(57)【要約】地上ロケーション情報を確定するときの、人工衛星イメージングに存在する種々の誤差源の悪い影響が軽減されて、映像についてより正確な地上ロケーション情報が提供され、それにより、画像を利用する種々のエンティティについて情報がより有用になる。人工衛星または他のリモートプラットフォームに搭載されたイメージングシステムによって採取された画像の１つまたは複数のピクセルに関連する地上ロケーション座標の確定は、第１地球視野に関連する第１地球画像を取得すること、第１地画像に重ならない第２地球視野に関連する第２地球画像を取得すること、第１地球画像に関連する既知のロケーション情報を使用することであって、それによって、第２地球画像に関連するロケーション情報を確定する、使用することを含む。
2008506167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１地球視野に関連する第１地球画像を取得すること、
前記第１地球視野に重ならない第２地球視野に関連する第２地球画像を取得すること、
前記第１地球画像に関連する既知のロケーション情報を使用することであって、それによって、前記第２地球画像に関連するロケーション情報を確定する、使用すること、
を含むリモートイメージングプラットフォームから地球画像のロケーション情報を確定する方法。
【請求項２】
第２地球画像を取得する前記ステップは、第１地球画像を取得する前記ステップの前に実施される請求項１に記載のリモートイメージングプラットフォームから地球画像のロケーション情報を確定する方法。
【請求項３】
第２地球画像を取得する前記ステップは、第１地球画像を取得する前記ステップの後に実施される請求項１に記載のリモートイメージングプラットフォームから地球画像のロケーション情報を確定する方法。
【請求項４】
使用する前記ステップは、
前記第１地球画像の少なくとも１つの対象物の既知のロケーション情報を確定すること、
前記既知のロケーション情報およびイメージングプラットフォーム移動情報を使用することであって、それによって、前記第２地球画像について、補正因子および前記補正因子に関連する誤差測定値を確定する、使用すること、
前記誤差測定値の大きさが所定誤差限界より小さいときに、前記補正因子を使用することであって、それによって、前記第２地球画像に関連するロケーション情報を確定する、使用すること、
を含む請求項１に記載のリモートイメージングプラットフォームから地球画像のロケーション情報を確定する方法。
【請求項５】
前記所定の誤差限界は、前記イメージングプラットフォームに関連する姿勢、位置、および歪測定システムに関連する誤差限界である請求項４に記載のリモートイメージングプラットフォームから地球画像のロケーション情報を確定する方法。
【請求項６】
第１地球視野に関連する第１地球画像を取得すること、
前記第１地球視野に重ならない第２地球視野に関連する第２地球画像を取得すること、
既知の地上ロケーション情報を有する前記第１画像内で少なくとも第１地上点を特定すること、
前記イメージングシステムの位置、姿勢、および歪情報の少なくとも１つの情報を使用して、前記第１画像内で前記地上点の予想ロケーションを確定すること、
前記予想ロケーション情報と前記第１地上点の前記既知のロケーション情報との比較に基づいて、少なくとも１つの補正因子を計算すること、
前記補正因子に基づいて前記第２画像のロケーション情報を確定すること、
を含む人工衛星に搭載されたイメージングシステムから採取された地球画像のロケーション情報を確定する方法。
【請求項７】
第２地球画像を取得する前記ステップは、第１地球画像を取得する前記ステップの前に実施される請求項６に記載の人工衛星に搭載されたイメージングシステムから採取された地球画像のロケーション情報を確定する方法。
【請求項８】
第２地球画像を取得する前記ステップは、第１地球画像を取得する前記ステップの後に実施される請求項６に記載の人工衛星に搭載されたイメージングシステムから採取された地球画像のロケーション情報を確定する方法。
【請求項９】
前記計算するステップは、
前記第１画像が前記イメージングシステムによって取得されたときに、前記イメージングシステムの第１位置を確定すること、
前記第１画像が前記イメージングシステムによって取得されたときに、前記イメージングシステムの第１姿勢を確定すること、
前記第１画像が前記イメージングシステムによって取得されたときに、前記イメージングシステムの第１歪を確定すること、
前記第１画像内の前記第１地上点のロケーションと前記地上点の前記予想ロケーションとの差に基づいて、前記イメージングシステムの位置、姿勢、および歪の少なくとも１つについて、前記少なくとも１つの補正因子の問題を解くこと、
を含む請求項６に記載の人工衛星に搭載されたイメージングシステムから採取された地球画像のロケーション情報を確定する方法。
【請求項１０】
前記ロケーション情報を確定するステップは、
前記第２画像が前記イメージングシステムによって採取されたときに、前記少なくとも１つの補正因子によって修正された、前記イメージングシステムの第２位置を確定すること、
前記第２画像が前記イメージングシステムによって採取されたときに、前記少なくとも１つの補正因子によって修正された、前記イメージングシステムの第２姿勢を確定すること、
前記第２画像が前記イメージングシステムによって採取されたときに、前記少なくとも１つの補正因子によって修正された、前記イメージングシステムの第２歪を確定すること、
前記第２画像内の少なくとも１つのロケーションについてのロケーション情報を確定すること、
を含む請求項６に記載の人工衛星に搭載されたイメージングシステムから採取された地球画像のロケーション情報を確定する方法。
【請求項１１】
前記計算するステップは、
前記第１画像が採取されたときに、前記イメージングシステムの第１位置および関連する共分散を確定すること、
前記第１画像が採取されたときに、前記イメージングシステムの第１姿勢および関連する共分散を確定すること、
前記第１画像が採取されたときに、前記イメージングシステムの第１歪および関連する共分散を確定すること、
前記第１画像内の前記第１地上点のロケーションと前記地上点の前記予想ロケーションとの差に基づいて、前記イメージングシステムの位置、姿勢、および歪のそれぞれについて、前記少なくとも１つの補正因子の問題を解くこと、
を含み、前記補正因子は、それぞれの共分散によって重み付けられる請求項６に記載の人工衛星に搭載されたイメージングシステムから採取された地球画像のロケーション情報を確定する方法。
【請求項１２】
複数のピクセルおよび前記ピクセルの少なくとも１つのピクセルの地球ロケーション座標を含む地球視野の人工衛星画像であって、前記複数のピクセルおよび座標は、
第１地球視野から、複数のピクセルを含む第１地球画像を取得すること、
既知の地球ロケーションを有する第１地上点に関連する、前記第１地球画像内の少なくとも第１ピクセルの第１ピクセルロケーションを確定すること、
前記第１地上点の予想ピクセルロケーションと前記第１ピクセルロケーションとの比較に基づいて補正因子を計算すること、
第２地球視野から、複数のピクセルを含み前記第１地球画像に重ならない第２地球画像を取得すること、
前記補正因子に基づいて、前記第２地球画像の少なくとも１つのピクセルについての地球ロケーションを確定すること、
によって得られる人工衛星画像。
【請求項１３】
第２地球画像を取得する前記ステップは、第１地球画像を取得する前記ステップの前に実施される請求項１２に記載の人工衛星画像。
【請求項１４】
第２地球画像を取得する前記ステップは、第１地球画像を取得する前記ステップの後に実施される請求項１２に記載の人工衛星画像。
【請求項１５】
前記計算するステップは、
前記第１地球画像が採取されたときに、前記人工衛星に関連する前記イメージングシステムの第１位置および関連する共分散を確定すること、
前記第１画像が採取されたときに、前記イメージングシステムの第１姿勢および関連する共分散を確定すること、
前記第１画像が採取されたときに、前記イメージングシステムの第１歪および関連する共分散を確定すること、
前記第１の位置、姿勢、および歪に基づいて、前記第１地上点の前記予想ピクセルロケーションを計算すること、
前記予想ピクセルロケーションと前記第１ピクセルロケーションとの差を確定すること、
前記差に基づいて、前記イメージングシステムの位置、姿勢、および歪のそれぞれについて、少なくとも１つの補正因子の問題を解くこと、
を含み、前記補正因子は、それぞれの共分散によって重み付けられる請求項１２に記載の人工衛星画像。
【請求項１６】
前記地球ロケーションを確定するステップは、
前記第２地球画像が採取されたときに、前記イメージングシステムの第２位置を確定すること、
前記第２地球画像が採取されたときに、前記イメージングシステムの第２姿勢を確定すること、
前記第２地球画像が採取されたときに、前記イメージングシステムの第２歪を確定すること、
前記補正因子を、前記第２の位置、姿勢、および歪の少なくとも１つに適用すること、
前記第２地球画像内の少なくとも１つのピクセルについての地球ロケーションを確定すること、
を含む請求項１２に記載の人工衛星画像。
【請求項１７】
対象のエンティティの方へ人工衛星画像を移動させる方法であって、
デジタルデータを伝達するように動作可能な通信ネットワークの少なくとも一部分を設けること、
複数のピクセルを含む地球視野のデジタル画像を、前記通信ネットワークの一部分を通じて伝達すること、
を含み、前記ピクセルの少なくとも１つは、第１画像からの少なくとも１つの地上点に基づいて確定された補正因子に基づいて導出された関連する地上ロケーション情報を有し、前記第１画像は、前記デジタル画像と異なり、前記第１画像は、前記デジタル画像に重ならない方法。
【請求項１８】
前記地上ロケーション情報は、前記少なくとも１つのピクセルに関連する、経度、緯度、および高度を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記デジタル画像は、イメージング人工衛星を使用して取得される請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記デジタル画像は、前記第１画像の前に収集される請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記デジタル画像は、前記第１画像の後に収集される請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像に関連する地上座標の確定を対象とし、より詳細には、イメージングシステムによって生成された１つまたは複数の画像から他の画像への補正された座標情報の変換を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、「METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING A LOCATION ASSOCIATED WITH AN IMAGE」という名称の、２００４年６月２５日に出願された米国仮特許出願第６０／５２１，７２９号に対して優先権を主張する。
【０００３】
今日の人工衛星および航空機用途におけるリモートセンシングシステムは、一般に、処理されることができ、画像フレームを構成するピクセル列を含む画像を提供する。多くの用途において、画像内の１つまたは複数のピクセルの地上ロケーションを知ることが望ましい。たとえば、経度、緯度、および高度などの地理的用語で表現される画像ピクセルの地上ロケーションがわかることが望ましい場合がある。ある地点の正確な地上ロケーションを表現するのに、いくつかの規則が使用される。通常、ユニバーサル横メルカトル図法(Universal Transverse Mercator) （ＵＴＭ）などの基準投影は、北米測地座標系１９２７(North American Datum of 1927)（ＮＡＤ２７）、北米測地座標系１９８３（ＮＡＤ８３）、および世界測地系１９８４(World Geodetic System of 1984) （ＷＧＳ８４）などの種々の水平および垂直データと共に指定される。さらに、米国内の画像の場合、特定の州または町内の郡区／レンジ／セクションなどのＰＬＳＳ(Public Land Survey System) 座標で画像内のピクセルまたは対象物のロケーションを表現することが望ましい場合がある。
【０００４】
リモートイメージングシステムによって収集された画像について正確な地上ロケーション情報を導出し、その後、それを、先に挙げた規格または他の規格のうちの１つの規格で表現するために、画像収集時におけるイメージングシステムの状態は、ある程度確実に知られていなければならない。イメージングシステムの状態を含み、イメージングシステムによって撮影される正確な領域を確定する多数の変数が存在する。たとえば、人工衛星イメージング用途では、人工衛星の軌道位置、イメージングシステムの姿勢、および、人工衛星またはそのイメージングシステムの大気の影響および熱歪を含む種々の他の因子は、全て、イメージングシステムによって撮影された領域が確定される精度に寄与する。これらの因子のそれぞれについての認識情報の誤差は、イメージングシステムによって撮影された領域の地上ロケーションを確定するときに不正確さをもたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が、認識したところによれば、リモートセンシングプラットフォームによって収集された未処理画像データについて地上ロケーション情報を生成するのに使用される因子の、全てでない場合、多くは、誤差を受け、関連する画像について、不正確な地上ロケーション情報の導出をもたらす。
【０００６】
本発明は、少なくとも１つの誤差源の悪い影響を低らし、映像についてより正確な地上ロケーション情報の導出を実現し、それにより、画像を利用する種々のエンティティについて情報がより有用になる。その結果、対象のエンティティが、地上画像を受信する場合、地上画像内の種々の特徴部のロケーションは、高い精度で知られ、それにより、いろいろな用途について、こうした画像を使用することができることを容易にする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、本発明は、人工衛星画像内にピクセルについて地上ロケーション座標を確定する方法を提供する。方法は、（ａ）第１地球視野の第１画像を取得するステップと、（ｂ）第１画像内で、既知の地球ロケーション座標を有する地点に相当する、少なくとも第１ピクセルを特定するステップと、（ｃ）人工衛星について入手可能な姿勢、位置、および歪情報の少なくとも１つを使用して、第１画像内で地点の予想ピクセルロケーションを確定するステップと、（ｄ）地点の予想ピクセルロケーションと第１ピクセルの既知のロケーションとの比較に基づいて、少なくとも１つの補正因子を計算するステップと、（ｅ）第１画像に重ならない、第２地球視野の第２画像を取得するステップと、（ｆ）人工衛星について入手可能な姿勢、位置、および歪情報に関連する補正因子を使用して、第２画像内で少なくとも１つのピクセルについて地球ロケーション座標を確定するステップとを含む。
【０００８】
人工衛星の姿勢を調整するために、既知の地上ロケーション、歪、および位置情報を使用して、画像について、位置、姿勢、歪、および地上ロケーション情報に関する一組の式を解くことによって、補正因子が計算されてもよい。その後、調整された人工衛星の姿勢は、補正因子として使用される。補正因子の計算はまた、共分散行列を付加されてもよく、人工衛星姿勢情報を取得するために、行列のうちの１つまたは複数の行列の不確実性が均衡させられるか、または、不確実性がほぼゼロになるように設定され、行列のうちの別の行列が解かれる。その後、人工衛星姿勢情報は、第２画像について地球ロケーション座標を確定するときの補正因子として使用される。第２画像は、第１画像の収集の前か後に、イメージングシステムによって収集されてもよい。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、リモートイメージングプラットフォームから地球画像のロケーション情報を確定する方法を提供する。方法は、（ａ）第１地球視野に関連する第１地球画像を取得するステップと、（ｂ）第１地球画像に重ならない、第２地球視野に関連する第２地球画像を取得するステップと、（ｃ）第１地球画像に関連する既知のロケーション情報を使用するステップとであって、それによって、第２地球画像に関連するロケーション情報を確定する、使用するステップとを含む。
【００１０】
本発明のなお別の実施形態は、複数のピクセルおよびピクセルの少なくとも１つのピクセルの地球ロケーション座標を含む地球領域の人工衛星画像を提供する。ピクセルおよび座標は、（ａ）第１地球視野から、複数のピクセルを含む第１地球画像を取得するステップと、（b ）既知の地球ロケーション座標を有する地点に関連する、第１地球画像内の少なくとも第１ピクセルを特定するステップと、（ｃ）第１地球画像内の地点の予想ピクセルロケーションと第１地球画像内の第１ピクセルの既知のロケーションとの比較に基づいて補正因子を計算するステップと、（ｄ）第２地球視野から、複数のピクセルを含み、第１地球画像に重ならない第２地球画像を取得するステップと、（ｅ）補正因子に基づいて、第２地球画像の少なくとも１つのピクセルについての地球ロケーション座標を確定するステップとによって得られる。
【００１１】
さらなる実施形態は、対象のエンティティの方へ人工衛星画像を移動させる方法を提供する。方法は、（ａ）デジタルデータを伝達するように動作可能な通信ネットワークの少なくとも一部分を設けるステップと、（ｂ）複数のピクセルを含むデジタル画像を、通信ネットワークの一部分を通じて伝達するステップとを含み、ピクセルの少なくとも１つは、第１画像からの少なくとも１つの地上点に基づいて確定された補正因子に基づいて導出された関連する地上ロケーション情報を有し、前記第１画像は、前記デジタル画像と異なり、前記第１画像は、前記デジタル画像に重ならない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
一般に、本発明は、人工衛星または他のリモートセンシングプラットフォームに搭載されたイメージングシステムによって採取された画像の少なくとも１つのピクセルに関連する地上ロケーション情報の確定を対象とする。地上ロケーション情報を生成するときに必要とされるプロセスは、（ａ）そのロケーションが正確にわかっている地点をカバーする領域の１つまたは複数の画像（基準画像）を取得すること、イメージングシステムについて入手可能な時間変動する位置、姿勢、および歪情報を使用して、これらの地点のロケーションを予想すること、（ｃ）データ当てはめアルゴリズムを使用して予想されたロケーションと既知のロケーションを比較することであって、それによって、１つまたは複数の補正因子を導出する、比較すること、（ｄ）時間的に他の瞬間に対して、補正因子（複数可）を補間または補外すること、および、（ｅ）基準画像の正確にわかっているロケーションを有する地点をカバーしていない領域の１つまたは複数の他の画像（ターゲット画像）に補正因子（複数可）を適用することを含む。プロセスは、基準画像に重ならないターゲット画像に適用されることができ、基準画像に実際に重なるターゲット画像に適用されてもよい。
【００１３】
画像および地上ロケーション情報を生成するプロセスを一般的に述べたが、プロセスの実施形態が、より詳細に述べられる。図１を参照すると、惑星１０４の軌道を周回する人工衛星１００の図が、ここで述べられる。最初に、本明細書で地球に言及するとき、任意の天体が言及されており、天体に関連する関連情報を有する画像またはリモートセンシング情報を採取することが望ましい場合があることが留意される。さらに、本明細書で人工衛星に言及するとき、画像を採取することができる、任意の宇宙機、人工衛星、航空機、または他のリモートセンシングプラットフォームが言及される。本明細書に含まれる図面はいずれも、一定比例尺で描かれていないこと、および、こうした図は、例証のためだけのものであることもまた留意される。
【００１４】
図１に示すように、人工衛星１０は、軌道経路１０８に従って地球１０４の軌道を周回する。軌道経路１０８に沿った人工衛星１００の位置は、イントラックロケーション、クロストラックロケーション、ラジアルディスタンスロケーションを含むいくつかの変数によって定義されてもよい。イントラックロケーションは、人工衛星が地球１０４の軌道を周回するときの、軌道経路１０８に沿った人工衛星の位置に関する。クロストラックロケーションは、軌道１０８内の移動方向に対する人工衛星１００の横方向位置に関する（図１に対して、これは、ページの前後になることになる）。ラジアルディスタンスは、地球１０４の中心からの人工衛星１００の半径方向距離に関する。人工衛星の物理的位置に関するこれらの因子は、ひとまとめに、人工衛星の軌道暦と呼ばれる。本明細書で人工衛星の「位置」に言及するときには、これらの因子が言及される。同様に、軌道経路に対して、人工衛星１００は、ひとまとめに、人工衛星１００の姿勢と呼ばれる、ピッチ、ヨー、およびロール向きを有してもよい。人工衛星１００に搭載されたイメージングシステムは、地球１０４の表面の一部分を含む画像１１２を採取することができる。画像１１２は、複数のピクセルからなる。
【００１５】
人工衛星１００が、地球１０４の表面の画像を採取するときに、以下でより詳細に述べるように、システムの位置、システムの姿勢、および歪情報を含む、イメージングシステムの状態に関する情報に基づいて、任意特定の画像ピクセル（複数可）の関連する地上ロケーションが計算されてもよい。地上ロケーションは、経度、緯度、および高度によって、または、任意の他の適用可能な座標系によって計算されてもよい。こうした人工衛星からの画像に関連する１つまたは複数の特徴部のロケーションを知っていること、さらに、各画像ピクセルのロケーションを比較的正確に知っていることが望ましいことが多い。人工衛星から収集された画像は、商業的用途および非商業的用途で使用されてもよい。画像が有用であり得る用途の数は、イメージングシステムの高い解像度と共に増加し、画像１１２に含まれる１つまたは複数のピクセルの地上ロケーションが、高い精度でわかっているときにさらに増加する。
【００１６】
ここで図２を参照すると、本発明の実施形態のイメージング人工衛星１００のブロック図表現が述べられる。イメージング人工衛星１００は、いくつかの機器を含み、位置測定システム１１６、姿勢測定システム１２０、熱測定システム１２４、送信／受信回路１２８、人工衛星移動システム１３２、電力システム１３６、およびイメージングシステム１４０を含む。位置測定システム１１６は、複数の全地球測位システム(Global Positioning System) （ＧＰＳ）人工衛星から位置情報を受信するＧＰＳ受信機を含み、当技術分野でよく理解されている。位置測定システム１１６は、周期的間隔でＧＰＳ人工衛星から情報を取得する。人工衛星１００の位置が、周期的間隔の間のある時点について確定されることが望まれる場合、位置測定システムからのＧＰＳ情報は、人工衛星の軌道に関する他の情報と組み合わされて、その特定の時点についての人工衛星位置が生成される。こうしたシステムでよくあることだが、位置測定システム１１６から取得される人工衛星１００の位置は、位置測定システム１１６および関連するＧＰＳ人工衛星の限界から生じる、ある量の誤差を含む。一実施形態では、位置測定システム１１６データから導出され、微調整されたデータを使用した人工衛星１００の位置は、数メートル以内でわかっている。この誤差は小さいが、人工衛星１００の位置は、地上画像内のピクセルに関連する地上ロケーションの不確実性に対する比較的大きな要因となることが多い。
【００１７】
姿勢測定システム１２０は、イメージングシステム１４０用の姿勢情報を確定するときに使用される。一実施形態では、姿勢測定システム１２０は、角速度を測定する１つまたは複数のジャイロスコープおよび種々の天体の画像を取得する１つまたは複数のスタートラッカーを含む。スタートラッカーによって取得された画像内の天体のロケーションを使用して、イメージングシステム１４０の姿勢が確定される。スタートラッカーは、実施形態では、イメージングシステム１４０に固定された基準座標系についてロール、ピッチ、およびヨー向き情報を提供するために設置される。位置測定システム１１６に関して先に述べたのと同様に、姿勢測定システムのスタートラッカーは、周期的間隔で画像を取得するように動作する。イメージングシステム１４０の姿勢は、これらの周期的間隔の間で変わる可能性があり、また、実際に変わる。たとえば、一実施形態では、スタートラッカーは、約１０Ｈｚのレートで画像を収集するが、周波数は、増加してもよく、または、減少してもよい。この実施形態では、イメージングシステム１４０は、７ｋＨｚ〜２４ｋＨｚのラインレートで画像を取得するように動作するが、これらの周波数はまた、増加してもよく、または、減少してもよい。いずれにしても、イメージングシステム１４０は、一般に、スタートラッカーより高いレートで動作し、多数の地上画像ピクセルが、連続した姿勢測定と姿勢測定との間でスタートラッカーから採取されることをもたらす。イメージングシステム１４０の姿勢を推定するために、スタートラッカーの連続した画像間の期間についてのイメージングシステム１４０の姿勢は、ジャイロスコープからの角速度情報などの付加的な情報と共にスタートラッカー情報を使用して確定される。ジャイロスコープは、イメージングシステム１４０の角速度を検出するのに使用され、この情報を使用して、イメージングシステム１４０についての姿勢情報が調整される。姿勢測定システム１２０はまた、提供する情報の精度に限界があり、イメージングシステム１４０の姿勢の予想される姿勢の誤差をもたらす。この誤差は、一般に小さいが、地上画像内のピクセルに関連する地上ロケーションの不確実性に対する比較的大きな要因となることが多い。
【００１８】
熱測定システム１２４は、イメージングシステム１４０の熱特性を確定するときに使用される。熱特性は、この実施形態では、イメージングシステム１４０の熱歪を補正するのに使用される。十分に理解されるように、こうした人工衛星ベースのイメージングシステム１４０によって収集される画像に関連する地上ロケーションを確定するときの誤差源は、イメージングシステムの歪である。熱測定システム１２４によって監視される熱変動は、この実施形態では、イメージングシステム１４０の歪を補正するのに使用される。こうした熱変動は、たとえば、人工衛星１００または人工衛星１００の所定部分が、地球または人工衛星１００の他の部分がおとす影によって、日光の中か、または、外に移動するときに起こる。イメージングシステム１４０の構成要素において受け取られるエネルギーの差によって、構成要素が加熱され、それにより、イメージングシステム１４０の歪および／またはイメージングシステム１４０と位置測定システム１１６と姿勢測定システム１２０との間のアライメントの変化が生じる。こうしたエネルギー変化は、たとえば、人工衛星１００のソーラーパネルが、人工衛星本体に対して向きを変えるときに起こる場合があり、イメージングシステム構成要素が、太陽からの余分な放射を受けることをもたらす。人工衛星１００の構成要素部品からの反射、および、地球の影の中と外への人工衛星１００の移動に加えて、地球からの反射エネルギー自体が、イメージングシステム１４０の熱変動を引き起こす場合がある。たとえば、イメージングシステム１４０に対して光を反射している地球の部分が、特に曇っている場合、曇っていない領域にわたって受け取られるエネルギーと比べて、より多くのエネルギーが、人工衛星１００において受け取られ、したがって、さらなる熱歪がもたらされる。熱測定システム１２４は、変化する熱特性を監視し、この情報を使用して、こうした熱歪が補正される。熱測定システム１２４は、提供する情報の精度に限界があり、人工衛星１００のイメージングシステム１４０の熱補正の誤差をもたらす。この誤差は、一般に小さいが、地球の表面の一部分を含む画像内のピクセルの地上ロケーションを確定するのに使用するときに、この誤差はまた、地上ロケーションの不確実性の一因となる。
【００１９】
イメージングシステム１４０からの熱歪に加えて、イメージングシステム１４０の誤差を増加させる大気歪もまた存在する場合がある。こうした大気歪は、２、３を挙げると、加熱、水蒸気、汚染物質、および比較的高いか、または、低い濃度のエーロゾルを含む、撮影される領域に関連する大気内の種々の発生源によって引き起こされる場合がある。これらの大気歪から生じる画像歪は、イメージングシステム１４０によって撮影される領域に関連する地上ロケーション情報を確定するときの、さらなる誤差成分である。さらに、位置、姿勢、および歪情報の誤差に加えて、人工衛星１００が移動する速度は、受信される情報の相対論的歪をもたらす。一実施形態では、人工衛星１００は、約７．５キロメートル／秒の速度で移動する。この速度において、相対論的問題は、比較的小さいが、それでも存在し、一実施形態では、人工衛星１００において収集された画像は、こうした問題を反映するように補正される。この補正は、比較的高い精度で実施されるが、一部の誤差は、相対論的変化の結果としてやはり存在する。この誤差は、一般に小さいが、相対論的問題は、地上画像内のピクセルに関連する地上ロケーションの不確実性に対する比較的大きな要因となることが多い。
【００２０】
位置測定システム１１６、姿勢測定システム１２０、熱測定システム１２４、大気歪、および相対論的変化の加算された誤差は、地上ロケーション計算が、ある程度の不確実性を有することをもたらし、その不確実性は、一実施形態では、約２０メートルである。この不確実性は、典型的な人工衛星イメージングシステムについて比較的小さいが、この不確実性のさらなる低減によって、多数のユーザ用の地上画像の有用性が増加し、画像が、多数の用途で使用されることが可能になることになる。
【００２１】
この実施形態の送信／受信回路１２８は、人工衛星１００および地上局および／または他の人工衛星と通信するためのよく知られている構成要素を含む。人工衛星１００は、一般に、位置測定システム１１６、姿勢測定システム１２０、熱測定システム１２４からの人工衛星情報、ならびに、人工衛星システム１００の監視および制御に使用される他の情報と共に、画像データを送信する。
【００２２】
移動システム１３２は、いくつかのモーメンタムデバイスおよび推力デバイスを含む。モーメンタムデバイスは、当技術分野でより理解されているように、慣性姿勢制御を提供することによる人工衛星１００の制御で利用される。当技術分野で同様に理解されるように、人工衛星位置は、人工衛星１００を種々の軌道位置に配置する、人工衛星上に搭載された推力デバイスによって制御される。移動システムは、人工衛星位置を変更するため、また、ソーラーアレイまたはアンテナの移動、大気抵抗、太陽輻射圧、重力傾斜効果、あるいは他の外部または内部力などのいくつかの環境因子から生じる種々の擾乱を補正するのに使用されてもよい。
【００２３】
人工衛星システム１００はまた、電力システム１３６を含む。電力システムは、人工衛星用の電力を生成するときに使用される任意の電力システムであってよい。一実施形態では、電力システムは、ソーラーパネルにおいて受け取った光から電気を生成するように動作する複数の太陽電池を有するソーラーパネル（図示せず）を含む。ソーラーパネルは、電力システムの残りの部分に接続され、電力システムの残りの部分は、電池、電力レギュレータ、電源、および、太陽との適切なアライメントを維持することによってソーラーパネルからの電力出力を増大させるために、人工衛星１００に対してソーラーパネルの相対的な向きを変えるように動作する回路を含む。
【００２４】
上述したイメージングシステム１４０は、地球の表面の全てまたは一部分を含む画像を収集するのに使用される。イメージングシステム１４０は、一実施形態では、７ｋＨｚ〜２４ｋＨｚの調整可能な周波数でピクセルのラインを収集するように動作するプッシュボタンタイプのイメージャを利用する。イメージングシステム１４０は、異なる波長帯域で画像を収集するように動作する複数のイメージャを含んでもよい。一実施形態では、イメージングシステム１４０は、赤、緑、青、および近赤外帯域用のイメージャを含む。これらの帯域から収集された画像は、組み合わされて、撮影される表面から反射した可視光のカラー画像が生成されてもよい。同様に、任意の１つの帯域または帯域の組み合わせからの画像が利用されて、農業情報、空気品質情報などのような、撮影される表面に関する種々のタイプの情報が得られてもよい。４つの帯域の映像が述べられるが、他の実施形態では、より多いか、または、少ない帯域の映像が収集される。たとえば、赤外および紫外の映像が、画像が使用されることになる用途に応じて収集されてもよい。一実施形態では、イメージングシステム１４０は、ＣＣＤピクセルのアレイを備えるイメージャを含み、各ピクセルは、画像の各ピクセルについて、最高２０４８の輝度レベルを採取し、その後、この輝度を１１ビットのデータで表現することができる。
【００２５】
ここで図３を参照すると、人工衛星システムによって撮影される領域についての地上ロケーション情報を確定するときに使用される動作ステップが、本発明の実施形態について述べられる。一実施形態では、人工衛星は、その軌道経路に沿って連続して画像を収集する。これらの画像は、位置測定システム、姿勢測定システム、および熱測定システムからの情報と共に、１つまたは複数の地上局を介して、画像生成システムに送出され、画像生成システムにおいて、画像ならびに関連する位置、姿勢、および歪情報が、人工衛星システムに関連する任意の他の既知の情報と共に処理される。処理は、いつ起こってもよく、ほぼリアルタイムに行われる。この実施形態では、画像は、基準画像とターゲット画像の両方を含む。先に述べたように、基準画像は、高い精度でわかっているロケーション座標を有する１つまたは複数の地上点に重なる画像であり、ターゲット画像は、高い精度でわかっているロケーション座標を有する地上点に重ならない画像である。図３の実施形態では、ブロック２００で示すように、人工衛星の位置は、第１基準画像について確定される。上述した位置は、第１基準画像が収集された時の人口衛星の軌道位置に関する情報を含み、イントラック情報、クロストラック情報、およびラジアルディスタンス情報を含む。位置は、位置測定システムからの情報および全体の位置情報を改善するのに使用される他の地上情報を使用して確定されてもよい。ブロック２０４にて、イメージングシステムについての姿勢情報が確定される。先に説明したイメージングシステムの姿勢は、イメージングシステムの基準座標系の軌道経路に対するイメージングシステムのピッチ、ロール、ヨー向きを含む。姿勢情報を確定するときに、種々の姿勢測定システム構成要素からの情報が収集される。この情報は、イメージングシステムの姿勢を確定するために解析される。ブロック２０８にて、イメージングシステムについての歪情報が確定される。歪情報は、熱測定システムによって監視された光学構成要素の熱歪変動と共に、イメージングシステムの光学構成要素の既知の分散を含む。歪情報には、地球大気からの歪も含まれる。
【００２６】
位置、姿勢、歪情報の確定に続いて、少なくとも１つの所定の地上点の予想ピクセルロケーションが、ブロック２１２に従って計算される。一実施形態では、この予想ピクセルロケーションは、イメージングシステムの位置、イメージングシステムの姿勢、およびイメージングシステムの歪を使用して確定されて、画像からの少なくとも１つのピクセルの地上ロケーションが計算される。具体的には、位置は、地球表面上でのイメージングシステムのロケーションを提供し、姿勢は、イメージングシステムが、そこから画像を収集する方向を提供し、歪は、熱的、大気的、または相対論的作用が存在しない場合の光線の態様から光線がスキューする量を提供する。イメージングシステムが向いている方向に加えて、イメージングシステムの位置、および、イメージングシステムに対する歪の作用によって、イメージングシステムによって受け取られた光を生成した地球の表面上の理論的ロケーションがもたらされる。この理論的ロケーションは、その後さらに、山の地形などの地球表面上のロケーション表面特徴部に基づいて調整される。この追加の計算が行われ、予想ピクセルロケーションが生成される。
【００２７】
基準画像内のそれぞれの所定の地上点の予想ピクセルロケーションの確定に続いて、ブロック２１６に示すように、基準画像内のそれぞれの所定の地上点の予想ピクセルロケーションとそれぞれの所定の地上点の実際のピクセルロケーションとの比較に基づいて、位置、姿勢、および歪情報の１つまたは複数について、補正因子が計算される。補正因子（複数可）の計算は、以下でより詳細に述べられるであろう。
【００２８】
補正因子（複数可）の計算に続いて、イメージングシステムによって収集された他の画像内の少なくとも１つのピクセルの地上ロケーションが、補正された姿勢、位置、および／または歪情報を使用して計算されてもよい。図３の実施形態では、ターゲット画像のピクセルのロケーション精度が、他の従来方法を使用して達成可能な精度より良好であるある場合に、補正因子（複数可）が利用される。先に説明したように、人工衛星は、全ての軌道にわたって、種々の擾乱および温度変動を有する。そのため、基準画像内の所定の地上点の予想ピクセルロケーションと基準画像内の所定の地上点の実際のピクセルロケーションとの差に基づいて、補正因子（複数可）が計算されるときには、イメージングシステムの位置、姿勢、および歪のさらなる変化は、補正因子（複数可）の精度を下げることになり、最後には、ある時点で、標準的なセンサが導出した測定値を使用して予想したピクセルの地上ロケーションは、補正因子（複数可）を使用して確定した地上ロケーションより正確になる。こうした場合、補正因子（複数可）は、使用されず、標準的なセンサが導出した測定値を使用して予想したピクセルの地上ロケーションは、地上ロケーション情報のために使用される。ブロック２２０で述べるように、第２画像内の１つまたは複数のピクセルの地上ロケーションが、補正因子（複数可）を使用して確定される。こうして、基準画像を採取する前に、かつ／または、後に採取される画像の地上ロケーションは、比較的高い精度で確定されてもよい。さらに、画像を収集しながら、複数の基準画像が、軌道について撮影される場合、それぞれの規準画像から生成される調整因子を利用して、その軌道について撮影された画像の全ての地上ロケーションを確定することが可能である場合がある。
【００２９】
図３に関して述べられる動作ステップの順序は、変更されてもよいことが留意される。たとえば、第２画像は、基準画像が採取される前に採取されてもよい。第２画像が基準画像の採取の前に採取されたとしても、補正因子は、第２画像に適用されてもよい。別の実施形態では、複数の基準画像が撮影され、当てはめアルゴリズムが、各画像内のそれぞれの所定の地上点についての予想ロケーションに適用されて、基準画像の採取と採取との間に採取された種々の画像について、一組の補正因子が導出される。こうした当てはめアルゴリズムは、最小二乗フィットであってよい。
【００３０】
ここで図４を参照すると、本発明の一実施形態についての補正因子（複数可）の確定が、ここで述べられる。先に説明したように、イメージング人工衛星に搭載されたイメージングシステムは、１つまたは複数の所定の地上点に重なる基準画像３００を採取する。それぞれの所定の地上点の地球上のロケーションは、ＷＧ８４などの任意の適切なデータに対して経度、緯度、および高度によって表現されてもよい。こうした所定の地上点は、既知のロケーションを有する地球の画像内に含まれる任意の識別可能な自然または人工の特徴部であってよい。所定の地上点の例は、歩道の角、建物の角、駐車場の角、海岸の特徴部、および島上の識別可能な特徴部を含む。所定の地上点の選択時の１つの考慮点は、それが、所定の地上点を含む領域の画像内で識別するのが比較的容易であることである。画像内の周囲の領域と比較してコントラストの程度が高い、既知のロケーションを有する地点が、望ましいことが多いが、所定の地上点は、コンピューティングシステムか、人ユーザのいずれかによって識別可能である任意の地点であってよい。一実施形態では、画像レジストレーションを使用して、所定の地上点の計算されたロケーションに存在する誤差の大きさが確定される。こうした画像レジストレーションは、一般特徴ベースであり、ライン特徴ベースであり、かつ／または、領域相関ベースであってよい。領域相関ベース画像レジストレーションは、ある地点を中心とした領域のピクセルを評価し、コントロール画像内の同じサイズの領域にその領域を登録する。コントロール画像は、リモートイメージングプラットフォームによって採取されており、実際の領域ロケーションが高い精度でわかっている。領域についての予想ロケーションと領域についての実際のロケーションとの間に存在する誤差の大きさは、補正因子を確定するときに使用される。特徴レジストレーションおよびラインレジストレーションは、建物または歩道の縁などの、画像内のより特異なアイテムを識別し、マッチングさせる。特徴部を引き立たせるすなわち輪郭を描くピクセルのグループが識別され、そのピクセルのグループが、コントロール画像内の同じグループと比較される。一実施形態では、基準画像３００が収集されたときに所定の地上点が目に見える可能性を高くように、cloud cover の可能性が減少するロケーションにおいて、所定の地上点が選択される。
【００３１】
やはり図４を参照すると、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤで示す４つの所定の地上点の予想ピクセルロケーションが、基準画像３００について確定される。図４に示すＡ、Ｂ、Ｃ、およびＤのロケーションは、イメージング人工衛星についての姿勢、位置、歪情報、および、地球ロケーションについての高度などの表面ロケーション情報に基づくＡ、Ｂ、Ｃ、およびＤの予想ピクセルロケーションである。Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、およびＤ’で識別される所定の地上点の実際のピクセルロケーションは、高い精度で事前にわかっている。その後、予想ピクセルロケーションと実際のピクセルロケーションとの差を利用して、補正因子が確定される。一実施形態では、補正因子は、修正されたイメージングシステムの姿勢である。別の実施形態では、補正因子は、修正されたイメージングシステムの姿勢と修正されたイメージングシステムの位置である。なお別の実施形態では、補正因子は、修正されたイメージングシステムの姿勢と修正されたイメージングシステムの位置と修正された歪情報である。イメージングシステムの姿勢、位置、および歪のうちの２つ以上が補正される実施形態では、１つの因子は、別の因子に対してより多くの補正を受けてもよく、実施形態では、姿勢は、比較的大きな補正量を受け、位置および歪は、比較的小さな補正量を受ける。
【００３２】
一実施形態では、補正因子は、イメージングシステムの位置、イメージングシステムの姿勢、イメージングシステムの歪、およびイメージングシステムによって採取される画像の地上ロケーションに関する変数を有する一組の式を解くことによって確定される。イメージングシステムの姿勢が補正される一実施形態では、図３のブロック２００で確定されたイメージングシステムの位置は、正しいと仮定され、図３のブロック２０８で確定されたイメージングシステムの歪は、正しいと仮定され、基準画像からの所定の地上点に相当するピクセルの地上ロケーションは、基準画像内で識別された所定の地上点の既知のロケーションに設定される。その後、式が解かれて、イメージングシステムの補正された姿勢が確定される。その後、この補正された姿勢は、他の画像内のピクセルの地上ロケーションを確定するときに、他の画像で使用される。
【００３３】
一実施形態では、三角測量を使用して、補正されたイメージングシステムの姿勢が計算される。三角測量は、この実施形態では、状態空間推定手法を使用して実施される。三角測量に対する状態空間手法は、最小二乗、事前情報を用いた最小二乗、あるいは、カルマンフィルタなどのストカスティック推定またはベイズ推定を利用してもよい。基本最小二乗手法を利用する実施形態では、位置が正しく、歪が正しく、所定の地上点に相当する基準画像内のピクセルに関連する地上ロケーションが正しいと仮定される。その後、姿勢の問題が解かれ、姿勢が、補正因子として利用される。
【００３４】
別の実施形態では、事前情報を利用した最小二乗手法は、補正因子を確定するために利用される。この実施形態では、イメージングシステムの位置、姿勢、歪、および所定の地上点のピクセルロケーションは、これらの因子のそれぞれに関する事前共分散情報と共に、補正因子を計算するときに利用される。この実施形態では、因子が全て補正されてもよく、各パラメータに対する補正量は、それぞれの共分散によって制御される。共分散は、不確実性の尺度であり、共分散行列によって表されてもよい。たとえば、３×３共分散行列は、イメージングシステムの位置について使用されてもよく、行列の要素は、イメージングシステムのイントラック、クロストラック、およびラジアルディスタンス位置に相当する。３×３行列は、位置情報の各軸についての位置誤差の分散である対角要素を含み、非対角要素は、各要素についての位置誤差間の相関因子である。他の共分散行列は、イメージングシステムの姿勢情報、歪情報、および所定の地上点ロケーションについて生成される。
【００３５】
事前共分散を用いた最小二乗またはカルマンフィルタを使用して、各パラメータについて補正が生成される。さらに、各パラメータに関連する共分散もまた生成される。そのため、改善された姿勢の事後共分散は、たとえば、姿勢矯正に関連する共分散を使用して知られる。
【００３６】
上述したように、一実施形態では、２つ以上の基準画像が、収集され、補正因子を計算するのに利用される。この実施形態では、それぞれの画について補正因子を確定するために、（上述した方法によって）それぞれの画像に独立に三角測量が実施される。その後、これらの補正因子は、収集された画像に関連する地上ロケーションを確定するときに使用するために結合され、地上ロケーションが、所定の地上点を使用することなく確定される。補正因子は、補間、多項式フィット、単純な平均、共分散重み付け平均などのような方法を使用して結合されてもよい。あるいは、（上述した同じ方法を使用して）全ての画像を一緒にして単一の三角測量が実施され、適切な時間枠内で軌道の全スパンに対して適用されることになる大域的補正因子がもたらされる。この大域的補正因子は、所定の地上点を使用することなく任意の画像に適用することができる。
【００３７】
上述した位置パラメータは、正しいか、または、小さな共分散を有すると仮定されるが、補正されたイメージングシステム姿勢情報を確定するときに、他の代替法が、使用されてもよい。上述した実施形態では、イメージングシステム姿勢が選択される。それは、この実施形態では、イメージングシステム姿勢が、不確実性の主要な発生源であるためである。不確実性の主要な発生源を減らすことによって、地上コントロール点に重ならない他の画像に関連する地上ロケーションの精度が増す。イメージングシステム姿勢が、不確実性の主要な発生源でない他の実施形態では、他のパラメータが、適切であれば補正されてもよい。
【００３８】
先に説明したように、一実施形態では、複数の基準画像が、イメージングシステムの特定の軌道から収集される。図５に示すこの実施形態では、種々の画像が、人工衛星地上アクセススワス４００内で収集される。収集された画像には、第１基準画像４０４および第２基準画像４０８が含まれる。基準画像４０４、４０８は、所定の地上点に重なる人工衛星地上アクセススワス内の領域から収集される。実際の所定の地上点を含む領域は、図５のクロスハッチされたコントロール画像４０６、４１０として示される。図５の例では、いずれも所定の地上点に重ならない第３画像４１２および第４画像もまた採取される。画像４１２、４１６は、ターゲット画像である。この実施形態では、第１基準画像４０４に含まれる所定の地上点の実際のロケーションは、第１基準画像４０４に含まれる所定の地上点の予想ロケーションと比較される。第１補正因子は、予想された所定の地上ロケーションと実際の所定の地上ロケーションとの差に基づいて確定される。
【００３９】
同様に、第２基準画像４０８に含まれる所定の地上点の実際のロケーションは、第２基準画像４０８に含まれる所定の地上点の予想ロケーションと比較される。第２補正因子は、予想された所定の地上ロケーションと実際の所定の地上ロケーションとの差に基づいて確定される。その後、上述した第１補正因子と第２補正因子との結合は、ターゲット画像４１２、４１６のそれぞれの画像内の１つまたは複数のピクセルについて地上ロケーションを確定するのに利用されてもよい。
【００４０】
人工衛星のイメージングシステムは、任意の順序で種々の画像を採取するように制御されてもよい。たとえば、人工衛星は、第３および第４画像４１２、４１６を採取し、その後、第１および第２基準画像４０４、４０８を採取してもよい。一実施形態では、画像は、以下の順序で採取される。第１基準画像４０４が採取され、それに続いて、第３画像４１２、それに続いて、第４画像４１６が採取され、最後に、第２基準画像４０８が採取される。この例では、第３および第４画像４１２、４１６について補正因子は、第１および第２補正因子の最小二乗フィットに従って計算される。画像が、異なる順序で採取される場合、類似の技法を利用して、第３および第４画像４１２、４１６について補正因子を計算することは、簡単であり、かつ、十分に当業者の能力の範囲内にあることになる。
【００４１】
先に述べたように、人工衛星は、収集された画像を、地球上に位置する少なくとも１つの地上局に送信する。地上局は、人工衛星が、軌道の一部分について地上局と通信するように位置する。地上局で受信された画像は、地上局で解析されて、画像内のピクセルについてのロケーション情報が確定されてもよく、この情報は、ユーザまたはデータセンタ（以降で受信機と呼ばれる）に送出される。あるいは、地上局において人工衛星から受信された未処理画像は、画像に関連する地上ロケーション情報を確定するために処理されることなく、地上局から受信機に直接送出されてもよい。その後、イメージングシステムの位置、姿勢、および歪に関する情報を含む未処理データは、所定の地上点を含む画像を確定するために解析されてもよい。上述した他の情報と共に、これらの画像内の所定の地上点を使用して、他の画像内のピクセルについての地上ロケーションが計算されてもよい。一実施形態では、インターネットを通じて画像を伝達することによって、画像（複数可）が、受信機に送信される。通常、画像は、圧縮形式で伝達される。受信されると、受信機は、画像に関連する地上ロケーション情報と合わせた地球ロケーションの画像を生成することができる。画像（複数可）を他の方法で受信機に伝達することも可能である。たとえば、画像（複数可）は、磁気ディスク、ＣＤ、テープ、または、他の記録媒体上に記録され、受信機宛に郵送されることができる。必要である場合、記録媒体は、人工衛星の位置、姿勢、および歪情報を含むこともできる。画像のハードコピーを単に生成し、その後、ハードコピーを受信機に郵送することも可能である。ハードコピーは、受信機に、ファックスされるか、または、その他の方法で電子的に送出されることができる。
【００４２】
本発明は、本発明の好ましい実施形態を参照して、特に示され、また、述べられたが、形態および詳細における種々の他の変更が、本発明の技術思想および範囲から逸脱することなく行われてもよいことが当業者によって理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】地球の画像を取得する地球軌道内の人工衛星の線図。
【図２】本発明の実施形態の人工衛星のブロック図。
【図３】本発明の実施形態についての人工衛星画像に関連するロケーション座標を確定するための動作ステップのフローチャート。
【図４】正確なロケーションがわかっている地点をカバーする基準画像の図。
【図５】本発明の実施形態についての、いくつかの撮影された領域を含む経路の図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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