一种恒星观测模式下线阵相机星上几何定标方法技术

本发明专利技术提供一种恒星观测模式下线阵相机星上几何定标方法。本发明专利技术主要包括7个步骤，分别为：步骤1，线阵相机恒星几何成像模型构建；步骤2，恒星控制点天区选择；步骤3，恒星控制点物方坐标识别；步骤4，恒星控制点像方坐标精确提取；步骤5，线阵相机恒星几何定标模型构建；步骤6，线阵相机几何畸变模型构建；步骤7，顾及像方覆盖率的改进定标模型。本发明专利技术可实现一种全天时、全天候、全空域、高精度、低成本、星上化的光学线阵相机几何定标方法，从而实时地保障对地观测卫星系统星上处理的几何精度。对地观测卫星系统星上处理的几何精度。对地观测卫星系统星上处理的几何精度。

【技术实现步骤摘要】
一种恒星观测模式下线阵相机星上几何定标方法


[0001]本专利技术属于航天摄影测量光学遥感影像几何处理领域，涉及一种在恒星观测模式下，线阵相机星上几何定标方法。

技术介绍

[0002]高分辨率线阵相机以其高信噪比，成为光学对地观测卫星的主要数据获取来源。然而，由于受机械振动、温度变化、调焦与焦距变化等因素的影响，卫星入轨后线阵相机的几何成像参数随着时间的推移会发生变化，需对相机进行高频次的星上几何定标，从而实时地保障对地观测卫星系统星上处理的几何精度。
[0003]当前遥感相机的几何定标主要采取的是对地成像的定标模式，通过该手段，高分辨率线阵相机可以在入轨初期达到较高水平的几何精度。然而，现有线阵相机定标方法需要依托较高精度的陆地数字定标场，受制于时间、天气、光照、地形、分辨率、光谱、视角与地物变化等因素，往往只能达到半自动化水平，并而难以实现星上化、定标成本高、实施周期长。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对上述现有几何定标方法难以实现高频次的星上定标的问题，提供了一种恒星观测模式下线阵相机星上几何定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0005]步骤1，根据线阵相机恒星成像原理，顾及恒星在瞬时和平天球坐标系下的变换，以及相机在惯性空间运动下的光行差效应，构建线阵相机恒星几何成像模型；
[0006]步骤2，利用星表数据，以及相机可识别星等、相机视场角大小，选择合适的恒星控制点观测天区；
[0007]步骤3，结合卫星姿态参数，通过恒星几何成像模型，预测相机在天球坐标系中的成像范围，进而快速识别恒星的物方坐标；
[0008]步骤4，结合星点质心运动模型，构建原始模糊星点到标准化后模糊星点的转换矩阵，实现线阵相机恒星像方坐标的精确提取；
[0009]步骤5，根据步骤3获取的恒星物方坐标，以及步骤4获取的恒星像方坐标，结合步骤1中的线阵相机恒星几何成像模型，构建线阵相机几何定标模型；
[0010]步骤6，通过畸变公式变换以及变量替换，将非线性的畸变模型参数求解问题转化为线性参数求解问题，增加内定标求解的稳定性；
[0011]步骤7，多次平移重复观测步骤2的指定天区，以提高恒星控制点的像方覆盖率，并构建顾及像方覆盖率的改进定标模型。
[0012]在以上技术方案的基础上，优选的步骤1的实现方式为：
[0013]步骤1.1，根据线阵相机恒星成像原理，构建线阵相机恒星几何成像模型。
[0014]假设恒星在瞬时惯性天球坐标系下的赤经赤纬为m为缩放系数，t
i
时刻相机
坐标系在惯性坐标系下的姿态为星点在像平面坐标系中的坐标为(x，y)，f为相机主距，(x0，y0)为相机主点。
[0015]则恒星几何成像模型为：
[0016][0017]步骤1.2，顾及恒星在瞬时和平天球坐标系下的变换，以及相机在惯性空间运动下的光行差效应，构建线阵相机恒星几何成像模型。
[0018]星表中的恒星坐标通常定义在平天球坐标系下，实际拍摄的恒星需要修正自行变化，以精确定位恒星在瞬时天球坐标系的位置；同时为了避免地球周年和周日运动带来的视差，需要利用星表中的参数进行视差改正；由于卫星运动速度较高，相机观测到的恒星位置与真实恒星位置之间存在光行差效应，需要根据相机成像时刻光轴的指向、卫星速度、以及两者间的夹角，对恒星的物方坐标进行光行差改正。假设经过自行、视差改正后的恒星赤经赤纬为(α，δ)，而光行差改正可以表示为与成像时刻相关的旋转矩阵R
Aber
(t
i
)，则顾及光行差、自行、视差改正后的恒星几何成像模型为：
[0019][0020]在以上技术方案的基础上，优选的步骤2为利用星表数据，以及相机可识别星等、相机视场角大小，选择合适的恒星控制点观测天区。
[0021]假设P为中心像素亮度，I0为0星等亮度，Mag为恒星等级，则像素亮度和星等之间的公式为：
[0022]P＝N
·
M
·
I0·
2.512
‑
Mag
[0023]根据上述计算获取理论上可拍摄星等后，结合相机视场角和星表参数，对全天区进行仿真遍历，选出最优拍摄天区。
[0024]在以上技术方案的基础上，优选的步骤3为结合卫星姿态参数，通过恒星几何成像模型，预测相机在天球坐标系中的成像范围，进而快速识别恒星的物方坐标：
[0025]步骤3，根据步骤1所述即恒星几何成像模型来预测相机在天球坐标系中的成像范围；通过星表筛选出在此范围内的恒星，并通过相机可拍摄星等去掉较高星等的恒星；通过星图识别算法，即可以得到恒星的物方坐标信息；
[0026]在以上技术方案的基础上，优选的步骤4为结合星点质心运动模型，构建原始模糊星点到标准化后模糊星点的转换矩阵，实现线阵相机恒星像方坐标的精确提取。具体包括以下步骤：
[0027]步骤4.1，假设在t0时刻，星点在图像上的质心坐标为(x(t0)，y(t0))，在t0+Δt时刻，Δt为线TDI曝光时间，星点的质心坐标为(x(t0+Δt)，y(t0+Δt))，ω
x
、ω
y
、ω
z
分别为相机的三轴角速度，f为主距，则星点的质心运动模型可以近似表示为：
[0028][0029]根据上述公式，得到Δt时间范围内，星点在图像上的位移为：
[0030][0031]步骤4.2，在步骤4.1基础上，更进一步的，假定Δt时间范围内，ω
x
，ω
y
，ω
z
角速度一定，则星点在图像上的位移可以转换为常矩阵，即：
[0032][0033]根据上述公式可知，A和B共同组成了星点的运动方向，且与x方向角度
[0034]假设原始模糊星点分布为G
xy
，则标准化后的星点分布G
′
xy
为：
[0035][0036]在以上技术方案的基础上，优选的步骤5为根据步骤3获取的恒星物方坐标，以及步骤4获取的恒星像方坐标，结合步骤1中的线阵相机恒星几何成像模型，构建线阵相机几何定标模型：
[0037]步骤5，在获取相机第i对星点在像方(x
i
，y
i
)和物方(α
i
，δ
i
)坐标后，结合步骤1中的线阵相机恒星几何成像模型，构建TDI线阵相机的几何定标模型为：
[0038][0039]其中，m
i
为第i对星点的缩放因子，R
Aber
(t
i
)为第i对星点在t
i
时刻的光行差、自行、视差改正的旋转矩阵，为t
i
时刻相机坐标系在惯性坐标系下的姿态为，Ru为外方位元素补偿矩阵，f为相机主距，(x0，y0)为相机主点，(Δx，Δy)为内方位元素补偿参数。且Ru可以由如下三个欧拉角的组合来表示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种恒星观测模式下线阵相机星上几何定标方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据线阵相机恒星成像原理，顾及恒星在瞬时和平天球坐标系下的变换，以及相机在惯性空间运动下的光行差效应，构建线阵相机恒星几何成像模型；步骤2，利用星表数据，以及相机可识别星等、相机视场角大小，选择合适的恒星控制点观测天区；步骤3，结合卫星姿态参数，通过恒星几何成像模型，预测相机在天球坐标系中的成像范围，进而快速识别恒星的物方坐标；步骤4，结合星点质心运动模型，构建原始模糊星点到标准化后模糊星点的转换矩阵，实现线阵相机恒星像方坐标的精确提取；步骤5，根据步骤3获取的恒星物方坐标，以及步骤4获取的恒星像方坐标，结合步骤1中的线阵相机恒星几何成像模型，构建线阵相机几何定标模型；步骤6，通过畸变公式变换以及变量替换，将非线性的畸变模型参数求解问题转化为线性参数求解问题，增加内定标求解的稳定性；步骤7，多次平移重复观测步骤2的指定天区，以提高恒星控制点的像方覆盖率，并构建顾及像方覆盖率的改进定标模型；所述步骤4为结合星点质心运动模型，构建原始模糊星点到标准化后模糊星点的转换矩阵，实现线阵相机恒星像方坐标的精确提取，具体包括以下步骤：步骤4.1，假设在t0时刻，星点在图像上的质心坐标为(x(t0)，y(t0))，在t0+Δt时刻，Δt为线TDI曝光时间，星点的质心坐标为(x(t0+Δt)，y(t0+Δt))，ω
x
，ω
y
，ω
z
分别为相机的三轴角速度，f为主距，则星点的质心运动模型可以近似表示为：根据上述公式，得到Δt时间范围内，星点在图像上的位移为：步骤4.2，在步骤4.1基础上，更进一步的，假定Δt时间范围内，ω
x
，ω
y
，ω
z
角速度一定，则星点在图像上的位移可以转换为常矩阵，即：根据上述公式可知，A和B共同组成了星点的运动方向，且与x方向角度假设原始模糊星点分布为G
xy
，则标准化后的星点分布G
′
xy
为：所述步骤5为根据步骤3获取的恒星物方坐标，以及步骤4获取的恒星像方坐标，结合步骤1中的线阵相机恒星几何成像模型，构建线阵相机几何定标模型：步骤5，在获取相机第i对星点在像方(x
i
，y
i
)和物方(α
i
，δ
i
)坐标后，结合步骤1中的线阵相机恒星几何成像模型，构建TDI线阵相机的几何定标模型为：
其中，m
i
为第i对星点的缩放因子，R
Aber
(t
i
)为第i对星点在t
i
时刻的光行差、自行、视差改正的旋转矩阵，为t
i
时刻相机坐标系在惯性坐标系下的姿态为，Ru为外方位元素补偿矩阵，f为相机主距，(x0，y0)为相机主点，(Δx，Δy)为内方位元素补偿参数；且Ru可以由如下三个欧拉角的组合来表示：TDI线阵相机的几何定标模型中，(Δx，Δy)可以由主点误差(Δx0，Δy0)、主距误差Δf、径向畸变参数(k1，k2，
…
)、偏心畸变参数(p1，p2）表示，则内方位元素误差补偿模型：其中(x
′
，y
′
)＝(x
i
‑
x0，y
i
＝y0)，r2＝x
′2+y
′2，且(x
i
，y
i
)为第i对星点在像方的坐标，(x0，y0)为相机主点。2.根据权利要求1所述的恒星观测模式下线阵相机星上几何定标方法，其特征在于，所述步骤1的实现方式为：步骤1.1，根据线阵相机恒星成像原理，构建线阵相机恒星几何成像模型；假设恒星在瞬时惯性天球坐标系下的赤经赤纬为m为缩放系数，t
i
时刻相机坐标系在惯性坐标系下的姿态为星点在像平面坐标系中的坐标为(x，y)，f为相机主距，(x0，y0)为相机主点；则恒星几何成像模型为：步骤1.2，顾及恒星在瞬时和平天球坐标系下的变换，以及相机在惯性空间运动下的光行差效应，构建线阵相机恒星几何成像模型；星表中的恒星坐标通常定义在平天球坐标系下，实际拍摄的恒星需要修正自行变化，以精确定位恒星在瞬时天球坐标系的位置；同时为了避免地球周年和周日运动带来的视差，需要利用星表中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：管志超，李贞，蒋永华，张过，沈欣，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：