CN116228874A - 宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标方法和系统，该方法包括：相机成像，并将拍摄的图像传至星上定标类型自主辨识模块；星上定标类型自主辨识模块结合卫星轨道、卫星姿态数据，判断相机视场中是否同时对深空和对地面成像；若同时存在，则提取地球边缘作为恒星和地标点的分界线，以划分恒星和地标的分布区域；若不同时存在，则明确定定标点类型是地标还是恒星；根据所述定标点类型，将对应图像传至星上恒星自主定标模块或星上地标自主定标模块，并解算几何定标参数；将所述解算定标参数传给星上信息处理单元，用于卫星成像；本发明保证相机全视场的几何定标精度；避免了将卫星图像下传到地面解算过程，提升了定标参数的实时性。
Description
技术领域
本发明属于光学遥感卫星几何定标领域，特别涉及宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标方法及系统。
背景技术
光学遥感卫星在轨几何定标是确保卫星高精度定位的关键环节。受卫星发射入轨阶段的振动、在轨应力释放以及复杂外热流环境等因素的影响，卫星在轨成像过程中所需的相机畸变、安装矩阵等参数相对于地面实验室的标定值会发生偏离，因此，需要卫星在轨后重新对成像参数进行标校，以确保高定位精度。
当前主要的几何定标方法主要包括基于地标和基于恒星两种，分别通过地面定标点和恒星获取控制点，从而实现在轨几何定标。传统小视场卫星几何定标完成后，利用相机中心视场的定标参数计算边缘视场的产生的指向误差较小，随着光学遥感卫星视场逐渐扩大，相机中心视场和边缘视场共用一套定标参数计算出的指向误差增大，导致目标定位精度下降；虽然通过将卫星侧摆指向特定天区可利用相机视场内的恒星进行几何定标，但卫星在侧摆状态下无法对目标区域成像，不能满足卫星长时间成像任务需求。
此外，传统的几何定标方法需要将拍摄的地标或恒星图像下传到地面系统处理，地面系统解算出定标参数后再上注到卫星，但受图像数据下传速率、地面系统解算时间和参数上注过程的影响，无法实现在轨实时几何定标参数处理。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标方法，包括：
步骤S1，相机成像，并将拍摄的图像传至星上定标类型自主辨识模块；
步骤S2，星上定标类型自主辨识模块结合卫星轨道、卫星姿态数据，判断相机视场中是否同时对深空和对地面成像；若同时存在，则提取地球边缘作为恒星和地标点的分界线，以划分恒星和地标的分布区域；若不同时存在，则明确定定标点类型是地标还是恒星；
步骤S3，根据所述定标点类型，将对应图像传至星上恒星自主定标模块或星上地标自主定标模块，并解算几何定标参数；
步骤S4，将所述解算定标参数传给星上信息处理单元，用于卫星成像。
特别地，所述步骤3中的星上恒星自主定标模块自主解算过程具体如下：
步骤S301，对于图像中的第i个恒星，星上自主定标模块利用高斯曲面拟合提取质心；
步骤S302，根据提取得到的图像中所有恒星的质心位置，计算整张图像中恒星分布的质心(x0,y0)；
步骤S303，以图像中恒星分布的质心(x0,y0)为中心，建立坐标系，并将整个视场分为N个区域，每个区域对应的角度为360°/N，并以顺时针方向将每块区域编号j，其中，编号的取值为j＝1,2,…，N；
步骤S304，对于每块区域j，将观测到的恒星与星上导航星表匹配，匹配成功后得到所观测恒星的赤经赤纬；
步骤S305，建立几何成像模型，并将匹配成功的恒星赤经赤纬代入到成像模型中，得到恒星通过成像模型计算得到的在探测器上的理论位置。
特别地，所述步骤3中的星上地标自主定标模块自主解算过程具体如下：
步骤S306，定标参数自主解算模块提取图像中地标的特征点；
步骤S307，根据提取得到的图像中所有地标点的质心位置，计算整张图像中地标分布的质心(x0,y0)；
步骤S308，以图像中地标分布的质心(x0,y0)为中心，建立坐标系，并将整个视场分为N个区域，每个区域对应的角度为360°/N，并以顺时针方向将每块区域编号j，其中，编号的取值为j＝1,2,…，N；
步骤S309，对于每块区域j，将观测到的地标与地标库匹配，匹配成功后得到地标特征点在WGS84坐标系下的地理坐标；
步骤S310，建立几何成像模型，并将匹配成功的地标特征点坐标代入到成像模型中，得到地标通过成像模型计算得到的在探测器上的理论位置。
特别地，所述步骤S301具体包括：
恒星能量I(x,y)近似高斯分布，可表示为：
其中，Ai为第i个定标点质心位置处的能量强度，σx和σy分别为x和y方向的标准差；根据3×3区域内的像素响应值，基于最小二乘法求解A、σx、σy以及质心位置(xi,yi)。
特别地，所述步骤S304具体包括：
若两个质心坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)，相机的主点为(xc,yc)，主距为f，则角距测量值r12可由下式得到：
在星表库中寻找具有相同角距的两颗恒星星对，经过第三颗围成三角形，分别进行三条边的两两识别就可以确定出质心对应的恒星。
特别地，所述步骤S305具体包括：将匹配成功的恒星赤经赤纬代入到成像模型中，得到恒星通过成像模型计算得到的在探测器上的理论位置(x1,y1)，成像模型如下：
其中，(cosαcosδ,sinαcosδ,sinδ)T为恒星观测值在天球坐标系下的观测向量，α和δ为恒星点的在天球坐标系下的赤经和赤纬，
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分别是像点x和y方向相对于视场中心的夹角，其表达式为：
其中，a0，…,a9、b0，…,b9为内定标参数，f为相机焦距；
在严格几何成像模型下，建立定标平差模型，将任意外定标参数代入上述式中：
构建基于最小二乘的平差计算方程：
特别地，所述步骤S310包括：建立几何成像模型，并将匹配成功的地标特征点坐标代入到成像模型中，得到地标通过成像模型计算得到的在探测器上的理论位置(x1,y1)，成像模型如下：
其中，(XWGS84,YWGS84,ZWGS84)T为地标在WGS84坐标系下的坐标，
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分别是像点x和y方向相对于视场中心的夹角，其表达式为：
其中，a0，…,a9、b0，…,b9为内定标参数，f为相机焦距；
在严格几何成像模型下，建立定标平差模型，将任意外定标参数代入上述式中：
构建基于最小二乘的平差计算方程：
本发明还提出了一种宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标系统，包括：
相机成像传输模块，用于拍照成像，并将拍摄的图像传至星上定标类型自主辨识模块；
星上定标类型自主辨识模块，用于结合卫星轨道、卫星姿态数据，判断相机视场中是否同时对深空和对地面成像；若同时存在，则提取地球边缘作为恒星和地标点的分界线，以划分恒星和地标的分布区域；若不同时存在，则明确定定标点类型是地标还是恒星；
星上恒星自主定标模块，用于将恒星与星上恒星库进行匹配，并解算几何定标参数，实现星上自主定标；
星上地标自主定标模块，用于将地标与地标库匹配，并解算几何定标参数，实现星上自主定标；
定标参数传输模块，用于将所述解算定标参数传给星上信息处理单元，用于卫星成像。
特别地，所述星上恒星自主定标模块中包括：质心提取模块，用于利用高斯曲面拟合方法提取恒星在探测器上的质心位置；恒星匹配模块，用于将卫星图像中的恒星和星上导航星表匹配，并提取出卫星图像中恒星的赤经赤纬；恒星几何成像模型模块，用于将恒星赤经赤纬与探测器上成像位置建立严格的对应关系；恒星定标参数解算模块，用于解算卫星的内方位和外方位元素的几何定标参数；
特别地，所述星上地标自主定标模块中包括：地标提取模块，用于根据相机拍摄图像上地标分布情况，提取地标特征点；地标匹配模块，用于将卫星图像中的地标和星上地标库匹配，得到地标特征点的地理位置；地标几何成像模型模块，用于地标特征点的地理位置与探测器上成像位置建立严格的对应关系；地标定标参数解算模块，用于解算卫星的内方位和外方位元素的几何定标参数。
有益效果：
1.本发明通过利用宽视场相机的覆盖范围，可同时实现对恒星和地标的观测，确保相机视场中任意时刻都有定标点。
2.本发明通过同时观测恒定和地标，无需将相机视场转到特定天区，不影响卫星执行成像任务。
3.本发明通过将相机视场分区进行几何定标，将所有定标点合理地划分到不同视场区域，保证相机全视场的几何定标精度；
4.本发明通过星上自主几何定标模块，实现星上实时几何定标参数解算，避免了将卫星图像下传到地面解算过程，提升了定标参数的实时性；
附图说明
图1为本发明中星上自主几何定标流程图；
图2为本发明中星上自主定标系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标方法流程如图1所示，下面以视场为10°×10°的地球静止轨道卫星为例，星上自主定标系统结构图如图2所示，结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
步骤1，相机成像，并将拍摄的图像传至星上定标类型自主辨识模块；
步骤2，星上定标类型自主辨识模块结合卫星轨道、卫星姿态数据，判断相机视场中是否同时对深空和对地面成像，若同时存在，则提取地球边缘作为恒星和地标点的分界线，以划分恒星和地标的分布区域；若不同时存在，则明确定标点类型是地标还是恒星；
步骤3，根据步骤2中的定标点类型，将对应图像传至星上恒星自主定标模块或星上地标自主定标模块，并解算几何定标参数；
进一步的，步骤3中的星上恒星自主定标模块自主解算过程具体如下：
步骤301，对于图像中的第i个恒星或地标点，星上自主定标模块利用高斯曲面拟合提取质心，恒星或地标点能量I(x,y)近似高斯分布，可表示为：
其中，Ai为第i个定标点质心位置处的能量强度，σx和σy分别为x和y方向的标准差。将公式两边取对数，得到：
令
则上式变为：
ln(I(x,y))＝a+bx+cy+dx2+fy2
其等价矩阵形式为：
使用最小二乘法即可求解。
步骤302，根据提取得到的图像中恒星或地标点所有质心位置，计算整张图像中恒星及地标分布的质心(x0,y0)，具体计算方式为：
步骤303，以图像中恒星及地标分布的质心(x0,y0)为中心，建立坐标系，并将整个视场分为4个区域，每个区域对应的角度为90，并以顺时针方向将每块区域编号j，其中，编号的取值为j＝1,2,3,4；
步骤304，对于每块区域j，将观测到的恒星与星上导航星表匹配，匹配成功后得到所观测恒星的赤经赤纬，若两个质心坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)，相机的主点为(xc,yc)，主距为f，则角距测量值r12可由下式得到：
在星表库中寻找具有相同角距的两颗恒星星对，经过第三颗围成三角形，分别进行“边-边-边”两两识别就可以确定出质心对应的恒星序号。
步骤305，建立几何成像模型，并将匹配成功的恒星赤经赤纬代入到成像模型中，得到恒星通过成像模型计算得到的在探测器上的理论位置(x1,y1)，成像模型如下：
其中，(cosαcosδ,sinαcosδ,sinδ)T为恒星观测值在天球坐标系下的观测向量，α和δ为恒星点的在天球坐标系下的赤经和赤纬，
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其中，
ω、κ为相机的安装角,/>
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分别是像点x和y方向相对于视场中心的夹角，其表达式为：
其中，a0，…,a9、b0，…,b9为内定标参数，f为相机焦距。
在上述严格几何成像模型下，建立定标平差模型，将任意外定标参数代入上述式中：
构建基于最小二乘的平差计算方程：
首先将内定标参数作为已知量，求解外定标参数，得到误差方程为：
V＝AX-L
其中，
得到X＝(ATA)-1(ATL)，即可实现外定标参数解算。
再将外定标参数作为已知量，求解内定标参数，得到误差方程为：
V＝BX-L
其中，
得到X＝(BTB)-1(BTL)，即可实现内定标参数解算。
进一步的，步骤3中的星上地标自主定标模块自主解算过程具体如下：
步骤306，定标参数自主解算模块提取图像中地标的特征点；
步骤307，根据提取得到的图像中恒星或地标点所有质心位置，计算整张图像中恒星及地标分布的质心(x0,y0)，具体计算方式为：
步骤308，以图像中恒星及地标分布的质心(x0,y0)为中心，建立坐标系，并将整个视场分为4个区域，每个区域对应的角度为90，并以顺时针方向将每块区域编号j，其中，编号的取值为j＝1,2,3,4；
步骤309，对于每块区域j，将观测到的地标与地标库匹配，匹配成功后得到地标特征点在WGS84坐标系下的地理坐标；
步骤310，建立几何成像模型，并将匹配成功的地标特征点坐标代入到成像模型中，得到地标通过成像模型计算得到的在探测器上的理论位置(x1,y1)，成像模型如下：
构建基于最小二乘的平差计算方程：
首先将内定标参数作为已知量，求解外定标参数，得到误差方程为：
V＝PX-L1
其中，
得到X＝(PTP)-1(PTL1)，即可实现外定标参数解算。
再将外定标参数作为已知量，求解内定标参数，得到误差方程为：
V＝QX-L1
其中，
得到X＝(QTQ)-1(QTL1)，即可实现内定标参数解算。
步骤4，将星上几何参数自主解算模块将定标参数传给星上信息处理单元，用于卫星成像；
本发明还提供了一种宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标系统，包括：相机成像传输模块，用于拍照成像，并将拍摄的图像传至星上定标类型自主辨识模块；
星上定标类型自主辨识模块，用于结合卫星轨道、卫星姿态数据，判断相机视场中是否同时对深空和对地面成像；若同时存在，则提取地球边缘作为恒星和地标点的分界线，以划分恒星和地标的分布区域；若不同时存在，则明确定定标点类型是地标还是恒星；
星上恒星自主定标模块，用于将恒星与星上恒星库进行匹配，并解算几何定标参数，实现星上自主定标；
星上地标自主定标模块，用于将地标与地标库匹配，并解算几何定标参数，实现星上自主定标；
定标参数传输模块，用于将所述解算定标参数传给星上信息处理单元，用于卫星成像。
其中，所述星上恒星自主定标模块中包括：质心提取模块，用于利用高斯曲面拟合方法提取恒星在探测器上的质心位置；恒星匹配模块，用于将卫星图像中的恒星和星上导航星表匹配，并提取出卫星图像中恒星的赤经赤纬；恒星几何成像模型模块，用于将恒星赤经赤纬与探测器上成像位置建立严格的对应关系；恒星定标参数解算模块，用于解算卫星的内方位和外方位元素的几何定标参数；
其中，所述星上地标自主定标模块中除包括：地标提取模块，用于根据相机拍摄图像上地标分布情况，提取地标特征点；地标匹配模块，用于将卫星图像中的地标和星上地标库匹配，得到地标特征点的地理位置；地标几何成像模型模块，用于地标特征点的地理位置与探测器上成像位置建立严格的对应关系；地标定标参数解算模块，用于解算卫星的内方位和外方位元素的几何定标参数。该实施例的具体实施方式与方法实施例中近似，故不再赘述。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标方法，其特征在于，包括：
步骤S1，相机成像，并将拍摄的图像传至星上定标类型自主辨识模块；
步骤S2，星上定标类型自主辨识模块结合卫星轨道、卫星姿态数据，判断相机视场中是否同时对深空和对地面成像；若同时存在，则提取地球边缘作为恒星和地标点的分界线，以划分恒星和地标的分布区域；若不同时存在，则明确定标点类型是地标还是恒星；
步骤S3，根据所述定标点类型，将对应图像传至星上恒星自主定标模块或星上地标自主定标模块，并解算几何定标参数；
步骤S4，将所述解算定标参数传给星上信息处理单元，用于卫星成像。
2.如权利要求1所述的宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标方法，其特征在于，所述步骤3中的星上恒星自主定标模块自主解算过程具体如下：
步骤S301，对于图像中的第i个恒星，星上自主定标模块利用高斯曲面拟合提取质心；
步骤S302，根据提取得到的图像中所有恒星的质心位置，计算整张图像中恒星分布的质心(x0,y0)；
步骤S303，以图像中恒星分布的质心(x0,y0)为中心，建立坐标系，并将整个视场分为N个区域，每个区域对应的角度为360°/N，并以顺时针方向将每块区域编号j，其中，编号的取值为j＝1,2,…，N；
步骤S304，对于每块区域j，将观测到的恒星与星上导航星表匹配，匹配成功后得到所观测恒星的赤经赤纬；
步骤S305，建立几何成像模型，并将匹配成功的恒星赤经赤纬代入到成像模型中，得到恒星通过成像模型计算得到的在探测器上的理论位置。
3.如权利要求1所述的宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标方法，其特征在于，所述步骤3中的星上地标自主定标模块自主解算过程具体如下：
步骤S306，定标参数自主解算模块提取图像中地标的特征点；
步骤S307，根据提取得到的图像中所有地标点的质心位置，计算整张图像中地标分布的质心(x0,y0)；
步骤S308，以图像中地标分布的质心(x0,y0)为中心，建立坐标系，并将整个视场分为N个区域，每个区域对应的角度为360°/N，并以顺时针方向将每块区域编号j，其中，编号的取值为j＝1,2,…，N；
步骤S309，对于每块区域j，将观测到的地标与地标库匹配，匹配成功后得到地标特征点在WGS84坐标系下的地理坐标；
步骤S310，建立几何成像模型，并将匹配成功的地标特征点坐标代入到成像模型中，得到地标通过成像模型计算得到的在探测器上的理论位置。
4.如权利要求2所述的宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标方法，其特征在于，所述步骤S301具体包括：
恒星能量I(x,y)近似高斯分布，可表示为：
其中，Ai为第i个定标点质心位置处的能量强度，σx和σy分别为x和y方向的标准差；根据3×3区域内的像素响应值，基于最小二乘法求解A、σx、σy以及质心位置(xi,yi)。
5.如权利要求2或4所述的宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标方法，其特征在于，所述步骤S304具体包括：
若两个质心坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)，相机的主点为(xc,yc)，主距为f，则角距测量值r12可由下式得到：
在星表库中寻找具有相同角距的两颗恒星星对，经过第三颗围成三角形，分别进行三条边的两两识别就可以确定出质心对应的恒星。
6.如权利要求2或4所述的宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标方法，其特征在于，
所述步骤S305具体包括：将匹配成功的恒星赤经赤纬代入到成像模型中，得到恒星通过成像模型计算得到的在探测器上的理论位置(x1,y1)，成像模型如下：
其中，(cosαcosδ,sinαcosδ,sinδ)T为恒星观测值在天球坐标系下的观测向量，α和δ为恒星点的在天球坐标系下的赤经和赤纬，
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分别是像点x和y方向相对于视场中心的夹角，其表达式为：
其中，a0，…,a9、b0，…,b9为内定标参数，f为相机焦距；
在严格几何成像模型下，建立定标平差模型，将任意外定标参数代入上述式中：
构建基于最小二乘的平差计算方程：
7.如权利要求3所述的宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标方法，其特征在于，
所述步骤S310包括：建立几何成像模型，并将匹配成功的地标特征点坐标代入到成像模型中，得到地标通过成像模型计算得到的在探测器上的理论位置(x1,y1)，成像模型如下：
其中，(XWGS84,YWGS84,ZWGS84)T为地标在WGS84坐标系下的坐标，
是WGS84坐标系到J2000坐标系的变换矩阵，/>
是J2000坐标系到卫星本体坐标系的变换矩阵，/>
是卫星本体坐标系到相机坐标系的变换矩阵，/>
是相机坐标系到相机物方空间的变换矩阵，/>
是相机物方空间到探测器的变换矩阵，λ是修正矩阵，/>
和/>
分别是像点x和y方向相对于视场中心的夹角，其表达式为：
其中，a0，…,a9、b0，…,b9为内定标参数，f为相机焦距；
在严格几何成像模型下，建立定标平差模型，将任意外定标参数代入上述式中：
构建基于最小二乘的平差计算方程：
8.一种宽视场光学遥感卫星在轨自主几何定标系统，其特征在于，包括：
相机成像传输模块，用于拍照成像，并将拍摄的图像传至星上定标类型自主辨识模块；
星上定标类型自主辨识模块，用于结合卫星轨道、卫星姿态数据，判断相机视场中是否同时对深空和对地面成像；若同时存在，则提取地球边缘作为恒星和地标点的分界线，以划分恒星和地标的分布区域；若不同时存在，则明确定标点类型是地标还是恒星；
星上恒星自主定标模块，用于将恒星与星上恒星库进行匹配，并解算几何定标参数，实现星上自主定标；
星上地标自主定标模块，用于将地标与地标库匹配，并解算几何定标参数，实现星上自主定标；
定标点类型确定模块，用于将对应图像传至星上恒星自主定标模块或星上地标自主定标模块，并解算几何定标参数；
解算定标参数传输模块，用于将所述解算定标参数传给星上信息处理单元，用于卫星成像。
9.如权利要求8所述的星上恒星自主定标模块，其特征在于，所述星上恒星自主定标模块包括：质心提取模块，用于利用高斯曲面拟合方法提取恒星在探测器上的质心位置；恒星匹配模块，用于将卫星图像中的恒星和星上导航星表匹配，并提取出卫星图像中恒星的赤经赤纬；恒星几何成像模型模块，用于将恒星赤经赤纬与探测器上成像位置建立严格的对应关系；恒星定标参数解算模块，用于解算卫星的内方位和外方位元素的几何定标参数。
10.如权利要求8所述的星上地标自主定标模块，其特征在于，所述星上地标自主定标模块包括：地标提取模块，用于根据相机拍摄图像上地标分布情况，提取地标特征点；地标匹配模块，用于将卫星图像中的地标和星上地标库匹配，得到地标特征点的地理位置；地标几何成像模型模块，用于地标特征点的地理位置与探测器上成像位置建立严格的对应关系；地标定标参数解算模块，用于解算卫星的内方位和外方位元素的几何定标参数。
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-
2022
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| CN116413010A (zh) * | 2023-06-12 | 2023-07-11 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统及其使用方法 |
| CN116413010B (zh) * | 2023-06-12 | 2023-08-11 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统及其使用方法 |
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