CN107329190B - 静止气象卫星恒星敏感的成像试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种静止气象卫星恒星敏感的成像试验方法，包括以下步骤：步骤一：建立由两个狭缝板十字交叉叠加组成的静态星点靶标成像系统；步骤二：以静态星点方位计算卫星遥感仪器指向该位置的二维扫描镜角度，驱动遥感仪扫描镜指向该角度，静态星点靶标应该出现在遥感仪器瞬时视场内；步骤三：调整靶标狭缝尺寸；步骤四：恒星敏感成像试验结果评估。本发明面向工程实际，通过调节靶标运动机构星点模拟恒星划过遥感仪可见光通道像元，对遥感仪恒星敏感性能进行评估，并对恒星敏感东西、南北方向参数提取方法进行验证。

Description

静止气象卫星恒星敏感的成像试验方法
技术领域
本发明涉及一种成像试验方法，具体地，涉及一种静止气象卫星恒星敏感的成像试验方法。
背景技术
随着遥感卫星应用技术水平的提高，通常要求高精度静止卫星对地成像的图像精确定位，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。卫星成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，从而实现成像导航，使遥感图像配准到地球标称网格。静止遥感卫星在轨期间的仪器几何变形不可直接测量，可利用仪器对恒星进行敏感成像，获取恒星在探测器面阵内划过的运动轨迹，通过提取恒星运动规律和特征参数，与恒星在惯性系的实际位置对比可计算遥感仪器的在轨变形量。恒星敏感的精度直接关系到遥感仪器几何变形的辨识精度，对静止卫星对地成像图像精确定位配准精度有重要影响，需在地面充分测试和验证。
J.L Fiorello等人编写的NOAA的研究报告(1989年，编号N90-13422)对图像导航配准概念和原理进行了介绍，提出了通过仪器观测恒星获取仪器变形参数的方法，但未阐述恒星敏感的地面验证测试方法。
专利号为US4801202、名称为“Method and apparatus for radiometer starsensing”的美国专利描述了静止气象卫星的辐射计在轨观测恒星的方法，声明了对具体操作步骤等的权力要求，但未阐述恒星敏感的地面验证测试方法。
专利号为US4746976、名称为“Sightings by satellite for image navigation”的美国专利介绍了静止气象卫星仪器在轨观测恒星的位置和数量，声明了对观星时机和方向的选取等方法的权力要求，但未阐述恒星敏感的地面验证测试方法。
李晓坤、王淦泉、陈桂林在科学技术与工程第7卷第6期(2007年3月)的文章《风云四号气象卫星扫描成像仪——可见光通道恒星敏感》中，介绍了风云四号卫星扫描成像仪通过恒星敏感解算仪器内部形变的方法，提出通过加权分析获得恒星划过探测器的位置，但未阐述恒星敏感的地面验证测试方法。
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静止气象卫星恒星敏感的成像试验方法，其面向工程实际，通过调节靶标运动机构星点模拟恒星划过遥感仪可见光通道像元，对遥感仪恒星敏感性能进行评估，并对恒星敏感东西、南北方向参数提取方法进行验证。
根据本发明的一个方面，提供一种静止气象卫星恒星敏感的成像试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立由两个狭缝板十字交叉叠加组成的静态星点靶标成像系统，调整靶标狭缝宽度生成较大星点，调整二维直线运动台位置，使星点位于平行光管中央附近；卫星对静态星点靶标可能出现区域进行较大范围的区域扫描成像，观察遥感图像中的亮点位置，通过重心提取法计算静态星点方位；
步骤二：以静态星点方位计算卫星遥感仪器指向该位置的二维扫描镜角度，驱动遥感仪扫描镜指向该角度，静态星点靶标应该出现在遥感仪器瞬时视场内；
步骤三：调整靶标狭缝尺寸，使星点靶标大小接近实际恒星星点张角；利用平行光管焦距及地球自转角速度计算静态星点靶标在二维直线运动平台上的线位移速度，并以该运动规律驱动直线运动台，使星点沿东西方向匀速划过探测器像元；在东西方向每往复划过一次，南北方向利用二维直线运动平台步进1/3像元的距离；
步骤四：恒星敏感成像试验结果评估。
优选地，所述步骤一包括以下步骤：
靶标选用两个狭缝组成的星点靶标，狭缝宽度可调节，并将该靶标安装在二维直线运动台上；星点靶标狭缝宽度可过下式进行计算：
d＝fp*θstar
式中，d为靶标狭缝宽度，fp为平行光管焦距长度，θstar为恒星星点张角。
优选地，所述步骤四提取恒星划过信息，计算恒星划过东西方向中心的时间和南北像元坐标。
优选地，所述所述步骤二包括：以步骤一中计算得到的星点位置作为目标位置驱动遥感仪扫描镜，使遥感仪小视场探测器指向恒星星点位置。
优选地，所述步骤三包括以下步骤：调整靶标星点尺寸，使星点大小与实际恒星星点张角大小一致；结合平行光管焦距及地球自转角速度计算恒星星点线位移速度，并以该速度驱动直线运动台，使星点沿东西方向匀速划过探测器像元；恒星星点线位移速度计算方法如下：
v＝fp*ωe
式中，v为靶标平移速度，fp为平行光管焦距长度，ωe为地球自转角速度。
优选地，所述步骤四包括以下步骤：利用恒星影像进出遥感仪探测器面阵上某一列像元的连续曝光数据，提取恒星影像引起该列像元总灰度值随时间的变化关系式和曲线，将曲线上升段和下降段半功率点时间的平均值作为恒星影像中心划过该列像元中心线的时刻；根据恒星影像的点扩散函数计算恒星影像在单列像元内的南北向坐标分量，利用多列像元南北向坐标分量的计算结果拟合恒星影像南北向运动轨迹，提取恒星敏感南北参数。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明可应用于我国第二代静止气象卫星风云四号等静止遥感卫星的成像定位与配准系统研制研发过程。本发明提供的静止气象卫星恒星敏感的成像试验方法通过调节靶标运动机构星点模拟恒星划过遥感仪可见光通道像元，可对遥感仪恒星敏感性能进行评估，并对恒星敏感东西、南北方向参数提取方法进行验证。
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为静止气象卫星地面成像试验示意图。
图2为星点靶标示意图。
图3为星点靶标往复划过探测器视场示意图。
图4为发明实施步骤示意图。
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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图4所示，本发明通过调节靶标运动机构星点模拟恒星划过遥感仪可见光通道像元，可对遥感仪恒星敏感性能进行评估，并对恒星敏感东西、南北方向参数提取方法进行验证.
具体地，根据本发明提供的静止气象卫星恒星敏感的成像试验方法，包括如下步骤：
步骤一：建立由两个狭缝板十字交叉叠加组成的静态星点靶标成像系统，调整靶标狭缝宽度生成较大星点，调整二维直线运动台位置，使星点位于平行光管中央附近。卫星对静态星点靶标可能出现区域进行较大范围的区域扫描成像，观察遥感图像中的亮点位置，通过重心提取法计算静态星点方位。
步骤二：以静态星点方位计算卫星遥感仪器指向该位置的二维扫描镜角度，驱动遥感仪扫描镜指向该角度，静态星点靶标应该出现在遥感仪器瞬时视场内。
步骤三：调整靶标狭缝尺寸，使星点靶标大小接近实际恒星星点张角。利用平行光管焦距及地球自转角速度计算静态星点靶标在二维直线运动平台上的线位移速度，并以该运动规律驱动直线运动台，使星点沿东西方向匀速划过探测器像元。在东西方向每往复划过一次，南北方向利用二维直线运动平台步进1/3像元的距离。
步骤四：提取恒星划过信息，计算恒星划过东西方向中心的时间和南北像元坐标。
所述步骤一包括以下步骤：
靶标选用两个狭缝组成的星点靶标，狭缝宽度可调节，并将该靶标安装在二维直线运动台上；星点靶标狭缝宽度可过下式(1)进行计算：
d＝fp*θstar (1)
式中，d为靶标狭缝宽度，fp为平行光管焦距长度，θstar为恒星星点张角。
调整星点靶标狭缝宽度生成较大星点，并调整直线运动台位置，使星点目测于平行光管中央；通过遥感仪大范围扫描成像，寻找星点靶标；观察遥感仪扫描成像获得的图像，如果不能搜到星点则扩大扫描搜索范围再次扫描成像，如果已经搜到星点，则通过重心提取法计算星点在仪器坐标系下的位置，如式(2)：
Figure BDA0001297191670000051
式中，Xstar为星点中心在仪器坐标系下东西方向角坐标，Ystar为星点中心在仪器坐标系下南北方向角坐标，m为遥感仪探测器行数，n为遥感仪探测器列数，Xi为探测器像元i东西方向角坐标，Yi为探测器像元i南北方向角坐标。
如图2所示，纵向狭缝调节旋钮13位于纵向狭缝板14上，横向狭缝调节旋钮15位于横向狭缝板16上，纵向狭缝调节旋钮13和横向狭缝调节旋钮15在模拟星点17交叉，纵向狭缝板14位于横向狭缝板16的下方。如图3所示，探测仪像元18探测横行靶移动路径19。
所述步骤二包括以下步骤：以步骤一中计算得到的星点位置(Xstar,Ystar)作为目标位置驱动遥感仪扫描镜，使遥感仪小视场探测器指向恒星星点位置.
所述步骤三包括以下步骤：调整靶标星点尺寸，使星点大小与实际恒星星点张角大小一致(张角约0.2″)；结合平行光管焦距及地球自转角速度计算恒星星点线位移速度，并以该速度驱动直线运动台，使星点沿东西方向匀速划过探测器像元。恒星星点线位移速度计算方法如下(3)：
v＝fp*ωe (3)
式中，v为靶标平移速度，fp为平行光管焦距长度，ωe为地球自转角速度。
手动控制直线运动平台，控制星点靶标走S曲线路径，每次东西方向行程结束后南北单向步进1/3像元，使得每个像元都至少被点亮一次。星点靶标南北方向步进步长可通过下式(4)进行计算：
Figure BDA0001297191670000052
式中，NSstep为靶标南北方向步进步长，fp为平行光管焦距长度，θpix为遥感仪单个像元视场张角。
所述步骤四包括以下步骤：利用恒星影像进出遥感仪探测器面阵上某一列像元的连续曝光数据，提取恒星影像引起该列像元总灰度值随时间的变化关系式和曲线，将曲线上升段和下降段半功率点时间的平均值作为恒星影像中心划过该列像元中心线的时刻；根据恒星影像的点扩散函数计算恒星影像在单列像元内的南北向坐标分量，利用多列像元南北向坐标分量的计算结果拟合恒星影像南北向运动轨迹，提取恒星敏感南北参数。
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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种静止气象卫星恒星敏感的成像试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立由两个狭缝板十字交叉叠加组成的静态星点靶标成像系统，调整靶标狭缝宽度生成较大星点，调整二维直线运动平台位置，使星点位于平行光管中央附近；卫星对静态星点靶标可能出现区域进行较大范围的区域扫描成像，观察遥感图像中的亮点位置，通过重心提取法计算静态星点方位；
步骤二：以静态星点方位计算卫星遥感仪器指向亮点位置的二维扫描镜角度，驱动遥感仪扫描镜指向该角度，静态星点靶标应该出现在遥感仪器瞬时视场内；
步骤三：调整靶标狭缝尺寸，使星点靶标大小接近实际恒星星点张角；利用平行光管焦距及地球自转角速度计算静态星点靶标在二维直线运动平台上的线位移速度，并以线位移速度驱动二维直线运动平台，使星点沿东西方向匀速划过探测器像元；在东西方向每往复划过一次，南北方向利用二维直线运动平台步进1/3像元的距离；
步骤四：恒星敏感成像试验结果评估。
2.根据权利要求1所述的静止气象卫星恒星敏感的成像试验方法，其特征在于，所述步骤一包括以下步骤：
靶标选用两个狭缝组成的星点靶标，狭缝宽度可调节，并将该靶标安装在二维直线运动平台上；星点靶标狭缝宽度可过下式进行计算：
d＝fp*θstar
式中，d为靶标狭缝宽度，fp为平行光管焦距长度，θstar为恒星星点张角。
3.根据权利要求1所述的静止气象卫星恒星敏感的成像试验方法，其特征在于，所述步骤四提取恒星划过信息，计算恒星划过东西方向中心的时间和南北像元坐标。
4.根据权利要求1所述的静止气象卫星恒星敏感的成像试验方法，其特征在于，所述步骤二包括：以步骤一中计算得到的星点方位作为目标位置驱动遥感仪扫描镜，使遥感仪小视场探测器指向恒星星点位置。
5.根据权利要求1所述的静止气象卫星恒星敏感的成像试验方法，其特征在于，所述步骤三包括以下步骤：调整靶标狭缝尺寸，使星点大小与实际恒星星点张角大小一致；结合平行光管焦距及地球自转角速度计算恒星星点线位移速度，并以线位移速度驱动二维直线运动平台，使星点沿东西方向匀速划过探测器像元；恒星星点线位移速度计算方法如下：
v＝fp*ωe
式中，v为线位移速度，fp为平行光管焦距长度，ωe为地球自转角速度。
6.根据权利要求1所述的静止气象卫星恒星敏感的成像试验方法，其特征在于，所述步骤四包括以下步骤：利用恒星影像进出遥感仪探测器面阵上某一列像元的连续曝光数据，提取恒星影像引起该列像元总灰度值随时间的变化关系式和曲线，将曲线上升段和下降段半功率点时间的平均值作为恒星影像中心划过该列像元中心线的时刻；根据恒星影像的点扩散函数计算恒星影像在单列像元内的南北向坐标分量，利用多列像元南北向坐标分量的计算结果拟合恒星影像南北向运动轨迹，提取恒星敏感南北参数。
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