CN102207384A - 一种偏场ccd双相机组合的地面成像投影的测定方法 - Google Patents

Abstract

一种偏场CCD双相机组合的地面成像投影的测定方法，步骤为：(1)利用经纬仪定位整星基准立方镜，建立星体坐标系；(2)利用经纬仪定位相机基准立方镜，求得相机坐标系在星体坐标系下的安装矩阵；(3)利用经纬仪通过对CCD最边缘四个角点的测量确定偏场CCD视轴的指向矢量，从而求得相机视轴在星体坐标系下的矢量数据；(4)根据相机中各CCD的偏场角度，基于相机坐标轴，利用视轴空间旋转的方式建立图像投影坐标轴在星体坐标系下的矢量数据；(5)根据步骤(4)的结果得到图像投影坐标系在星体坐标系中的安装矩阵；(6)利用相机的安装矩阵以及空间几何关系，代入卫星轨道高度，即可获得两台相机的传感器视场的地面成像投影。

Description

一种偏场CCD双相机组合的地面成像投影的测定方法

技术领域

本发明涉及一种偏场CCD双相机组合在整星状态下的相关安装精度的测定方法。

背景技术

为满足卫星成像的大幅宽要求，同时又局限于CCD器件的规模，星上经常会配置超过一台相机，而且相机一般配置多片CCD同时进行成像，这些CCD通常以偏场的方式安装在相机焦面上。

如图1所示，为一个星载偏场CCD的双相机成像组合。为了实现大的视场要求，共配置了两台相机，分别为相机A和相机B，两台相机之间按照一个固定的夹角(保证两台相机间视场重叠)安装在相机支架上，构成一个双相机并整体安装在卫星上。图1中的X、Y、Z为卫星本体坐标系的三轴，E₀、F₀分别为相机B的相机本体坐标系+Z₁轴方向和相机A的相机本体坐标系+Z₁轴方向，H₀、I₀分别为相机B的相机本体坐标系+Y₁轴方向和相机A的相机本体坐标系-Y₁轴方向。其中，卫星本体坐标系(OXYZ)的原点O在对接环下端框星箭对接面中心，对接环的轴心线为卫星X轴，由原点指向载荷舱方向为正，卫星Z轴为平行于短隔板方向，以相机安装侧为正，Y轴平行于长隔板方向，以蓄电池安装侧为负且遵循右手定则与X轴、Z轴构成卫星本体直角坐标系；相机本体坐标系(O₁X₁Y₁Z₁)的原点O₁在相机成像投影中心，Z₁轴平行于相机的光轴，即主点方向，X₁轴指向相机成像时的推扫方向，Y₁轴与X₁轴和Z₁轴构成右手系，平行于CCD线阵方向。由于相机本体坐标系不方便测定，通常将此坐标系引出，形成相机基准立方镜安装在相机上，相机基准立方镜在X₁、Y₁、Z₁三个方向平面的法线方向即为相机本体坐标系的X₁、Y₁、Z₁轴。

每台相机(相机A和相机B)在焦平面上偏场安装了三片CCD，三片CCD成品字形排列(定义为CCD1、CCD2、CCD3)，其中CCD2在相机+X₁向偏场1.15°，位于Y₁向视场中央，CCD1、CCD3在相机+X₁向偏场0.7°，相对于Y₁向视场中央呈对称分布，且定义CCD1、CCD3的对称中心为相机的视轴(图1中的E、F为两台相机的偏场视轴指向)。双相机的视场及视轴分布如图2所示，图中的A1、A2、A3、B1、B2、B3分别表示A相机和B相机的CCD1、CCD2、CCD3。

这样的相机组合体交付卫星进行总装后，需要对相机的安装精度进行验证。在卫星经历了整星电测、力学环境试验、热试验、磁试验等各阶段测试及大型试验后，仍然需要对相机安装精度的变化进行精测。通过进行精测，可以对两相机夹角、总视场角、视轴空间指向等参数及相机安装精度是否发生变化进行监测，并为卫星发射入轨后的图像数据处理提供原始的数据资料支持。地面成像投影就是依据整星精测得到的数据以及对图像投影坐标系的相关分析，按照卫星在轨成像几何关系得到的卫星各个CCD器件在地面上的投影几何关系。

随着卫星对安装精度和遥感器空间指向精度要求的提高，在整星状态下对遥感器安装精度以及整星状态其下几何参数的精确测量已经逐渐成为了遥感卫星总体的工作趋势。根据地面成像投影不但能够在卫星工厂阶段对卫星的实际成像条件以及器件实际在轨拼接情况进行预估，还能够为地面应用系统消除图像的初期系统误差，提高图像定位精度提供最直接的支持。

在传统地面成像投影的分析方法中，主要使用视轴测量结合每台相机的理论设计结果来进行投影的分析，这种方法忽略了一个很大的因素就是由于相机的组合安装和CCD的偏场安装，导致从相机到卫星的安装偏差没有在投影分析链中得到体现，因此导致几何分析精度偏低，对实际投影情况预估不足，造成对卫星性能的测试漏洞。另外，当预估偏差过大时还会在卫星入轨后出现CCD视场拼接漏缝的情况。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种几何测量精度高、使用方式灵活的偏场CCD双相机组合的地面成像投影的测定方法。

本发明的技术解决方案是：一种偏场CCD双相机组合的地面成像投影的测定方法，步骤如下：

(1)利用经纬仪定位整星基准立方镜，建立星体坐标系；

(2)利用经纬仪定位相机基准立方镜，求得相机坐标系在星体坐标系下的安装矩阵；

(3)利用经纬仪通过对CCD最边缘四个角点的测量确定偏场CCD视轴的指向矢量，从而求得相机视轴在星体坐标系下的矢量数据；

(4)根据相机中各CCD的偏场角度，基于相机坐标轴，利用视轴空间旋转的方式建立图像投影坐标轴在星体坐标系下的矢量数据；

(5)根据步骤(4)的结果得到图像投影坐标系在星体坐标系中的安装矩阵；

(6)利用相机的安装矩阵以及空间几何关系，代入卫星轨道高度，获得两台相机的传感器视场的地面成像投影。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提出的偏场CCD双相机组合的地面成像投影的测定方法，融合了光学自准直测量方法、空间矢量运算和遥感器成像几何特性，克服现有方法数据几何精度的不足，测量并确定出视轴空间指向、图像投影坐标系安装矩阵等参数，在融合安装面到几何投影的误差传递后，进一步得到了CCD传感器的地面成像投影。这些关键参数直接关系到卫星的图像定位精度、相机成像空间指向精度等星地一体化指标，而且也与相机在固有安装精度下的成像质量息息相关。因此本发明方法有效提升了成像投影模型的数据精度，适用于需要精确测定遥感器安装精度和拼接情况，为地面应用系统提供了精确到单片CCD的图像几何投影修正模型。

附图说明

图1为整星基准与偏场CCD双相机测量基准以及相机视轴的示意图；

图2为一种偏场CCD双相机的视场及CCD拼接设计示意图；

图3为本发明方法的流程框图；

图4为图2所示相机CCD偏场成像示意图；

图5为采用本发明方法获取的组合相机的传感器视场地面成像投影；

图6为采用传统方法获得的组合相机的传感器视场地面成像投影。

具体实施方式

首先定义图像投影坐标系(O₂X₂Y₂Z₂)。原点O₂在相机投影中心，Z₂轴为从投影中心指向成像CCD线阵对应点在的推扫方向面的投影方向，Y₂轴平行于CCD线阵方向，以从CCD1指向CCD3为正方向，X₂轴与Y₂、Z₂轴构成右手系。

对于图2所示的偏场CCD双相机组合，以其中一台为例，具体测定的方法如图3所示，主要分为整星基准精测、相机基准及视轴精测、图像投影坐标系建立以及求得安装矩阵并获得地面成像投影四个过程。

①整星基准精测

本步骤中需要利用两套经纬仪按常规的立方镜自准定位方式获得整星基准立方镜Y向和Z向的法线，并由此两个基准轴求得X轴，构建右手系，即卫星本体坐标系(OXYZ)。

②相机基准及视轴精测

利用经纬仪用与①中相同的方式确定相机立方镜的法线方向，建立相机本体坐标系(O₁X₁Y₁Z₁)并测量出与①所建立的卫星本体坐标系(OXYZ)各个坐标轴的夹角，并以矩阵形式表示两个坐标系的夹角关系。其所对应的相机基准安装矩阵(以夹角形式给出并用变量代替)如表1所示：

表1相机基准安装矩阵

利用克拉灯作为相机外部光源照射相机焦面，从而能直接通过镜头看到焦面，移动经纬仪对准CCD1左端的上下角点，分别读取4组经纬仪坐标读数，再移动经纬仪找到CCD3右端的上下角点，分别读取4组经纬仪坐标读数，首先以每个角点四组数据的均值作为此角点的坐标，之后对四个角点的坐标求均值，计算出视轴中点的坐标。测量此视轴与整星基准镜的夹角，以矢量形式表示视轴在整星基准坐标系的夹角关系。利用此方法分别对两台相机进行测量，图2所对应的相机视轴在整星基准下的矢量关系(以夹角形式给出并用变量代替)如表2所示：

表2相机视轴矢量关系

③图像投影坐标系建立

由于CCD器件的偏场方式及安装几何关系不同，导致对不同的器件有不同的图像投影坐标系，根据几何设计关系可以得到图2所示CCD相机偏场成像的方式如图4所示，在相机中的图像投影坐标系有两个，第一个是CCD1和CCD3图像形成的图像投影坐标系，第二个是CCD2图像形成的图像投影坐标系。

对于CCD1/CCD3图像投影坐标系，由于相机视轴与此坐标系偏场相同，因此，其图像投影坐标系的Z轴就是在②中得到的相机视轴，表示在星体坐标系中为：

图像投影坐标系的Y轴就是相机坐标系中的Y轴。表示在星体坐标系中为：

之后，利用空间矢量叉乘的原则，可以由

得到图像投影坐标系的X轴。表示在星体坐标系中为：

组合X、Y、Z轴即可得到CCD1/CCD3的图像投影坐标系在星体坐标系中的安装矩阵。

对于CCD2图像投影坐标系，由于设计偏场角度不同，图像投影坐标系的Z轴需要由相机视轴绕相机坐标系的Y轴旋转0.45°得到。这个空间上的旋转可以利用如下空间旋转矩阵获得：

$R=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}+(1-\cos \mathrm{\θ})r_x^2& (1-\cos \mathrm{\θ})r_x{r}_y-r_z\sin \mathrm{\θ}& (1-\cos \mathrm{\θ})r_x{r}_z+r_y\sin \mathrm{\θ}\\ (1-\cos \mathrm{\θ})r_x{r}_y+r_z\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}+(1-\cos \mathrm{\θ})r_y^2& (1-\cos \mathrm{\θ})r_y{r}_z-r_x\sin \mathrm{\θ}\\ (1-\cos \mathrm{\θ})r_x{r}_z-r_y\sin \mathrm{\θ}& (1-\cos \mathrm{\θ})r_y{r}_z+r_x\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}+(1-\cos \mathrm{\θ})r_z^2\end{array}\right]$

其中θ为旋转的角度，此处为0.45°，r_x，r_y，r_z为空间旋转的归一化轴，在此为相机坐标系的Y轴，即：

[r_x r_y r_z]＝[cos(∠YX_A) cos(∠YY_A) cos(∠YZ_A)]

将得到的[r_x r_y r_z]和θ带入矩阵R，即可以得到实际需要的旋转矩阵R。

而视轴的矢量表示为：

$\stackrel{\→}{S}=\left[\begin{array}{ccc}\cos (\∠{\mathrm{SX}}_A)& \cos (\∠{\mathrm{SY}}_A)& \cos (\∠{\mathrm{SZ}}_A)\end{array}\right]$

因此有CCD2图像投影坐标系的Z轴为：

图像投影坐标系的Y轴就是相机坐标系中的Y轴。表示在星体坐标系中为：

之后，利用空间矢量叉乘的原则，可以由

得到图像投影坐标系的X轴。表示在星体坐标系中为：

④求得安装矩阵并获得地面成像投影

有了上述步骤，相机A的图像投影坐标系在整星基准下的安装矩阵可以结合上述坐标的形式获得。

相机A的CCD1/CCD3图像投影坐标系到星体坐标系的安装矩阵为：

相机A的CCD2图像投影坐标系到星体坐标系的安装矩阵为：

同理可以得到相机B三片CCD的从图像投影坐标系到星体坐标系的安装矩阵。

利用两台相机的安装矩阵以及空间投影的几何的关系(详见图4)，代入卫星的轨道高度，并在卫星坐标系中以轨道高度为参考形成一个投影面，将获得的星体坐标系中投影坐标系的安装矩阵进行投影，即可获得两台相机的传感器视场的地面成像投影。

实施例

在以偏场安装方式的CCD相机装星以后，对相机的安装等进行了精测，根据此次实际测试数据，相机坐标系在星体坐标系下的安装矩阵如表3所示：

表3相机基准在整星基准下的安装矩阵

相机视轴在星体坐标系下的矢量关系如表4所示：

表4相机视轴在整星基准下的矢量关系

将数据按照上面的步骤进行分析，求得相机A的CCD1/CCD3图像投影坐标系到星体坐标系的安装矩阵为：

相机A的CCD2图像投影坐标系到星体坐标系的安装矩阵为：

相机B的CCD1/CCD3图像投影坐标系到星体坐标系的安装矩阵为：

相机B的CCD2图像投影坐标系到星体坐标系的安装矩阵为：

根据获得的图像投影坐标系在星体坐标系下的安装矩阵以及空间投影的几何的关系(详见图4)，代入卫星的轨道高度(这里使用了645km)，并在卫星坐标系中以轨道高度为参考形成一个投影面，将获得的星体坐标系中投影坐标系的安装矩阵进行投影，即可求得两台相机的传感器视场的地面成像投影，如图5所示。

如果利用传统分析方法，获得的地面成像投影如图6所示。

对比两种方法的结果可以发现提高的定位精度如表5所示：

表5各器件定位精度提升表

从表中可以看出，利用本发明方法后，可以在卫星入轨时为卫星的在轨投影提供更精确的模型，并直接修正210m的地面定位精度系统偏差，使地面应用系统能够更快消除卫星地面定位的系统偏差，卫星图像也能更早的投入使用。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种偏场CCD双相机组合的地面成像投影的测定方法，其特征在于步骤如下：

(1)利用经纬仪定位整星基准立方镜，建立星体坐标系；

(2)利用经纬仪定位相机基准立方镜，求得相机坐标系在星体坐标系下的安装矩阵；

(3)利用经纬仪通过对CCD最边缘四个角点的测量确定偏场CCD视轴的指向矢量，从而求得相机视轴在星体坐标系下的矢量数据；

(4)根据相机中各CCD的偏场角度，基于相机坐标轴，利用视轴空间旋转的方式建立图像投影坐标轴在星体坐标系下的矢量数据；

(5)根据步骤(4)的结果得到图像投影坐标系在星体坐标系中的安装矩阵；

(6)利用相机的安装矩阵以及空间几何关系，代入卫星轨道高度，获得两台相机的传感器视场的地面成像投影。

Images