CN114088060A - 一种用于光学遥感卫星指向测量的星地相机成像系统 - Google Patents

一种用于光学遥感卫星指向测量的星地相机成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于光学遥感卫星高精度指向测量的星地相机成像系统，星地相机视场分为对天视场和对地视场，而且两部分视场为共光路一体化设计，使得对天成像模块和对地成像模块间的视轴关系稳定；因此，本发明通过对天和对地的共光路成像并配合其他位置解算算法，能够完成对地物位置的高精度标定、定位甚至测绘任务；基于星地相机对天成像模块和对地成像模块间稳定的视轴关系，光学遥感卫星指向校正系统首先结合对天成像模块获取的星图指向确定对地成像模块的视轴指向，然后根据主相机对地成像获得的影像数据和星地相机对地成像数据进行图像匹配进一步修正主相机视轴指向的误差，从而高精度解算出主相机视轴指向，提高主相机的测绘精度。

Description

一种用于光学遥感卫星指向测量的星地相机成像系统
技术领域
本发明属于遥感卫星成像技术领域，尤其涉及一种用于光学遥感卫星高精度指向测量的星地相机成像系统。
背景技术
传统的利用星敏感器或星相机进行光学遥感卫星指向测量的方法中，星敏或星相机视轴与主相机(载荷)结构固连，在地面实验室确定主相机与星敏感器视轴的相对关系，且在轨工作时，假设该相对关系是固定不变的，在此基础上对相机指向等进行测量和标定。实际上，由于受到材料、湿度、重量变化和受卫星发射过程和在轨运行环境变化的影响，该相对关系不可避免地发生变化，成为光学遥感卫星指向测量中最大且难以有效测量的误差来源。为保证星敏或星相机的测量精度和可靠性，需要在结构和热设计过程中，建立复杂的相机基准链及误差传递模型，并结合卫星在轨状态，对星敏/星相机-主相机视轴夹角误差予以控制。该过程的数学模型复杂，模型参数不断变化，限制了指向的解算精度，尤其在无控制区成像(境外)时，指向精度难以保证。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种用于光学遥感卫星高精度指向测量的星地相机成像系统，包括对天成像模块和对地成像模块，且二者为共光路一体化设计，视轴关系稳定，能够完成光学遥感卫星的指向测量，地物位置的高精度标定、定位甚至测绘等相关任务。
一种用于光学遥感卫星指向测量的星地相机成像系统，包括分视场棱镜、共用的成像镜头、共用的成像探测器以及处理模块，且分视场棱镜由两个成设定角度的反射面构成，成像探测器置于成像镜头的焦平面处，在功能上，成像系统可分为对天成像模块、对地成像模块。
所述对天成像模块用于对星成像，来自星空的光线经分视场棱镜的其中一个反射面反射进入成像镜头；
所述对地成像模块用于对地成像，来自地物的光线经分视场棱镜的另一个反射面反射进入成像镜头；
所述共用成像镜头用于将来自星空和地物的光线成像至共用焦平面探测器上；
进一步地，所述成像镜头可为基于离轴TMA光学系统的成像镜头，也可采用满足测量要求的其他镜头。
所述对地成像模块的视场与主相机载荷的视场存在重叠；
所述处理模块采用像元细分技术获取所述对天成像模块的视轴指向后，根据对地成像模块与对天成像模块之间经过地面标定的指向角偏移量获取对地成像模块的视轴指向；
所述处理模块还用于根据对地成像模块与主相机载荷之间的视场重叠区域的特征点，对两者所成的图形进行配准，得到对地成像模块与主相机载荷之间的指向角偏移量，进而得到主相机载荷的视轴指向，完成光学遥感卫星的视轴指向测量。
有益效果：
1、本发明提供一种用于光学遥感卫星高精度指向测量的星地相机成像系统，星地相机视场分为两部分，一部分视场对天，一部分视场对地，而且两部分视场为共光路一体化设计，使得对天成像模块和对地成像模块间的视轴关系稳定；因此，本发明的星地相机可作为高精度位置标定或测绘载荷单独使用，通过对天和对地的共光路成像并配合其他位置解算算法，能够完成对地物位置的高精度标定、定位甚至测绘任务。
2、本发明提供一种光学遥感卫星指向测量系统，基于星地相机对天成像模块和对地成像模块间稳定的视轴关系，首先结合星地相机对天成像模块获取的星图指向确定对地成像模块的视轴指向，然后根据主相机对地成像获得的影像数据和星地相机对地成像数据进行图像匹配进一步修正主相机视轴指向的误差，高精度解算出主相机视轴指向，从而获得更高精度的卫星姿态数据，进而提高主相机的测绘精度，具有较强的易用性、实用性、同时性；此外，也可将星地相机单独使用，利用对地视场和对天指向的固定关系，对地物目标进行测绘和定位。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于星地相机的成像系统的原理框图；
图2为本发明提供的一种用于星地相机的成像系统的光路图；
图3为本发明提供的主相机与星地相机成像原理示意图；
图4为本发明提供的主相机与星地相机配准示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
如图1所示，一种用于星地相机的成像系统，包括分视场棱镜、共用的成像镜头、共用的成像探测器以及处理模块，且分视场棱镜由两个成一定角度，如相互垂直的反射面构成，成像探测器置于成像镜头的焦平面处。在功能上，成像系统可分为对天成像模块、对地成像模块。
所述对天成像模块用于对星成像，来自星空的光线经分视场棱镜的其中一个反射面反射进入成像镜头。需要说明的是，星地相机在对天视场中，对天成像模块与星相机或星敏感器的工作原理相似，都是通过对星成像、采用像元细分和高精度姿态解算等技术完成对其指向和姿态的测量。
所述对地成像模块用于对地成像，来自地物的光线经分视场棱镜的另一个反射面反射进入成像镜头。
所述共用成像镜头用于将来自星空和地物的光线成像至共用焦平面探测器上。
星地相机成像系统视场分为两部分，一部分视场对天，一部分视场对地，而且两部分视场共焦面，由于视场分光镜具有高精度和高稳定度，则两个视场通过共同的光学系统和焦面成像，因此二者视场间的角度关系具有固定且稳定的相对关系，可依据该关系通过对星成像结果高精度解算对地视场的覆盖位置。也就是说，对星地相机的视场分光镜、成像镜头(如离轴TMA光学系统)和焦平面进行共光路一体化设计，能够进一步提升对天对地成像视场(轴)相对关系的稳定度。
实施例二
为保证光学遥感卫星高精度成像定位，需要高精度求解光学遥感卫星视轴指向，基于以上实施例，可以将对星定姿和主载荷视轴通过星地相机的光学成像直接关联，从而实现卫星姿态和主载荷视轴的精确测量。其工作原理为：星地相机成像镜头通过前端的视场分光棱镜，同时对星空和地面成像，二者成像于同一焦面上；对星空成像后的图像用于解算卫星姿态数据，进而标定对地视场与卫星姿态的关系；星地相机对地视场与卫星主载荷对地成像存在重叠区域，由此对主载荷视轴、星地相机视场和卫星姿态间的相对关系进行标定。
具体的，本发明提供一种光学遥感卫星高精度指向测量系统，应用于光学遥感卫星，由星地相机与处理模块构成，其中，星地相机安装在遥感卫星上，包括分视场棱镜、共用的成像镜头、共用的成像探测器以及处理模块。在功能上，成像系统可分为对天成像模块、对地成像模块。所述星地相机的对地成像模块的视场与主相机载荷的视场重叠。
所述处理模块采用像元细分技术获取所述对天成像模块的视轴指向后，根据对地成像模块与对天成像模块之间经过地面标定的指向角偏移量获取对地成像模块的视轴指向。
所述处理模块还用于根据对地成像模块与主相机载荷之间的视场重叠区域的特征点对两者所成的图形进行配准，得到对地成像模块与主相机载荷之间的指向角偏移量，进而得到主相机载荷的视轴指向，完成光学遥感卫星的视轴测量；其中，特征点可以根据实际需要选取，例如场景图像中的某些强散射点。
需要说明的是，如图3所示，星地相机对地视场与光学遥感器对地视场存在重叠区域，对重叠区域中的特征点成像，然后对二者所成的图像进行亚像元精度的配准，再结合由对星成像解算出的星地相机对地视场指向，完成星地相机与主相机视轴关系的标定。其中视场分光棱镜以及焦面组件采用高精度、高稳定度的材料研制，充分保证了对天和对地视场间的相对关系，从而最终确保主相机光轴、对地视轴和对天视轴间的标定精度。星地相机中视场分光镜、成像镜头和成像探测器的共光路一体化设计，可以有效提升对天对地成像相对关系的稳定度。
进一步地，主相机和星地相机对地成像示意图如图4所示，实线区域代表不同时刻主相机(线阵)探测器成像示意图，虚线区域代表不同成像时刻星地相机(面阵)探测器成像示意图。当然，主相机探测器不仅限于推扫线阵成像，星地相机也不局限于面阵探测器，此处只是为了举例说明。由此可见，本发明在光学遥感卫星上设置星地相机，星地相机通过视场分光镜具有同时对星空和地面成像能力，对地成像视场与主相机视场重合，其特点是星地相机的一部分视场对天，一部分视场对地，而且两部分视场共焦面。星地相机两个视场通过同一光学系统和成像焦面，通过一个具有固定角度的视场分光镜实现共光路一体化设计，有效提升对天对地成像相对关系的稳定度；利用星地相机对天视场所成图像，结合星敏数据可以精确解算出对天成像模块的视轴指向，进而得到对地成像模块的视轴指向；最后，星地相机对地视场所成图像与主相机就同一场景所成图像进行高精度图像配准，从而实时确定主相机的视轴指向。此外，星地相机还可用于对地目标的高精度位置标定和测绘。
需要说明的是，本发明主相机视轴指向的求解误差仅来源于采用的亚像元细分方法和图像配准方法的误差，对具体采用何种方法本发明不作限定，但是采用的方法的精度越高，主相机指向角的求解精度越高；由此可见，本发明克服了传统方法中由于受到材料、湿度、重量变化和受卫星发射过程和在轨运行环境变化的影响而导致主相机与星敏感器视轴关系发生变化，进而造成光学遥感卫星指向测量误差的缺陷。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于光学遥感卫星高精度指向测量的星地相机成像系统，其特征在于，包括对天成像模块、对地成像模块、分光视场棱镜、成像镜头以及成像探测器，且分视场棱镜由两个成设定角度的反射面构成，成像探测器置于成像镜头的焦平面处；
所述对天成像模块用于对星成像，来自星空的光线经分视场棱镜的其中一个反射面反射进入成像镜头；
所述对地成像模块用于对地成像，来自地物的光线经分视场棱镜的另一个反射面反射进入成像镜头；
所述成像镜头用于将来自星空的光线和来自地物的光线成像至所述成像探测器上。
2.如权利要求1所述的一种用于光学遥感卫星高精度指向测量的星地相机成像系统，其特征在于，所述成像镜头为基于离轴TMA光学系统的成像镜头。
3.一种基于权利要求1的星地相机成像系统的光学遥感卫星指向测量系统，应用于安装在光学遥感卫星上的主相机载荷，其特征在于，包括星地相机与处理模块，其中，所述对地成像模块的视场与主相机载荷的视场存在重叠；
所述处理模块采用像元细分技术获取所述对天成像模块的视轴指向后，根据对地成像模块与对天成像模块之间经过地面标定的指向角偏移量获取对地成像模块的视轴指向；
所述处理模块还用于根据对地成像模块与主相机载荷之间的视场重叠区域的特征点对两者所成的图形进行配准，得到对地成像模块与主相机载荷之间的指向角偏移量，进而得到主相机载荷的视轴指向，完成光学遥感卫星的视轴指向测量。
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