CN103175544B - 用地面控制点计算和标定航天tdiccd相机偏流角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法，包括以下步骤：通过检测物方控制点角度大小与像方控制点的角度大小变化，来计算和标定航天TDICCD相机成像时刻偏流角的偏差。本发明的用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法，能够准确测量出航天相机在成像时刻偏流误差，增强了卫星与相机之间的固定误差的测定，量化偏流误差的大小，解决了偏流计算不是实时的不准确的问题。

Description

用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法

技术领域

本发明属于航天测量技术领域，特别涉及一种用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法。

背景技术

目前随着航天技术的不断发展，航天相机逐步向高分辨率发展，都采用长焦反射式光学系统。为了提高成像分辨率，有几种典型的方式，即降低卫星平面的轨道高度，增大航天相机的焦距和减少TDICCD器件的像元尺寸。轨道高度一般受到成像侦查和轨道规划的限制，一旦确定，很难变化，即使变轨成像也会消耗大量的卫星平台资源，较少使用。

随着航天相机的焦距增大和像元尺寸的减小，焦面上的像移速度将大大增大，对卫星姿态的要求也大幅提高。对于用TDI-CCD成像的航天相机来说，偏流角的精度对成像质量影响较大，必须准确测量，精确控制。

偏流角测控是由卫星平台上的测量单元（如星敏感器、太阳敏感期、地平仪等），并对卫星调姿控制，实际上调整偏流角是卫星平台的偏流角。现在航天相机一般采用卫星平台和相机分离的设计方法。卫星平台指向光轴与航天相机的成像轴存在一定误差，就会把此固定的系统误差加入到成像环节中。卫星平台的指向轴与航天相机的成像光轴虽然在地面上进行标定，但是在卫星发射过程中，平台和相机的关系必然会有微小变化，对于高分辨率成像系统来说，这个微小变化会对成像质量造成影响，卫星测量单元也存在漂移、误差，以及卫星轨道的误差等，都会对成像质量造成影响，其中一个关键因素就是偏流角误差或累积偏流角误差。同时，航天TDICCD相机的寿命一般都在三年以上，成像偏流误差会随卫星平台测量单元的漂移和误差累积，不断改变，对成像质量造成影响。

同时，现在卫星平台对偏流角的测量和对航天相机发布信息，通常都有一个时间滞后（约几ms）和较大的时间间隙（约1s左右），而实际航天TDICCD相机的成像长度达到几公里，甚至几十公里的水平，此时在轨计算偏流角不能实时反映成像的偏流角误差状态，这对实时成像的航天相机来说，影响是很大的。为了提高成像质量，必然对偏流角进行准确测量和标定。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种全面实时反映在成像时刻，航天TDICCD相机成像偏流角的具体大小标定偏流变化，以及验证卫星平台偏流计算模型的准确性，掌握偏流角对成像质量的影响，方便图像产品校正处理的，用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法，包括以下步骤：

通过检测物方控制点角度大小与像方控制点的角度大小变化，来计算和标定航天TDICCD相机成像时刻偏流角的偏差。

在上述技术方案中，该方法具体包括以下步骤：

步骤i：在地面上选取多个控制点；

步骤ii：根据地球模型，将以上控制点参数代入其中，计算出两两连线夹角；

步骤iii：在航天相机的在轨图像中，找出相对应的控制点；

步骤iv：用几何求解方法，求出地面控制点控制夹角与在轨图像的图像夹角，得到航天TDICCD相机成像时刻偏流角的偏差。

在上述技术方案中，步骤iv之后还包括：

步骤v：根据成像纬度计算，编制出偏流误差随纬度变化曲线，用于卫星在不同纬度的姿态控制。

在上述技术方案中，步骤ii中控制点连线夹角选择南北方向连续的多个控制点的东西方向连线的交角。

在上述技术方案中，步骤ii中控制点参数包括：航天相机轨道高度H，地球半径R，航天相机的焦距F，TDICCD像元大小A，以及多个地面控制点的经纬度。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法，能够准确测量出航天相机在成像时刻偏流误差，增强了卫星与相机之间的固定误差的测定，量化偏流误差的大小，解决了偏流计算不是实时的不准确的问题。

其次，本发明的用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法能够在地面验证偏流计算模型的误差，以便分析偏流误差的来源和进行修正；并能对在轨航天TDICCD相机进行地面偏流标定，以提高系统成像的稳定性、可靠性。第三，通过不同纬度偏流误差的统计计算，可形成一个偏流误差曲线，用于卫星平台姿态指向控制，提高成像质量。

最后，本发明的用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法，计算和数据处理都是最简单的数学运算，成本低，操作方便。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是物像投影关系图。

图2是地面控制点位置关系示意图。

图3是选择的地面控制点的GOOGLE图像示意图。

图4是在轨图像的地面控制点示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：本发明的用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法，利用地面控制点相对于地球质心位置和角度固定不变，根据卫星平台的轨道测量数据，航天TDICCD相机相对地球质心相对关系可知。根据成像的几何投影关系：具有一定夹角的多个地面控制点，通过航天TDICCD相机投影到相机焦面上的成像夹角也是固定不变的，就利用检测物方控制点角度大小与像方控制点的角度大小变化，来计算和标定出航天TDICCD相机成像时刻的偏流角大小。

本发明的用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法需要的基本计算参数有：航天相机轨道高度H，地球半径R，航天相机的焦距F，TDI-CCD像元大小A，以及经纬度已知的多个地面控制点（大于4个）。本发明方法计算对象是相机的在轨成像图像。

首先，在选定的成像区域内选定4个具有典型特征的控制点。控制点选择必须有较大的离散性，即距离分离，方向分离；控制点一般要具有强烈的对比度，如湖面的尖角、楼房的边缘等；同时控制点尽量选在平坦开阔地带，高度相差不大的情况。TDICCD相机偏流角像移方向和TDICCD的积分方向，即主要是沿轨和垂轨的偏差，选择控制点的选择尽量是南北连续和东西连线的交角。

然后，用高精度GPS定位仪测量控制点的经纬度和海拔高度。将这些控制点的经纬度和海拔高度代入到地球坐标模型中，计算出控制点在地球表面上两两连线的夹角，并准确记录α_i。

根据航天TDICCD相机物像共轭的几何投影关系，如图1所示，物面上的几何角度关系应无误差地成像到像面上，并保持几何角度关系。

在航天TDICCD相机的在轨成像图像中，找出一副幅包括所有控制点的图像。找出控制点，并两两连线，根据像元分辨率大小，计算出两两连线的夹角β_i。

控制点对应的夹角β_i和α_i的夹角差，即控制点的物方夹角与像方夹角差，为偏流角的误差：

Δθ=β_i-α_i    （式1）

将多个夹角差，取其平均：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\θ}}=\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}({\mathrm{\β}}_i-{\mathrm{\α}}_i)$     （式2）

最后，在不同地理纬度上设置并测量出一系列控制点，就可以测量出偏流角控制误差随纬度变化规律，以便卫星平台的控制。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

1、本发明的用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法，首先在地面上选取6个控制点（long：经度；lati：纬度）控制点由GPS测量输出，地面控制点位置关系如图2所示，具体参数为：

A(25°28′48.966″，100°44′54.0412″)，

B(25°24′16.752″，100°42′11.122″)，

C(25°27′17.386″，100°43′34.310″)，

D(25°26′15.716″，100°46′46.258″)，

E(25°25′50.084″，100°42′07.141″)，

F(25°25′32.341″，100°46′32.575″)。

2、根据地球模型，将以上控制点参数代入其中，计算出两两连线夹角。考虑到TDICCD相机偏流角方向是沿轨和积分方向的偏差，控制点的选择为是南北连续和东西连线的交角，在此取两个夹角计算说明，即∠(AB-CD)和∠(AB-EF)。

α₁=∠(AB-CD)

α₂=∠(AB-EF)

α₃=∠(AB-CF)

α₄=∠(AB-ED)

根据地球模型，算出具体参数为：

α₁=79.1610°

α₂=62.9238°    (式3)

α₃=92.3911°

α₄=53.8527°

3、在航天相机的在轨图像中，找出相对应的控制点（行，列），如图4所示。依据图像参数，确定控制点在图像平面坐标中的行高和列高。

具体参数为:

A'(378804,3080)、B'(380574，2667)、E'(380050，2500)、D'(379516，3887)，C'(379435，2812)，F'(379743，3939)。

4、用几何求解方法，两条直线的夹角的求解公式：

$\tan \left(\mathrm{\β}\right)=\frac{k_2-k_1}{1+k_2\×k_1}$     （式3）

式中，K2分别为直线C'D'和E'F'在图像坐标中的斜率，K1为直线A'B′在图像坐标中的斜率。按照几何关系计算出在轨图像中控制点的两两连续的夹角为：

β₁=∠(A'B′-C'D')=81.172°

β₂=∠(A'B'-E'F')=64.823°

β₃=∠(A'B′-C'F')=92.146°

β₄=∠(A'B′-E'D')=55.819°    (式4)

5、再根据公式（1）、（2）求出地面控制点控制夹角与在轨图像的图像夹角：

Δθ₁=β₁-α₁=81.172°-79.1610°=2.0110°

Δθ₂=β₂-α₂=64.823°-62.9238°=1.8992°    （式5）

Δθ₃=β₃-α₃=92.146°-90.3911°=1.7549°

Δθ₄=β₄-α₄=55.819°-53.8527°=1.9663

再根据（5）式取平均值求偏流误差：

    （式6）

所以，卫星平台偏流误差为1.9191°，此数据可用于对偏流计算和姿态控制的输入参数。

6、最后根据成像纬度计算，编制出偏流误差随纬度变化曲线，用于卫星在不同纬度的姿态控制。

本发明的用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法，能够准确测量出航天相机在成像时刻偏流误差，增强了卫星与相机之间的固定误差的测定，量化偏流误差的大小，解决了偏流计算不是实时的不准确的问题。

本发明的用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法能够在地面验证偏流计算模型的误差，以便分析偏流误差的来源和进行修正；并能对在轨航天TDICCD相机进行地面偏流标定，以提高系统成像的稳定性、可靠性。第三，通过不同纬度偏流误差的统计计算，可形成一个偏流误差曲线，用于卫星平台姿态指向控制，提高成像质量。

本发明的用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法，计算和数据处理都是最简单的数学运算，成本低，操作方便。

本发明的用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法除了可以用地面控制点测量航天TDICCD相机的偏流角偏差，还可用于标定航天TDICCD相机的偏流角大小，这里不再赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.用地面控制点计算和标定航天TDICCD相机偏流角的方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过检测物方控制点角度大小与像方控制点的角度大小变化，来计算和标定航天TDICCD相机成像时刻偏流角的偏差；

具体包括以下步骤：

步骤i：在地面上选取多个控制点；

步骤ii：根据地球模型，将以上控制点参数代入其中，计算出两两连线夹角；

步骤iii：在航天相机的在轨图像中，找出相对应的控制点；

步骤iv：用几何求解方法，求出地面控制点控制夹角与在轨图像的图像夹角，得到航天TDICCD相机成像时刻偏流角的偏差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤iv之后还包括：

步骤v：根据成像纬度计算，编制出偏流误差随纬度变化曲线，用于卫星在不同纬度的姿态控制。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤ii中控制点连线夹角选择南北方向连续的多个控制点的东西方向连线的交角。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤ii中控制点参数包括：航天相机轨道高度H，地球半径R，航天相机的焦距F，TDICCD像元大小A，以及多个地面控制点的经纬度。