CN109141368B - 一种高定位精度星载成像系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高定位精度星载成像系统及方法，采用星相机与陀螺进行组合姿态测量，通过姿态信息综合处理获得高低频绝对姿态信息；采用角位移传感器与像移传感器进行组合视轴扰动测量，通过视轴扰动信息综合处理获得高分辨率相机的高低频视轴扰动信息；采用高精度指向关联单元获取测姿设备‑高分辨率相机指向关联信息，减小测姿设备‑高分辨率相机间的坐标传递误差；GPS获得卫星的轨道位置信息；遥感影像信息处理单元对高低频绝对姿态信息、指向关联信息、高低频视轴扰动信息、轨道位置信息等进行综合处理得到高分辨率相机遥感影像的位置坐标信息，实现目标快速精确定位。

Description

一种高定位精度星载成像系统及方法
技术领域
本发明属于先进空间光学遥感领域，尤其涉及一种高定位精度星载成像系统及方法。
背景技术
传统星载成像系统，由于测姿设备的测量频率低、视轴扰动影响不确定、测姿设备与高分辨率相机指向关联误差较大，因而目标定位精度难以保证。
传统星载成像系统在动中成像中具有较大的局限性，主要在于：
1)传统星载成像系统，测姿设备与高分辨率相机之间具有较大的、随机变化的传递误差，影响高分辨率相机的视轴确定精度和目标定位精度；
2)传统星载成像系统，星相、陀螺等不同测姿设备未实现精确关联、有机组合，影响组合定姿效果；
3)传统星载成像系统，未实现角位移传感器、像移传感器的有机结合，难以实现高分辨率相机的高低频视轴扰动信息综合获取；
4)传统星载成像系统，未将高低频绝对姿态信息、高低频视轴扰动信息、指向关联信息、轨道位置信息进行在轨综合处理分析，无法快速获取遥感影像的精确地理坐标信息，无法实现观测目标的快速精确定位。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种高定位精度星载成像系统及方法，有效解决了测姿设备与高分辨率相机高精度指向关联、高关联组合定姿、高精度高低频视轴扰动测量等关键问题，保证星载成像系统的目标定位精度与速度。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种高定位精度星载成像系统，包括：星相机、陀螺、像移传感器、角位移传感器、姿态信息处理单元、视轴扰动信息处理单元、指向关联单元、GPS、高分辨率相机和遥感影像信息处理单元；其中，星相机获取卫星的低频绝对姿态信息，将低频绝对姿态信息发送到姿态信息处理单元；陀螺获取高频相对姿态信息，将高频相对姿态信息发送到姿态信息处理单元；姿态信息处理单元对低频绝对姿态信息和高频相对姿态信息进行处理得到高低频绝对姿态信息，并将高低频绝对姿态信息发送给遥感影像信息处理单元；角位移传感器测得高分辨率相机的高频视轴扰动信息，将高分辨率相机的高频视轴扰动信息发送给视轴扰动信息处理单元；像移传感器测得高分辨率相机的低频视轴扰动信息，将高分辨率相机的低频视轴扰动信息发送给视轴扰动信息处理单元；视轴扰动信息处理单元对高分辨率相机的高频视轴扰动信息和低频视轴扰动信息进行处理得到高低频视轴扰动信息，并将高低频视轴扰动信息发送给遥感影像信息处理单元；指向关联单元将星相机、陀螺与高分辨率相机关联在一起，获取指向关联信息，并将指向关联信息发送给遥感影像信息处理单元；GPS获得卫星的轨道位置信息，将轨道位置信息发送给遥感影像信息处理单元；遥感影像信息处理单元对高低频绝对姿态信息、指向关联信息、高低频视轴扰动信息和轨道位置信息进行综合处理得到高分辨率相机遥感影像的位置坐标信息。
上述高定位精度星载成像系统中，星相机获取的卫星的低频绝对姿态信息的频率≥10Hz。
上述高定位精度星载成像系统中，陀螺获取的高频相对姿态信息的频率为≥100Hz。
上述高定位精度星载成像系统中，所述星相机的单帧曝光时间小于0.5倍角分辨率与卫星角速度之比。
上述高定位精度星载成像系统中，所述像移传感器为两片面阵探测器，曝光时间小于0.5倍角分辨率与待测扰动角速度之比，帧频大于待测扰动频率5倍。
上述高定位精度星载成像系统中，所述角位移传感器固连于高分辨率相机焦面结构，稳定性优于0.1倍角分辨率。
上述高定位精度星载成像系统中，所述指向关联单元包括基准光源组件、导光组件和光斑位置记录焦面；其中，基准光源组件发出的光经过导光组件后到达光斑位置记录焦面，通过分析光斑质心位置信息得到指向关联信息。
根据本发明的另一方面，还提供了一种高定位精度星载成像方法，所述方法包括如下步骤：星相机获取卫星的低频绝对姿态信息，将低频绝对姿态信息发送到姿态信息处理单元；陀螺获取高频相对姿态信息，将高频相对姿态信息发送到姿态信息处理单元；姿态信息处理单元对低频绝对姿态信息和高频相对姿态信息进行处理得到高低频绝对姿态信息，并将高低频绝对姿态信息发送给遥感影像信息处理单元；角位移传感器测得高分辨率相机的高频视轴扰动信息，将高分辨率相机的高频视轴扰动信息发送给视轴扰动信息处理单元；像移传感器测得高分辨率相机的低频视轴扰动信息，将高分辨率相机的低频视轴扰动信息发送给视轴扰动信息处理单元；视轴扰动信息处理单元对高分辨率相机的高频视轴扰动信息和低频视轴扰动信息进行处理得到高低频视轴扰动信息，并将高低频视轴扰动信息发送给遥感影像信息处理单元；指向关联单元将星相机、陀螺与高分辨率相机关联在一起，获取测姿设备-高分辨率相机指向关联信息，并将指向关联信息发送给遥感影像信息处理单元；GPS获得卫星的轨道位置信息，将轨道位置信息发送给遥感影像信息处理单元；遥感影像信息处理单元对高低频绝对姿态信息、指向关联信息、高低频视轴扰动信息和轨道位置信息进行综合处理得到高分辨率相机遥感影像的位置坐标信息。
上述高定位精度星载成像方法中，所述星相机的单帧曝光时间小于0.5倍角分辨率与卫星角速度之比。
上述高定位精度星载成像方法中，所述像移传感器为两片面阵探测器，曝光时间小于0.5倍角分辨率与待测扰动角速度之比，帧频大于待测扰动频率5倍。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明指向关联单元，可将星相机、陀螺等测姿设备与高分辨率相机精确的关联在一起，减小测姿设备与高分辨率相机精确之间的传递误差，提高高分辨率相机视轴指向确定精度；
(2)本发明基于指向关联单元与姿态信息处理单元，实现星相机、陀螺等不同测姿设备的精确关联与有机组合，实现高低频绝对姿态信息综合获取，提高组合定姿效果与精度；
(3)本发明采用组合视轴扰动测量系统，通过角位移传感器获取的高频视轴扰动信息、像移传感器获得低频视轴扰动信息，实现高低频视轴扰动信息的精确测量，可进一步提高视轴确定精度，提高目标定位精度；
(4)本发明采用遥感影像信息处理单元，将高低频绝对姿态信息、视轴指向关联信息、高低频视轴扰动信息、轨道位置信息进行综合处理得到高分辨率相机遥感影像的位置坐标信息，实现目标快速精确定位。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的高定位精度星载成像系统的框图；
图2是本发明实施例提供的指向关联单元的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的高定位精度星载成像系统的框图。如图1所示，该高定位精度星载成像系统包括：星相机、陀螺、像移传感器、角位移传感器、姿态信息处理单元、视轴扰动信息处理单元、指向关联单元、GPS、高分辨率相机和遥感影像信息处理单元。其中，
星相机，主要由镜头和焦面组成，主要用于获取精确的低频绝对姿态信息(8Hz左右)。星相机镜头用于对遥远的恒星进行光学成像，将多颗恒星成像于焦面上。星相机镜头需要具有较大的视场(≥10度)以获得足够多的亮星，需要具有很高的稳定性，保证内方位元素稳定性和精度，还需要配备消杂光效果良好的遮光罩，减小杂光影响。焦面及处理电路，用于光电信号转换和信号处理，通过对具有多个恒星像的星图进行处理分析，计算出低频绝对姿态信息，将低频绝对姿态信息发送到姿态信息处理单元。
陀螺，属于惯性参考设备，可以获取相对姿态信息，为了弥补星相机在时间频率上的不足，本发明采用高频陀螺(≥100Hz以上)，获取高频相对姿态信息，将高频相对姿态信息发送到姿态信息处理单元。
姿态信息处理单元，将星相机的低频绝对姿态信息和陀螺的高频相对姿态信息进行综合处理，得到高低频绝对姿态信息，并将高低频绝对姿态信息发送给遥感影像信息处理单元；
像移传感器采用两片高灵敏度、高帧频面阵探测器，位于成像探测器两端，与成像探测器保持稳定的、精确的相对位置关系(相对位置误差：≤1/20像元)，曝光时间小于0.5倍角分辨率与待测扰动角速度之比以保证相邻两幅图的关联性，帧频大于待测扰动频率5倍以实现对扰动轨迹的精确提取。像移传感器用于测得高分辨率相机的低频视轴扰动信息，将低频视轴扰动信息发送给视轴扰动信息处理单元
角位移传感器固连于高分辨率相机焦面结构，稳定性优于0.1倍角分辨率。测得高分辨率相机的高频视轴扰动信息，并将高频视轴扰动信息发送给视轴扰动信息处理单元。高分辨率相机用于目标的成像与定位，主要由长焦距(≥10m)光学镜头、焦面组成；镜头用于对待观测目标发出的光进行会聚成像，成像于焦面的探测器上；焦面由光电探测器(CCD或CMOS)和成像电路组成，用于光电信号转换和信号处理。
视轴扰动信息处理单元将高分辨率相机的高频视轴扰动信息和低频视轴扰动信息处理得到高低频视轴扰动信息，并将高低频视轴扰动信息发送给遥感影像信息处理单元；
指向关联单元将星相机、陀螺与高分辨率相机关联在一起，获取测姿设备-高分辨率相机指向关联信息，并将指向关联信息发送给遥感影像信息处理单元。测姿设备包含星相机和陀螺。指向关联信息包括星相机与陀螺之间的相对坐标关系、星相机与高分相机之间的相对坐标关系、陀螺与星相机之间的相对坐标关系。
具体的，指向关联单元由基准光源组件、导光组件、光斑位置记录焦面组成。基准光源发出的光通过导光组件、相机镜头(或外置镜头)后会聚于各光斑位置记录焦面。基准光源组件上配置了多个光源，这些光源具有确定、稳定的相对光线出射方向，它们发出的光线通过不同的导光组件和镜头，分别会聚到星相机、陀螺、高分辩率相机对应的光斑记录焦面上。如果星相机、陀螺、高分辩率相机彼此之间的指向发生改变，光斑记录焦面上的光斑质心位置会发生相应的偏移。通过光斑质心位置提取与光斑质心相对偏移量分析，即可获取上述指向关联信息。
高精度指向关联单元，将星相机、陀螺等测姿设备与高分辨率相机进行指向关联，消除随机变化的指向关联误差，提高对相机视轴指向确定精度；高精度指向关联单元，将视轴指向关联信息发送给遥感影像信息处理单元；
图2是本发明实施例提供的指向关联单元的示意图。如图2所示，该指向关联单元包括基准光源组件(包含6个光源)，6组导光组件，高分相机镜头、2个外置镜头、星相机镜头、5个光斑记录焦面。光源1发出的光经过导光组件1、高分相机镜头后会聚在光斑记录焦面1上；光源2发出的光经过导光组件2、高分相机镜头后会聚在光斑记录焦面2上；光源3发出的光经过导光组件3、外置镜头1后会聚在光斑记录焦面3上；光源4发出的光经过导光组件4、外置镜头2后会聚在光斑记录焦面4上；光源5发出的光经过导光组件5、星相机镜头后会聚在光斑记录焦面5上；光源6发出的光经过导光组件6、星相机镜头后会聚在光斑记录焦面5上。6个光源均镶嵌于基准光源组件的结构上，基准光源组件的结构采用超低膨胀系数的高稳定性材料(如ULE、微晶玻璃等)。5个光斑记录焦面均采用面阵探测器，可以记录光斑，并进行光斑质心位置提取。光斑记录焦面1、2与高分相机焦面固连在一起；光斑记录焦面3、4固连于陀螺的结构上；光斑记录焦面5共用星相机的焦面。
GPS获得卫星的轨道位置信息，将轨道位置信息发送给遥感影像信息处理单元；
遥感影像信息处理单元将高低频绝对姿态信息视轴指向关联信息、高低频视轴扰动信息、轨道位置信息进行综合处理得到高分辨率相机遥感影像的位置坐标信息，实现目标快速精确定位。
本实施例还提供了一种高定位精度星载成像方法，该方法包括如下步骤：星相机获取卫星的低频绝对姿态信息，将低频绝对姿态信息发送到姿态信息处理单元；陀螺获取高频相对姿态信息，将高频相对姿态信息发送到姿态信息处理单元；姿态信息处理单元对低频绝对姿态信息和高频相对姿态信息进行处理得到高低频绝对姿态信息，并将高低频绝对姿态信息发送给遥感影像信息处理单元；角位移传感器测得高分辨率相机的高频视轴扰动信息，将高分辨率相机的高频视轴扰动信息发送给视轴扰动信息处理单元；像移传感器测得高分辨率相机的低频视轴扰动信息，将高分辨率相机的低频视轴扰动信息发送给视轴扰动信息处理单元；视轴扰动信息处理单元对高分辨率相机的高频视轴扰动信息和低频视轴扰动信息进行处理得到高低频视轴扰动信息，并将高低频视轴扰动信息发送给遥感影像信息处理单元；指向关联单元将星相机、陀螺与高分辨率相机关联在一起，获取测姿设备-高分辨率相机指向关联信息，并将指向关联信息发送给遥感影像信息处理单元；GPS获得卫星的轨道位置信息，将轨道位置信息发送给遥感影像信息处理单元；遥感影像信息处理单元对高低频绝对姿态信息、指向关联信息、高低频视轴扰动信息和轨道位置信息进行综合处理得到高分辨率相机遥感影像的位置坐标信息。
上述实施例中，星相机的单帧曝光时间小于0.5倍角分辨率与卫星角速度之比。
上述实施例中，像移传感器为两片面阵探测器，曝光时间小于0.5倍角分辨率与待测扰动角速度之比，帧频大于待测扰动频率5倍。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高定位精度星载成像系统，其特征在于包括：星相机、陀螺、像移传感器、角位移传感器、姿态信息处理单元、视轴扰动信息处理单元、指向关联单元、GPS、高分辨率相机和遥感影像信息处理单元；其中，
星相机获取卫星的低频绝对姿态信息，将低频绝对姿态信息发送到姿态信息处理单元；
陀螺获取高频相对姿态信息，将高频相对姿态信息发送到姿态信息处理单元；
姿态信息处理单元对低频绝对姿态信息和高频相对姿态信息进行处理得到高低频绝对姿态信息，并将高低频绝对姿态信息发送给遥感影像信息处理单元；
角位移传感器测得高分辨率相机的高频视轴扰动信息，将高分辨率相机的高频视轴扰动信息发送给视轴扰动信息处理单元；
像移传感器测得高分辨率相机的低频视轴扰动信息，将高分辨率相机的低频视轴扰动信息发送给视轴扰动信息处理单元；
视轴扰动信息处理单元对高分辨率相机的高频视轴扰动信息和低频视轴扰动信息进行处理得到高低频视轴扰动信息，并将高低频视轴扰动信息发送给遥感影像信息处理单元；
指向关联单元将星相机、陀螺与高分辨率相机关联在一起，获取指向关联信息，并将指向关联信息发送给遥感影像信息处理单元；
GPS获得卫星的轨道位置信息，将轨道位置信息发送给遥感影像信息处理单元；
遥感影像信息处理单元对高低频绝对姿态信息、指向关联信息、高低频视轴扰动信息和轨道位置信息进行综合处理得到高分辨率相机遥感影像的位置坐标信息。
2.根据权利要求1所述的高定位精度星载成像系统，其特征在于：星相机获取的卫星的低频绝对姿态信息的频率为≥10Hz。
3.根据权利要求1所述的高定位精度星载成像系统，其特征在于：陀螺获取的高频相对姿态信息的频率为≥100Hz。
4.根据权利要求1所述的高定位精度星载成像系统，其特征在于：所述星相机的单帧曝光时间小于0.5倍角分辨率与卫星角速度之比。
5.根据权利要求1所述的高定位精度星载成像系统，其特征在于：所述像移传感器为两片面阵探测器，曝光时间小于0.5倍角分辨率与待测扰动角速度之比，帧频大于待测扰动频率5倍。
6.根据权利要求1所述的高定位精度星载成像系统，其特征在于：所述角位移传感器固连于高分辨率相机焦面结构，稳定性优于0.1倍角分辨率。
7.根据权利要求1所述的高定位精度星载成像系统，其特征在于：所述指向关联单元包括基准光源组件、导光组件和光斑位置记录焦面；其中，基准光源组件发出的光经过导光组件后到达光斑位置记录焦面，通过分析光斑质心位置变化得到指向关联信息。
8.一种高定位精度星载成像方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
星相机获取卫星的低频绝对姿态信息，将低频绝对姿态信息发送到姿态信息处理单元；
陀螺获取高频相对姿态信息，将高频相对姿态信息发送到姿态信息处理单元；
姿态信息处理单元对低频绝对姿态信息和高频相对姿态信息进行处理得到高低频绝对姿态信息，并将高低频绝对姿态信息发送给遥感影像信息处理单元；
角位移传感器测得高分辨率相机的高频视轴扰动信息，将高分辨率相机的高频视轴扰动信息发送给视轴扰动信息处理单元；
像移传感器测得高分辨率相机的低频视轴扰动信息，将高分辨率相机的低频视轴扰动信息发送给视轴扰动信息处理单元；
视轴扰动信息处理单元对高分辨率相机的高频视轴扰动信息和低频视轴扰动信息进行处理得到高低频视轴扰动信息，并将高低频视轴扰动信息发送给遥感影像信息处理单元；
指向关联单元将星相机、陀螺与高分辨率相机关联在一起，获取测姿设备-高分辨率相机指向关联信息，并将指向关联信息发送给遥感影像信息处理单元；
GPS获得卫星的轨道位置信息，将轨道位置信息发送给遥感影像信息处理单元；
遥感影像信息处理单元对高低频绝对姿态信息、指向关联信息、高低频视轴扰动信息和轨道位置信息进行综合处理得到高分辨率相机遥感影像的位置坐标信息。
9.根据权利要求8所述的高定位精度星载成像方法，其特征在于：所述星相机的单帧曝光时间小于0.5倍角分辨率与卫星角速度之比。
10.根据权利要求8所述的高定位精度星载成像方法，其特征在于：所述像移传感器为两片面阵探测器，曝光时间小于0.5倍角分辨率与待测扰动角速度之比，帧频大于待测扰动频率5倍。
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