HY-2衛(wèi)星微波輻射計(jì)地理定位方法

吳奎橋，林明森，郭振宇

（1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100；2.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081）

HY-2衛(wèi)星微波輻射計(jì)地理定位方法

吳奎橋1，2，林明森2，郭振宇2

（1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100；2.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081）

海洋二號(hào)（HY-2）衛(wèi)星微波輻射計(jì)采用圓錐掃描的方式，對(duì)海面溫度和大氣等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。本文根據(jù)該載荷的幾何模型，得出了適用于微波輻射計(jì)特殊掃描方式的地理定位算法，將其用于該載荷的地理定位，并利用圖像對(duì)結(jié)果進(jìn)行了初步評(píng)估。

HY-2衛(wèi)星；地理定位；坐標(biāo)系

1 前言

遙感圖像的地理定位是計(jì)算星載遙感儀器觀測(cè)圖像在地基坐標(biāo)系中坐標(biāo)的處理過(guò)程。地理定位需要考慮儀器掃描幾何、儀器空間位置和指向、地球曲率、地形以及儀器運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的微小擾動(dòng)等因素，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的幾何形變可分為系統(tǒng)性形變和非系統(tǒng)性形變。系統(tǒng)性形變多由遙感儀器本身造成，非系統(tǒng)性形變主要是因?yàn)檫b感儀器的運(yùn)動(dòng)、地球的扁率和旋轉(zhuǎn)以及地形產(chǎn)生的[1]。

海洋二號(hào)（HY-2）衛(wèi)星是我國(guó)第一顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，該衛(wèi)星集主、被動(dòng)微波遙感器于一體，具有高精度測(cè)軌、定軌能力與全天候、全天時(shí)、全球探測(cè)能力。其主要使命是監(jiān)測(cè)和調(diào)查海洋環(huán)境，獲得包括海面風(fēng)場(chǎng)、浪高、海流、海面溫度等多種海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)，直接為災(zāi)害性海況預(yù)警預(yù)報(bào)提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋權(quán)益維護(hù)、海洋資源開(kāi)發(fā)、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋科學(xué)研究以及國(guó)防建設(shè)等提供支撐服務(wù)[2]。

HY-2衛(wèi)星裝載雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)、微波輻射計(jì)和校正微波輻射計(jì)以及多普勒雷達(dá)和無(wú)線電定位組合系統(tǒng)（DORIS）、雙頻全球定位系統(tǒng)（GPS）和激光測(cè)距儀。其中微波輻射計(jì)主要用于獲取全球海面溫度、海面風(fēng)場(chǎng)、大氣水蒸氣含量、云中水含量、海冰和降雨量等[2]。

HY-2衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理的最終產(chǎn)品需要以高質(zhì)量的預(yù)處理產(chǎn)品為基礎(chǔ)，因此對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理產(chǎn)品的質(zhì)量提出了較高的要求，其中地理定位的精度對(duì)各載荷的應(yīng)用精度起著至關(guān)重要的作用。

HY-2衛(wèi)星微波輻射計(jì)采用圓錐掃描方式，其地理定位方法有其特殊性。本文對(duì)微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)的地理定位的算法流程進(jìn)行了全面闡述，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了初步評(píng)估。

2 微波輻射計(jì)地理定位算法及流程

2.1 地理定位算法概述

現(xiàn)對(duì)HY-2衛(wèi)星上搭載的微波輻射計(jì)傳感器0A級(jí)數(shù)據(jù)至1A級(jí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程所需的對(duì)地觀測(cè)點(diǎn)地理定位流程進(jìn)行描述。

本算法主要通過(guò)計(jì)算天線指向與地球橢球的交點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)點(diǎn)的地理定位，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程見(jiàn)圖1。

圖1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程圖Fig.1 Coordinate system conversion flow

圖1所示的定位算法流程中，共涉及到了7個(gè)坐標(biāo)系。表1中給出了這7個(gè)坐標(biāo)系的定義，這些坐標(biāo)系的空間指向見(jiàn)圖2。地心慣性坐標(biāo)系為J2000地心慣性系，地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系采用WGS-84直角坐標(biāo)系，大地測(cè)量坐標(biāo)系基于WGS-84參考橢球體，以經(jīng)緯度高程表示坐標(biāo)，各坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系見(jiàn)圖3。

表1 坐標(biāo)系定義Table 1 Coordinate system definition

圖2 坐標(biāo)系示意圖Fig.2 Coordinate system diagram

圖3 各坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系圖Fig.3 Coordinate system conversion diagram

2.2 定位算法步驟介紹

2.2.1 傳感器觀測(cè)向量的定義

微波輻射計(jì)的掃描方式為圓錐掃描，其天線波束方向與星下點(diǎn)方向存在固定夾角，下面對(duì)其天線觀測(cè)向量進(jìn)行定義。

微波輻射計(jì)天線波束方向與星下點(diǎn)方向即Z軸的夾角為α，對(duì)地觀測(cè)點(diǎn)均位于傳感器飛行方向（見(jiàn)圖4和圖5），設(shè)某時(shí)刻的天線旋轉(zhuǎn)掃描角為θ，當(dāng)θ為0時(shí)，其觀測(cè)向量可定義為[sinα 0 －cosα]T。當(dāng)θ不為0時(shí)，為將觀測(cè)向量繞Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)θ度（該角度通過(guò)星上時(shí)間計(jì)算得到），其旋轉(zhuǎn)矩陣為

微波輻射計(jì)的成像幾何見(jiàn)圖4。

圖4 微波輻射計(jì)成像幾何Fig.4 Microwave radiometer imaging geometry

圖5 掃描周期時(shí)序圖Fig.5 Scanning period timing series diagram

2.2.2 天線坐標(biāo)系到儀器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

傳感器的觀測(cè)向量可通過(guò)天線在儀器中的安裝矩陣旋轉(zhuǎn)至儀器坐標(biāo)系

2.2.3 儀器坐標(biāo)系到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

由于天線、安裝平臺(tái)和衛(wèi)星本體為剛性相連，一般考慮儀器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系為單位矩陣，因此這里用于描述傳感器坐標(biāo)系到測(cè)量坐標(biāo)系的偏差矩陣，用于糾正各傳感器坐標(biāo)系到測(cè)量坐標(biāo)系的偏差（由于地面精度測(cè)量時(shí)重力影響，飛行狀態(tài)時(shí)，傳感器坐標(biāo)系相對(duì)于姿態(tài)測(cè)量坐標(biāo)系存在一定的偏差。）。

2.2.4 衛(wèi)星本體坐標(biāo)系到軌道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

將觀測(cè)向量從衛(wèi)星本體坐標(biāo)系變換到軌道坐標(biāo)系，主要是消除衛(wèi)星姿態(tài)對(duì)定位的影響。衛(wèi)星的姿態(tài)由3個(gè)角度向量來(lái)描述，分別定義為滾動(dòng)（roll）、俯仰（pitch）和偏航（yaw）角。其變換矩陣為

式（4）中

則軌道參考坐標(biāo)系中的位置向量為

2.2.5 軌道坐標(biāo)系到地心慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

式（7）中，P→(t)和V→(t)是經(jīng)多項(xiàng)式內(nèi)插或雙行根數(shù)計(jì)算（參見(jiàn)衛(wèi)星瞬時(shí)位置矢量的計(jì)算）得到的衛(wèi)星位置和速度。由軌道坐標(biāo)系到地心慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換為

2.2.6 地心慣性坐標(biāo)系到地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

地心慣性坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系需要經(jīng)過(guò)以下幾步[3]：a.地心慣性坐標(biāo)系至瞬時(shí)平赤道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，需要進(jìn)行歲差修正；b.瞬時(shí)平赤道坐標(biāo)系到瞬時(shí)真赤道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，需要進(jìn)行章動(dòng)修正；c.瞬時(shí)真赤道坐標(biāo)系至準(zhǔn)地球固定坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，需旋轉(zhuǎn)一個(gè)格林尼治真恒星時(shí)；d.準(zhǔn)地球固定坐標(biāo)系至地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，需要作極移修正。

則坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為

2.2.7 地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到大地測(cè)量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)大地測(cè)量坐標(biāo)系是通過(guò)地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的觀測(cè)向量方向與地球橢球的交點(diǎn)來(lái)計(jì)算大地測(cè)量坐標(biāo)系中的經(jīng)緯度?？稍O(shè)地球?yàn)橐粰E球體，通過(guò)模型進(jìn)行位置的計(jì)算[4]。

得到WGS-84地心坐標(biāo)系中的攝影方向線后，就可以計(jì)算視線與橢球體上地面的交點(diǎn)。現(xiàn)在給定地球模型如下

衛(wèi)星運(yùn)行觀察地球的幾何關(guān)系如圖6所示。其關(guān)系式為

圖6 交點(diǎn)計(jì)算成像幾何Fig.6 Imaging geometry of cross point calulation

由于衛(wèi)星采用WGS-84坐標(biāo)系系，因此這里利用WGS-84橢球的參數(shù)長(zhǎng)軸為a，短軸為b。假設(shè)交點(diǎn)M的地心坐標(biāo)為（X，Y，Z），則有

可解得

綜合解方程組即可得到地面點(diǎn)在地心直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（X，Y，Z）[5]。

2.3 時(shí)間碼計(jì)算

對(duì)地觀測(cè)點(diǎn)在進(jìn)行定位計(jì)算時(shí)，需要確定該觀測(cè)點(diǎn)的精確時(shí)間，用于計(jì)算該時(shí)刻衛(wèi)星的速度位置矢量。

微波輻射計(jì)的時(shí)間碼定義和組幀方式及時(shí)間計(jì)算方式描述如下。

微波輻射計(jì)的4個(gè)子源包數(shù)據(jù)為一組，子源包長(zhǎng)為1008字節(jié)，總觀測(cè)周期為3.57 s。該傳感器所有的時(shí)間信息均保存于第一子源包中，后面3個(gè)子源包對(duì)地觀測(cè)值共計(jì)150個(gè)，單觀測(cè)點(diǎn)時(shí)間為10 ms。第一子源包中的時(shí)間碼格式見(jiàn)表2。

表2 微波輻射計(jì)時(shí)間碼數(shù)據(jù)格式Table 2 Microwave radiometer time code data format

觀測(cè)點(diǎn)時(shí)間計(jì)算公式如下

式（14）中，Tcount為第 i個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)間；Tsate為星上時(shí)間碼；Tlocal為從收到發(fā)布時(shí)間到第一觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間；Tbase為基準(zhǔn)時(shí)間（2000年1月1日0點(diǎn)0分0秒）。

2.4 地理定位結(jié)果

以2013年2月19日數(shù)據(jù)為例，圖7、圖8分別為海面溫度和大氣水汽含量經(jīng)等經(jīng)緯度投影后的圖像產(chǎn)品。

圖7 海洋二號(hào)衛(wèi)星掃描輻射計(jì)原始分辨率海面溫度Fig.7 Original resolution sea surface temperature of HY-2 scanning radiometer

圖8 海洋二號(hào)衛(wèi)星掃描輻射計(jì)原始分辨率大氣水汽含量Fig.8 Original resolution water vapor of HY-2 scanning radiometer

從圖7和圖8可看出，在海陸交界處邊界線符合程度較好，精度基本控制在一個(gè)像元之內(nèi)，但是由于微波輻射計(jì)分辨率較低（星下點(diǎn)為50 km），由圖像不易得到對(duì)地理定位算法精度的合理評(píng)估，因此在地理定位軟件測(cè)試的初期，統(tǒng)計(jì)了多軌近200組星下點(diǎn)數(shù)據(jù)的定位值與成熟的商業(yè)衛(wèi)星工具箱軟件（STK）的計(jì)算結(jié)果（采用同樣軌道報(bào)數(shù)據(jù)）并進(jìn)行了對(duì)比，最大偏差不大于200 m，均方根誤差優(yōu)于100 m。

3 結(jié)語(yǔ)

HY-2衛(wèi)星微波輻射計(jì)遙感數(shù)據(jù)的地理定位方法包括軌道報(bào)的輸入、衛(wèi)星軌道的計(jì)算、載荷探測(cè)幾何模型的建立、各坐標(biāo)系的推導(dǎo)及參數(shù)確定，最后得到各地面探測(cè)點(diǎn)的地理經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，地理定位精度優(yōu)于像元級(jí)精度。本文的方法可以適用于HY-2后續(xù)衛(wèi)星中的類(lèi)似載荷以及其他采用圓錐掃描方式的衛(wèi)星遙感載荷的地理定位。

[1]關(guān) 敏，楊忠東.FY-3微波成像儀遙感圖像地理定位方法研究[J].遙感學(xué)報(bào)，2009，13（3）：469-474.

[2]海洋二號(hào)衛(wèi)星介紹[EB/OL].http：//www.nsoas.gov.cn/HY2A Zhuanti/HY2A/hy202.html.

[3]李濟(jì)生.人造衛(wèi)星精密軌道確定[M].北京：科技出版社，2008.

[4]劉 林.人造地球衛(wèi)星軌道力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1992.

[5]章仁為.衛(wèi)星軌道姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.

Geolocation method of HY-2 satellite microwave radiometer

Wu Kuiqiao1，2，Lin Mingsen2，Guo Zhenyu2

（1.Ocean University of China，Qingdao，Shandong 266100，China；2.National Satellite Ocean Application Service，Beijing 100081，China）

Using cone scanning method，microwave radiometer of HY-2 satellite measures the sea surface temperature（SST）and the atmosphere of the earth.This article represents one geolocation method applied to the microwave radiometer of HY-2 satellite according to the geometry model.The image of microwave radiometer was geolocationed with this method，and the result was evaluated at last.

HY-2 satellite；geolocation；coordinate system

V443

A

1009-1742（2014）06-0021-06

2014-04-10

海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“自主海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星微波遙感處理技術(shù)研究示范”（201105032）

吳奎橋，1973年出生，男，河北衡水市人，副研究員，研究方向?yàn)楹Ｑ笮l(wèi)星遙感；E-mail：wkq@mail.nsoas.gov.cn