基于恒星匹配的光電經(jīng)緯儀參量優(yōu)化方法
【專利摘要】基于恒星匹配的光電經(jīng)緯儀參量優(yōu)化方法，該方法針對光電經(jīng)緯儀的編碼器、當(dāng)量、靶心等系統(tǒng)參量精度不高，人工測量誤差較大，傳感器檢測又存在時間上難以配準(zhǔn)的問題，利用恒星之間相對觀測位置與理論位置的精確匹配，來反向求解系統(tǒng)的參量，從而實現(xiàn)參量在恒星匹配意義下的高精度優(yōu)化。其有益效果在于：不僅可以對系統(tǒng)的參量進行全自動定量的標(biāo)校，而且可以避開時間配準(zhǔn)等難題，大幅度提高經(jīng)緯儀的測量精度。
【專利說明】基于恒星匹配的光電經(jīng)緯儀參量優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電測量領(lǐng)域，具體涉及光電經(jīng)緯儀系統(tǒng)參量的求解和優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于環(huán)境參數(shù)和設(shè)備本身的原因，光電經(jīng)緯儀的指向精度中往往包含有較大的誤差。這種指向誤差由很多因素造成，例如:
[0003]?系統(tǒng)誤差:由環(huán)境和設(shè)備引起的測量值和理論值之間的誤差，包括大氣折射、望遠(yuǎn)鏡的制造和裝配誤差、望遠(yuǎn)鏡的重力變形以及因為溫度變化引起的變形誤差，望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)因素包括軸系的誤差、鏡筒的彎沉、叉臂或軛架的變形等等，同一視場短時間內(nèi)可認(rèn)為該誤差不變；
[0004]?配準(zhǔn)誤差:編碼器與圖像的時間不同步而產(chǎn)生；
[0005]籲靶心誤差:祀心(即編碼器在圖像中的對應(yīng)位置)不在圖像中心；
[0006]?當(dāng)量誤差:圖像中的位置轉(zhuǎn)換到方位俯仰的系數(shù)存在誤差；
[0007]?質(zhì)心誤差:由于曝光、幀累加、圖像畸變、時間配準(zhǔn)等因素而導(dǎo)致圖像中目標(biāo)的質(zhì)心存在偏差；
[0008]?其它誤差:如設(shè)備站址誤差、時間誤差、目標(biāo)光行誤差，等等。
[0009]其中，有些誤差是光電經(jīng)緯儀的參量所固有的，所以在進行任務(wù)的時候，往往需要將這些參量進行標(biāo)校，以便進行測量和計算。比如，將目標(biāo)在圖像中的位置解算到方位角(A)和俯仰角(E)坐標(biāo)系中時，需要用到編碼器、靶心、當(dāng)量、質(zhì)心等信息。目前是采用傳感器檢測或人工測量的方法來取值。但在高精度應(yīng)用中，這些參量的誤差仍然偏大，精度仍不能滿足要求。一個典型的例子就是，由于編碼器與圖像存在時間配準(zhǔn)誤差，目標(biāo)測量位置會受到非線性的影響。當(dāng)視場中有多顆恒星時，理論上各恒星之間的相對觀測位置應(yīng)該與星庫中的理論位置相匹配，即星與星之間的相對距離應(yīng)該一致，但事實卻并非如此。如圖1所示，無論怎樣修正系統(tǒng)誤差，用當(dāng)前系統(tǒng)參量測量出的恒星觀測值(用四角星表示)與理論值(用五角星表示)之間，總不能完全吻合，有時其相對誤差可達(dá)數(shù)角秒之多，以致目標(biāo)的測量精度難以評判。然而，目前尚無能夠完全克服這些誤差的方法，大多只是從定性的角度來減小誤差(比如用曝光時間的中間值來作為編碼器的時間)。因此，亟需一種更加精確高效的方法，能夠?qū)ο到y(tǒng)的參量進行定量、自動的優(yōu)化，從而進一步提升光電經(jīng)緯儀的測量精度和效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明解決的技術(shù)問題:針對光電經(jīng)緯儀的編碼器、當(dāng)量、靶心等系統(tǒng)參量精度不高，人工測量誤差較大，傳感器檢測又存在時間上難以配準(zhǔn)的問題，利用恒星匹配來對系統(tǒng)參量進行直接求解和優(yōu)化。
[0011]本發(fā)明是利用恒星之間相對觀測位置與理論位置的精確匹配，來反向求解系統(tǒng)的參量，從而實現(xiàn)參量在恒星匹配意義下的高精度優(yōu)化。其基本原理如圖2所示，具體實現(xiàn)步驟如下:
[0012](I)建立恒星的測量方程并確定所需的系統(tǒng)參量；
[0013](2)建立恒星匹配度目標(biāo)函數(shù)和待優(yōu)化參量組；
[0014](3)根據(jù)恒星測量方程，推導(dǎo)優(yōu)化所需要的條件；
[0015](4)根據(jù)優(yōu)化所需要的條件采集恒星圖像，提取恒星質(zhì)心，計算恒星的測量值和理論值；
[0016](5)用優(yōu)化算法對恒星匹配度目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化，解出待優(yōu)化參量組；
[0017](6)利用優(yōu)化后的參量推算或修正其它參量，或者對其它目標(biāo)進行高精測量。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于:
[0019]利用該方法，不僅可以對系統(tǒng)的參量進行全自動定量的標(biāo)校，而且可以避開時間配準(zhǔn)等難題，大幅度提高經(jīng)緯儀的測量精度。這里以一個用6顆星來進行參量優(yōu)化的實例來說明。觀測圖像中的恒星和星庫中對應(yīng)恒星分布圖如圖3所示。表I中是用本發(fā)明方法進行優(yōu)化前后的誤差對比，其中相對誤差定義為:以指定恒星為目標(biāo)，用其它恒星的誤差均值來修正該恒星，修正后的測量值和理論值之間的殘差即為相對誤差?？梢?，優(yōu)化后比優(yōu)化前的相對誤差大大降低，比如恒星I的E相對誤差從-4.4938"減小到-0.3114"，恒星3的E相對誤差從2.9729"減小到0.6160"，恒星4的A相對誤差從2.0330"減小到-0.2276"，恒星5的E相對誤差從2.5276"減小到-0.8401"，等等。而且，在優(yōu)化過程中直接解出了當(dāng)量、編碼器以及系統(tǒng)誤差，從而避開了編碼器的同步問題，同時標(biāo)校了當(dāng)量和系統(tǒng)誤差，并使測量精度提高了數(shù)倍。
[0020]表I用圖3中6顆恒星優(yōu)化前后相對誤差的對比
[0021]
【權(quán)利要求】
1.基于恒星匹配的光電經(jīng)緯儀參量優(yōu)化方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下: (1)建立恒星的測量方程并確定所需的系統(tǒng)參量； (2)建立恒星匹配度目標(biāo)函數(shù)和待優(yōu)化參量組； (3)根據(jù)恒星測量方程，推導(dǎo)優(yōu)化所需要的條件； (4)根據(jù)優(yōu)化所需要的條件采集恒星圖像，提取恒星質(zhì)心，計算恒星的測量值和理論值； (5)用優(yōu)化算法對恒星匹配度目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化，解出待優(yōu)化參量組； (6)利用優(yōu)化后的參量推算或修正其它參量，或者對其它目標(biāo)進行高精測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于恒星匹配的光電經(jīng)緯儀參量優(yōu)化方法，其特征在于:所述第(2)步中，建立恒星匹配度目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)為以下公式:
/ (V) = E {(Am+ Δ A-At)2+ (Em+ Δ E-Et)2} 式中，JO是目標(biāo)函數(shù)，矢量V是待優(yōu)化的參量組，E{}表示求期望，An^P Em分別為恒星方位和俯仰的測量值，ΛΑ和ΛΕ分別為方位和俯仰的系統(tǒng)誤差，At和Et分別為恒星方位和俯仰的理論值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于恒星匹配的光電經(jīng)緯儀參量優(yōu)化方法，其特征在于:所述第(3)步中，根據(jù)恒星測量方程推導(dǎo)優(yōu)化所需要的條件，包括關(guān)于待優(yōu)化參量的方程的病態(tài)性、目標(biāo)函數(shù)的收斂性、恒星的的數(shù)量要求和時間要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于恒星匹配的光電經(jīng)緯儀參量優(yōu)化方法，其特征在于:所述第(4)步中，需同時提取圖像中多顆恒星，其實現(xiàn)過程包括圖像預(yù)處理、恒星增強、恒星提取、恒星識別、質(zhì)心計算和星庫尋星，詳細(xì)步驟為: 1)采集圖像并預(yù)處理:采集圖像后先進行中值濾波，消除毛刺噪聲，得到初濾圖像；再進行低通濾波，獲取初濾圖像的低頻成分；再進行形態(tài)學(xué)開運算，屏蔽掉恒星的幅度，獲取背景的低頻成分；再將初濾圖像減去背景的低頻成分，得到背景均衡化的預(yù)處理圖像； 2)恒星增強:先以當(dāng)前預(yù)處理圖像為基準(zhǔn)，將近期的歷史預(yù)處理圖像按恒星的運動軌跡與之進行定向平移配準(zhǔn)；再統(tǒng)計平移后的各像素(Χ，Υ)對應(yīng)有效預(yù)處理圖像的數(shù)量Ν(Χ，Y)，并取各像素灰度的均值，得到定向累加圖像；再次對定向累加圖像進行背景均衡化處理，并擴大
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于恒星匹配的光電經(jīng)緯儀參量優(yōu)化方法，其特征在于:所述第(5)步中，用優(yōu)化算法對恒星匹配度目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化，其中優(yōu)化算法使用BFGS更新的擬Newton法，公式為:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于恒星匹配的光電經(jīng)緯儀參量優(yōu)化方法，其特征在于:所述第(6)步中，利用在恒星匹配意義下優(yōu)化后的參量推算或修正其它參量，或者對其它目標(biāo)進行高精測量。
【文檔編號】G01C25/00GK103837160SQ201410076721
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】羅一涵, 張涯輝, 陳科 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所