CN116091546B - 光学相机推扫模式下的观测构建方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出的一种光学相机推扫模式下的观测构建方法，其特征在于，包括：获取跟踪目标的CCD图像和光学相机的焦距，并确定至少两个历元时刻的所述跟踪目标在所述CCD图像中的像素坐标和像素尺寸；基于所述像素坐标、所述像素尺寸和所述焦距，构建观测角度数据；获取在惯性坐标系下的所述跟踪目标的位置矢量和所述光学相机的位置矢量；基于所述跟踪目标的位置矢量和所述光学相机的位置矢量，构建观测角度模型；基于所述像素坐标、所述焦距，及像素坐标的误差，计算观测角度数据的统计学误差。本申请中的观测构建方法，仅利用一台光学相机就能够准确地提取角度信息，无需依赖稳定的平台姿态和精确的相机安装矩阵。

Description

光学相机推扫模式下的观测构建方法

技术领域

本发明涉及天基测控领域，尤其涉及一种光学相机推扫模式下的观测构建方法。

背景技术

基于天基光学跟踪技术对空间目标进行测量，其观测类型属于角度信息，该角度信息可用于对空间目标的定轨计算。现有方法从光学图像数据提取角度信息，依赖天基平台的姿态信息、相机安装矩阵信息，而且这两类信息的自身误差直接传递至提取的角度数据。因而，基于现有方法获取高精度的角度数据，依赖稳定的平台姿态和精确的相机安装矩阵。

因此，如何应用一台光学相机准确的提取角度信息成为技术人员关注的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学相机推扫模式下的观测构建方法，为解决现有技术中存在的如何应用一台光学相机准确的提取角度信息的问题。

为解决上述技术问题，根据一些实施例，本发明提供了一种光学相机推扫模式下的观测构建方法，包括：

获取跟踪目标的CCD图像和光学相机的焦距，并确定至少两个历元时刻的跟踪目标在CCD图像中的像素坐标和像素尺寸；

基于像素坐标、像素尺寸和焦距，构建观测角度数据；

获取在惯性坐标系下的跟踪目标的位置矢量和光学相机的位置矢量；

基于跟踪目标的位置矢量和光学相机的位置矢量，构建观测角度模型；

基于所述像素坐标、所述焦距，及像素坐标的误差，计算观测角度数据的统计学误差。

进一步地，确定至少两个历元时刻的跟踪目标在CCD图像中的像素坐标和像素尺寸，包括：

获取跟踪目标在第一历元时刻的第一像素坐标(x₁,y₁),和在第二历元时刻的第二像素坐标(x₂,y₂)；

光学相机的光轴在第一历元时刻和第二历元时刻相互平行。

进一步地，基于像素坐标、像素尺寸和焦距，构建观测角度数据，包括：

基于第一像素坐标、第二像素坐标、像素尺寸和焦距，构建观测角度数据，符合式(1)：

其中，θ为观测角度数据，l为像素尺寸，f为焦距。

进一步地，方法还包括：

计算观测角度对第一像素坐标(x₁,y₁)和第二像素坐标的(x₂,y₂)的偏导数，

式(2-1)，

式(2-2)，

式(2-3)，

式(2-4)，

进一步地，方法还包括：

根据第一像素坐标的误差和第二像素坐标的误差，计算观测角度误差Δθ，符合式(3):

进一步地，基于跟踪目标的位置矢量和光学相机的位置矢量，构建观测角度模型，包括：

根据跟踪目标的位置矢量和光学相机的位置矢量，确定跟踪目标与光学相机的相对矢量，符合式(4)：

其中，为在t_i时刻跟踪目标的位置矢量；/>为根据跟踪目标的位置矢量；/>为相对矢量；i＝1,2。

进一步地，构建观测角度模型，还包括：

获取第一历元时刻下的第一相对矢量和第二历元时刻下的第二相对矢量/>

基于第一相对矢量和第二相对矢量，构建的观测角度模型为θ_c，符合式(5)：

进一步地，方法还包括：

根据观测角度模型，构建观测模型对跟踪目标的位置矢量的角度模型偏导数，符合如下公式：

式(6-1)，

式(6-2)，

其中，

本发明的上述技术方案至少具有如下有益的技术效果：。

(1)本申请中的观测构建方法，仅利用一台光学相机就能够准确地提取角度信息，无需依赖稳定的平台姿态和精确的相机安装矩阵。

(2)本申请构建的观测角度误差和角度模型偏导数可以进一步应用到跟踪目标的定轨过程中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例中光学相机推扫模式下的观测构建方法的流程图。

图2是本发明一个实施例中跟踪目标在CCD图像像素坐标图。

图3是本发明一个实施例中光学相机推扫模式下跟踪目标与光学相机的位置示意图。

具体实施方式

目前，现有技术中存在如何应用一台光学相机准确的提取角度信息的问题。

为解决上述问题，如图1所示，本发明一实施例提供了一种光学相机推扫模式下的观测构建方法，包括：

获取跟踪目标的CCD图像和光学相机的焦距，并确定至少两个历元时刻的跟踪目标在CCD图像中的像素坐标和像素尺寸；

基于像素坐标、像素尺寸和焦距，构建观测角度数据；

获取在惯性坐标系下的跟踪目标的位置矢量和光学相机的位置矢量；

基于跟踪目标的位置矢量和光学相机的位置矢量，构建观测角度模型；

基于所述像素坐标、所述焦距，及像素坐标的误差，计算观测角度数据的统计学误差。

在该实施例中，首先，获取光学相机拍摄的跟踪目标的图像，并处理得到CCD图像，而后确定跟踪目标在CCD图像中的像素坐标和像素尺寸，该步骤需要确定至少两个历元时刻的跟踪目标的像素坐标；根据像素坐标、像素尺寸和光学相机的焦距，构建观测角度数据。

其次，获取在惯性坐标系下的跟踪目标的位置矢量和光学相机的位置矢量，其中，跟踪目标的位置矢量和光学相机的位置矢量为天基平台和地面设备，以及跟踪目标和光学相机随附的设备共同测量的数据并通过计算获得；测量过程属于现有技术，本申请不做限定；本申请中的限定为根据跟踪目标的位置矢量和光学相机的位置矢量，构建观测角度模型。

需要说明的是，本申请中的观测角度数据和观测角度模型是角度信息在获取和应用中的不同表述形式，区别在于：观测角度数据，是通过光学相机观测的角度信息直接计算的结果，但是观测过程存在误差，由于天基测量基数较大，像素坐标、像素尺寸和焦距极小的误差会致使得到的观测角度数据误差较大，像素坐标的误差取决于跟踪目标匹配的精度，一般匹配精度优于0.5像素。举例说明：跟踪目标成像的真实坐标为(100.1,99.5)，但由于匹配误差，提取出的像素坐标变成了(100，100)，这是他的真实误差为(0.1,-0.5)，但是真实的误差是无法知道的，只能给出统计学的误差，根据理论或是经验可以获取统计的像素坐标误差，比如匹配精度为0.5像素，则像素坐标误差为(0.5，0.5)；因此，观测角度数据可以看做是理论观测值，并不等于角度的实际值；观测角度模型，是基于跟踪目标的位置矢量和光学相机的位置矢量人为构建的角度信息，其仍然会存在一定误差。因此，通过迭代计算的方式相互校正观测角度数据和观测角度模型，最终使观测角度数据和观测角度模型的数据值趋于一致，迭代计算后得到的观测角度模型中的角度信息就可以用于输入到现有的天基测向信息中，进一步，用于跟踪目标的定轨计算。本申请提出的光学相机推扫模式下的观测构建方法，仅利用一台光学相机就能够准确地提取角度信息，无需依赖稳定的平台姿态和精确的相机安装矩阵。

在本申请的一个实施例中，确定至少两个历元时刻的跟踪目标在CCD图像中的像素坐标和像素尺寸，包括：

获取跟踪目标在第一历元时刻的第一像素坐标(x₁,y₁),和在第二历元时刻的第二像素坐标(x₂,y₂)；

光学相机的光轴在第一历元时刻和第二历元时刻相互平行。

在该实施例中，如图2所示，跟踪目标在CCD图像中的像素坐标的表示方式；阴影区域表示跟踪目标在CCD图像中的成像区域；跟踪目标的像素即为(x,y)。获取跟踪目标在第一历元时刻的第一像素坐标(x₁,y₁),和在第二历元时刻的第二像素坐标(x₂,y₂)；然后仅需要保证观测过程中的光学相机的光轴在不同历元时刻是相互平行的即可，从而避免将光学相机的不同角度加入的计算后引起不必要的误差。

在本申请的一个实施例中，基于像素坐标、像素尺寸和焦距，构建观测角度数据，包括：

基于第一像素坐标、第二像素坐标、像素尺寸和焦距，构建观测角度数据，符合式(1)：

其中，θ为观测角度数据，l为像素尺寸，f为焦距。

如图3所示，图中第一历元时刻与第二历元时刻的光学相机的光轴是平行的，且两个时刻向跟踪目标都在光学相机的观测范围内，但不一定通过光轴。两个历元时刻的光学相机与跟踪目标的连线的夹角为理论观测值，即为观测角度数据θ，通过第一像素坐标、第二像素坐标、像素尺寸和焦距得到式(1)中得到θ的值。

进一步地，方法还包括：

计算观测角度对第一像素坐标(x₁,y₁)和第二像素坐标的(x₂,y₂)的偏导数，

式(2-1)，

式(2-2)，

式(2-3)，

式(2-4)，

其中，在本申请的一个实施例中，方法还包括：

根据第一像素坐标的误差和第二像素坐标的误差，计算观测角度数据的统计学误差Δθ，符合式(3):

观测角度数据的统计学误差Δθ作为后续角度数据应用(如定轨计算)的的权重设置，权重

在本申请的一个实施例中，基于跟踪目标的位置矢量和光学相机的位置矢量，构建观测角度模型，包括：

根据跟踪目标的位置矢量和光学相机的位置矢量，确定跟踪目标与光学相机的相对矢量，符合式(4)：

其中，为在t_i时刻跟踪目标的位置矢量；/>为根据跟踪目标的位置矢量；/>为相对矢量；i＝1,2。

在本申请的一个实施例中，构建观测角度模型，方法还包括：

获取第一历元时刻下的第一相对矢量和第二历元时刻下的第二相对矢量/>

基于第一相对矢量和第二相对矢量，构建的观测角度模型为θ_c，符合式(5)：

在前述实施例中已说明，在测向信息中观测角度过程中，需要使观测角度数据和观测角度模型趋于一致；如图3所示，图中对应的时间为t_i,i＝1,2，t_i时刻光学相机在惯性坐标系下的位置矢量为跟踪目标在惯性坐标系下的位置矢量为/>则观测角度数据描述的是矢量/>与矢量/>的夹角θ，该夹角θ在观测角度模型中为θ_c，/>

在本申请的一个实施例中，方法还包括：

根据观测角度模型，构建观测模型对跟踪目标的位置矢量的角度模型偏导数，符合如下公式：

式(6-1)，

式(6-2)，

其中，

在该实施例中，角度模型偏导数是后续的定轨计算过程所需要的一组参数。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (2)

1.一种光学相机推扫模式下的观测构建方法，其特征在于，包括：

获取跟踪目标的CCD图像和光学相机的焦距，并确定至少两个历元时刻的所述跟踪目标在所述CCD图像中的像素坐标和像素尺寸，具体为：获取所述跟踪目标在第一历元时刻的第一像素坐标(x₁,y₁),和在第二历元时刻的第二像素坐标(x₂,y₂)；所述光学相机的光轴在所述第一历元时刻和所述第二历元时刻相互平行；

基于所述像素坐标、所述像素尺寸和所述焦距，构建观测角度数据，具体为：基于所述第一像素坐标、所述第二像素坐标、所述像素尺寸和所述焦距，构建所述观测角度数据，符合式(1)：

其中，θ为所述观测角度数据，l为所述像素尺寸，f为所述焦距；

获取在惯性坐标系下的跟踪目标的位置矢量和光学相机的位置矢量；

基于所述跟踪目标的位置矢量和所述光学相机的位置矢量，构建观测角度模型，具体为：根据所述跟踪目标的位置矢量和所述光学相机的位置矢量，确定所述跟踪目标与所述光学相机的相对矢量，符合式(4)：

其中，为在t_i时刻所述跟踪目标的位置矢量；/>为根据所述跟踪目标的位置矢量；/>为相对矢量；i＝1,2；

获取所述第一历元时刻下的第一相对矢量和所述第二历元时刻下的第二相对矢量

基于所述第一相对矢量和所述第二相对矢量，构建的所述观测角度模型为θ_c，符合式(5)：

基于所述像素坐标、所述焦距，及像素坐标的误差，计算观测角度数据的统计学误差，具体为：计算第一像素坐标的误差(△x₁,△y₁)和第二像素坐标的误差(△x₂,△y₂)，

式(2-1)，

式(2-2)，

式(2-3)，

式(2-4)，

根据所述第一像素坐标的误差和所述第二像素坐标的误差，计算观测角度数据的统计学误差△θ，符合式(3):

2.根据权利要求1所述的光学相机推扫模式下的观测构建方法，其特征在于，还包括：根据所述观测角度模型，构建所述观测角度模型对所述跟踪目标的位置矢量的角度模型偏导数，符合如下公式：

式(6-1)，

式(6-2)，

其中，