一种星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法技术

一种星载ＴＤＩＣＣＤ相机积分时间计算及调整方法，步骤为：（１）对轨道进行高精度仿真，对卫星在偏流角控制及不同侧摆角下的摄影点位置输出摄影点位置矢量坐标、摄影点斜距、卫星位置矢量仿真数据；（２）对摄影点位置矢量数据进行分析，得到摄影点移动速度；（３）消除摄影点移动速度中的径向速度，得到像移速度；（４）利用像移速度和摄影点斜距，求解积分时间。本发明专利技术还给出了ＴＤＩＣＣＤ相关参数设计方法，并且提出了地面指令控制的星上积分时间实时调整方法。本发明专利技术将高精度仿真模型和位置矢量微分方法有机结合，消除了传统几何分析计算推导过程中引入的误差，控制了误差传递，提高了计算精度；提出的星上积分时间实时调整方法保证了可靠的积分同步控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种星载TDICCD相机积分时间计算及调整方法，特别是一种 基于摄影点位置矢量^f鼓分算法的积分时间计算方法和地面指令控制辅助系统自 动控制的星上积分时间调整方法。技术背景随着成像技术的发展，TDICCD器件开始在航天遥感器中广泛使用。 TDI(Time Delay and lntegration)-CCD的中文意思是时间延迟积分电荷藕合器 件，是近几年发展起来的一种新型光电传感器，与一般线阵CCD相比具有响 应度高、信噪比高等特点，采用TDICCD器件作为遥感器焦平面探测器，可以 减小光学系统相对孔径，从而减小遥感器的重量和体积。对于使用TDICCD器件的星载光学遥感器，其成像原理相当于对同一目标 多次曝光。TDICCD的工作原理如图1所示，图中以4096像元，48级积分级 数的器件为例给出了器件的工作原理图。在图中介表示目标图像向上移动，li表 示时间延迟积分方向，丄表示器件寄存器积分方向，进行积分电荷累积填充， 在进行48级累加后，最终的成像数据被读出图像寄存器，^表示图像寄存器 读出方向。图2对TDICCD的成像原理进行了说明，图中的圆形为目标景物， 在第一个曝光积分周期内收集到目标景物后，信号电荷并不直接输出，而是与 同列在第二个积分周期内收集到的电荷相加，相加后的电荷移向第三行，依次类推，CCD最后一行(第48行)的像元收集到的信号电荷与前面47次收集到的 信号电荷累加后移到输出寄存器中，按普通线阵CCD器件的输出方式进行读 出。由于TDICCD的特殊工作方式，要求同一列上的每一个像元都对同一目标 曝光积分，才能保证成像质量。这就要求星载TDICCD相机的积分速率与摄影点像移动速率同步，即像元的积分时间要与像移速度匹配，称CCD的一个行 周期(曝光积分)时间为积分时间，用4表示。由于卫星在轨作圆周运动的同时，相机要拍摄的地面景物随地球自转而运 动，成像器件与地面景物之间存在相对运动。另外由于卫星的实际运行高度与 速度会不断变化，这些变化不仅带来图像比例尺的变化，而且会直接导致拍摄 物体在像面移动角速度的变化，进而造成相机的积分时间变化。因此根据实际运行轨道计算遥感器积分时间，并实时调整更新TDICCD的 积分时间，对保证相机的成像质量具有重要的意义。积分时间的物理解析意义如图3所示，图中的A为TDICCD器件的像元 尺寸，单位mm; f为星上相机的焦距，单位mm; H为摄影点至卫星的斜距， 单位m; c/7为地面像元分辨率，单位m，也即一个积分时间内的地面采样间距， 所以积分时间为《=7U ^ 《x/^t: — "oxh —《// 、X/=4)X//int — / int—W ，式中7^为积分时间，单位s; f为摄影目标相对于像面的移动速度，单位 m/s，筒称像移速度。从上面可以看出在TDICCD的物理特性4和/确定的情况下，只需要求得 摄影目标的移动速度f以及卫星与摄影目标的距离H即可求得对应的积分时 间。所以积分时间高精度求解就转化为如何高精度地求出f和H的问题。现有的方法使用卫星的速度、位置等数据经过几何变换推导目标景物的速 度，进而求得积分时间。由于方法中的推导过程没有考虑地球扁率，摄影距离 H —般选取定值，导致误差传递较大，实时性差，精度很难控制在5%。之内， 尤其对于机动性能较强或者具有偏流角控制功能的高分辨率卫星，算法的误差 会更大。对相关文献检索如下袁孝康，《星载TDICCD推扫相机的偏流角计算与 补偿》，上海航天，2006(06)， 10 13;翟林培等，《考虑飞机姿态角时倾斜航空相机像移速度计算》，光学精密工程，2006(06),490 494;王家骐等，《航天 光学遥感器像移速度矢计算数学模型》，光学学报，2004(12)，1585 1589。在这些文章中均利用几何推导的方式进行积分时间的计算并基于几何计算过程进 行误差分配，对不同姿态下的成像使用转移矩阵进行分析。缺点是这些几何推 导本身在计算时没有考虑地球扁率，会引入误差，有的在推导时使用了地面像 元分辨率与像移速度的比值来计算积分时间，没有考虑在侧摆时地面像元采样间距的变化，所以尤其在进行侧摆状态的摄影计算时会给整个系统带来较大的 误差，导致积分时间计算的精度不高。另外，目前卫星的星上积分时间的调整方法为星上GPS (全球导航定位系 统)接收机实时计算积分时间，自动引入积分时间代码进行积分时间调整。此 调整方法在功能失效或数据异常时，会造成TDICCD相机无法获得实时积分时 间，带来图像模糊及成像质量下降。因此考虑整星的可靠性及保证成像质量， 需要有地面备份的积分时间调整方法，以保证可靠的积分时间同步控制。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是首先本专利技术克服现有积分时间计算精度方面的 不足，提供一种基于星下点及侧摆后摄影点位置矢量微分算法的积分时间计算 方法，该方法考虑了卫星侧摆和轨道高度变化及地球扁率的影响，避免了积分 时间计算过程中的误差传递，提高了计算精度。其次本专利技术基于积分时间计算结果给出了积分时间分层值、积分时间刷新 频率、积分时间量化等级的选取方法，用于进行与积分时间有关的指标论证。最后，基于积分时间的计算方法提出了地面指令控制的星上积分时间实时 调整方法，形成地面积分时间备份控制方案，能够保证可靠的星上积分时间同 步控制。本专利技术的技术解决方案是 一种星载TDICCD相机积分时间计算及调整方 法，其特征在于积分时间计算步骤如下(1 )对轨道进行高精度仿真，对卫星在偏流角控制及不同侧摆角下的摄影点位置输出仿真数据，仿真数据包括摄影点位置矢量坐标、摄影点至卫星的斜距H、卫星的位置矢量l史据；(2) 对步骤(1)的摄影点位置矢量数据进行分析，得到摄影点移动速度 F的解析表达式为<formula>formula see original document page 9</formula>其中x -y -/， z-z'为两相邻摄影点坐标之差值，Af为时间步长，'表 示矩阵转置；(4)利用步骤(3)得到的像移速度巧和步骤(1 )得到的摄影点斜距H， 求解积分时间<formula>formula see original document page 9</formula>式中c(o为TDICCD相机的像元尺寸，f为星上相机的焦距，Kl为像移速度丐的模，H为摄影点至卫星的斜距；其中c/o和f为TDICCD相机光学系统的已知参数。得到积分时间后，还可对星上积分时间进行实时调整，调整方法为得到 的积分时间按照如下^^式生成积分时间代码DM:式中，DM为十六进制的积分时间代码，Z)五C2/ffiX为十进制转变为十六进制 的转换函数，K为不同仪器的代码转换系数；然后结合摄影时刻和得到的积分时间，形成积分时间调整的程控指令，把 最终指令代码送往卫星执行。根据步骤(4)可以得到卫星设计轨道下不同摄影高度、不同侧摆角情况下的最大积分时间)、最小积分时间4(一及1秒内最大积分时间变化值A^ , 进一步可对与积分时间有关的参数指标进行设计，所述的参数设计包括积分时 间量化分层值选择、积分时间刷新频率选择、积分时间量化等级选择。 本专利技术与现有技本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种星载ＴＤＩＣＣＤ相机积分时间计算及调整方法，其特征在于积分时间计算步骤如下：（１）对轨道进行高精度仿真，对卫星在偏流角控制及不同侧摆角下的摄影点位置输出仿真数据，仿真数据包括摄影点位置矢量坐标、摄影点至卫星的斜距Ｈ、卫星的位置矢 量数据；（２）对步骤（１）的摄影点位置矢量数据进行分析，得到摄影点移动速度＊的解析表达式为＊＊＊其中ｘ－ｘ′，ｙ－ｙ′，ｚ－ｚ′为两相邻摄影点坐标之差值，Δｔ为时间步长，［］↑［Ｔ］表示矩阵转置；（３）步骤（ ２）得到的摄影点移动速度＊消除径向速度＊后得到的像移速度＊为＊＊＊其中径向速度＊为摄影点速度＊在摄影方向上的投影：＊＊＊式中＊为步骤（１）仿真得到的卫星位置矢量数据，即［Ｘ，Ｙ，Ｚ］↑［Ｔ］，［］↑［Ｔ］表示 矩阵转置；（４）利用步骤（３）得到的像移速度＊和步骤（１）得到的摄影点斜距Ｈ，求解积分时间：Ｔ↓［ｉｎｔ］＝ｄ↓［０］／ｆ／｜＊↓［ｔ］｜／Ｈ式中ｄ↓［０］为ＴＤＩＣＣＤ相机的像元尺寸，ｆ为星上相机的焦距，｜＊｜为像 移速度＊的模，Ｈ为摄影点至卫星的斜距；其中ｄ↓［０］和ｆ为ＴＤＩＣＣＤ相机光学系统的已知参数。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆春玲，朱兴鸿，赵志明，李琳琳，崔玉福，
申请(专利权)人：航天东方红卫星有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]