CN103185880A - 用于校正使用对称曝光的对地观测系统的对准误差的方法 - Google Patents

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Abstract

一种校正使用对称曝光的对地观测系统的对准误差的方法。根据第一方面，本发明涉及一种校正观测卫星内的机载成像系统中视域标的对准误差的方法，其中场景的参考图像与通过成像系统获取的场景的二次图像进行比较，其特征在于，参考图像和二次图像由通过成像系统获取的场景的曝光构成，二次图像曝光期间观测卫星的运动方向与参考图像曝光期间观测卫星的运动方向相反。

Description

用于校正使用对称曝光的对地观测系统的对准误差的方法
技术领域
本发明的领域属于观测卫星，并且更特别地属于在这样的卫星中的机载成像系统的修正。
更精确地，本发明涉及对地观测系统的对准误差的飞行中校正。
背景技术
观测卫星的在轨交付启动于检查卫星的正确运行之后，并持续几个月的时间。执行交付的目的是检查系统与技术参数的一致性以使得发布和行销的图像具有最佳可能的定位。
几何性能的评估也在卫星的整个寿命中被监控，以能够识别可能的改变或者异常。
几何校正是几何在轨交付的首要目的。它的目的是对某些几何参数提供地面处理，包括几何建模和处理。这些参数在地面上已经被测量，但它们中的某些可能在发射后有所改变；其它的仅以低些的精度来测量。这些参数包括视域标（sight mark）的方向。
因此在飞行中几何校正期间，目标是完成视域标的校正，或者对准误差的校正，包括确定视域标的绝对方向。
如在Cépaduès出版社出版的“Imagerie Spatiale,des principesd’acquisition au traitement des images optiques pour l’observation delaTerre[太空的成像，从对地观测的获取原理到光学图像处理]”（ISBN:978.2.85428.844.5）一书中137-141页所述，对准误差的几何校正目前主要通过使用在几何上确切己知的位点（sites）来完成，既在平面上已知，也在高度上已知。这些位点具有不同的类型（几何图像与模型、控制点、3D模型等等），并且具有不同的精度水平。
这些位点主要包括两类，一类能够校正对准误差并且测量定位性能（控制点数据库），另一类通过动态和静态分析的方法实现对姿态残留的良好分析和对不同焦点（几何超位点,geometric supersite）的地图绘制而能够得到良好的几何尺寸。除去精度问题，仍然存在这些参考的时效问题，特别是当这些参考是图像（超位点），或者伴随有缩略的图像（控制点）时。
通常，通过寻找一种几何校正对地观测系统的技术来避免这些限制。
发明内容
本发明的目的是回应这些需求，并为此目的提出方案，根据第一方面，本发明涉及一种校正观测卫星内的机载成像系统中视域标的横摇和纵摇对准误差的方法，其中场景的参考图像与通过成像系统获取的场景的二次图像进行比较，其特征在于参考图像和二次图像由通过成像系统获取的场景的图像构成，二次图像成像期间观测卫星的运动方向与参考图像成像期间观测卫星的运动方向相反。
该方法因此使无需控制点即可校正对地观测系统的对准误差成为可能。
本方法的某些优选的，但不限定的方面如下：
-采用所述图像的相关（correlation）来比较参考图像与二次图像；
-也包括对相关参考图像与二次图像而得到的矩阵进行行的平均和列的平均，以分别估计纵摇误差和横摇误差；
-通过空间三角测量来实现纵摇误差和横摇误差的估计；
-观测卫星在同一次的从场景上方经过期间获得参考图像和二次图像；
-包括在比较参考图像与二次图像之前的步骤，该步骤由协同定位所述图像构成，目的是将二次图像投射到参考图像以使它们准重叠；
-该方法可用于多个场景中，通过进行平均来估计平均对准误差，一方面，计算多个场景中的每个场景的纵摇误差估计，并且另一方面，计算多个场景中的每个场景的横摇误差估计；
-计算纵摇误差估计的标准偏差和横摇误差估计的标准偏差。
根据本发明的第二方面，本发明涉及包括指令组的计算机程序产品，当在数据处理单元上执行指令时，引发所述单元执行根据本发明的第一方面的方法中的步骤。
根据本发明的第三方面，本发明涉及所设计的搭载在观测卫星中的成像系统，包括由多个检测器和根据本发明的第二方面的计算机程序构成的检测条码，当执行计算机程序时，检测条码使得完成成像系统中纵摇和横摇引起的对准误差的校正成为可能。
附图说明
本方法的其它方面、目的和优点将通过阅读下面的优选实施方案的详细描述而被更好的说明，以不限定的实例和参考此处附图的方式给出，其中：
图1显示根据本发明的参考图像和同一个场景的二次图像的曝光；
图2显示测量行与列的平均偏移以得到横摇和纵摇误差的方案；
图3为显示根据本发明的第一个方面的方法的可行实施方案的不同步骤的示意图。
具体实施方式
大体上，根据本发明第一方面提出一种校正搭载在观测卫星内的机载成像系统中视域标的对准误差的方法，该方法基于对同一个场景的两次对称获取（不必是单通道），使得控制点可以省略。这种类型的获取最重要的优点是，由于横摇和纵摇误差，在地面上产生对称的效果。
本发明因此提出将场景的参考图像与通过成像系统获取的相同场景的二次图像进行比较。参考图像和二次图像由通过成像系统获取的场景的曝光构成，二次图像曝光期间观测卫星的运动方向与参考图像曝光期间观测卫星的运动方向相反。
因此，如果第一次曝光（参考图像）产生的正横摇效应导致向东的偏移，二次曝光（二次图像）产生的相同的正横摇效应导致向西的偏移。对于北/南纵摇也是同样的状况。通过测量两次曝光在地面上的偏移，得到与两个对准误差（横摇和纵摇）相关联的可观察的量。
2011年12月发射的对地观测卫星PLEIADES具有感觉敏锐的优点，它可以通过摆动到轨道平面的其中一边，或者从前面摆动到后面来迅速地改变它的视域方向。这种机动能力使得有可能创建具有扩展区域的图像拼接，或者将在不同的角度拍摄的同一个场景的视图组合，以便例如在三维中重组场景。
例如PLEIADES卫星这样敏锐的卫星，可以被偏航操纵，如本发明的范围，实现参考图像和二次图像所构成的图像对的获取。更精确地，参考图像通常可以通过卫星的前进来获取，而二次图像可以在180度的偏航操纵后获取，因此转向的成像系统的检测条码使得相同场景在纵摇操纵的帮助下再次成像。纵摇操纵这时与卫星的自然前进方向“反向”。
图1中显示的是根据本发明的参考图像R和同一场景的二次图像S的“对称”曝光。
在图1中，标注CCD表明观测卫星的成像系统的检测条码的位置。该条码为典型的CCD（电荷耦合器件，指采用电荷迁移的器件）类型，包括多个按行安装的光敏传感器，例如每行大约4000到6000个传感器。至于标注t，它表明卫星随着时间的运动。将观察到，本发明不限定为“推扫”式的扫描传感器，也可扩展为矩阵类型的传感器。
图2中显示的是测量参考图像与二次图像之间的行和列的平均偏移以得到纵摇和横摇误差的示意图。行偏移dl是典型的双倍纵摇误差，而列偏移dc是典型的双倍横摇误差。
图3为显示根据本发明第一个方面的方法的可行实施方案的不同步骤的示意图。
根据被称为“几何调整”的第一个步骤，在图像对中选择参考产品和二次产品。参考图像和二次图像的几何模型然后被用于将系统传达的所有信息（数字地形模型、姿态、已知焦平面的地图绘制等等）注入到图像中。这时，两个图像是准重叠（quasi-superposable）的。仅有的差别由缺少焦平面的信息和残余姿态误差所引起（未被姿态和轨道控制系统AOCS纠正）。
因此该“几何调整”步骤由将图像对中的第一图像投射到第二图像构成。更精确地，采用被称为“协同定位（co-localization）”的转换来放入，使第一图像中的所有的行、列位置与第二图像中的行和列位置相对应。出于这一目的，使用第一图像的直接定位模型（使用所有包含在产品的辅助数据中的信息）以得到图像在地面上的位置信息。然后使用该地面信息和第二图像的反向定位模型。
根据第二个步骤，例如通过相关的技术手段，实现二次图像与参考图像的比较以估计纵摇和横摇误差。
应当注意，本发明不限定于以上述的相关的技术手段实现，而是扩展为任何其它的测量图像之间偏移的技术。
然后计算在行和列中的平均偏移以估计纵摇误差和横摇误差。平均行偏移事实上对应于两倍的纵摇误差，并且平均列偏移对应于两倍的横摇误差。
因此，对相关参考图像与二次图像而得到的矩阵的行和列进行平均，使得分别估计纵摇误差和横摇误差成为可能。
根据一个可行的实施方案，通过空间三角测量来实现纵摇和横摇误差估计。
第二步骤，有利地在多个场景（例如，就像在利用常规的几何校正技术的情况中的三十几个场景）上重复几次，并且因此使几个参考图像/二次图像成对。之后通过进行平均来估计平均对准误差，一方面，计算多个场景中的每个场景的横摇误差估计，并且另一方面，计算多个场景中的每个场景的纵摇误差估计。也有利地计算纵摇误差估计的标准偏差和横摇误差估计的标准偏差以提供定位性能的估计。
应当理解，根据本发明的第一个方面的方法的主要优点是，它使得对准误差的自主校正的实行不需要超位点（也使免除创建、操纵和维护超位点的限制成为可能），也不需要控制点（GPS、地图等等）。
该方法也使免除具体定位（与超位点相联系）成为可能。然后也以在不同的纬度的位点校正对准误差，可以监控在这些误差中可能的热弹性(thermo-elastic changes)的变化，并且用于少量轨道的常规监控。它也可以使用大量的位点并且因此改进几何校正的精度。
应当理解，本发明并不限定于根据它的第一个方面的方法，也根据本发明的第二方面扩展为计算机程序产品包括指令组，当在数据处理单元上执行指令时，引发所述单元执行根据本发明的第一方面的方法的步骤。本发明进一步扩展为所设计的搭载在机载观测卫星中的成像系统，系统包括检测条码，其由多个检测器和根据本发明的第二方面的计算机程序产品构成，当计算机程序产品被执行时，检测条码使得成像系统的校正得以运行。

Claims (10)

1.一种校正观测卫星内的机载成像系统中视域标的横摇和纵摇对准误差的方法，其中场景的参考图像与通过所述成像系统获取的场景的二次图像进行比较，
其特征在于，所述参考图像和所述二次图像由通过所述成像系统获取的场景的曝光构成，所述二次图像曝光期间所述观测卫星的运动方向与所述参考图像曝光期间所述观测卫星的运动方向相反。
2.根据权利要求1所述的方法，其中采用所述图像的相关来比较所述参考图像与所述二次图像。
3.根据权利要求2所述的方法，也包括对相关所述参考图像与所述二次图像而得到的矩阵进行行的平均和列的平均，以分别估计纵摇误差和横摇误差。
4.根据权利要求3所述的方法，其中通过空间三角测量来实现所述纵摇误差和所述横摇误差的估计。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中所述观测卫星在同一次的从场景上方经过期间获得所述参考图像和所述二次图像。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，包括在比较所述参考图像与所述二次图像之前的步骤，所述步骤由协同定位所述图像构成，目的是将所述二次图像投射到所述参考图像以使它们准重叠。
7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于所述方法可用于多个场景，并且在所述方法中通过进行平均来估计平均对准误差，一方面，计算多个场景中的每个场景的纵摇误差估计，并且另一方面，计算多个场景中的每个场景的横摇误差估计。
8.根据前一项权利要求所述的方法，其中包括计算所述纵摇误差估计的标准偏差和所述横摇误差估计的标准偏差。
9.一种计算机程序产品，包括指令组，当在数据处理单元上执行所述指令时，引发所述单元执行根据前述权利要求中的任意一项所述的方法中的所述步骤。
10.一种搭载在观测卫星中的成像系统，包括检测条码，所述检测条码由多个检测器和根据权利要求9所述的计算机程序构成，当执行所述计算机程序时，所述检测条码使得成像系统中视域标的横摇和纵摇对准误差的校正得以实现。
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