CN100565105C - 一种星载tdiccd相机积分时间计算及调整方法 - Google Patents

Abstract

一种星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法，步骤为：(1)对轨道进行高精度仿真，对卫星在偏流角控制及不同侧摆角下的摄影点位置输出摄影点位置矢量坐标、摄影点斜距、卫星位置矢量仿真数据；(2)对摄影点位置矢量数据进行分析，得到摄影点移动速度；(3)消除摄影点移动速度中的径向速度，得到像移速度；(4)利用像移速度和摄影点斜距，求解积分时间。本发明还给出了TDICCD相关参数设计方法，并且提出了地面指令控制的星上积分时间实时调整方法。本发明将高精度仿真模型和位置矢量微分方法有机结合，消除了传统几何分析计算推导过程中引入的误差，控制了误差传递，提高了计算精度；提出的星上积分时间实时调整方法保证了可靠的积分同步控制。

Description

一种星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法

技术领域

本发明涉及一种星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法，特别是一种基于摄影点位置矢量微分算法的积分时间计算方法和地面指令控制辅助系统自动控制的星上积分时间调整方法。

背景技术

随着成像技术的发展，TDICCD器件开始在航天遥感器中广泛使用。TDI(Time Delay and Integration)-CCD的中文意思是时间延迟积分电荷藕合器件，是近几年发展起来的一种新型光电传感器，与一般线阵CCD相比具有响应度高、信噪比高等特点，采用TDICCD器件作为遥感器焦平面探测器，可以减小光学系统相对孔径，从而减小遥感器的重量和体积。

对于使用TDICCD器件的星载光学遥感器，其成像原理相当于对同一目标多次曝光。TDICCD的工作原理如图1所示，图中以4096像元，48级积分级数的器件为例给出了器件的工作原理图。在图中

表示目标图像向上移动，

表示时间延迟积分方向，↓表示器件寄存器积分方向，进行积分电荷累积填充，在进行48级累加后，最终的成像数据被读出图像寄存器，

表示图像寄存器读出方向。图2对TDICCD的成像原理进行了说明，图中的圆形为目标景物，在第一个曝光积分周期内收集到目标景物后，信号电荷并不直接输出，而是与同列在第二个积分周期内收集到的电荷相加，相加后的电荷移向第三行，依次类推，CCD最后一行(第48行)的像元收集到的信号电荷与前面47次收集到的信号电荷累加后移到输出寄存器中，按普通线阵CCD器件的输出方式进行读出。

由于TDICCD的特殊工作方式，要求同一列上的每一个像元都对同一目标曝光积分，才能保证成像质量。这就要求星载TDICCD相机的积分速率与摄影点像移动速率同步，即像元的积分时间要与像移速度匹配，称CCD的一个行周期(曝光积分)时间为积分时间，用T_int表示。

由于卫星在轨作圆周运动的同时，相机要拍摄的地面景物随地球自转而运动，成像器件与地面景物之间存在相对运动。另外由于卫星的实际运行高度与速度会不断变化，这些变化不仅带来图像比例尺的变化，而且会直接导致拍摄物体在像面移动角速度的变化，进而造成相机的积分时间变化。

因此根据实际运行轨道计算遥感器积分时间，并实时调整更新TDICCD的积分时间，对保证相机的成像质量具有重要的意义。

积分时间的物理解析意义如图3所示，图中的d₀为TDICCD器件的像元尺寸，单位mm；f为星上相机的焦距，单位mm；H为摄影点至卫星的斜距，单位m；d₁为地面像元分辨率，单位m，也即一个积分时间内的地面采样间距，所以积分时间为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1=T_{\mathrm{int}}\×V\\ d_1\×f=d_0\×H\end{array}\right.\⇒T_{\mathrm{int}}\×V=\frac{d_0\×H}{f}\⇒T_{\mathrm{int}}=\frac{d_0\×H}{f\×V}=\frac{d_0/f}{V/H}$

式中T_int为积分时间，单位s；V为摄影目标相对于像面的移动速度，单位m/s，简称像移速度。

从上面可以看出在TDICCD的物理特性d₀和f确定的情况下，只需要求得摄影目标的移动速度V以及卫星与摄影目标的距离H即可求得对应的积分时间。所以积分时间高精度求解就转化为如何高精度地求出V和H的问题。

现有的方法使用卫星的速度、位置等数据经过几何变换推导目标景物的速度，进而求得积分时间。由于方法中的推导过程没有考虑地球扁率，摄影距离H一般选取定值，导致误差传递较大，实时性差，精度很难控制在5‰之内，尤其对于机动性能较强或者具有偏流角控制功能的高分辨率卫星，算法的误差会更大。

对相关文献检索如下：袁孝康，《星载TDICCD推扫相机的偏流角计算与补偿》，上海航天，2006(06)，10～13；翟林培等，《考虑飞机姿态角时倾斜航空相机像移速度计算》，光学精密工程，2006(06)，490～494；王家骐等，《航天光学遥感器像移速度矢计算数学模型》，光学学报，2004(12)，1585～1589。在这些文章中均利用几何推导的方式进行积分时间的计算并基于几何计算过程进行误差分配，对不同姿态下的成像使用转移矩阵进行分析。缺点是这些几何推导本身在计算时没有考虑地球扁率，会引入误差，有的在推导时使用了地面像元分辨率与像移速度的比值来计算积分时间，没有考虑在侧摆时地面像元采样间距的变化，所以尤其在进行侧摆状态的摄影计算时会给整个系统带来较大的误差，导致积分时间计算的精度不高。

另外，目前卫星的星上积分时间的调整方法为星上GPS(全球导航定位系统)接收机实时计算积分时间，自动引入积分时间代码进行积分时间调整。此调整方法在功能失效或数据异常时，会造成TDICCD相机无法获得实时积分时间，带来图像模糊及成像质量下降。因此考虑整星的可靠性及保证成像质量，需要有地面备份的积分时间调整方法，以保证可靠的积分时间同步控制。

发明内容

本发明的技术解决问题是：首先本发明克服现有积分时间计算精度方面的不足，提供一种基于星下点及侧摆后摄影点位置矢量微分算法的积分时间计算方法，该方法考虑了卫星侧摆和轨道高度变化及地球扁率的影响，避免了积分时间计算过程中的误差传递，提高了计算精度。

其次本发明基于积分时间计算结果给出了积分时间分层值、积分时间刷新频率、积分时间量化等级的选取方法，用于进行与积分时间有关的指标论证。

最后，基于积分时间的计算方法提出了地面指令控制的星上积分时间实时调整方法，形成地面积分时间备份控制方案，能够保证可靠的星上积分时间同步控制。

本发明的技术解决方案是：一种星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法，其特征在于积分时间计算步骤如下：

(1)对轨道进行高精度仿真，对卫星在偏流角控制及不同侧摆角下的摄影点位置输出仿真数据，仿真数据包括摄影点位置矢量坐标、摄影点至卫星的斜距H、卫星的位置矢量数据；

(2)对步骤(1)的摄影点位置矢量数据进行分析，得到摄影点移动速度

的解析表达式为

$\stackrel{\→}{V}=\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{{[x-x^{\′},y-y^{\′},z-z^{\′}]}^T}{\mathrm{\Δt}}$

其中x-x′，y-y′，z-z′为两相邻摄影点坐标之差值，Δt为时间步长，[]^T表示矩阵转置；

(3)步骤(2)得到的摄影点移动速度

消除径向速度

后得到的像移速度

为

$\stackrel{\→}{V_t}=\stackrel{\→}{V}-\stackrel{\→}{V_n}$

其中径向速度

为摄影点速度

在摄影方向上的投影：

$\stackrel{\→}{V_n}=\stackrel{\→}{V}\·\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|}$

式中

为步骤(1)仿真得到的卫星位置矢量数据，即[X，Y，Z]^T，[]^T表示矩阵转置；

(4)利用步骤(3)得到的像移速度

和步骤(1)得到的摄影点斜距H，求解积分时间：

$T_{\mathrm{int}}=\frac{d_0/f}{\left|{\stackrel{\→}{V}}_t\right|/H}$

式中d₀为TDICCD相机的像元尺寸，f为星上相机的焦距，

为像移速度

的模，H为摄影点至卫星的斜距；其中d₀和f为TDICCD相机光学系统的已知参数。

得到积分时间后，还可对星上积分时间进行实时调整，调整方法为：得到的积分时间按照如下公式生成积分时间代码DM：

DM＝DEC2HEX(T_int×K)

式中，DM为十六进制的积分时间代码，DEC2HEX为十进制转变为十六进制的转换函数，K为不同仪器的代码转换系数；

然后结合摄影时刻和得到的积分时间，形成积分时间调整的程控指令，把最终指令代码送往卫星执行。

根据步骤(4)可以得到卫星设计轨道下不同摄影高度、不同侧摆角情况下的最大积分时间T_int(max)、最小积分时间T_int(min)及1秒内最大积分时间变化值ΔT_int，进一步可对与积分时间有关的参数指标进行设计，所述的参数设计包括积分时间量化分层值选择、积分时间刷新频率选择、积分时间量化等级选择。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明将高精度仿真模型和位置矢量微分方法有机结合，消除了传统几何分析计算推导过程中未考虑地球扁率及侧摆时地面像元采样间距变化引入的误差，控制了误差传递，提高了计算精度，并且实时性高。

(2)本发明通过消除摄影点移动速度中的径向速度，进一步提高了积分时间计算精度。

(3)本发明从积分时间的几何意义出发，采用遥感器像元的角视场(d₀/f)除以像移角速度

的概念求解积分时间，克服了以往用固定的地面采样间距GSD(ground sample distance)除以

得到积分时间的低精度缺陷。

(4)本发明基于积分时间计算方法提出的星上实时调整积分时间的地面备份调整方案，提高了整星动态成像的可靠性和成像质量，保证了可靠的积分同步控制。

(5)本发明适用于不同轨道高度、星下点及卫星不同姿态角、有偏流角控制的情况，具有计算遥感器实时或外推轨道下高精度积分时间的特点，对TDICCD相机在轨获得高质量的图像数据具有重要作用。

附图说明

图1为TDICCD工作原理图；

图2为TDICCD成像原理图；

图3为本发明的积分时间物理解析意义示意图；

图4为本发明的积分时间计算方法流程图；

图5为本发明侧摆后的卫星摄影示意简图；

图6为本发明的STK仿真过程示意图；

图7为本发明的轨道仿真输出参数示意图；

图8为本发明的仿真输出数据图像；

图9为本发明的矢量微分分析图；

图10为本发明的摄影点移动速度数据图像(三个方向分量与合速度)；

图11为本发明的径向速度消除示意图；

图12为本发明的径向速度

示意图；

图13为本发明的像移速度示意图；

图14为本发明的十进制量化积分时间示意图；

图15为备份星上积分时间实时调整方法流程图。

具体实施方式

TDICCD相机积分时间计算方法流程如图4所示，包括高精度轨道仿真、摄影点位置矢量数据计算、径向速度消除、求解积分时间四个过程。

(1)高精度轨道仿真

首先使用高精度轨道仿真软件进行矢量仿真，本实施例中使用的软件为STK。在STK中输入卫星轨道根数，在卫星中建立遥感器，设置遥感器安装角模拟TDICCD相机成像，由于仿真中遥感器本身只能提供视轴与地球交点的经度、纬度、斜距数据和遥感器包络与地球相交曲线(pattern intersection)的位置矢量数据，所以在建模时使用了视场角为0度的遥感器，这样就利用遥感器包络间接得到了遥感器视轴与地球的交点(即摄影点)坐标值(x，y，z)。侧摆后的卫星摄影如图5所示，a为视轴，p为视轴与地球托球表面的相交点(boresight intersection)，θ为侧摆角。

STK仿真流程如图6所示，仿真使用HPOP(High Precision Orbit Predict)高精度轨道外推模型，选择JGM3地球引力模型(21阶)，考虑太阳辐射光压和阻尼作用，阻尼系数取2.0。

对轨道进行高精度仿真的步骤如下：

a、输入卫星轨道参数，设置仿真时间；所述的卫星轨道参数包括历元时刻、半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、降交点经度、真近点角；

b、添加遥感器，设置其视场角为0度；

c、判断遥感器与卫星是否有安装角，若有，则输入安装角，转入下一步；若无，则直接转入下一步；

d、判断星体是否侧摆，若是，则基于卫星坐标系设置遥感器指向的欧拉角，然后转入下一步；若否，则直接装入下一步；

e、设置轨道为高精度轨道外推模型HPOP；

f、选择地球引力模型和阻尼系数；

g、在遥感器下选择包络相交线输出项，获得摄影点坐标(x，y，z)和摄影点斜距H；

h、在卫星下选择输出项，获得卫星的位置坐标(X，Y，Z)；

i、保存输出数据，结束仿真。

本实施例输入的参数如下表所示：

历元时刻	2006年4月9日23时59分46秒
		半长轴(单位：公里)	6939.795
偏心率	0.00063
		轨道倾角(单位：度)	97.798
近地点幅角(单位：度)	184.016
		降交点经度(单位：度)	43.922
真近点角(单位：度)	135.978

仿真输出的数据有：在地心固连坐标系(WGS84)下的摄影点坐标(x，y，z)，摄影点与卫星的距离H以及卫星的位置数据(X，Y，Z)，如图7所示为卫星位置、摄影点的轨道仿真输出参数示意图。本实施例以20度侧摆为例给出了8个小时(28800s)的仿真数据，仿真输出结果为时变的矢量数据，摄影点坐标(x，y，z)以及摄影点与卫星距离H的变化曲线如图8所示。

由于STK的模型中应用了高精度地球椭球模型，仿真时又通过设置传感器基于卫星本体坐标系的欧拉角来描述卫星侧摆摄影，所以输出的数据即为融合地球椭球模型和偏流角控制的摄影点矢量数据。

(2)摄影点位置矢量数据计算

如图9所示为矢量微分分析图，卫星在Δt内由S飞行到S′的时候，地面的摄影点从P点移动到P′点，故摄影点位移为推出以微分求得摄影点移动速度为：

所以Δt取无穷小时

的值即为地面摄影点的速度值，本例中Δt取1s，如图10所示为微分计算后得到的三个速度分量及摄影点移动速度标量变化曲线图。

(3)径向速度消除

如图11所示为径向速度消除示意图，在得到摄影点移动速度以后对照成像原理为了得到像移速度还需要对摄影点速度中的径向速度(在视轴方向上的投影速度分量)进行消除。图11中

为摄影点移动速度，则径向速度 $\stackrel{\→}{V_n}=\stackrel{\→}{V}\·\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|},$ 其中的为(1)中仿真得到的卫星位置矢量数据，向量表示为[X，Y，Z]^T，

为此矢量的模。如图12所示为计算得到的径向速度

数据曲线图。

进而得到像移速度

为：

$\stackrel{\→}{V_t}=\stackrel{\→}{V}-\stackrel{\→}{V_n}$

如图13所示为像移速度的图像。

(4)求解积分时间

利用步骤(3)得到的像移速度

和步骤(1)得到的摄影点与卫星的距离H，即可求得TDICCD的实时积分时间：

$T_{\mathrm{int}}=\frac{d_0/f}{\left|{\stackrel{\→}{V}}_t\right|/H}$

式中d₀为TDICCD相机的像元尺寸，f为星上相机的焦距，

为像移速度

的模，H为摄影点斜距，也就是摄影点与卫星的距离；其中d₀和f为TDICCD相机光学系统的已知参数。

计算出该星载TDICCD相机的积分时间后，对与积分时间有关的参数指标设计如下：

(a)积分时间量化分层值选择方法

根据步骤(4)可以得到卫星设计轨道下不同摄影高度、不同侧摆角情况下的最大T_int(max)、最小T_int(min)积分时间及1秒内最大积分时间变化值ΔT_int，本例中T_int(max)＝0.3764ms，T_int(min)＝0.2392ms。为了保证积分时间精度满足总误差小于5‰的要求，进行A/D量化的最小分层值应能敏感5‰的积分时间变化，因此积分时间量化分层值A应满足：

A≤最小积分时间T_int(min)×5‰/2

按照以上原则得到本实施例的积分时间量化值应小于0.598us/分层值。

(b)积分时间刷新频率选择方法

根据(a)得到1秒内最大积分时间变化值ΔT_int，为保证在每次刷新间隔内积分时间变化不大于一个分层值，因此1s内积分时间刷新频率η为：

$\mathrm{\η}\≤\left[\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{int}}}{A}\right]$

[]表示数据向上取整。

(c)积分时间量化等级选择方法

根据(a)得到的最大T_int(max)积分时间、最小T_int(min)积分时间，按照如下公式进行积分时间量化等级B的选取：

B≥(T_int(max)-T_int(min)/A

由于A/D量化是用二进制表示的，并考虑工程上50％的余量，因此上式的输出结果应向上规整到n，n为8，10，16，32。本例为10比特量化，十进制表示的积分时间代码变化曲线如图14所示，计算误差小于2.5‰，符合TDICCD的5‰积分同步精度要求。该结果也说明了本发明完全可以高效地用于各种卫星姿态下的积分时间计算，并验证、指导星上实时积分时间算法的设计。

本发明根据上述的积分时间计算方法，还提出了地面指令辅助控制的星上积分时间实时调整方法，星上积分时间实时调整方法流程如图15所示。

(1)已知摄影点(目标)的开关机时间，将轨道根数输入到轨道仿真软件，设置侧摆角，根据摄影点(目标)的开关机时间设置仿真开始和结束时刻，输出摄影时刻和侧摆角度下的轨道仿真数据，即摄影点位置(x，y，z)、摄影点距卫星的斜距H和卫星位置(X，Y，Z)。

(2)根据步骤(1)的结果，采用本发明的矢量微分方法计算摄影时刻的积分时间。按以下公式生成积分时间代码DM

DM＝DEC2HEX(T_int×K)

式中，DM为十六进制的积分时间代码，DEC2HEX为十进制转变为十六进制的转换函数，K为不同仪器的代码转换系数，本例为1500。按此公式，如果积分时间为0.2392ms时，积分时间代码为0166H。

(3)结合摄影时刻和得到的高精度积分时间，形成积分时间调整的程控指令，方法如下：

假设摄影时刻为y年m月d日h时min分sec秒，已知卫星计时开始时刻为2004年1月1日0时0分0秒，指令代号为0E04。则程控指令时间TT为：

TT＝DEC2HEX(当前天至2004年1月1日的天数×24×3600+h×3600+min×60+sec)本实施例选择摄影时刻为2007年6月8日6时26分36秒，则TT为0675939CH积分时间代码为0166H。程控指令的代码的组成为：

TT+0E04+DM

本实施例形成的最终指令代码为0675939C0E040166，最后送卫星执行。

本发明的调整方法形成了地面积分时间备份控制方案，保证了可靠的星上积分时间同步控制。

Claims (9)

1、一种星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法，其特征在于积分时间计算步骤如下：

(1)对轨道进行高精度仿真，对卫星在偏流角控制及不同侧摆角下的摄影点位置输出仿真数据，仿真数据包括摄影点位置矢量坐标、摄影点至卫星的斜距H、卫星的位置矢量数据；所述的高精度仿真使用STK仿真工具，对轨道的高精度仿真步骤如下：

a、输入卫星轨道参数，设置仿真时间；所述的卫星轨道参数包括历元时刻、半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、降交点经度、真近点角；

b、添加遥感器，设置其视场角为0度；

c、判断遥感器与卫星是否有安装角，若有，则输入安装角，转入下一步；若无，则直接转入下一步；

d、判断星体是否侧摆，若是，则基于卫星坐标系设置星体的姿态滚动角、俯仰角及偏航角，然后转入下一步；若否，则直接转入下一步；

e、设置轨道为高精度轨道外推模型HPOP；

f、选择地球引力模型和阻尼系数；

g、在遥感器下选择包络相交线输出项，获得星下点或侧摆后的摄影点坐标和摄影点至卫星的斜距；

h、在卫星下选择输出项，获得卫星的位置坐标；

(2)对步骤(1)的摄影点位置矢量坐标进行分析，得到摄影点移动速度

的解析表达式为

$\stackrel{\→}{V}=\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{{[x-x^{\′},y-y^{\′},z-z^{\′}]}^T}{\mathrm{\Δt}}$

其中x-x′，y-y′，z-z′为两相邻摄影点坐标之差值，Δt为时间步长，[]^T表示矩阵转置；

(3)步骤(2)得到的摄影点移动速度

消除径向速度后得到的像移速度

为

$\stackrel{\→}{V_t}=\stackrel{\→}{V}-\stackrel{\→}{V_n}$

其中径向速度

为摄影点移动速度

在摄影方向上的投影：

$\stackrel{\→}{V_n}=\stackrel{\→}{V}\·\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|}$

式中

为步骤(1)仿真得到的卫星位置矢量数据，即[X，Y，Z]^T，[]^T表示矩阵转置；

(4)利用步骤(3)得到的像移速度

和步骤(1)得到的摄影点至卫星的斜距H，求解积分时间：

$T_{\mathrm{int}}=\frac{d_0/f}{\left|{\stackrel{\→}{V}}_t\right|/H}$

式中d₀为TDICCD相机的像元尺寸，f为TDICCD相机的焦距，

为像移速度

的模，H为摄影点至卫星的斜距；其中d₀和f为TDICCD相机光学系统的已知参数。

2、根据权利要求1所述的星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法，其特征在于：得到积分时间后，对星上积分时间进行实时调整，调整方法为：得到的积分时间按照如下公式生成积分时间代码DM：

DM＝DEC2HEX(T_int×K)

式中，DM为十六进制的积分时间代码，DEC2HEX为十进制转变为十六进制的转换函数，K为不同仪器的代码转换系数；

然后结合摄影时刻和得到的积分时间，形成积分时间调整的程控指令，把最终指令代码送往卫星执行。

3、根据权利要求1所述的星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法，其特征在于：根据步骤(4)得到卫星设计轨道下不同摄影高度、不同侧摆角情况下的最大积分时间T_int(max)、最小积分时间T_int(min)及1秒内最大积分时间变化值ΔT_int，进一步对与积分时间有关的参数指标进行设计，所述的参数指标包括积分时间量化分层值选择、积分时间刷新频率选择、积分时间量化等级选择。

4、根据权利要求1所述的星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法，其特征在于：在仿真建模时使用视场角为0度的遥感器，利用该遥感器的包络得到遥感器视轴与地球的交点的坐标值，所述的遥感器视轴与地球的交点即为摄影点。

5、根据权利要求1所述的星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法，其特征在于：所述步骤(2)的摄影点位置矢量坐标进行分析为：卫星在Δt内由S飞行到S′的时候，地面的摄影点从P点移动到P′点，所以摄影点位移为

推出以摄影点位置微分求得摄影点移动速度为：

Δt取无穷小时

的值即为地面摄影点的速度值。

6、根据权利要求1或5所述的星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法，其特征在于：取Δt为1s。

7、根据权利要求3所述的星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法，其特征在于：所述的积分时间量化分层值A应满足：

A≤最小积分时间T_int(min)×5‰/2。

8、根据权利要求3所述的星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法，其特征在于：所述的积分时间刷新频率选择方法为：在每次刷新间隔内积分时间变化不大于一个分层值，即1s内积分时间刷新频率η为

$\mathrm{\η}\≤\left[\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{int}}}{A}\right]$

[]表示数据向上取整。

9、根据权利要求3所述的星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法，其特征在于：所述的积分时间量化等级B选择方法为：

B≥(T_int(max)-T_int(min))/A

B值向上规整到n，n为8，或10，或16，或32；式中A为积分时间量化分层值。

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