一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法技术

本发明专利技术涉及一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法。首先通过敏捷遥感卫星的快速姿态机动能力，实现星/地相机分别对预定天区恒星目标进行成像，然后对地相机推扫星图进行处理，得到恒星在地相机测量坐标系内的观测矢量，再基于恒星物方、像方信息，计算观测时刻星/地相机在惯性系下的姿态，通过计算地相机到星相机的安装矩阵来确定星/地相机夹角，使用多组同帧观测星图对相机间夹角进行标定，可以满足敏捷遥感测绘卫星全球高精度无控定位需求。位需求。位需求。

【技术实现步骤摘要】
一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法


[0001]本专利技术属于摄影测量与遥感
，特别是涉及一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法。

技术介绍

[0002]随着高分辨率光学遥感卫星的广泛应用，全球高精度测绘成为可能。遥感卫星相机在对地观测时的光轴指向信息，一般是将星敏感器或星相机测得的姿态信息通过星/地相机夹角转换得到。因此，实现星/地相机光轴夹角变化的在轨高精度快速标定，是提高光学遥感卫星影像定位精度至关重要的因素。
[0003]针对星/地相机光轴夹角的在轨确定，目前通常是采用基于地面几何定标场的方法。通过地面布设大量的控制点构成检校场，将卫星过顶时拍摄的影像与检校场控制数据匹配，利用摄影测量原理解算星/地相机光轴夹角变化量，对地相机光轴指向进行校准，从而提高遥感卫星定位精度。虽然基于地面定标场的标定方法经过多年发展已趋于成熟，但仍然存在以下不足：一是在轨飞行阶段星/地相机夹角会不断变化，不能通过地面标定完全消除星/地相机夹角变化对提高定位精度的影响；二是顾及太阳直射移动的现实，空间热环境对星/地相机夹角低频误差值的影响在不同纬度地区存在较大差异；三是地面定标场的建设成本高，还需要持续消耗人力、物力进行定期维护，且无法实现全球均匀布设；四是受天气、卫星回归周期等客观条件的影响，定标周期较长，时效性差。因此，星/地相机光轴夹角变化实时高精度标定具有重要工程应用价值。
[0004]根据对现有专利成果的调研，已有基于面阵探测器观测恒星的星/地相机夹角在轨标定方法，但尚未有基于线阵探测器的星/地相机夹角在轨标定方法。本专利技术基于敏捷光学遥感卫星的快速姿态机动能力，提出一种基于线阵探测器载荷的敏捷光学遥感卫星的星/地相机夹角在轨快速标定方法，主要针对现有星/地相机夹角定标周期长、精度低的实际问题，旨在提高光学遥感测绘卫星的无控定位精度。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术的不足，提供一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法。在卫星对地观测作业前，通过姿态快速机动使星相机和地相机分别对预定天区恒星进行成像，对两个相机拍摄所得的星图进行处理，由星相机和地相机的姿态确定结果实现星/地相机夹角变化的在轨标定，星/地相机夹角对天标定后，卫星通过姿态快速机动指向地球后进行对地成像。由于对天标定和对地成像的时间间隔非常小，该段时间内星/地相机夹角变化非常小，因此对天标定的方式能够极大消除由于星/地相机夹角不确定性对定位精度的影响、大幅提高卫星无控制点的定位精度。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术提供的技术方案是一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法，包括以下步骤：步骤1，卫星对地观测作业前，通过姿态机动，使星相机和地相机分别对准预定天
区，同时进行恒星成像；步骤1.1，确定对天标定时星相机和地相机预定指向天区；步骤1.2，卫星姿态机动，由对日定向模式调整为对天模式，使星相机和地相机均对准步骤1.1中确定的预定指向天区；步骤1.3，星相机和地相机获取预定天区星图数据；步骤2，对地相机推扫星图进行处理，计算恒星在地相机测量坐标系中的方向矢量；步骤2.1，建立星相机成像时刻的地相机测量坐标系；步骤2.2，计算地相机推扫星图中恒星在成像时刻瞬时相机坐标系内单位方向矢量；步骤2.3，计算地相机成像时刻时刻瞬时相机坐标系到星相机成像时刻 时刻地相机测量坐标系的转换矩阵 ；步骤2.4，计算步骤2.2得到的单位方向矢量在地相机测量坐标系内单位方向矢量；步骤3，求取观测时刻星相机和地相机在J2000坐标系下的姿态矩阵；步骤3.1，计算星相机成像时刻时刻地相机推扫星图星像点对应恒星在天球坐标系中方向矢量；步骤3.2，计算星相机成像时刻时刻J2000坐标系到地相机坐标系的转换矩阵；步骤3.3，计算星相机星图中恒星在星相机测量坐标系内的单位方向矢量；步骤3.4，计算星相机成像时刻时刻星相机星图星像点对应恒星在天球坐标系中方向矢量；步骤3.5，计算星相机成像时刻时刻J2000坐标系到星相机测量坐标系的转换矩阵；步骤4，计算地相机到星相机的安装矩阵，使用多组同帧观测星图对星相机和地相机夹角进行标定；步骤4.1，求解星相机成像时刻时刻地相机到星相机的安装矩阵；步骤4.2，星相机和地夹角标定。
[0007]而且，所述步骤1.1中敏捷遥感卫星的星/地相机夹角对天标定时，要求星相机与地相机均能对足够数量恒星进行成像。首先根据对地观测作业范围信息、卫星姿态机动能力以及对天成像时长，推算星/地相机对天成像的起止时刻，然后基于星/地相机相对安装地面标定值、对天成像时卫星姿态机动速度，结合相机参数，对星表进行筛选，通过以下3个条件确保标定观测时星相机和地相机的预定指向天区：1）星/地相机规避太阳、地球、月球以能够对恒星成像；2）星相机和地相机视场内包含分布合理、三颗及以上较亮恒星；
3）卫星姿态机动角度较小。
[0008]而且，所述步骤1.3中卫星绕俯仰轴起旋，在达到满足恒星推扫成像所需的角速度后，星相机和地相机同时对天区内恒星进行成像，获取预定天区星图数据。
[0009]而且，所述步骤步骤2.1中线阵相机在推扫方向为平行投影，在线阵方向为中心投影，定义影像坐标系o
‑
xy，原点o位于影像左上角像元中心，x轴沿推扫方向，y轴沿线阵排列方向，由像点行列号可得该像点坐标：
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（1）
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（2）式中，为地相机探测器像元尺寸。
[0010]定义为星相机成像时刻的地相机测量坐标系，原点位于时刻地相机摄影中心，轴指向时刻推扫方向，轴指向线阵排列方向，轴与地相机光轴重合，与轴和轴组成右手坐标系，各坐标轴指向在惯性空间保持不变。
[0011]坐标系原点在影像坐标系内的坐标为：
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（3）
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（4）式中，为线阵影像行积分周期，为推扫星图成像起始时刻，N为地相机线阵像元数，为地相机探测器像元尺寸，为地相机焦距，分别为线阵中心点沿轴和轴方向的侧视角。
[0012]而且，所述步骤步骤2.2中假设地相机推扫星图上某星像点j在影像坐标系内的坐标为 ，其成像时刻为，则：
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（5）式中，为线阵影像行积分周期，为地相机探测器像元尺寸，为推扫星图成像起始时刻。
[0013]定义为时刻地相机瞬时相机坐标系，原点位于时刻地相机摄影中心，轴指向时刻推扫方向，轴指向线阵排列方向，轴与地相机光轴重合，与轴和轴组成右手坐标系，各坐标轴指向在惯性空间保持不变。
[0014]该星像点在成像时刻瞬时相机坐标系中的坐标为：
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（6）式中，为星像点在成像时刻瞬时相机坐标系中的坐标，为星像点在影
像坐标系内的纵坐标，N为地相机线阵像元数，为地相机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，卫星对地观测作业前，通过姿态机动，使星相机和地相机分别对准预定天区，同时进行恒星成像；步骤1.1，确定对天标定时星相机和地相机预定指向天区；步骤1.2，卫星姿态机动，由对日定向模式调整为对天模式，使星相机和地相机均对准步骤1.1中确定的预定指向天区；步骤1.3，星相机和地相机获取预定天区星图数据；步骤2，对地相机推扫星图进行处理，计算恒星在地相机测量坐标系中的方向矢量；步骤3，求取观测时刻星相机和地相机在J2000坐标系下的姿态矩阵；步骤4，计算地相机到星相机的安装矩阵，使用多组同帧观测星图对星相机和地相机夹角进行标定；步骤4.1，求解星相机成像时刻时刻地相机到星相机的安装矩阵；步骤4.2，星相机和地相机夹角标定。2.如权利要求1所述的一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法，其特征在于：步骤1.1中敏捷遥感卫星的星相机和地相机夹角对天标定时，要求星相机与地相机均能对足够数量恒星进行成像，首先根据对地观测作业范围信息、卫星姿态机动能力以及对天成像时长，推算星相机和地相机对天成像的起止时刻，然后基于星相机和地相机相对安装地面标定值、对天成像时卫星姿态机动速度，结合相机参数，对星表进行筛选，通过以下3个条件确保标定观测时星相机和地相机的预定指向天区：1）星相机和地相机规避太阳、地球、月球以能够对恒星成像；2）星相机和地相机视场内包含分布合理、三颗及以上较亮恒星；3）卫星姿态机动角度较小。3.如权利要求1所述的一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法，其特征在于：步骤2中包括以下几个子步骤：步骤2.1，建立星相机成像时刻的地相机测量坐标系；步骤2.2，计算地相机推扫星图中恒星在成像时刻瞬时相机坐标系内单位方向矢量；步骤2.3，计算地相机成像时刻时刻瞬时相机坐标系到星相机成像时刻 时刻地相机测量坐标系的转换矩阵；步骤2.4，计算步骤2.2得到的单位方向矢量在地相机测量坐标系内单位方向矢量；由步骤2.3计算得到的转换矩阵，可得步骤2.2所得单位方向矢量在地相机测量坐标系内的单位方向矢量。4.如权利要求3所述的一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法，其特征在于：步骤2.1中线阵相机在推扫方向为平行投影，在线阵方向为中心投影，定义影像坐标系o
‑
xy，原点o位于影像左上角像元中心，x轴沿推扫方向，y轴沿线阵排列方向，由像点行列号
可得该像点坐标：
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（1）
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（2）式中，为地相机探测器像元尺寸；定义为星相机成像时刻的地相机测量坐标系，原点位于时刻地相机摄影中心，轴指向时刻推扫方向，轴指向线阵排列方向，轴与地相机光轴重合，与轴和轴组成右手坐标系，各坐标轴指向在惯性空间保持不变；坐标系原点在影像坐标系内的坐标为：
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（3）
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（4）式中，为线阵影像行积分周期，为推扫星图成像起始时刻，N为地相机线阵像元数，为地相机探测器像元尺寸，为地相机焦距，分别为线阵中心点沿轴和轴方向的侧视角。5.如权利要求4所述的一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法，其特征在于：步骤2.2中假设地相机推扫星图上某星像点j在影像坐标系内的坐标为 ，其成像时刻为，则：
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（5）式中，为线阵影像行积分周期，为地相机探测器像元尺寸，为推扫星图成像起始时刻；定义为时刻地相机瞬时相机坐标系，原点位于时刻地相机摄影中心，轴指向时刻推扫方向，轴指向线阵排列方向，轴与地相机光轴重合，与轴和轴组成右手坐标系，各坐标轴指向在惯性空间保持不变；该星像点在成像时刻瞬时相机坐标系中的坐标为：
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（6）式中，为星像点在成像时刻瞬时相机坐标系中的坐标，为星像点在影像坐标系内的纵坐标，N为地相机线阵像元数，为地相机探测器像元尺寸，为地相机焦距，分别为线阵中心点沿轴和轴方向的侧视角；该恒星在坐标系下单位方向矢量为：
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（7）式中，为星像点在成像时刻瞬时相机坐标系中的坐标。6.如权利要求3所述的一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法，其特征在于：步骤2.3中沿卫星星体三轴分别安装有三台星载陀螺，采样周期内可获得卫星相对于惯性空间...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾国强，黄頔，张治兴，左玉弟，高玉东，李志军，孙恒青，夏先齐，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：