CN116413010B - 空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统及其使用方法，属于空间遥感技术领域。本发明的系统通过提取算法对接收到的恒星与激光光源光斑之间矢量夹角进行姿态计算，从而获得空间遥感相机焦面位置激光光源装置的姿态矩阵；根据恒星敏感器的成像模型，建立恒星敏感器探测面与空间遥感相机焦面位置之间的变换关系，对激光光源装置经空间遥感相机光学系统前后变化矢量计算，和恒星敏感器探测面对恒星采集的矢量坐标系进行对比，确定空间遥感相机视轴与星敏坐标轴之间的夹角关系，建立夹角监测变化系统；当二者夹角发生偏移后，计算出视轴变化范围，从而对空间遥感相机在轨视轴变化实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及空间遥感技术领域，特别涉及一种空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统及其使用方法。
背景技术
空间遥感相机定位精度是其在轨使用过程中一项重要的技术指标，空间遥感相机定位精度的高低是获取遥感信息的基础，高定位精度是高分辨率遥感探测的重要前提。在高分辨率看的清的基础上，提高空间遥感相机定位精度让空间遥感相机测得准在国防、勘探、测绘等领域均有着至关重要的作用以及研究意义。对于空间遥感相机定位精度的影响主要包括相机视轴定位精度、姿态测量、在轨运行精度及传输至地面处理的过程中产生的误差等众多因素的影响。
在卫星发射过程中会产生一系列温度、振动及气压等环境变化，导致遥感相机在地面测量参数与太空使用过程中存在较大的环境差异，导致姿态测量值在发射后及在轨运行一段时间后都会产生庞杂的变化，因此需要通过在轨使用过程中对相机定位参数进行监测、标定与修正，达到修改姿态测量值提高运行精度。目前姿态测量、在轨运行精度以及数据传输误差均有一定手段对其精度进行提高，而对遥感相机定位精度影响最主要的相机视轴定位精度目前还并未有较好的手段监测其变化从而获得高精度参数。
常规空间遥感相机视轴在轨标定主要通过对地面已知定标地点信息进行拍摄，通过地面与卫星遥感图像之间匹配从而确定相机视轴变化，或者通过恒星敏感器（简称星敏）与遥感相机对同一星空进行拍摄，对空间遥感相机视轴与星敏坐标轴之间夹角进行测量。前者需地面定标地点配合或先前便存有高精度的数字底片进行对比，从而才可达到高精度的定标效果；后者由于星敏与空间遥感相机之间存在大角度夹角，无法同一时刻对同一片星空进行拍摄，存在一定的时效误差，很难将星敏与相机视轴建立精确的联系，所以其定标精度也有一定的局限性。
发明内容
本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统及其使用方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统，包括：激光光源装置，空间遥感相机的光学系统，折转光路系统，以及恒星敏感器；
所述激光光源装置设置在空间遥感相机的焦面位置；所述激光光源装置用来通过调整其输出光发散角后，保证其输出光线完全进入所述光学系统；
所述光学系统用来对激光光源装置进行准直，使所述激光光源装置经所述光学系统以平行光出射，所述光学系统的视轴变化会导致所述激光光源装置经过所述光学系统输出的平行光产生角度变化；
所述折转光路系统用来使出射的平行光入射至所述恒星敏感器探测器上；
所述恒星敏感器用来对满足成像条件的星空进行连续拍摄，通过对恒星星点坐标的提取，确定恒星敏感器中心点及其坐标轴，获得恒星敏感器姿态矩阵，构建卫星本体坐标系并将所测量的经所述光学系统产生的平行光角度变化转变到恒星坐标系当中。
在上述技术方案中，所述激光光源装置包括：供电装置，温度控制装置，半导体激光器和透镜；所述供电装置和所述温度控制装置分别与所述半导体激光器相连；所述半导体激光器的输出端与透镜相连；所述供电装置用来对所述半导体激光器进行开关控制，所述温度控制装置用来保障所述半导体激光器在轨工作温度正常；所述透镜用来通过调整所述半导体激光器输出发散角，保证所述半导体激光器输出完全进入所述光学系统中。
在上述技术方案中，所述折转光路系统包括直角内圆锥全反镜，该直角内圆锥全反镜用来保证其输入至恒星敏感器的反射光线与入射光线保持平行；所述恒星敏感器内设有二向色镜，该二向色镜用来保证恒星敏感器对恒星光源采集与激光光源采集互不干扰，满足实时同步监测；
所述直角内圆锥全反镜用来对经所述光学系统准直后出射的平行光进行折转，折转后的光线入射进所述二向色镜，经所述二向色镜后反射进入所述恒星敏感器中。
在上述技术方案中，所述激光光源装置的数量为1个或者2个或者更多个。
在上述技术方案中，所述恒星敏感器通过成像探测恒星获得星图并与星图库进行匹配确定其坐标姿态，根据单次曝光获得的多帧数星图，视场内的位置，星点的星状分布和灰度值进行平滑监测提高精度。
在上述技术方案中，所述恒星敏感器的测量精度为1"，标准差为1σ。
一种上述的空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统的使用方法，该实时监测系统包括：激光光源装置，空间遥感相机的光学系统，折转光路系统，以及恒星敏感器；
该使用方法包括以下步骤：
步骤1：恒星敏感器对满足成像条件的星空进行连续拍摄，通过对恒星星点坐标的提取，确定星敏中心点及其坐标轴，获得星敏姿态矩阵，构建卫星本体坐标系并将所测量的星点位置与星图匹配获得恒星在J2000天球坐标系中的位置，并转变到恒星敏感器本体坐标系当中，从而获得卫星的精确姿态；
步骤2：激光光源装置通过调整其输出光发散角后，保证其输出光线完全进入空间遥感相机的光学系统；将激光光源装置设置在空间遥感相机的焦面位置，利用空间遥感相机的光学系统对激光光源装置进行准直，使激光光源装置经光学系统以平行光出射；
步骤3：被空间遥感相机的光学系统准直以平行光输出的激光光源装置经折转光路系统使光入射至恒星敏感器探测器上；
步骤4：通过提取算法对恒星敏感器接收到的恒星与激光光源光斑之间进行姿态计算，从而获得空间遥感相机焦面位置的激光光源装置的姿态矩阵；根据恒星敏感器的成像模型，建立的恒星敏感器探测面与空间遥感相机焦面位置之间的变换关系，对激光光源装置经空间遥感相机的光学系统前后变化矢量计算，和恒星敏感器探测面对恒星采集的矢量坐标系进行对比，确定空间遥感相机视轴与星敏坐标轴之间的夹角关系，建立夹角监测变化系统；当二者夹角发生偏移后，计算出光学系统的视轴变化范围，从而对空间遥感相机在轨视轴变化实时监测。
在上述技术方案中，步骤1中，将所测量的系统转变为本体坐标系当中具体是，将所测量的J2000天球坐标系下的恒星位置转换为恒星敏感器本体坐标系当中。
在上述技术方案中，所述折转光路系统包括直角内圆锥全反镜，该直角内圆锥全反镜用来保证其输入至恒星敏感器的反射光线与经过光学系统准直后出射光线保持平行；所述恒星敏感器内设有二向色镜，该二向色镜用来保证恒星敏感器对恒星光源采集与激光光源采集互不干扰，满足实时同步监测；
所述直角内圆锥全反镜用来对经所述光学系统准直后出射的平行光进行折转，折转后的光线入射进所述二向色镜。
本发明具有以下有益效果：
本发明的空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统及其使用方法，使空间遥感相机在轨视轴变化具备高精度监测能力，通过监测其变化范围可对视轴变化进行分析补偿，提高遥感相机定位精度，从而提高空间遥感性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统的一种具体实施方式的组成图；
图2是本发明的激光光源装置的一种具体实施方式的组成示意图；
图3是本发明的空间遥感相机视轴定位在轨变化监测示意图。
图中的附图标记表示为：
1-激光光源装置；2-光学系统；3-折转光路系统；4-恒星敏感器；
5-焦面位置；6-供电装置；7-温度控制装置；8-半导体激光器；9-透镜；
10-直角内圆锥全反镜；11-二向色镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做以详细说明。
空间遥感相机在发射过程中会受到震动，高温的影响，导致姿态测量参数在发射前后产生庞杂的变化。同时，在轨工作过程中也会受到春分点、秋分点周期性温度变化的影响、结构热变形导致的光学器件位置变化以及遥感相机焦面偏移等影响改变遥感相机视轴指向，影响其运行拍摄精度，导致其成像位置偏离预定坐标。为获得对空间遥感相机在轨视轴变化参数，寻找视轴变化规律进行分析补偿，实现空间遥感相机视轴精度的提升，进一步提高空间遥感相机的无控定位精度。本发明以激光光源指向相对于星敏感器坐标轴变化的实时监测方式，通过在轨实时测量空间遥感相机视轴与星敏感器坐标轴夹角变化，对其变化规律进行分析并补偿角度变化带来的误差，以保障相机获得高质量遥感测量结果。
本发明的空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统的一种具体实施方式，如图1所示，其主要包含激光光源装置1、光学系统2、折转光路系统3、恒星敏感器4共四部分；所述激光光源装置1的数量为2个，设置在空间遥感相机的焦面位置5；所述激光光源装置1用来通过调整其输出光发散角后，保证其输出光线完全进入所述光学系统2；所述光学系统2用来对激光光源装置1进行准直，使所述激光光源装置1经所述光学系统2以平行光出射，所述光学系统2光轴变化会导致所述激光光源装置1出射平行光角度产生变化；所述折转光路系统3用来使出射的平行光入射至所述恒星敏感器4探测器上；所述恒星敏感器4用来对满足成像条件的星空进行连续拍摄，通过对恒星星点坐标的提取，确定恒星敏感器4中心点及其坐标轴，获得恒星敏感器4姿态矩阵，构建卫星本体坐标系并将所测量的星点位置与星图匹配获得恒星在J2000天球坐标系中的位置，并转变到恒星敏感器4本体坐标系当中。其中，如图1、2所示激光光源装置1包括供电装置6，温度控制装置7和半导体激光器8以及透镜9；所述供电装置6和所述温度控制装置7分别与所述半导体激光器8相连；所述半导体激光器8的输出端与透镜9相连；所述供电装置6用来对所述半导体激光器8进行开关控制，所述温度控制装置7用来保障所述半导体激光器8在轨工作温度正常；所述透镜9用来通过调整所述半导体激光器8输出发散角，保证所述半导体激光器8输出完全进入所述光学系统2中；折转光路系统3包括对经光学系统2准直后出射的平行光接收折转直角内圆锥全反镜10，折转后入射进恒星敏感器4内的二向色镜11。直角内圆锥全反镜10为等腰直角反射镜的主截面绕过顶点垂线方向旋转形成直角内圆锥面反射镜，其入射光与反射光始终保持平行，不受环境扰动；二向色镜11具有对不同波长光的选择透过或反射特性，可保证对激光光源监测的同时对恒星持续提取校正；恒星敏感器4为星上姿态控制系统，测量精度为1"，标准差为1σ，可通过对恒星提取校正获得以恒星敏感器4光轴矢量作为基准的本体坐标系。
本发明的空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统，该系统具体使用方法如下：
步骤1、将恒星敏感器4通过对视轴指向目标星空进行连续拍摄成像，可以得到恒
星在像平面上产生的图像，对图像进行处理减去背景噪声，通过提取算法得到准确星点成
像位置。当恒星敏感器4位于J2000天球坐标系中某一姿态矩阵为A时，可通过测量得到指引
星Z在恒星敏感器4坐标系内的方向矢量，指引星Z在J2000天球坐标系下的方向矢量为，经转换矩阵转换可获得指引星Z在恒星敏感器4坐标系内的方向矢量。恒星
敏感器4在其探测器光轴中心坐标可表示，指引星Z在探测器上的坐标可表示
为，恒星敏感器4的焦距为，则可以得到矢量的表达式如下：
；
步骤2、激光光源装置1通过调整其输出光发散角后，保证其输出光线完全进入空间遥感相机的光学系统2；将激光光源装置1设置在空间遥感相机的焦面位置5，利用空间遥感相机的光学系统2对激光光源装置1进行准直，使激光光源装置1经光学系统2以平行光出射；
步骤3、通过折转光路系统3使部分平行光入射进入恒星敏感器4探测器上；
以相机成像坐标系定义，其主点位置为，则物点i在恒星敏感器4
探测器坐标可表示为，相机焦距可表示为，则根据步骤一可将激光点在
空间成像矢量表示为：
；
步骤4、将恒星敏感器4对星空拍摄影像及激光光源入射进恒星敏感器4探测器部
分进行星点坐标提取、图像识别以及姿态计算，当恒星敏感器4的参数通过恒星准确标定
后，得到星敏坐标轴姿态矩阵和提取空间遥感相机焦面位置5出射的激光光源装置1姿
态矩阵，矩阵每行分别表示为本体系坐标轴在J2000坐标系下矢量形式，J2000坐标系
表示为在J2000时刻的天赤道与二分点用来定义天球参考坐标系；
所述星敏坐标轴姿态矩阵为
；
其中为星敏坐标轴姿态四元数，四元数是一种用于描述航天器姿态的物理参
数，能够方便描述两个坐标系在空间的转换关系。
所述提取空间遥感相机焦面位置5出射的激光光源装置1姿态矩阵为
；
其中为提取空间遥感相机焦面位置5出射的激光光源装置1姿态四元数。
该参数需在轨进行初始化标定，并将其视作初始零点，可表示为：
，其中为恒星敏感器4探测器测量的激光矢量；
根据上述所建立的恒星敏感器4探测面与空间遥感相机焦面位置5之间的变换关
系，并依据星敏坐标轴姿态矩阵和激光光源矢量矩阵，计算激光光源装置1经光学系统
2后与星敏坐标轴之间夹角变化，建立优化解法如下：
；
则两轴间夹角可表示为：
；
其中，表示第i束激光与第i+1束激光之间的夹角，即光学系统2变化前后
激光之间的夹角，如图3所示，空间遥感相机视轴变化可以通过恒星敏感器4前后两次测量
准确获得。
在其他的具体实施方式中，恒星敏感器4对星点和激光光源装置1提取的精度一致，高精度恒星敏感器4可做到1"测量精度，标准差为1σ，且每一激光光源可提供空间遥感相机本体的本体坐标系两个监测矢量。此外，通过增加激光光源装置1数量可将空间遥感相机视轴到本体系三轴的夹角监测精度进一步提高，同时也可通过恒星敏感器4单次曝光获得的多帧数星图，视场内的位置，星点的星状分布和灰度值进行平滑监测提高精度，使空间遥感相机在轨视轴变化具备高精度实时监测能力，通过监测空间遥感相机视轴与恒星敏感器4光轴之间夹角变化亦可对空间遥感相机变化进行分析补偿，提高空间遥感相机定位精度，进而提高空间遥感在轨性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统，其特征在于，包括：激光光源装置（1），空间遥感相机的光学系统（2），折转光路系统（3），以及恒星敏感器（4）；
所述激光光源装置（1）设置在空间遥感相机的焦面位置（5）；所述激光光源装置（1）用来通过调整其输出光发散角后，保证其输出光线完全进入所述光学系统（2）；
所述光学系统（2）用来对激光光源装置（1）进行准直，使所述激光光源装置（1）经所述光学系统（2）以平行光出射，所述光学系统（2）光轴变化会导致所述激光光源装置（1）出射平行光角度产生变化；
所述折转光路系统（3）用来使出射的平行光入射至所述恒星敏感器（4）探测器上；
所述恒星敏感器（4）用来对满足成像条件的星空进行连续拍摄，通过对恒星星点坐标的提取，确定恒星敏感器（4）中心点及其坐标轴，获得恒星敏感器（4）姿态矩阵，构建卫星本体坐标系并将所测量的经所述光学系统（2）产生的平行光角度变化转变到恒星坐标系当中。
2.根据权利要求1所述的空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统，其特征在于，所述激光光源装置（1）包括：供电装置（6），温度控制装置（7），半导体激光器（8）和透镜（9）；所述供电装置（6）和所述温度控制装置（7）分别与所述半导体激光器（8）相连；所述半导体激光器（8）的输出端与透镜（9）相连；所述供电装置（6）用来对所述半导体激光器（8）进行开关控制，所述温度控制装置（7）用来保障所述半导体激光器（8）在轨工作温度正常；所述透镜（9）用来通过调整所述半导体激光器（8）输出发散角，保证所述半导体激光器（8）输出完全进入所述光学系统（2）中。
3.根据权利要求1所述的空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统，其特征在于，所述折转光路系统（3）包括直角内圆锥全反镜（10），该直角内圆锥全反镜（10）用来保证其输入至恒星敏感器（4）的反射光线与入射光线保持平行；所述恒星敏感器（4）内设有二向色镜（11），该二向色镜（11）用来保证恒星敏感器（4）对恒星光源采集与激光光源采集互不干扰，满足实时同步监测；
所述直角内圆锥全反镜（10）用来对经所述光学系统（2）准直后出射的平行光进行折转，折转后的光线入射进所述二向色镜（11），经所述二向色镜（11）后反射进入所述恒星敏感器（4）中。
4.根据权利要求1所述的空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统，其特征在于，所述激光光源装置（1）的数量为1个或者2个或者更多个。
5.根据权利要求1所述的空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统，其特征在于，所述恒星敏感器（4）通过成像探测恒星获得星图并与星图库进行匹配确定其坐标姿态，根据单次曝光获得的多帧数星图，视场内的位置，星点的星状分布和灰度值进行平滑监测提高精度。
6.根据权利要求1所述的空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统，其特征在于，所述恒星敏感器（4）的测量精度为1"，标准差为1σ。
7.一种权利要求1所述的空间遥感相机在轨视轴变化实时监测系统的使用方法，该实时监测系统包括：激光光源装置（1），空间遥感相机的光学系统（2），折转光路系统（3），以及恒星敏感器（4）；
其特征在于，该使用方法包括以下步骤：
步骤1：恒星敏感器（4）对满足成像条件的星空进行连续拍摄，通过对恒星星点坐标的提取，确定星敏中心点及其坐标轴，获得星敏姿态矩阵，构建卫星本体坐标系并将所测量的星点位置与星图匹配获得恒星在天球坐标系中的位置，并转变到恒星敏感器（4）本体坐标系当中，从而获得卫星的精确姿态；
步骤2：激光光源装置（1）通过调整其输出光发散角后，保证其输出光线完全进入空间遥感相机的光学系统（2）；将激光光源装置（1）设置在空间遥感相机的焦面位置（5），利用空间遥感相机的光学系统（2）对激光光源装置（1）进行准直，使激光光源装置（1）经光学系统（2）以平行光出射；
步骤3：被空间遥感相机的光学系统（2）准直以平行光输出的激光光源装置（1）经折转光路系统（3）使光入射至恒星敏感器（4）探测器上；
步骤4：通过提取算法对恒星敏感器（4）接收到的恒星与激光光源光斑之间进行姿态计算，从而获得空间遥感相机焦面位置（5）的激光光源装置（1）的姿态矩阵；根据恒星敏感器（4）的成像模型，建立的恒星敏感器（4）探测面与空间遥感相机焦面位置（5）之间的变换关系，对激光光源装置（1）经空间遥感相机的光学系统（2）前后变化矢量计算，和恒星敏感器（4）探测面对恒星采集的矢量坐标系进行对比，确定空间遥感相机视轴与星敏坐标轴之间的夹角关系，建立夹角监测变化系统；当二者夹角发生偏移后，计算出光学系统（2）的视轴变化范围，从而对空间遥感相机在轨视轴变化实时监测。
8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，步骤1中，将所测量的系统转变为本体坐标系当中具体是，将所测量的J2000天球坐标系下的恒星位置转换为恒星敏感器（4）本体坐标系当中。
9.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，所述折转光路系统（3）包括直角内圆锥全反镜（10），该直角内圆锥全反镜（10）用来保证其输入至恒星敏感器（4）的反射光线与经过光学系统（2）准直后出射光线保持平行；所述恒星敏感器（4）内设有二向色镜（11），该二向色镜（11）用来保证恒星敏感器（4）对恒星光源采集与激光光源采集互不干扰，满足实时同步监测；
所述直角内圆锥全反镜（10）用来对经所述光学系统（2）准直后出射的平行光进行折转，折转后的光线入射进所述二向色镜（11），经所述二向色镜（11）后反射进入所述恒星敏感器（4）中。
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| CN202310684399.9A Active CN116413010B (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 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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Citations (9)
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-
2023
- 2023-06-12 CN CN202310684399.9A patent/CN116413010B/zh active Active
Patent Citations (9)
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|---|
| 高精度星敏感器动态测量精度检测方法;郭敬明等;《科技创新导报》;全文 * |
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| CN116413010A (zh) | 2023-07-11 |
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