面向连续监视任务的视频卫星摄像机最优指向角控制方法技术

本发明专利技术提供一种面向连续监视任务的视频卫星摄像机最优指向角控制方法，设摄像机指向角为定义为主光轴在UW平面内的投影与W轴的夹角，ω为主光轴在VW平面内的投影与W轴的夹角，κ为绕W轴的转动角；设连续拍摄任务起始时刻为t时刻，确定摄像机的指向角中ω和κ后，将摄像机的主光轴依次绕绕U轴旋转ω角，绕W轴旋转κ角，确定摄像机指向角中的后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转角；在后续拍摄任务过程中，保持ω和κ角不变，确定摄像机的指向角中后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转进行相应实时变化。本发明专利技术依据卫星遥感视频监控时的严格成像几何关系，分析了摄像机指向角与成像范围、成像分辨率的变化关系，设计了一种最优指向角的控制方法，可为摄像机姿态控制提供优化方案。

【技术实现步骤摘要】
面向连续监视任务的视频卫星摄像机最优指向角控制方法
本专利技术涉及卫星成像
，尤其是涉及卫星遥感视频跟踪监测过程中的摄像机最优指向角的控制方法。
技术介绍
卫星遥感是一种获取对地观测信息的重要技术手段，已在国土测绘、环境监测、灾害应急和军事行动发挥了重大作用。相对于传统的遥感卫星，视频卫星能够在一定的时间范围内，不断调整摄像机的指向角，对地表目标进行凝视，持续观测目标区域的动态变化，可大幅提高传统卫星对地观测的时效性，在灾害监控、应急响应、军事侦察以及国土安全等领域都具有重大的应用前景。美国军方从20世纪末开始一直积极研究卫星视频遥感技术，并已经发射了多颗视频卫星在轨运行，但其数据并没有对外公开。近年来，国际上的一些高科技企业也开始进入这一领域，如加拿大UrtheCast公司通过在国际空间站上安装2个摄像机来获取高清晰度的遥感视频，并在Web平台上向公众进行直播。国际空间站每天环绕地球飞行16次，UrtheCast的摄像机每天能生成大约150段时长90秒左右的视频。UrtheCast公司计划在不久的将来向公众用户提供数据定制服务，能够为重大的地球事件和重要地区提供实时的卫星视频。美国的Skybox公司计划发射24颗人造卫星，建立一个覆盖全球的视频对地观测网络，该公司已于2013年11月21日以及2014年7月8日成功发射了SkySat1和SkySat2两颗卫星，并成功获取了部分地区0.7米分辨率的高清视频数据向用户提供。近年来，我国视频卫星的发展进入快速发展阶段，并于2014年9月成功发射了一颗实验性质的视频卫星“天拓二号”，在不久的将来，将会有更多的视频卫星发射升空。随着视频卫星技术的不断成熟卫星视频数据将会和传统的卫星遥感数据一起，得到越来越广泛的应用。视频卫星数据的获取与传统的遥感影像获取方式上存在一定区别：传统遥感卫星获取影像过程中，相机的指向一般是不变的；而视频卫星为了对特定目标进行监测和跟踪，需要对目标进行“凝视”，即主光轴对准某个目标点连续成像。这就要求在卫星平台高速运动过程中，须对摄像机主光轴的指向进行持续调整和控制，保证对特定的目标区域进行连续摄像。由于在摄像机主光轴的转动，每帧视频的成像角度不同，会造成各帧图像的成像范围和比例尺的变化。如何确定成像过程中的摄像机的最优指向角，在最大程度保证成像范围的一致性的同时实现各帧间尺度变形近可能小，已成为一个亟需解决的瓶颈问题，但目前还未见这方面的公开讨论。
技术实现思路
针对卫星视频连续监视的应用需要和现有方法的不足，本专利技术设计了一种面向视频连续监视任务的摄像机最优指向角控制方法。本专利技术技术方案提供一种面向连续监视任务的视频卫星摄像机最优指向角控制方法，设O点位于地球质心，定义大地坐标系O-XYZ，Z轴由原点指向地球参考北极点，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系；在某时刻摄像机的摄影中心为Ot点，定义摄像机本体坐标系Ot-UVW，W轴指向地心，U轴在卫星轨道面内垂直于W轴指向卫星运动方向，V轴垂直于UW平面并与UW构成右手正交坐标系；P点为Ot点的星下投影点，过P点作椭球的切平面，记为平面Ω；定义切平面坐标系P-XTYTZT，其中XT轴和YT轴位于平面Ω内，XT轴平行于U轴，ZT轴垂直于Ω向上，YT轴与XT、ZT构成右手正交坐标系；地面监测的目标区域标记为Robj，中心为C点；设摄像机指向角为定义为主光轴在UW平面内的投影与W轴的夹角，ω为主光轴在VW平面内的投影与W轴的夹角，κ为绕W轴的转动角；设连续拍摄任务起始时刻为t时刻，提取t时刻摄像机的最优指向角，在确定摄像机的指向角中ω和κ后，将摄像机的主光轴依次绕绕U轴旋转ω角、绕W轴旋转κ角，在确定摄像机指向角中的后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转角；在后续拍摄任务过程中，保持ω和κ角不变，根据卫星与目标的位置关系实时变化，确定摄像机的指向角中后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转进行相应实时变化；所述提取t时刻摄像机的最优指向角包括以下步骤，步骤1，利用坐标转换，将Ot点、C点，以及目标区域Robj的顶点坐标和t时刻的摄像机瞬时方向向量，转到切平面坐标系P-XTYTZT下；步骤2，以Ot为中心，按中心投影方式，将C点投影到平面Ω上，投影点记为C'，将目标区域Robj投影到平面Ω上，并取最小包络矩形记为Rrect，在矩形中过中心点C'且平行于长边的线段记为la，平行于短边的线段记为lb；步骤3，过P点在平面Ω作直线l1平行于Ot点的飞行方向向量L，过C'点作平面Ω内的直线l2平行于l1；在平面Ω内，过C'点作直线l1的垂线，垂足记为A；过A点做直线l1的垂线与L交于Or点；步骤4，在切平面坐标系P-XTYTZT下，P点坐标为[0,0,0]T，Ot点在ZT轴上，设摄像机航高为h，Ot点的坐标为[0,0,h]T，C'点的坐标记为[XC,YC,0]T，t时刻摄像机的飞行方向向量记为[e1,e2,e3]T，矩形目标区域的长边长为a，短边长为b，线段la的方向向量为[n1,n2,0]T，摄像机的像平面ψ为矩形，长边长为wa，短边长为wb，摄像机主距为f，图像长边方向和短边方向的视场角分别为φa和φb，摄像机最优指向角中的夹角提取如下，考虑沿着XT轴方向的成像光束夹角当时，即当时，即摄像机最优指向角中的夹角ω提取如下，考虑沿着YT轴方向的成像光束夹角当时，即当时，即摄像机最优指向角中的转动角κ角为la与l2之间的夹角，其中，距离所述在后续拍摄任务过程中，确定摄像机的指向角中的方式为，根据当前的距离s1，进行夹角提取如下，考虑沿着XT轴方向的成像光束夹角当时，即当时，即本专利技术依据卫星遥感视频监控时的严格成像几何关系，分析了摄像机指向角与成像范围、成像分辨率的变化关系，设计了一种最优指向角的控制方法，可为摄像机姿态控制提供优化方案，精确有效，便于实施。附图说明图1为本专利技术实施例的摄像机目标跟踪工作原理图；图2为本专利技术实施例的目标区域大于成像区域时摄像机工作示意图；图3为本专利技术实施例的卫星运行轨道示意图；图4为本专利技术实施例的最优指向角的计算示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实现方案。为了更好的说明本专利技术的实现原理，首先分析了摄像机对目标成像时，指向角对成像范围以及地面分辨率的影响，并给出了最优指向角计算方法；然后利用推导得到的结论，给出了卫星轨道上的摄像机对目标成像时的指向角优化控制方法。一、摄像机最优指向角分析首先，对成像范围与成像分辨率的变化规律进行分析。假设摄像机沿直线飞行，飞行轨迹平行于地面且地面无起伏，监测目标位于摄像机轨迹在地面的投影线上。图1为摄像机进行目标跟踪时的工作原理图，设兴趣区域的中心点为M，位于摄像机飞行轨迹在地面的投影直线上，在t1时刻摄像机竖直向下对M点进行拍摄，选择该时刻拍摄的图像帧作为参考帧，摄影中心位于O1，A点和B点分别为图像边缘的两个端点，AB的长度由摄像机的幅面大小确定，设为w，摄像机主光轴O1M垂直于地面，A点和B点所对应的地面点分别为C和D，CD的连线表示t1时刻的最大成像范围，假设希望监测的目标区域在成像范围内，∠AO1B为图像的视场角，记做φ。t2时刻摄像机的摄影中心位置为O2，O1O2之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向连续监视任务的视频卫星摄像机最优指向角控制方法，其特征在于：设O点位于地球质心，定义大地坐标系O‑XYZ，Z轴由原点指向地球参考北极点，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系；在某时刻摄像机的摄影中心为Ot点，定义摄像机本体坐标系Ot‑UVW，W轴指向地心，U轴在卫星轨道面内垂直于W轴指向卫星运动方向，V轴垂直于UW平面并与UW构成右手正交坐标系；P点为Ot点的星下投影点，过P点作椭球的切平面，记为平面Ω；定义切平面坐标系P‑XTYTZT，其中XT轴和YT轴位于平面Ω内，XT轴平行于U轴，ZT轴垂直于Ω向上，YT轴与XT、ZT构成右手正交坐标系；地面监测的目标区域标记为Robj，中心为C点；设摄像机指向角为定义为主光轴在UW平面内的投影与W轴的夹角，ω为主光轴在VW平面内的投影与W轴的夹角，κ为绕W轴的转动角；设连续拍摄任务起始时刻为t时刻，提取t时刻摄像机的最优指向角，在确定摄像机的指向角中ω和κ后，将摄像机的主光轴依次绕绕U轴旋转ω角、绕W轴旋转κ角，在确定摄像机指向角中的后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转角；在后续拍摄任务过程中，保持ω和κ角不变，根据卫星与目标的位置关系实时变化，确定摄像机的指向角中后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转进行相应实时变化；所述提取t时刻摄像机的最优指向角包括以下步骤，步骤1，利用坐标转换，将Ot点、C点，以及目标区域Robj的顶点坐标和t时刻的摄像机瞬时方向向量，转到切平面坐标系P‑XTYTZT下；步骤2，以Ot为中心，按中心投影方式，将C点投影到平面Ω上，投影点记为C'，将目标区域Robj投影到平面Ω上，并取最小包络矩形记为Rrect，在矩形中过中心点C'且平行于长边的线段记为la，平行于短边的线段记为lb；步骤3，过P点在平面Ω作直线l1平行于Ot点的飞行方向向量L，过C'点作平面Ω内的直线l2平行于l1；在平面Ω内，过C'点作直线l1的垂线，垂足记为A；过A点做直线l1的垂线与L交于Or点；步骤4，在切平面坐标系P‑XTYTZT下，P点坐标为[0,0,0]T，Ot点在ZT轴上，设摄像机航高为h，Ot点的坐标为[0,0,h]T，C'点的坐标记为[XC,YC,0]T，t时刻摄像机的飞行方向向量记为[e1,e2,e3]T，矩形目标区域的长边长为a，短边长为b，线段la的方向向量为[n1,n2,0]T，摄像机的像平面ψ为矩形，长边长为wa，短边长为wb，摄像机主距为f，图像长边方向和短边方向的视场角分别为φa和φb，摄像机最优指向角中的夹角提取如下，考虑沿着XT轴方向的成像光束夹角当αXT≤φa]]>时，即h24s12f2+4f2h2-wa2h2≤14f2-wa2,]]>当αXT>φa]]>时，即h24s12f2+4f2h2-wa2h2>14f2-wa2,]]>摄像机最优指向角中的夹角ω提取如下，考虑沿着YT轴方向的成像光束夹角当αYT≤φb]]>时，即h24s22f2+4f2h2-wb2h2≤14f2-wb2,]]>ω=arctan(4s2f24hf2+2wbs2f+hwb2)]]>当αYT>φb]]>时，即h24s22f2+4f2h2-wb2h2>14f2-wb2,]]>ω=arctan(12s2wb2((wb2h+4f2h)2+16s22wb2f2-(wb2h+4f2h)))]]>摄像机最优指向角中的转动角κ角为la与l2之间的夹角，κ=arccos(e1n2+e2n1e12+e22·n12+n22)]]>其中，距离s1=(e1XCe1+e2)2+(e2YCe1-e2)2,s2=(XC-e1XCe1+e2)2+(YC-e2YCe1-e2)2;]]>所述在后续拍摄任务过程中，确定摄像机的指向角中的方式为，根据当前的距离s1，进行夹角提取如下，考虑沿着XT轴方向的成像光束夹角当αXT≤φa]]>时，即h24s12f2+4f2h2-wa2h2≤14f2-wa2,]]>当αXT>φa]]>时，即h24s12f2+4f2h2-wa2h2>14f2-wa2,]]>...

【技术特征摘要】
1.一种面向连续监视任务的视频卫星摄像机最优指向角控制方法，其特征在于：设O点位于地球质心，定义大地坐标系O-XYZ，Z轴由原点指向地球参考北极点，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系；在某时刻摄像机的摄影中心为Ot点，定义摄像机本体坐标系Ot-UVW，W轴指向地心，U轴在卫星轨道面内垂直于W轴指向卫星运动方向，V轴垂直于UW平面并与UW构成右手正交坐标系；P点为Ot点的星下投影点，过P点作椭球的切平面，记为平面Ω；定义切平面坐标系P-XTYTZT，其中XT轴和YT轴位于平面Ω内，XT轴平行于U轴，ZT轴垂直于Ω向上，YT轴与XT、ZT构成右手正交坐标系；地面监测的目标区域标记为Robj，中心为C点；设摄像机指向角为定义为主光轴在UW平面内的投影与W轴的夹角，ω为主光轴在VW平面内的投影与W轴的夹角，κ为绕W轴的转动角；设连续拍摄任务起始时刻为t时刻，提取t时刻摄像机的最优指向角，在确定摄像机的指向角中ω和κ后，将摄像机的主光轴依次绕U轴旋转ω角、绕W轴旋转κ角，在确定摄像机指向角中的后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转角；在后续拍摄任务过程中，保持ω和κ角不变，根据卫星与目标的位置关系实时变化，确定摄像机的指向角中后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转进行相应实时变化；所述提取t时刻摄像机的最优指向角包括以下步骤，步骤1，利用坐标转换，将Ot点、C点，以及目标区域Robj的顶点坐标和t时刻的摄像机瞬时方向向量，转到切平面坐标系...

【专利技术属性】
技术研发人员：张靖，沈欣，张正鹏，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42