CN102306160A - 一种提高立体测绘相机图像定位精度的辅助数据处理方法 - Google Patents

Abstract

一种提高立体测绘相机图像定位精度的辅助数据处理方法，针对立体测绘任务，通过在目前遥感卫星常用的图像辅助数据基础上，增加GPS接收机的伪距和载波相位等原始测量数据和采用星敏感器四元数代替姿态角度估值数据的方法提高影响图像定位的相关数据的测量精度。其次，通过在辅助数据中增加各类数据的时间信息，使得各类数据之间存在精确的时间关系。最后，通过采用GPS秒脉冲将相机图像、姿态和定位数据以GPS时间进行对时，以及相机图像行(帧)、姿态数据和GPS数据的时间信息的采集方法，进行各辅助数据的高精度时间同步。通过本发明方法可以提高立体测绘相机的图像定位精度。

Description

一种提高立体测绘相机图像定位精度的辅助数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种立体测绘相机图像辅助数据的处理方法。

背景技术

三线阵CCD航天摄影测量相机是上世纪八十年代中期出现的新一代传输型航天光学遥感器。经过多年的技术发展，到2000年我国测绘科学家提出了LMCCD体制(三线阵加面阵体制)后，立体测绘相机形成了较系统的体系。

卫星相机获取的地面点影像在地面系统应用时，需要知道地面点成像时刻的卫星轨道参数、姿态参数以及传感器的工作参数等辅助数据。测绘应用领域较其它领域在图像定位精度方面有更高的要求，而辅助数据的设计及处理方法在很大程度上决定着图像的定位精度。

目前国内遥感卫星与图像应用相关的辅助数据，通常包括卫星定位数据、姿控数据、时间信息、遥感器工作参数等内容。其中定位数据中只含有卫星的位置和速度信息，无该数据对应的时间信息；姿控数据中只含有卫星的姿态角估值和角速度估值，无该数据对应的时间信息；时间信息为卫星平台在总线上广播的星时，不能反应遥感器摄像时图像的时间信息；遥感器工作参数中只含有传感器的电路增益、行周期等，无遥感器工作时图像的时间信息。

目前的辅助数据在立体测绘应用时，存在如下不足：(1)定位数据和姿控数据的精度偏低(定位数据中的位置精度为10m，速度精度为0.1m/s，姿态数据中的角度测量精度为1′)；(2)无立体测绘领域需要的实现多个线阵、线阵与面阵之间的时间信息的高精度关联的信息数据；(3)相机图像曝光时间、卫星星历获取时间及姿态数据获取时间的三个时间同步精度低(约为5ms)。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种立体测绘相机辅助数据的处理方法，解决了定位数据和姿控数据的测量精度和相机图像、定位数据和姿态数据之间的高精度时间同步问题，从而提高了立体测绘相机的图像定位精度。

本发明的技术解决方案是：一种提高立体测绘相机图像定位精度的辅助数据处理方法，步骤如下：

(1)增加辅助数据的种类；对于定位数据，既输出卫星的位置和速度，又输出GPS接收机的原始测量数据；对于姿态数据，采用星敏感器的四元数数据代替姿态角度估值数据；

(2)将GPS接收机、相机分系统和姿控分系统统一在同一时间基准下；

(3)将采集到的辅助数据信息与数据采集的时刻进行对应，

(31)采用行时标和帧时标将三个线阵之间、线阵和面阵之间的摄像时刻关联起来，所述的行时标由行号与该行号对应的摄像时间码组成，在每个GPS秒脉冲下降沿到来后，采集某个图像行的曝光时刻对应的时间作为本次摄影的基准时标，相邻两个基准时标间的图像行不再打入相应的时标，而由地面应用系统根据当前图像行最近的一个基准时标值、两图像行的行计数差值及相机行周期通过公式t_i+x＝T_i+x·T_行周期计算得到，T_i为插入到图像辅助数据中的第i行的行时标时间，t_i+x为第i+x行的时间，T_行周期为本次摄影时的行周期值；面阵CCD每隔X个线阵CCD的图像行摄像一次，其摄像驱动信号采用线阵CCD的第N+X个行同步信号，此时采集第N+X个行同步信号下降沿对应的时刻作为M+1帧面阵图像的摄像时刻，并将帧号M+1和对应的时刻，插入到图像辅助数据中；

(32)在GPS秒脉冲信号有效沿到来时采集对应的卫星位置和速度信息；

(33)星敏感器在接收到GPS秒脉冲信号的有效沿后，每隔500ms采集一组星敏感器四元数数据，数据采集时，同时采集星敏感的曝光时刻与此时的星敏感器四元数，并把曝光时刻和此时的星敏感器四元数组成一包数据，插入到图像辅助数据中；

(33)在接收到GPS秒脉冲信号的有效沿后，采集卫星角速度以及与此角速度对应的时刻。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法将GPS接收机的伪距和载波相位等原始测量数据作为辅助数据供地面系统使用。传统的只输出卫星位置和速度时，得到的卫星位置测量精度为10m，而结合GPS接收机的伪距和载波相位等原始测量信息进行处理后，将测量精度提高到1m；

(2)本发明方法采用星敏感器四元数代替姿态角度估值，将卫星的测角精度从分级提高到秒级。对于轨道高度为600km的卫星，姿态引起的定位精度将从100m量级提高到10m量级，大大改善了由姿态测量引起的定位误差；

(3)本发明方法将各类数据的时间信息插入到图像辅助数据中，使得各类数据在地面处理时，能够精确关联；

(4)本发明方法采用GPS秒脉冲进行对时，图像、姿态和定位数据均以GPS时间为基准，并采取合理的用时机制进行时间同步。将各类辅助数据的时间同步精度从5ms提高到0.1ms，相当于将由于时间引起的定位误差从38m提高到0.76m。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明中的辅助数据的数据流框图；

图3为本发明中的实现高精度时间同步的框图；

图4为本发明中的行时标生成过程示意图；

图5为本发明中的面阵帧时标生成过程示意图。

具体实施方式

本发明中所述的立体测绘相机为三线阵加面阵结合的航天摄影测量相机。

立体测绘相机图像辅助数据的处理需要解决好以下几个问题：1.需解决辅助数据信息量过少，不利于提高测量精度的问题；2.需解决卫星上的各种信息的高精度时间同步问题，其中包括定位信息、姿态信息和相机图像的高精度时间同步，以及立体测绘相机中三个线阵之间、线阵与面阵之间的高精度时间同步。

如图1所示，为本发明方法的流程框图。

数据的测量精度，对于定位数据，是将传统的只输出卫星位置和速度的设计理念，改进为既输出卫星位置和速度，又输出GPS接收机的伪距和载波相位等原始测量数据，地面系统通过在卫星位置和速度初步定位信息基础上，结合GPS接收机的伪距和载波相位等原始测量信息，得到精确的卫星定位信息；对于姿态数据，将传统的辅助数据只给出姿态数据中的角度估值改为精确的星敏四元数数据，使得卫星的测角精度从分级提高到秒级。

如图2所示，辅助数据分为随图像下传的图像辅助数据和从数传信道直接下传的数据两种。星敏感器数据、陀螺数据、GPS定位数据(位置和速度)在卫星CAN总线上广播，相机下位机接收到这些数据后分别将其放置于对应的缓存区，并将这些数据和相机成像参数一起插入到图像数据中，随图像下传至地面应用系统，其数据内容如表1所示，其中相机放大器增益，相机焦面组件位置信息和行周期为摄像时刻相机的状态参数。而GPS原始测量数据在卫星CAN总线上广播，星务分系统将其接收，并通过数传信道下传至地面应用系统，其数据内容如表2所示。

表2中的原始测量数据时标为GPS接收机采集原始测量数据对应的时间，原始测量数据包括GPS星号、GPS星伪距、载波相位、GPS信号的信噪比等。其中表1中的卫星位置信息(X、Y、Z)和速度信息(V_X、V_Y、V_Z)供地面系统数据处理时初步定位用，它是由表2中的GPS星伪距、载波相位数据经过计算而得到的。由于受卫星上处理器的计算能力和计算精度的限制(目前使用的CPU的型号最高到8位的8086)，卫星位置信息(X、Y、Z)和速度信息(V_X、V_Y、V_Z)的精度较原始测量数据经地面处理后(地面系统一般使用的CPU为64位的多核处理器)的数据在精度上存在约10倍的差异。

表1 立体测绘相机(线阵和面阵)随图像下传的辅助数据的内容

表2 GPS原始测量数据的内容

高精度时间同步，是各类数据源，即定位数据时间、姿态信息时间、图像行时间三者要基于同一个高精度的时间源(GPS时间)，各类数据均为在此时间基础上进行授时得到精确的时间。如图3所示，相机下位机和姿控下位机接收到GPS接收机发出的秒脉冲后，进行整秒对时，实现GPS接收机、相机和姿控分系统三者基于同一时间基准。

其次，需要将采集到的数据信息与数据采集的时刻进行严格对应。同时需达到时间同步精度小于0.1ms，则时间信息的微秒分辨率至少需达到0.01ms，则微秒信息的表示至少需3个字节，综合考虑卫星上的各种时延因素，在此将微秒信息的表示用4个字节。立体测绘相机中三个线阵之间的时间同步精度要达到小于25ns，线阵与面阵之间的时间同步精度要达到小于200ns，则要求在图像辅助中要有行号以及与行号对应的时间信息。在设计中，采用行时标和帧时标将三个线阵之间、线阵和面阵之间的摄像时刻关联起来实现时间同步。

行时标(帧时标)由行号与该行号对应的摄像时间码组成。在每个GPS秒脉冲下降沿到来后，采集某个图像行的曝光时刻(行同步信号的下降沿)对应的时间，称为本次摄影的基准时标。图4说明了行时标的生成过程。相邻两个基准时标间的图像行不再打入相应的时标，而由地面应用系统根据当前图像行之前(后)的最近一个基准时标值，两图像行的行计数差值，及相机行周期等参数计算得到，公式为：

t_i+x＝T_i+x·T_行周期                      (1)

式中T_i——插入到图像辅助数据中的第i行的行时标时间；

t_i+x——第i+x行的时间；

T_行周期——本次摄影时的行周期值。

面阵图像和线阵图像通过图2辅助数据中的帧时标和行时标进行关联起来。图5详细的给出了面阵帧时标的生成过程以及与线阵行号的关系。面阵CCD每隔X个(可根据具体情况设计)线阵CCD的图像行摄像一次，其摄像驱动信号采用线阵CCD的第N+X个行同步信号，此时软件采集第N+X个行同步信号下降沿对应的时刻作为M+1帧面阵图像的摄像时刻，并将帧号(M+1)和对应的时刻，插入到图像辅助数据中。而第N+X个线阵行的时间可通过公式(1)得到。通过这种方法将面阵CCD的摄像时刻与线阵CCD的图像行对应起来实现高精度时间同步，其同步精度小于10ns。

定位数据包中的定位数据时标(GPS数据时标)、卫星位置信息(X、Y、Z)和速度信息(V_X、V_Y、V_Z)的关系为在GPS秒脉冲信号的有效沿到来时采集对应的位置信息和速度信息，它与GPS时间的同步精度为1μs。

星敏数据包中的星敏四元数时标和星敏四元数数据是星敏感器在接收到GPS秒脉冲信号的有效沿后，每隔500ms采集一组星敏四元数数据，数据采集时，同时采集星敏感的曝光时刻与此时的星敏四元数，并把曝光时刻和此时的星敏四元数组成一包数据，插入到图像辅助数据中，其与GPS时间的同步精度为10μs。由于星敏数据输出(更新)频率为2Hz，故图2中含有两组星敏数据，对应两个不同时刻的姿态四元数，对应的两组姿态数据用1，2区分。

陀螺数据包中的星体惯性角速度是控制姿态敏感器陀螺测量数据的处理结果，代表星体相对于惯性坐标系角速度在星体坐标系的三轴分量。其中的星体惯性角速度时标与角速度信息是姿控计算机接收到GPS秒脉冲信号的有效沿后，采集卫星角速度以及与此角速度对应的时刻，它与GPS时间的同步精度为10μs。

通过以上的行时标、帧时标、定位数据时标、星敏四元数时标和星体惯性角速度时标的设计能使得这些时间同步精度小于0.1ms。

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)

1.一种提高立体测绘相机图像定位精度的辅助数据处理方法，其特征在于步骤如下：

(1)增加辅助数据的种类；对于定位数据，既输出卫星的位置和速度，又输出GPS接收机的原始测量数据；对于姿态数据，采用星敏感器的四元数数据代替姿态角度估值数据；

(2)将GPS接收机、相机分系统和姿控分系统统一在同一时间基准下；

(3)将采集到的辅助数据信息与数据采集的时刻进行对应，

(31)采用行时标和帧时标将三个线阵之间、线阵和面阵之间的摄像时刻关联起来，所述的行时标由行号与该行号对应的摄像时间码组成，在每个GPS秒脉冲下降沿到来后，采集某个图像行的曝光时刻对应的时间作为本次摄影的基准时标，相邻两个基准时标间的图像行不再打入相应的时标，而由地面应用系统根据当前图像行最近的一个基准时标值、两图像行的行计数差值及相机行周期通过公式t_i+x＝T_i+x·T_行周期计算得到，T_i为插入到图像辅助数据中的第i行的行时标时间，t_i+x为第i+x行的时间，T_行周期为本次摄影时的行周期值；面阵CCD每隔X个线阵CCD的图像行摄像一次，其摄像驱动信号采用线阵CCD的第N+X个行同步信号，此时采集第N+X个行同步信号下降沿对应的时刻作为M+1帧面阵图像的摄像时刻，并将帧号M+1和对应的时刻，插入到图像辅助数据中；

(32)在GPS秒脉冲信号有效沿到来时采集对应的卫星位置和速度信息；

(33)星敏感器在接收到GPS秒脉冲信号的有效沿后，每隔500ms采集一组星敏感器四元数数据，数据采集时，同时采集星敏感的曝光时刻与此时的星敏感器四元数，并把曝光时刻和此时的星敏感器四元数组成一包数据，插入到图像辅助数据中；

(33)在接收到GPS秒脉冲信号的有效沿后，采集卫星角速度以及与此角速度对应的时刻。

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