CN106553770A - 遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法，包括以下步骤：步骤一：获得卫星零姿态下的基准图像；步骤二：获得卫星存在姿态运动时的图像；步骤三：获得卫星存在姿态运动时对姿态运动进行补偿后的图像；步骤四：对比评估姿态运动补偿效果。本发明能够在卫星研制阶段，利用地面成像系统对卫星的卫星姿态运动补偿设计方案进行验证。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像领域和精密测量领域，更具体的说，涉及一种遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法，能够模拟卫星在轨姿态偏差的状态，利用卫星遥感仪器成像功能在地面评估姿态运动补偿方案。
背景技术
随着遥感卫星应用技术水平的提高，通常要求高精度遥感卫星对地成像的图像被精确定位，并配准到地球标称网格。但卫星平台和遥感仪器受到空间力学环境、热环境变化等因素的影响，卫星会存在轨道漂移和姿态指向偏差，仪器会产生几何变形，影响遥感图像的定位与配准精度。卫星图像导航与配准技术可解决此类问题：卫星对遥感仪器的二维扫描机构进行实时角度增量补偿，将仪器观测点在地表的移动轨迹引导至预设路径，从而实现图像导航，使遥感图像配准到地球标称网格。
对遥感卫星在轨期间的姿态误差补偿测试通常采用在轨试验调试的方法，该方法风险大，代价高，参数调试、代码调试流程复杂。而在地面等比例对户外真实场景成像试验受场地大小限制，不可能完全模拟在轨工况。且室外场景实际尺寸不可测，受安全性防污染等因素考虑卫星也不便于长时间在外场测试。平行光管可以大幅缩短所需光程长度，使遥感仪器成像试验在室内进行等效模拟成为可能。而从常规思路考虑验证卫星导航与配准的姿态运动补偿需将整星实际姿态偏置一个固定小角度，且需对该角度做角秒级的精确测量，这将对整星的总装、精测带来极大挑战，且需要配备高精度的角度测量仪器。
袁修孝、余翔在测绘学报第3期第41卷(2012年6月)的文章《高分辨率卫星遥感影像姿态角系统误差检校》详细推导了卫星姿态误差对像质的影响，并给出了地面标校方法，但该方法仅能通过地面修正后处理，无法实现在轨实时修正，且地面验证手段也仅仅停留在仿真分析阶段。
专利公开号为CN102267575A、名称为“敏捷卫星成像沿任意方向推扫速度失配时的姿态补偿方法”的中国专利介绍了推扫式遥感仪器姿态补偿方法，该方法通过解算下传的地面图像配准精度来评估补偿效果，仍然不能做到地面的等效试验。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法，其保持星体实际姿态不变，仅改变靶标位置和角度，等效在轨卫星的姿态变化导致的图像偏移，在实际操作中仅需对靶标的位移进行精测，通过光管等效焦距的放大，对位移的精测精度降低，且位移的精测难度比角度测量要小很多，这对试验操作流程带来极大便利。
根据本发明的一个方面，提供一种遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：获得卫星零姿态下的基准图像；步骤二：获得卫星存在姿态运动时的图像；步骤三：获得卫星存在姿态运动时对姿态运动进行补偿后的图像；步骤四：对比评估姿态运动补偿效果。
2、根据权利要求1所述的遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法，其特征在于，所述步骤一包括以下步骤：调整平行光管光轴对准卫星仪器视场中心，卫星在不开启姿态补偿的情况下对靶标成像，获得的图像作为基准图像。
3、根据权利要求1所述的遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法，其特征在于，所述步骤二包括以下步骤：靶标沿卫星本体系x轴或y轴方向平移一段距离，模拟卫星在轨姿态偏移造成的目标在视场中的移动效果；卫星在不开启姿态补偿的情况下对靶标成像，获得姿态运动时的图像。
4、根据权利要求1所述的遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法，其特征在于，所述步骤三包括以下步骤：在卫星内部姿轨控计算机软件中设置与靶标偏移量相对应的姿态偏置参数，卫星在开启姿态运动补偿的情况下对靶标成像，获得补偿后图像。
5、根据权利要求1所述的遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法，其特征在于，所述步骤四包括以下步骤：将基准图像的灰度矩阵分别与姿态运动时的图像、补偿后图像的灰度矩阵相减，从而观测图像的重合程度，两图像不重合的像元个数。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明保持星体实际姿态不变，仅改变靶标位置和角度，等效在轨卫星的姿态变化导致的图像偏移，在实际操作中仅需对靶标的位移进行精测，通过光管等效焦距的放大，对位移的精测精度降低，且位移的精测难度比角度测量要小很多，这对试验操作流程带来极大便利。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为卫星姿态运动补偿成像试验原理示意图。
附图2为卫星地面成像试验示意图。
附图3为卫星姿态运动补偿成像试验流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明根据卫星姿态运动后对地面成像造成的偏移，利用靶标等效平移模拟星体姿态运动对图像造成影响。
具体的，根据本发明提供的遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法，包括如下步骤：
步骤一：调整平行光管光轴对准卫星仪器视场中心，卫星在不开启姿态补偿的情况下对靶标成像，获得的图像作为基准图像。
步骤二：靶标沿卫星本体系x轴或y轴方向平移一段距离，模拟卫星在轨姿态偏移造成的目标在视场中的移动效果。卫星在不开启姿态补偿的情况下对靶标成像，获得姿态运动时的图像。
步骤三：在卫星内部姿轨控计算机软件中设置与靶标偏移量相对应的姿态偏置参数，卫星在开启姿态运动补偿的情况下对靶标成像，获得补偿后图像。
步骤四：将基准图像的灰度矩阵分别与姿态运动时的图像、补偿后图像的灰度矩阵相减，从而观测图像的重合程度，两图像不重合的像元个数即为图像偏差，从而对比评估姿态运动补偿效果。
所述步骤一包括以下步骤：
建立卫星、遥感仪器、平行光管、靶标的相对关系，其中平行光管光轴与卫星本体系z轴平行，并将遥感仪器视轴、平行光管同轴对准。卫星本体系y轴垂直指向地面，靶标固定，将靶标的该位置计为零位，遥感仪器不开启姿态运动补偿，获得的图像作为基准图像。
所述步骤二包括以下步骤：靶标沿卫星本体系x轴或y轴方向平移，并测量平移距离L，模拟卫星姿态偏差造成的成像效果。若靶标沿x轴或y轴正方向平移，则位移L为正，反之为负。遥感仪器在不开启姿态补偿的情况下靶标成像，获得偏移图像。
所述步骤三包括以下步骤：星体实际位置保持不动，在卫星内部姿轨控软件中设置姿态偏置参数。若靶标沿卫星本体系x轴方向偏移，则设置卫星俯仰角，角度设置满足如下关系式：
θ＝-arctan(L/f)
若靶标沿卫星本体系y轴方向偏移，则设置卫星滚动角，角度设置满足如下关系式：
其中L为靶标平移位移，f为平行光管等效焦距。开启姿态补偿后遥感仪器对偏移的靶标成像，获得的图像即为补偿图像。
所述步骤四包括以下步骤：根据获得的基准图像和模拟姿态偏移图像，分析靶标形状特征，提取图像中靶标边缘直线，并将两图像叠加，计算直线的偏移像素个数n，则补偿前的配准精度为n1τ，补偿后的配准精度为n2τ，其中τ为遥感仪器单个像元的视场大小，比较姿态补偿前后配准精度即可对补偿效果进行评估。
由于卫星在轨期间受到内外力矩的干扰，姿态控制系统不能将卫星平台姿态严格保持在参考坐标系，导致载荷视轴指向随平台姿态运动一起发生变化，姿态运动补偿利用仪器二维扫描镜增加补偿量的方法，将姿态运动后的载荷视轴实时指向预期方向，补偿后的效果相当于卫星一直保持在0姿态状态对地球成像(图1)。本发明能够在卫星研制阶段，利用地面成像系统对卫星的卫星姿态运动补偿设计方案进行验证。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (5)
1.一种遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：获得卫星零姿态下的基准图像；步骤二：获得卫星存在姿态运动时的图像；步骤三：获得卫星存在姿态运动时对姿态运动进行补偿后的图像；步骤四：对比评估姿态运动补偿效果。
2.根据权利要求1所述的遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法，其特征在于，所述步骤一包括以下步骤：调整平行光管光轴对准卫星仪器视场中心，卫星在不开启姿态补偿的情况下对靶标成像，获得的图像作为基准图像。
3.根据权利要求1所述的遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法，其特征在于，所述步骤二包括以下步骤：靶标沿卫星本体系x轴或y轴方向平移一段距离，模拟卫星在轨姿态偏移造成的目标在视场中的移动效果；卫星在不开启姿态补偿的情况下对靶标成像，获得姿态运动时的图像。
4.根据权利要求1所述的遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法，其特征在于，所述步骤三包括以下步骤：在卫星内部姿轨控计算机软件中设置与靶标偏移量相对应的姿态偏置参数，卫星在开启姿态运动补偿的情况下对靶标成像，获得补偿后图像。
5.根据权利要求1所述的遥感卫星姿态运动补偿的成像试验方法，其特征在于，所述步骤四包括以下步骤：将基准图像的灰度矩阵分别与姿态运动时的图像、补偿后图像的灰度矩阵相减，从而观测图像的重合程度，两图像不重合的像元个数。
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