HY-2衛(wèi)星微波輻射計地理定位方法

吳奎橋，林明森，郭振宇

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

HY-2衛(wèi)星微波輻射計地理定位方法

吳奎橋1，2，林明森2，郭振宇2

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

海洋二號（HY-2）衛(wèi)星微波輻射計采用圓錐掃描的方式，對海面溫度和大氣等目標(biāo)進行探測。本文根據(jù)該載荷的幾何模型，得出了適用于微波輻射計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，并利用圖像對結(jié)果進行了初步評估。

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算星載遙感儀器觀測圖像在地基坐標(biāo)系中坐標(biāo)的處理過程。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、地形以及儀器運動中產(chǎn)生的微小擾動等因素，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)性形變主要是因為遙感儀器的運動、地球的扁率和旋轉(zhuǎn)以及地形產(chǎn)生的[1]。

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

HY-2衛(wèi)星裝載雷達高度計、微波散射計、微波輻射計和校正微波輻射計以及多普勒雷達和無線電定位組合系統(tǒng)（DORIS）、雙頻全球定位系統(tǒng)（GPS）和激光測距儀。其中微波輻射計主要用于獲取全球海面溫度、海面風(fēng)場、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)星微波輻射計采用圓錐掃描方式，其地理定位方法有其特殊性。本文對微波輻射計數(shù)據(jù)的地理定位的算法流程進行了全面闡述，并對結(jié)果進行了初步評估。

2 微波輻射計地理定位算法及流程

2.1 地理定位算法概述

現(xiàn)對HY-2衛(wèi)星上搭載的微波輻射計傳感器0A級數(shù)據(jù)至1A級數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程所需的對地觀測點地理定位流程進行描述。

本算法主要通過計算天線指向與地球橢球的交點，實現(xiàn)對地觀測點的地理定位，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程見圖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個坐標(biāo)系。表1中給出了這7個坐標(biāo)系的定義，這些坐標(biāo)系的空間指向見圖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 傳感器觀測向量的定義

微波輻射計的掃描方式為圓錐掃描，其天線波束方向與星下點方向存在固定夾角，下面對其天線觀測向量進行定義。

微波輻射計天線波束方向與星下點方向即Z軸的夾角為α，對地觀測點均位于傳感器飛行方向（見圖4和圖5），設(shè)某時刻的天線旋轉(zhuǎn)掃描角為θ，當(dāng)θ為0時，其觀測向量可定義為[sinα 0 －cosα]T。當(dāng)θ不為0時，為將觀測向量繞Z軸進行旋轉(zhuǎn)θ度（該角度通過星上時間計算得到），其旋轉(zhuǎn)矩陣為

微波輻射計的成像幾何見圖4。

圖4 微波輻射計成像幾何Fig.4 Microwave radiometer imaging geometry

圖5 掃描周期時序圖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

傳感器的觀測向量可通過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)系到測量坐標(biāo)系的偏差矩陣，用于糾正各傳感器坐標(biāo)系到測量坐標(biāo)系的偏差（由于地面精度測量時重力影響，飛行狀態(tài)時，傳感器坐標(biāo)系相對于姿態(tài)測量坐標(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)對定位的影響。衛(wèi)星的姿態(tài)由3個角度向量來描述，分別定義為滾動（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)多項式內(nèi)插或雙行根數(shù)計算（參見衛(wèi)星瞬時位置矢量的計算）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)過以下幾步[3]：a.地心慣性坐標(biāo)系至瞬時平赤道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，需要進行歲差修正；b.瞬時平赤道坐標(biāo)系到瞬時真赤道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，需要進行章動修正；c.瞬時真赤道坐標(biāo)系至準(zhǔn)地球固定坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，需旋轉(zhuǎn)一個格林尼治真恒星時；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)系到大地測量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)大地測量坐標(biāo)系是通過地心旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的觀測向量方向與地球橢球的交點來計算大地測量坐標(biāo)系中的經(jīng)緯度。可設(shè)地球為一橢球體，通過模型進行位置的計算[4]。

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

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

圖6 交點計算成像幾何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)長軸為a，短軸為b。假設(shè)交點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在地心直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（X，Y，Z）[5]。

2.3 時間碼計算

對地觀測點在進行定位計算時，需要確定該觀測點的精確時間，用于計算該時刻衛(wèi)星的速度位置矢量。

微波輻射計的時間碼定義和組幀方式及時間計算方式描述如下。

微波輻射計的4個子源包數(shù)據(jù)為一組，子源包長為1008字節(jié)，總觀測周期為3.57 s。該傳感器所有的時間信息均保存于第一子源包中，后面3個子源包對地觀測值共計150個，單觀測點時間為10 ms。第一子源包中的時間碼格式見表2。

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

觀測點時間計算公式如下

式（14）中，Tcount為第 i個觀測點時間；Tsate為星上時間碼；Tlocal為從收到發(fā)布時間到第一觀測點的時間；Tbase為基準(zhǔn)時間（2000年1月1日0點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 海洋二號衛(wèi)星掃描輻射計原始分辨率海面溫度Fig.7 Original resolution sea surface temperature of HY-2 scanning radiometer

圖8 海洋二號衛(wèi)星掃描輻射計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像元之內(nèi)，但是由于微波輻射計分辨率較低（星下點為50 km），由圖像不易得到對地理定位算法精度的合理評估，因此在地理定位軟件測試的初期，統(tǒng)計了多軌近200組星下點數(shù)據(jù)的定位值與成熟的商業(yè)衛(wèi)星工具箱軟件（STK）的計算結(jié)果（采用同樣軌道報數(shù)據(jù)）并進行了對比，最大偏差不大于200 m，均方根誤差優(yōu)于100 m。

3 結(jié)語

HY-2衛(wèi)星微波輻射計遙感數(shù)據(jù)的地理定位方法包括軌道報的輸入、衛(wèi)星軌道的計算、載荷探測幾何模型的建立、各坐標(biāo)系的推導(dǎo)及參數(shù)確定，最后得到各地面探測點的地理經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，地理定位精度優(yōu)于像元級精度。本文的方法可以適用于HY-2后續(xù)衛(wèi)星中的類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，2009，13（3）：469-474.

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

[3]李濟生.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)科研專項經(jīng)費項目“自主海洋動力環(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，研究方向為海洋衛(wèi)星遙感；E-mail：wkq@mail.nsoas.gov.cn