CN107085856B - 一种基于光学影像的在轨高精度实时定位方法 - Google Patents

一种基于光学影像的在轨高精度实时定位方法 Download PDF

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Abstract

一种基于光学影像的在轨高精度实时定位方法，包括步骤：将严格几何成像模型中的相关参数进行归类和等效，并将严格几何成像模型等效为星上几何定位模型；利用地面定标场的控制点对星上几何定位模型的参数进行修正；将修正后的参数上注到星上。由于对传统的严格几何成像模型进行分板和优化，将其等效为星上几何定位模型，该星上几何定位模型能够适应星上资源有限的情况，然后，通过星上几何定位模型实时定位处理来减小定位的时间迟滞性，同时，减小海量数据下传对数传系统带来的压力，最后通过基于星地协同的参数修正方法来减小系统的误差，提高定位精度。

Description

一种基于光学影像的在轨高精度实时定位方法
技术领域
本发明涉及光学卫星遥感影像技术领域，具体涉及一种基于光学影像的在轨高精度实时定位方法。
背景技术
在轨高精度实时定位技术的研究国内虽然还处于起步阶段，但随着光学卫星遥感数据率呈现海量增长，给数据传输系统带来了巨大的压力，传统基于地面处理的定位技术已经很难满足应用需求，因此在轨目标识别及高精度定位的应用需求变得日益迫切。在轨高精度定位解算技术可实时提供探测目标的物方位置信息，实现对动、静目标的定位以及运动目标的运动轨迹及行为意图的分析。
在利用光学卫星影像进行跟踪定位时，由于系统存在各种误差导致定位精度降低，传统的定位技术是将影像数据下传到地面，通过地面服务器的数据处理来减小系统的误差，从而提高定位精度；但数据下传处理会导致定位存在时间迟滞性，无法满足实时性要求高的应用需求。
发明内容
针对如何克服传统基于地面处理的定位技术对卫星数传系统带来的严峻挑战及减小定位的时间迟滞性，本申请提供一种基于光学影像的在轨高精度实时定位方法，包括步骤：
将严格几何成像模型中的相关参数进行归类和等效，并将严格几何成像模型等效为星上几何定位模型；
利用地面定标场的控制点对星上几何定位模型的参数进行修正；
将修正后的参数上注到星上。
一种实施例中，将严格几何成像模型中的相关参数进行归类和等效，并将所述严格几何成像模型等效为星上几何定位模型；具体包括：
严格几何成像模型为：
Figure BDA0001263899570000011
其中，
Figure BDA0001263899570000021
为影像对应的地面目标点在WGS84坐标系中的坐标，
Figure BDA0001263899570000022
为卫星在WGS84坐标系中的位置，为J2000坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵，
Figure BDA0001263899570000024
为本体坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，
Figure BDA0001263899570000025
为GPS天线相位中心在本体坐标系下的三个偏移量，
Figure BDA0001263899570000026
为相机坐标系原点相对于本体坐标系原点的偏移量，m为坐标旋转过程中产生的缩放因子，
Figure BDA0001263899570000027
为相机坐标系到本体坐标系的旋转矩阵，为地面点在相机坐标系下的投影坐标；
根据是否与载荷本身有关将严格几何成像模型的相关参数归类为内方位元素和外方位元素；
将内方位元素等效为指向角的指向向量，及，将外方位元素等效为一个偏移矩阵，严格几何成像模型等效的星上几何定位模型为：
Figure BDA0001263899570000029
其中，Rbais为偏移矩阵，
为影像坐标在相机坐标系下的指向向量。
一种实施例中，利用地面定标场的控制点对星上几何定位模型的参数进行修正，具体包括：
以实验室定标结构为初始值，采用罗德里格矩阵对外方位元素进行修正；
以标定后的外方位参数为初始值，采用反变换设定阈值迭代的方法对内方位元素进行修正。
一种实施例中，采用罗德里格矩阵对所述外方位元素进行修正，具体包括：
偏移矩阵Rbais的表达式为：Rbais＝(I-S)-1(I+S)，其中，
Figure BDA00012638995700000211
构建误差方程：V＝AX-L，其中，
Figure BDA00012638995700000212
Figure BDA0001263899570000031
其中，
Figure BDA0001263899570000032
采用最小二乘法对误差方程求解获得参数a，b，c，并获得偏移矩阵Rbais；
根据偏移矩阵Rbais修正所述星上几何定位模型的外方位元素。
一种实施例中，采用反变换设定阈值迭代的方法对所述内方位元素进行修正，具体包括：
令F()、G()分别为影像空间坐标系下像点沿轨及垂轨方向的矢量残差函数，所述矢量残差函数的表达式为：
Figure BDA0001263899570000033
其中，XE为外方位元素，XI为内方位元素，
Figure BDA0001263899570000034
为本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵，
Figure BDA0001263899570000035
为像点光线在本体坐标系下的矢量，和
Figure BDA0001263899570000037
为指向角；
将修正后的外方位元素视为XE的初始值，将内方位元素XI视为待求的未知参数，根据矢量残差函数修正星上几何定位模型的内方位元素。
依据上述实施例的在轨高精度实时定位方法，由于对传统的严格几何成像模型进行分板和优化，将其等效为星上几何定位模型，该星上几何定位模型能够适应星上资源有限的情况，然后，通过星上几何定位模型实时定位处理来减小定位的时间迟滞性，同时，减小海量数据下传对数传系统带来的压力，最后通过基于星地协同的参数修正方法来减小系统的误差，提高定位精度。
附图说明
图1为在轨高精度实时定位原理图；
图2为在轨高精度实时定位流程图；
图3为定位参数修正流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
本例提供一种基于光学影像的在轨高精度实时定位方法，其原理示意图如图1所示，通过原理分析可以发现，光学卫星影像和地物目标之间存在着一一映射关系，因此可以利用光学卫星影像来对地物目标进行精确跟踪定位，但由于光学载荷获取影像的过程是一个多载荷协同工作的复杂过程，因此不可避免地会引入各种系统误差和随机误差，正是由于这些误差的存在，极大地降低了定位的精度。通过修正星上几何定位模型的参数，消除系统误差和部分随机误差可以极大地提高定位精度。直接在星上处理，无需将影像数据下传到地面，避免了海量数据对数传系统带来的压力，同时消除了数据下传带来的时间迟滞性，保证了定位的时效性。
进一步，本例的在轨高精度实时定位方法，具体包括如处步骤，其流程图如图2所示。
S1：将严格几何成像模型中的相关参数进行归类和等效，并将严格几何成像模型等效为星上几何定位模型。
本例首先对严格几何成像模型进行分析优化，其中，严格几何成像模型为
Figure BDA0001263899570000041
上式中，
Figure BDA0001263899570000042
为影像对应的地面目标点在WGS84坐标系中的坐标，
Figure BDA0001263899570000043
为卫星在WGS84坐标系中的位置，
Figure BDA0001263899570000044
为J2000坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵，
Figure BDA0001263899570000045
为本体坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，为GPS天线相位中心在本体坐标系下的三个偏移量，
Figure BDA0001263899570000047
为相机坐标系原点相对于本体坐标系原点的偏移量，m为坐标旋转过程中产生的缩放因子，为相机坐标系到本体坐标系的旋转矩阵，
Figure BDA0001263899570000049
为地面点在相机坐标系下的投影坐标。
根据是否与载荷本身有关将上述严格几何成像模型的相关参数归类为内方位元素和外方位元素；其中，内方位元素为主点、主距和焦距等，由于内方位元素的测量精度与主光轴的精度有关，因此，利用指向角的指向向量来等效优化严格几何成像模型中的主点、主距和焦距等内方位元素，而从外方位元素对定位精度的影响效果上分析可将其等效成一个偏移矩阵，通过一系列等效优化后，将严格几何成像模型等效为适合星上处理的星上几何定位模型如下：
Figure BDA0001263899570000051
其中，Rbais为偏移矩阵，
Figure BDA0001263899570000052
为影像坐标在相机坐标系下的指向向量。
S2：利用地面定标场的控制点对星上几何定位模型的参数进行修正。
由于内方位元素与外方位元素之间存在耦合性，为确保标定结果的收敛性，本例采用分步标定的方法，即先对外方位元素进行修正标定再对内方位元素进行修正标定，具体过程如下，其修正标定流程图如图3所示。
首先，以实验室定标结果为初始值，采用罗德里格矩阵对所述外方位元素进行修正；本例中，偏移矩阵Rbais的表达式为：Rbais＝(I-S)-1(I+S)。
其中，
Figure BDA0001263899570000053
构建误差方程：V＝AX-L，其中，
Figure BDA0001263899570000054
Figure BDA0001263899570000055
其中，
Figure BDA0001263899570000056
采用最小二乘法对误差方程求解获得参数a，b，c，并获得偏移矩阵Rbais；
根据偏移矩阵Rbais修正星上几何定位模型的外方位元素。
其次，以标定后的外方位参数为初始值，采用反变换设定阈值迭代的方法对内方位元素进行修正，具体过程如下。
令F()、G()分别为影像空间坐标系下像点沿轨及垂轨方向的矢量残差函数，矢量残差函数的表达式为：
Figure BDA0001263899570000057
其中，XE为外方位元素，XI为内方位元素，
Figure BDA0001263899570000058
为本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵，为像点光线在本体坐标系下的矢量，
Figure BDA0001263899570000062
和
Figure BDA0001263899570000063
为指向角；
将修正后的外方位元素视为XE的初始值，将内方位元素XI视为待求的未知参数，根据矢量残差函数修正所述星上几何定位模型的内方位元素。
S3：将修正后的参数上注到星上。
具体的，设置定标精度阈值，判断修正的定位参数是否达到阈值，如果达到阈值则修正结束，将定位参数通过遥控通道上注到星上；如果没有达到，重复修正，直到达到阈值为止。采用周期性的上注修正的定位参数可以消除外界环境变化、轨道漂移等因素对定位精度的影响。
本例通过优化严格几何成像模型，降低了算法复杂度，从而降低算法对硬件资源的需求使之适应星上资源有限的实际情况，另外，只需周期性的上传修正参数就能达到提高定位精度的目的，无需将海量数据下传到地面处理，在能准确定位地物目标的同时，降低对系统对地传输带宽的要求，消除了数据下传带来的时间迟滞性，提高了定位的时效性。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (4)

1.一种基于光学影像的在轨高精度实时定位方法，其特征在于，包括步骤：
将严格几何成像模型中的相关参数进行归类和等效，并将所述严格几何成像模型等效为星上几何定位模型，具体包括：
严格几何成像模型为：
Figure FDA0002162947840000011
其中，
Figure FDA0002162947840000012
为影像对应的地面目标点在WGS84坐标系中的坐标，
Figure FDA0002162947840000013
为卫星在WGS84坐标系中的位置，
Figure FDA0002162947840000014
为J2000坐标系到WGS84坐标系的旋转矩阵，
Figure FDA0002162947840000015
为本体坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵，为GPS天线相位中心在本体坐标系下的三个偏移量，
Figure FDA0002162947840000017
为相机坐标系原点相对于本体坐标系原点的偏移量，m为坐标旋转过程中产生的缩放因子，
Figure FDA0002162947840000018
为相机坐标系到本体坐标系的旋转矩阵，为地面点在相机坐标系下的投影坐标；
根据是否与载荷本身有关将所述严格几何成像模型的相关参数归类为内方位元素和外方位元素；
将所述内方位元素等效为指向角的指向向量，及，将所述外方位元素等效为一个偏移矩阵，所述严格几何成像模型等效的星上几何定位模型为：
Figure FDA00021629478400000110
其中，Rbais为偏移矩阵，
Figure FDA00021629478400000111
为影像坐标在相机坐标系下的指向向量；
利用地面定标场的控制点对所述星上几何定位模型的参数进行修正；
将修正后的参数上注到星上。
2.如权利要求1所述的在轨高精度实时定位方法，其特征在于，所述利用地面定标场的控制点对所述星上几何定位模型的参数进行修正，具体包括：
以实验室定标结果为初始值，采用罗德里格矩阵对所述外方位元素进行修正；
以标定后的外方位参数为初始值，采用反变换设定阈值迭代的方法对所述内方位元素进行修正。
3.如权利要求2所述的在轨高精度实时定位方法，其特征在于，所述采用罗德里格矩阵对所述外方位元素进行修正，具体包括：
所述偏移矩阵Rbais的表达式为：Rbais＝(I-S)-1(I+S)，其中，
Figure FDA0002162947840000021
构建误差方程：V＝AX-L，其中，
Figure FDA0002162947840000022
Figure FDA0002162947840000023
其中，
Figure FDA0002162947840000024
采用最小二乘法对所述误差方程求解获得参数a，b，c，并获得偏移矩阵Rbais；
根据所述偏移矩阵Rbais修正所述星上几何定位模型的外方位元素。
4.如权利要求3所述的在轨高精度实时定位方法，其特征在于，所述采用反变换设定阈值迭代的方法对所述内方位元素进行修正，具体包括：
令F()、G()分别为影像空间坐标系下像点沿轨及垂轨方向的矢量残差函数，所述矢量残差函数的表达式为：
其中，XE为外方位元素，XI为内方位元素，
Figure FDA0002162947840000026
为本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵，
Figure FDA0002162947840000027
为像点光线在本体坐标系下的矢量，
Figure FDA0002162947840000028
和
Figure FDA0002162947840000029
为指向角；
将修正后的外方位元素视为XE的初始值，将内方位元素XI视为待求的未知参数，根据所述矢量残差函数修正所述星上几何定位模型的内方位元素。
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