星載擺掃式光學(xué)相機(jī)圖像定位驗(yàn)證系統(tǒng)及處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及對(duì)地遙感光學(xué)衛(wèi)星圖像定位技術(shù)驗(yàn)證領(lǐng)域，具體地，設(shè)及星載擺掃式 光學(xué)相機(jī)圖像定位驗(yàn)證系統(tǒng)及處理方法。更具體的說(shuō)，本發(fā)明設(shè)及一種Ξ軸穩(wěn)定光學(xué)遙感 衛(wèi)星在軌高精度定位的地面驗(yàn)證方法，可用于星地一體化圖像定位技術(shù)有效性評(píng)估和性能 驗(yàn)證，也可W用于指導(dǎo)工程樣機(jī)優(yōu)化研制。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)地靜止軌道Ξ軸穩(wěn)定光學(xué)遙感衛(wèi)星軌道高度高，與星下點(diǎn)的距離約36000km，如 果星上相機(jī)對(duì)地指向因外界影響即使產(chǎn)生小的偏移比如2祉rad,影響其星下點(diǎn)指向地面的 地理經(jīng)締度位置偏移約1km。隨著星載相機(jī)圖像空間分辨率和探測(cè)需求的不斷提高，圖像定 位的指標(biāo)要求也越來(lái)越高，其性能將直接反映一個(gè)國(guó)家定量化遙感業(yè)務(wù)應(yīng)用的能力水平， 運(yùn)關(guān)系到比如氣象衛(wèi)星的天氣診斷、云圖分析等，W及目標(biāo)識(shí)別和軌跡跟蹤等。目前遙感衛(wèi) 星圖像所能實(shí)現(xiàn)的定位性能將直接反映一個(gè)國(guó)家航天遙感應(yīng)用的能力水平。
[0003] 美國(guó)率先于1994年發(fā)射了第一顆Ξ軸穩(wěn)定地球同步軌道氣象衛(wèi)星G0ES-I，GIBBS 等人在"GOESImagenavigationandRegistration"(見(jiàn)SatMagazine,2008年）論文中表 明在軌熱變形的日指向變化量最大可達(dá)6(K)yrad，系統(tǒng)偏差約幾kyrad等，各種誤差綜合影 響遠(yuǎn)大于定位精度的要求（112yrad)，需要在軌進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形影響校正。美國(guó)陸續(xù)發(fā)射的前 五顆星的圖像定位應(yīng)用效果都不甚理想，歷時(shí)11年的在軌持續(xù)改進(jìn)，到2006年發(fā)射的第6顆 Ξ軸穩(wěn)定衛(wèi)星G0ES-13性能才有明顯改善。當(dāng)前地球靜止軌道光學(xué)遙感衛(wèi)星的圖像定位技 術(shù)美國(guó)研究較多，主要通過(guò)在軌試驗(yàn)，而中國(guó)在此領(lǐng)域應(yīng)用尚屬空白，無(wú)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。圖 像定位技術(shù)設(shè)及到有效載荷、姿軌控、地面處理等分系統(tǒng)，星地關(guān)系相對(duì)比較復(fù)雜，只有各 系統(tǒng)齊全且功能完備的情況下，方能進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估。
[0004]采用本發(fā)明可W有效模擬衛(wèi)星在軌狀態(tài)W及星地一體化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，衛(wèi)星發(fā)射前 方便準(zhǔn)確的對(duì)圖像定位技術(shù)進(jìn)行有效性評(píng)估和性能驗(yàn)證。目前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)同本發(fā)明類(lèi)似技術(shù) 的說(shuō)明或報(bào)道，也尚未收集到國(guó)內(nèi)外類(lèi)似的資料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種Ξ軸穩(wěn)定光學(xué) 遙感衛(wèi)星在軌高精度定位的地面驗(yàn)證方法，可用于星地一體化圖像定位技術(shù)有效性評(píng)估和 性能驗(yàn)證，也可W用于指導(dǎo)工程樣機(jī)的研制。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種星載擺掃式光學(xué)相機(jī)圖像定位地面驗(yàn)證系統(tǒng)， 包括如下裝置：
[0007]光學(xué)相機(jī)主體:相機(jī)具有可見(jiàn)光、紅外等多通道成像探測(cè)能力，采用可見(jiàn)通道觀少 量恒星W獲得嚴(yán)密的相機(jī)成像模型，進(jìn)而根據(jù)通道間的配準(zhǔn)精度建立相機(jī)內(nèi)部通道間幾何 關(guān)系。
[000引方位調(diào)整支架:根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境遮擋條件，調(diào)節(jié)相機(jī)的視場(chǎng)指向保證視場(chǎng)可用 范圍。
[0009] 相機(jī)管控單元：用于相機(jī)正常工作所需的時(shí)序、信息流、測(cè)控流等管理工作，并在 下傳的遙感圖像中包含探測(cè)器曝光時(shí)刻，感應(yīng)同步器轉(zhuǎn)角測(cè)量值等。
[0010] 地面綜測(cè)設(shè)備:為相機(jī)單機(jī)供電、對(duì)相機(jī)進(jìn)行遙測(cè)、遙控、數(shù)據(jù)注入和調(diào)試等;接收 相機(jī)的遙感圖像輸出數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)、解包，W及快速顯示等。
[0011] 授時(shí)系統(tǒng)：用于對(duì)相機(jī)管控單元進(jìn)行授時(shí)，保證相機(jī)曝光時(shí)刻和中國(guó)北京時(shí)同步， 用于后續(xù)的圖像定位處理和性能驗(yàn)證評(píng)估。
[0012] 相機(jī)工作指令生成器：用于根據(jù)相機(jī)不同的工作模式，W及觀星指向需求，生成相 應(yīng)的相機(jī)工作指令，通過(guò)地面綜測(cè)設(shè)備上注至相機(jī)管控單元。
[0013]圖像定位處理與性能驗(yàn)證評(píng)估系統(tǒng)：用于對(duì)相機(jī)下傳數(shù)據(jù)的有效性，圖像定位的 性能進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種星載擺掃式光學(xué)相機(jī)圖像定位驗(yàn)證處理方 法，其特征在于，包括如下步驟：
[0015]步驟1:編排相機(jī)恒星敏感星歷，利用地面授時(shí)系統(tǒng)通過(guò)地面綜測(cè)設(shè)備對(duì)相機(jī)管控 單元進(jìn)行授時(shí)，保證相機(jī)曝光時(shí)刻和中國(guó)北京時(shí)同步，W建立恒星成像點(diǎn)與慣性空間恒星 方位的--對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0016] 步驟2:根據(jù)當(dāng)時(shí)觀測(cè)時(shí)刻的星歷圖，由相機(jī)工作指令生成器根據(jù)相機(jī)工作模式及 觀星指向需求，生成相應(yīng)的相機(jī)工作指令，通過(guò)地面綜測(cè)設(shè)備上注至相機(jī)管控單元。相機(jī)管 控單元接收到地面指令后，控制相機(jī)擺鏡對(duì)已知恒星天區(qū)進(jìn)行觀測(cè)成像，下傳遙感圖像中 包含探測(cè)器曝光時(shí)刻，感應(yīng)同步器轉(zhuǎn)角測(cè)量值等。地面綜測(cè)設(shè)備對(duì)相機(jī)下傳的遙感圖像存 儲(chǔ)、解包，傳送至圖像定位處理與性能驗(yàn)證評(píng)估系統(tǒng)中進(jìn)行后續(xù)處理。
[0017]步驟3:拍攝一帖圖像內(nèi)含Ξ顆恒星點(diǎn)，并與編排的星歷恒星編號(hào)相匹配，為建立 相機(jī)相對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地的安裝方位提供數(shù)據(jù)支持；
[0018]步驟4:對(duì)圖像內(nèi)恒星像點(diǎn)采用重屯、算法獲得其在探測(cè)器陣列中的準(zhǔn)確位置，精計(jì) 算其對(duì)應(yīng)的擺鏡轉(zhuǎn)角，根據(jù)相機(jī)光路模型將圖像坐標(biāo)系中恒星像點(diǎn)位置轉(zhuǎn)化為探測(cè)器矢 量，進(jìn)而得到該像點(diǎn)的視線矢量在試驗(yàn)場(chǎng)地東南系下的表示，其中試驗(yàn)場(chǎng)地東南坐標(biāo)系0-XYZW測(cè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，地球的楠球體法線向上為坐標(biāo)系Z軸，坐標(biāo)系Y軸指向地理北，坐標(biāo) 系X軸指向地理東，構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系；
[0019]步驟5:根據(jù)編排已知的恒星星歷表，獲得所攝已知星歷編號(hào)的恒星在第二赤道坐 標(biāo)系下的坐標(biāo)表示。第二赤道坐標(biāo)系的主點(diǎn)為春分點(diǎn)，它是黃道對(duì)赤道的升交點(diǎn)，過(guò)春分點(diǎn) 的赤經(jīng)圈就是該坐標(biāo)系的主圈，春分點(diǎn)的時(shí)圈與天體時(shí)圈的球面角為赤締β，赤經(jīng)是由春分 點(diǎn)開(kāi)始按逆時(shí)針?lè)较蚨攘繌?到24h;
[0020] 步驟6:對(duì)所攝已知編號(hào)恒星計(jì)算從慣性空間的恒星方位到試驗(yàn)場(chǎng)地東南坐標(biāo)系 矢量轉(zhuǎn)換，包括從第二赤道坐標(biāo)系到J2000坐標(biāo)系矢量轉(zhuǎn)換、地球固連坐標(biāo)系、試驗(yàn)場(chǎng)地東 南坐標(biāo)系矢量轉(zhuǎn)換；
[0021] 步驟7:根據(jù)慣性空間恒星方位W及相機(jī)光路模型，建立慣性空間的恒星方位與圖 像中恒星像點(diǎn)坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)幾何關(guān)系；
[0022] 步驟8:通過(guò)一帖圖像內(nèi)含Ξ顆恒星點(diǎn)，估算相機(jī)本體系相對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地東南坐標(biāo)系 的安裝矩陣；
[0023] 步驟9:根據(jù)編排的相機(jī)恒星敏感星歷，控制相機(jī)對(duì)天區(qū)進(jìn)行其它恒星觀測(cè)，觀測(cè) 星圖傳送至圖像定位處理與性能驗(yàn)證評(píng)估系統(tǒng)中，重復(fù)步驟4至步驟7,建立所有相機(jī)觀測(cè) 的恒星像點(diǎn)與已知編號(hào)恒星的一一對(duì)應(yīng)空間相對(duì)位置關(guān)系，進(jìn)行后續(xù)處理和性能驗(yàn)證；
[0024] 步驟10:繪制所觀恒星的空間位置分布圖，選取視場(chǎng)邊緣3~4個(gè)恒星點(diǎn)(模擬在軌 恒星觀測(cè)區(qū)域)用于解算基于稀疏控制點(diǎn)的嚴(yán)密成像定位模型參數(shù)，建立星地一體化定位 模型；
[0025] 步驟11:任選相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)其它恒星，W步驟10所得星地一體化定位模型，（模擬地 球表面觀測(cè)對(duì)象)評(píng)估全視場(chǎng)內(nèi)不同方位的定位精度。
[0026] 所述步驟1包括如下步驟：
[0027] 步驟1.1:根據(jù)相機(jī)探測(cè)信噪比和觀星等能力，編排相機(jī)外場(chǎng)觀星的星歷表；
[0028] 步驟1.2:地面授時(shí)系統(tǒng)對(duì)相機(jī)授時(shí)，如相機(jī)探測(cè)器曝光、測(cè)角等時(shí)鐘與北京時(shí)同 步，W建立相機(jī)觀恒星像點(diǎn)與慣性空間恒星之間準(zhǔn)確的時(shí)空關(guān)系；
[0029] 所述步驟4包括如下步驟：
[0030] 步驟4.1:提取照片像點(diǎn)位置、擺鏡轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，及對(duì)應(yīng)時(shí)刻；
[0031 ]步驟4.2:對(duì)相機(jī)成像點(diǎn)進(jìn)行崎變修正，得到相機(jī)像點(diǎn)在探測(cè)器坐標(biāo)系中矢量；
[0032] 步驟4.3:將步驟4.2所得矢量轉(zhuǎn)換到試驗(yàn)場(chǎng)地東南系，其中，相機(jī)本體系到試驗(yàn)場(chǎng) 地東南系的安裝矩陣為未知量，通過(guò)一帖圖像內(nèi)含Ξ顆恒星點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)預(yù)識(shí)別。
[0033] 單帖圖像內(nèi)若只存在單顆恒星，由于相機(jī)內(nèi)部裝配偏差、試驗(yàn)場(chǎng)地安裝偏差較大， 很難直接將所觀測(cè)恒星匹配到正確的恒星編號(hào)，所述的拍攝一帖圖像內(nèi)含Ξ顆恒星點(diǎn)與編 排的星歷恒星編號(hào)相匹配的方法采用星圖匹配;而拍攝一帖圖像內(nèi)含單顆恒星點(diǎn)與編排的 星歷恒星編號(hào)相匹配的方法利用步驟8所得安裝矩陣建立初步的相機(jī)定位模型，對(duì)所提取 的恒星像點(diǎn)空間位置進(jìn)行估算推測(cè)，結(jié)合星等亮度，正確建立相機(jī)恒星像點(diǎn)與已知編號(hào)恒 星的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，避免誤匹配影響星載擺掃式相機(jī)成像模型參數(shù)識(shí)別精度。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0035] 本發(fā)明采用在外場(chǎng)對(duì)恒星觀測(cè)處理，用于對(duì)地遙感衛(wèi)星的星地一體化圖像定位技 術(shù)有效性評(píng)估和性能驗(yàn)證，也可W用于指導(dǎo)工程樣機(jī)優(yōu)化研制。本發(fā)明解決了星載相機(jī)在 軌圖像定位技術(shù)地面進(jìn)行驗(yàn)證的實(shí)際工程問(wèn)題，保證了高精度圖像定位技術(shù)的有效性。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 通過(guò)閱讀參照W下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0037] 圖1為星載擺掃式光學(xué)相機(jī)圖像定位驗(yàn)證處理方法流程圖；
[0038] 圖2為星載擺掃式光學(xué)相機(jī)圖像定位驗(yàn)證系統(tǒng)工作原理圖；
[0039] 圖3為星載擺掃式光學(xué)相機(jī)圖像定位試驗(yàn)恒星觀測(cè)空間分