一种基于恒星拍摄的珞珈一号相机-星敏安装标定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于恒星拍摄的珞珈一号相机‑星敏安装标定方法，包括：步骤1，利用相机和星敏同时拍摄的星图提取恒星星点的坐标；步骤2，恒星在天球坐标系中的位置的提取；步骤3，星敏和相机在各自的惯性系下的姿态确定；步骤4，利用最小二乘法标定星敏‑相机之间的夹角。本发明专利技术顾及高精度地面控制点难以获取以及较难实现高频次相机‑星敏夹角的标定的发展现状，提出了无需地面控制点的相机‑星敏夹角标定方法，并以珞珈一号01星真实在轨数据为基础进行实验证明该方法的有效性，保证了珞珈一号01星无控地面定位精度。

A calibration method for star sensor installation of luojia-1 camera based on Star shooting

【技术实现步骤摘要】
一种基于恒星拍摄的珞珈一号相机-星敏安装标定方法
本专利技术涉及星载光学夜间灯光影像无控定位
，具体涉及一种基于恒星拍摄的珞珈一号相机-星敏安装标定方法。
技术介绍
卫星在发射过程中释放的应力，卫星在在轨后物理环境的改变，都会致使相机-星敏夹角会发生变化，影响卫星影像的定位精度。故在卫星影像投入实际应用前，需要对相机-星敏夹角进行标定，以提高卫星影像定位精度。目前，国内外已经开展了在轨几何定标研究，如在轨精确标定相机-星敏夹角的研究。此外，各国多采用利用地面高精度控制点的方式来进行相机-星敏夹角标定。但精度地面控制点的获取不仅耗费大量的人力物力，其质量也是影响卫星影像相机-星敏夹角标定的重要因素，因此克服对地面控制点的依赖，提出无需地面控制点的相机-星敏夹角标定方法具有重要的意义。本申请专利技术人在实施本专利技术的过程中，发现现有技术的方法，至少存在如下技术问题：相机-星敏夹角会随着季节光照变化等因素的影响而出现长周期的持续变化，致使单次定标无法真的保证卫星影像的无控定位精度。为保证卫星影像的无控定位精度，需要对在轨卫星开展长周期的高频次定标，但高精度控制点获取的频次、质量和数量等问题是影响该方法质量的关键因素。而对于像珞珈一号卫星等夜晚成像且敏捷机动性较差的卫星夜光影像，控制数据更为缺乏，难以通过传统方法实现高频次的定标，来提高卫星无控定位精度。综上可知，现有技术中需要获取高精度地面控制点导致标定较为复杂的技术问题。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于恒星拍摄的珞珈一号相机-星敏安装标定方法，用于解决或者至少部分解决现有技术中需要获取高精度地面控制点导致的标定较为复杂的技术问题。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于恒星拍摄的珞珈一号相机-星敏安装标定方法，包括：S1：从利用相机和星敏同时拍摄的星图中提取恒星星点的位置坐标；S2：根据提取出的位置坐标，通过星图识别和修正得到恒星在J2000坐标系下的位置；S3：根据恒星在J2000坐标系下的位置，求取星敏和相机分别在J2000坐标系下的姿态；S4：根据星敏和相机分别在J2000坐标系下的姿态，对星敏-相机之间的夹角进行标定。在一种实施方式中，S1包括：S1.1：采用对拍摄时段获取的多帧星图进行累加求平均值的方法提取背景噪声，并去除背景噪声，设包含星点的卫星图像亮度值表示为f(x,y)，则k景星图提取的背景噪声B(x,y)为：S1.2：对步骤S1.1获取的去除背景噪声的星点影像，利用图像阈值分割方法，进行图形背景分割：设t为背景阈值，按照下式原始图像进行阈值分割，得到阈值化处理后的图像F(x,y)，S1.3：根据步骤1.2中阈值化处理后的图像中属于同一颗星点的像素，通过连通域标记可获得亮度初始位置信息和结束位置信息：(m1,n1),(m2,n2)；S1.4：利用灰度平方加权质心法对阈值化处理后的F(x,y)求一阶矩，求得第i颗恒星星点质心亚像元坐标(xi,yi)：第i颗恒星星点质心亚像元坐标为星点在星图中的位置坐标。在一种实施方式中，S2包括：S2.1：利用栅格法对珞珈一号01星数据进行星图识别，在g×g大小的网格上进行二值化投影，并对网格元素赋值，网格中有星点的为1，没有星点的为0，生成的网格图像作为该星的模式向量；S2.2：将观测星生成的模式向量psi与导航星模式库中的模式向量pci进行逻辑与运算，对运算生成的每颗恒星向量求和，当psi与pci一致时，则运算结果为1，否则为0，将g×g范围内所有的运算结果进行统计，最大一致的图像模式所对应的恒星作为识别结果：S2.3：对因恒星自行产生的位移进行修正，得到修正后的恒星位置。在一种实施方式中，对因恒星自行产生的位移进行修正，得到修正后的恒星位置，包括：通过下述公式及计算修正后的恒星位置，其中和表示恒星在平历元时刻的位置，Δα和Δδ为恒星每年在赤经和赤纬的自行变化角度，t'表示年数，αi和δi表示第i颗恒星修正后的位置。在一种实施方式中，S3包括：S3.1：根据相机/星敏得到的观测星生成的模式向量psi与导航星模式库中的模式向量pci之间的对应关系，将第i颗恒星在瞬时J2000坐标系下的测量向量表示为：其中(αi,δi)为修正得到的第i颗恒星在瞬时J2000坐标系下的赤经赤纬；S3.2：通过坐标系间的转换，第i颗恒星在星图上的坐标为(xi,yi)，转换到相机/星敏坐标系下的测量向量为：f为相机/星敏光学镜头的主距，(x0,y0)为镜头主光轴与像面的交点；S3.3：在相机/星敏在J2000坐标系下处于某一姿态矩阵时，第i颗恒星在相机/星敏坐标系下的测量向量与在瞬时J2000坐标系下的测量向量之间的关系为：根据TRIAD算法，通过两颗恒星确定姿态矩阵为星敏和相机分别在J2000坐标系下的姿态。在一种实施方式中，在步骤S3.3之后，所述方法还包括：S3.4：通过最小二乘准则，寻找相机坐标系到J2000坐标系，或者星敏坐标系到J2000坐标系最优姿态矩阵：ai为加权因子；S3.5：根据S3.4中的最优姿态矩阵以及预设算法，得到姿态四元数为：其中q＝[q1q2q3q4]T为姿态四元数。在一种实施方式中，在步骤S3.5之后，所述方法还包括：采用光行差修正方法对姿态四元数进行修正，S3.6：获取光行差公式：其中，物体运动方向与光源的夹角为θ，α为光行差偏移角度，v为观测者运动速度，c为光速；S3.7：利用地心惯性坐标系J2000、太阳质心参考系三个坐标轴的方向一致进行相加，得到卫星在太阳质心参考系下的速度VH：VH＝Vsc+VE，Vsc表示卫星在J2000坐标系下的速度，VE表示地球在以太阳为质心，J2000坐标系下的速度；S3.8：根据光行差公式和卫星在太阳质心参考系下的速度，计算获得光行差造成的偏差角度：其中，ZBore为相机在J2000坐标系下光轴指向；S3.9：根据偏差角度和旋转轴，采用轴/角公式构建四元数形式的变换关系，即光行差修正四元数Δq为：其中norm表示叉乘后归一化，α为光行差偏移角度，v为观测者运动速度，c为光速，则修正后的相机四元数为在一种实施方式中，S4包括：S4.1：根据S3.3中获得的获取t1时刻星敏坐标系在J2000坐标系下的旋转矩阵相机坐标系在J2000坐标系下的旋转矩阵t1时刻相机到星敏的安装矩阵得到对应关系S4.2：当进行多次测量时，采用最小二乘的方法标定星敏和相机之间的安装，获得的最优解，对于t1到tn时刻的观测值，星敏和相机之间标定安装为：其中由获得，表示tn时刻星敏坐标系在J2000坐标系下的旋转矩阵，表示tn时刻相机坐标系在J2000坐标系下的旋转矩阵。本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：本专利技术公开的一种基于恒星拍摄的珞珈一号相机-星敏安装标定方法，首先从利用相机和星敏同时拍摄的星图中提取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于恒星拍摄的珞珈一号相机-星敏安装标定方法，其特征在于，包括：/nS1：从利用相机和星敏同时拍摄的星图中提取恒星星点的位置坐标；/nS2：根据提取出的位置坐标，通过星图识别和修正得到恒星在J2000坐标系下的位置；/nS3：根据恒星在J2000坐标系下的位置，求取星敏和相机分别在J2000坐标系下的姿态；/nS4：根据星敏和相机分别在J2000坐标系下的姿态，对星敏-相机之间的夹角进行标定。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于恒星拍摄的珞珈一号相机-星敏安装标定方法，其特征在于，包括：
S1：从利用相机和星敏同时拍摄的星图中提取恒星星点的位置坐标；
S2：根据提取出的位置坐标，通过星图识别和修正得到恒星在J2000坐标系下的位置；
S3：根据恒星在J2000坐标系下的位置，求取星敏和相机分别在J2000坐标系下的姿态；
S4：根据星敏和相机分别在J2000坐标系下的姿态，对星敏-相机之间的夹角进行标定。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S1包括：
S1.1：采用对拍摄时段获取的多帧星图进行累加求平均值的方法提取背景噪声，并去除背景噪声，设包含星点的卫星图像亮度值表示为f(x,y)，则k景星图提取的背景噪声B(x,y)为：
S1.2：对步骤S1.1获取的去除背景噪声的星点影像，利用图像阈值分割方法，进行图形背景分割：设t为背景阈值，按照下式原始图像进行阈值分割，得到阈值化处理后的图像F(x,y)，
S1.3：根据步骤1.2中阈值化处理后的图像中属于同一颗星点的像素，通过连通域标记可获得亮度初始位置信息和结束位置信息：(m1,n1),(m2,n2)；
S1.4：利用灰度平方加权质心法对阈值化处理后的F(x,y)求一阶矩，求得第i颗恒星星点质心亚像元坐标(xi,yi)：第i颗恒星星点质心亚像元坐标为星点在星图中的位置坐标。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S2包括：
S2.1：利用栅格法对珞珈一号01星数据进行星图识别，在g×g大小的网格上进行二值化投影，并对网格元素赋值，网格中有星点的为1，没有星点的为0，生成的网格图像作为该星的模式向量；
S2.2：将观测星生成的模式向量psi与导航星模式库中的模式向量pci进行逻辑与运算，对运算生成的每颗恒星向量求和，当psi与pci一致时，则运算结果为1，否则为0，将g×g范围内所有的运算结果进行统计，最大一致的图像模式所对应的恒星作为识别结果：
S2.3：对因恒星自行产生的位移进行修正，得到修正后的恒星位置。


4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，对因恒星自行产生的位移进行修正，得到修正后的恒星位置，包括：通过下述公式及计算修正后的恒星位置，其中和表示恒星在平历元时刻的位置，Δα和Δδ为恒星每年在赤经和赤纬的自行变化角度，t'表示年数，αi和δi表示第i颗恒星修正后的位置。


5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，S3包括：
S3.1：根据相机/星敏得到的观测星生成的模式向量psi与导航星模式库中的模式向量pci之间的对应关系，将第i颗恒星在...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋永华，张过，管志超，刘伟玲，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42