率；当为海面地物目标时，ρ＝0.1；当为陆地地物目标时，ρ＝0.3-0.7；无量纲；
A为地物面积，可按照单位面积近似计算，即1m2。
降轨成像卫星地物表观亮度数值I2的计算方法为：
亮度差异值ΔI的计算方法为：
ΔI＝I1-I2。
上述步骤一至步骤三可以在STK软件中实现；步骤四可以在MATLAB软件中实现。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
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