本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星圖像定位方法，更具體的說(shuō)，涉及一種三軸穩(wěn)定星載擺掃式光學(xué)遙感衛(wèi)星圖像中可用的控制點(diǎn)稀少，根據(jù)在軌相機(jī)成像的幾何特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)稀少控制點(diǎn)條件下的全天時(shí)全天候大覆蓋面積的圖像定位需求。

背景技術(shù)：

隨著星載相機(jī)圖像空間分辨率和探測(cè)需求的不斷提高，圖像定位的指標(biāo)要求也越來(lái)越高，其性能將直接反映一個(gè)國(guó)家定量化遙感業(yè)務(wù)應(yīng)用的能力水平，這關(guān)系到比如氣象衛(wèi)星的天氣診斷、云圖分析等，以及目標(biāo)識(shí)別和軌跡跟蹤等。

衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)不可避免地受到外熱流變化產(chǎn)生熱變形，從而對(duì)圖像定位精度造成不良影響。傳統(tǒng)方式是基于圖像上足夠數(shù)量且分布均勻控制點(diǎn)進(jìn)行圖像修正，但對(duì)地遙感衛(wèi)星不同探測(cè)譜段在全天時(shí)全天候工作時(shí)，均會(huì)受到白天夜晚陽(yáng)光條件、氣候條件等影響，一般很難獲得足夠數(shù)量且分布均勻的控制點(diǎn)進(jìn)行全視場(chǎng)標(biāo)定；且對(duì)于擺掃式星載相機(jī)在軌熱變形對(duì)定向指向影響存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，對(duì)載荷視場(chǎng)內(nèi)指向影響的各向異性可超0.01°，需要開(kāi)展控制點(diǎn)稀疏下熱變形在軌標(biāo)校技術(shù)。

經(jīng)文獻(xiàn)檢索，中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利號(hào)201410138676.7，專(zhuān)利名稱(chēng)為“一種光學(xué)遙感衛(wèi)星圖像定位精度確定方法”，僅是理論上給出圖像定位精度指標(biāo)分解和定位精度預(yù)估方法，并不能解決衛(wèi)星在軌高精度圖像定位的實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)專(zhuān)利號(hào)US6023291,專(zhuān)利名稱(chēng)“Satellite camera attitude determination and image navigation by means of earth edge and landmark measurement”,采用點(diǎn)陣二維擺掃成像方式，建立了等效失配角定位模型，提出通過(guò)相機(jī)在軌觀測(cè)地標(biāo)解算等效失配角并進(jìn)行一天的擬合，但當(dāng)控制點(diǎn)數(shù)量少、分布集中時(shí)，多源異尺度熱變形成像模型辨識(shí)存在病態(tài)解，不能有效地實(shí)現(xiàn)高精度圖像定位任務(wù)實(shí)際需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明在充分吸收國(guó)內(nèi)外光學(xué)遙感衛(wèi)星圖像定位的基礎(chǔ)上，提出了一種提高星載相機(jī)圖像定位精度的等效失配模型多級(jí)標(biāo)校方法，解決三軸穩(wěn)定擺掃光學(xué)遙感衛(wèi)星在控制點(diǎn)稀少時(shí)也能實(shí)現(xiàn)高精度定位的技術(shù)難題。

為實(shí)現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種提高衛(wèi)星圖像定位精度的等效失配模型多級(jí)標(biāo)校方法，包括如下步驟：

步驟1：建立在軌星載擺掃相機(jī)視線相對(duì)高精度星敏感器姿態(tài)基準(zhǔn)的整星級(jí)成像模型(含等效失配角參數(shù))，將成像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間指向用矢量St表示。工程上通過(guò)數(shù)學(xué)合并減少模型中待標(biāo)定的等效失配角參數(shù)，降低衛(wèi)星在軌熱變形參數(shù)辨識(shí)時(shí)對(duì)稀疏控制點(diǎn)(可觀恒星或地標(biāo))的數(shù)量需求。

St＝R(α_n,β_n,Δζ₁,Δζ₂,Δζ₃,Δζ₄,Δζ₅,Δζ₆)·r_n(i_n,j_n)

其中：i_n、j_n：像點(diǎn)在相機(jī)探測(cè)器的像元行列數(shù)；

r_n(i_n,j_n)：相機(jī)后光路成像模型；

α_n、β_n：星載擺掃相機(jī)兩維指向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)量值；

Δζ₁,…,Δζ₆：整星級(jí)成像模型中等效失配角參數(shù)集。

步驟2：衛(wèi)星發(fā)射前實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定因光機(jī)結(jié)構(gòu)裝配偏差等引起的成像模型中等效失配角參數(shù)集，其光機(jī)結(jié)構(gòu)裝配偏差引起的失配影響與在軌熱變形引起的失配影響內(nèi)涵一致。

步驟3：衛(wèi)星入軌后控制相機(jī)對(duì)已知恒星天區(qū)進(jìn)行觀測(cè)成像，拍攝一幀圖像內(nèi)含3～4顆恒星，與編排的星歷恒星方位比對(duì)，檢驗(yàn)并修正因運(yùn)載火箭振動(dòng)等對(duì)等效失配角參數(shù)的變化影響。選擇此時(shí)等效失配角參數(shù)集構(gòu)建的成像定位模型或步驟2中實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的成像定位模型作為理想圖像定位模型。

St_ideal＝R(α_n,β_n,Δζ_i1,Δζ_i2,Δζ_i3,Δζ_i4,Δζ_i5,Δζ_i6)·r_n(i_n,j_n)

其中：Δζ_i1,…,Δζ_i6：整星級(jí)理想圖像定位模型中等效失配角參數(shù)集。

步驟4：地面編排相機(jī)恒星敏感星歷或觀地標(biāo)導(dǎo)航庫(kù)，依照在軌相機(jī)視軸熱變形變化率，設(shè)定時(shí)間間隔控制相機(jī)在短時(shí)間內(nèi)觀測(cè)3～4個(gè)已知方位恒星或地標(biāo)，結(jié)合下傳圖像定位輔助數(shù)據(jù)，迭代解算一軌不同采樣時(shí)刻星上熱變形引起的星載相機(jī)相對(duì)于星敏感器姿態(tài)基準(zhǔn)間的等效失配角參數(shù)變化量。

St_real＝R(α_n,β_n,Δζ_i1+δ₁,Δζ_i2+δ₂,Δζ_i3+δ₃,Δζ_i4+δ₄,Δζ_i5+δ₅,Δζ_i6+δ₆)·r_n(i_n,j_n)其中：δ₁,…,δ₆：星上熱變形引起的星載相機(jī)相對(duì)于星敏感器姿態(tài)基準(zhǔn)間的等效失配角參數(shù)變化量。

步驟5：對(duì)星載相機(jī)全視場(chǎng)按照二維擺掃轉(zhuǎn)角進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)一步采用圖像定位模型參數(shù)重構(gòu)和高精度指向誤差多級(jí)擬合處理方法，避免相機(jī)在軌所觀恒星或地標(biāo)控制點(diǎn)因稀疏、集中所帶來(lái)的等效失配角解算奇異，克服熱變形等效失配角解算值離散無(wú)法一軌高精度擬合獲得在軌熱變形變化規(guī)律的技術(shù)問(wèn)題。

步驟6：上一軌獲得熱變形變化規(guī)律參數(shù)集用于下一軌圖像定位使用。

步驟7：一旦獲得熱變形變化下的任意P點(diǎn)像元在不同轉(zhuǎn)角下相對(duì)于衛(wèi)星本體的矢量表示，結(jié)合衛(wèi)星在軌衛(wèi)星姿態(tài)、軌道、時(shí)間標(biāo)志、地球橢圓模型等即可建立衛(wèi)星上的相機(jī)視線與觀測(cè)對(duì)象之間準(zhǔn)確的星地幾何關(guān)系，實(shí)現(xiàn)高精度圖像定位。

所述步驟5包括如下步驟：

步驟5.1：星載擺掃相機(jī)全視場(chǎng)網(wǎng)格劃分基于水平、俯仰二維轉(zhuǎn)角(如均選擇間隔0.5度)，根據(jù)步驟4中一軌不同采樣時(shí)刻星上熱變形引起的星載相機(jī)相對(duì)于星敏感器姿態(tài)基準(zhǔn)間的等效失配角參數(shù)集，計(jì)算星載擺掃相機(jī)全視場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)處的任意探測(cè)器像元的實(shí)際空間指向St_real，并換算成在衛(wèi)星本體系下相機(jī)視線實(shí)際水平指向角θ_x、俯仰指向角θ_y，滿(mǎn)足以下關(guān)系：

步驟5.2：根據(jù)步驟3的整星級(jí)理想圖像定位模型等效失配角參數(shù)集，計(jì)算得到星載擺掃相機(jī)全視場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)處的對(duì)應(yīng)探測(cè)器像元的理想空間指向，換算成在衛(wèi)星本體系下相機(jī)視線理想水平指向角、俯仰指向角。

步驟5.3：星載擺掃相機(jī)全視場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)處的同一探測(cè)器像元不同二維轉(zhuǎn)角處，計(jì)算出在衛(wèi)星本體系下相機(jī)視線實(shí)際水平、俯仰指向角與理想水平、俯仰指向角誤差分布，可以表述為星載擺掃相機(jī)水平、俯仰二維轉(zhuǎn)角的Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)形式，一般保留至2階。

ΔE＝A₀+A₁α+A₂β+A₃αβ+A₄α²+A₅β²+…

ΔN＝B₀+B₁α+B₂β+B₃αβ+B₄α²+B₅β²+…

其中：A₀,…A₅,B₀,…B₅為擬合系數(shù)；α、β為星載擺掃相機(jī)水平、俯仰二維轉(zhuǎn)角，ΔE，ΔN為在衛(wèi)星本體系下相機(jī)視線實(shí)際水平、俯仰指向角與理想水平、俯仰指向角度差。

對(duì)于大面陣星載擺掃相機(jī)網(wǎng)格構(gòu)建時(shí)，選擇大面陣探測(cè)器角落的四個(gè)像元指向(P1、P2、P3、P4)分別作為探測(cè)器空間采樣點(diǎn)，均進(jìn)行隨轉(zhuǎn)角變化的上述指向角誤差擬合，然后可通過(guò)內(nèi)插獲得不同轉(zhuǎn)角下大面陣探測(cè)器面內(nèi)的指向角誤差分布，解決在軌熱變形對(duì)星載擺掃視場(chǎng)內(nèi)不同指向影響的各向異性。

步驟5.4：獲得衛(wèi)星在軌不同采樣時(shí)刻星上熱變形引起的上述指向角誤差分布多項(xiàng)式擬合系數(shù)集后，根據(jù)衛(wèi)星相對(duì)于地球、太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)周期，對(duì)指向角誤差分布多項(xiàng)式擬合系數(shù)集再進(jìn)行隨時(shí)間的一軌擬合，得到一軌熱變形變化規(guī)律量化表述的參數(shù)集，即完成了圖像定位模型參數(shù)重構(gòu)，建立了高精度指向誤差多級(jí)標(biāo)校的圖像定位模型。

所述步驟6包括如下步驟：

步驟6.1：根據(jù)步驟5.4獲得的熱變形變化規(guī)律參數(shù)集及擬合函數(shù)，計(jì)算任意所需時(shí)刻大面陣探測(cè)器內(nèi)4個(gè)空間采樣點(diǎn)(P1、P2、P3、P4)如步驟5.3描述的指向角誤差分布多項(xiàng)式擬合系數(shù)。

步驟6.2：根據(jù)步驟5.3指向角誤差分布多項(xiàng)式及擬合系數(shù)，計(jì)算任意所需二維轉(zhuǎn)角大面陣探測(cè)器內(nèi)4個(gè)空間采樣點(diǎn)(P1、P2、P3、P4)在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的水平和俯仰指向角誤差。

步驟6.3：根據(jù)大面陣探測(cè)器內(nèi)4個(gè)空間采樣點(diǎn)(P1、P2、P3、P4)在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的水平和俯仰指向角誤差分布，計(jì)算大面陣探測(cè)器內(nèi)像元P點(diǎn)即像元坐標(biāo)(P_x、P_y)處水平和俯仰指向角誤差。

ΔX＝a₀+a₁P_x+a₂P_y

ΔY＝b₀+b₁P_x+b₂P_y

其中：P_x、P_y為探測(cè)器內(nèi)P點(diǎn)像元坐標(biāo)；ΔX、ΔY為在探測(cè)器內(nèi)像元坐標(biāo)(P_x、P_y)處的水平和俯仰指向角誤差；a₀,…a₂,b₀,…b₂為擬合系數(shù)，由4個(gè)空間采樣點(diǎn)(P1、P2、P3、P4)的指向角誤差分布求解獲得。

步驟6.4：根據(jù)步驟(3)整星級(jí)理想圖像定位模型等效失配角參數(shù)集，計(jì)算出星載擺掃相機(jī)像元P點(diǎn)即像元坐標(biāo)(P_x、P_y)處在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的水平和俯仰指向理想角度。

步驟6.5：根據(jù)像元P點(diǎn)水平和俯仰指向理想角度，以及步驟6.3計(jì)算的大面陣探測(cè)器內(nèi)像元P點(diǎn)處的水平和俯仰指向角誤差，得到所需像元P點(diǎn)在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系實(shí)際的水平指向角θ_xr和俯仰指向角θ_yr，并轉(zhuǎn)換為矢量指向表示:

優(yōu)選地，所述的根據(jù)衛(wèi)星相對(duì)于地球、太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)周期，對(duì)指向角誤差分布多項(xiàng)式系數(shù)集再進(jìn)行一軌隨時(shí)間變化的擬合具體表達(dá)式：

其中：AB_i＝[A₀,…A₅,B₀,…B₅]；c_m，s_m為傅立葉擬合系數(shù)；d_k為多項(xiàng)式擬合系數(shù)；P_j為指數(shù)項(xiàng)擬合系數(shù)；ω為太陽(yáng)繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。

傅立葉擬合項(xiàng)用來(lái)逼近太陽(yáng)光照射衛(wèi)星一軌所引起的近似呈周期性熱變形參數(shù)變化規(guī)律；多項(xiàng)式擬合項(xiàng)用來(lái)對(duì)非周期變化部分進(jìn)行熱變形參數(shù)擬合；指數(shù)擬合項(xiàng)用來(lái)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)出陰影期的快速熱變形參數(shù)變化進(jìn)行擬合。

本發(fā)明提出的提高星載相機(jī)圖像定位精度的等效失配模型多級(jí)標(biāo)校方法，由傳統(tǒng)地面圖像處理向衛(wèi)星嚴(yán)密成像模型標(biāo)校轉(zhuǎn)變，采用圖像定位模型參數(shù)重構(gòu)和高精度指向誤差多級(jí)擬合處理方法，避免相機(jī)在軌所觀恒星或地標(biāo)控制點(diǎn)因稀疏、集中所帶來(lái)的等效失配角解算奇異即熱變形等效失配角解算值離散問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)高精度圖像定位。目前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)同本發(fā)明類(lèi)似技術(shù)說(shuō)明。

利用本發(fā)明，大大降低了傳統(tǒng)圖像定位方法對(duì)足夠數(shù)量且分布均勻控制點(diǎn)的需求，可以推廣應(yīng)用到大氣透過(guò)譜段、大氣吸收譜段等光學(xué)遙感衛(wèi)星的圖像定位。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明所提供的星載相機(jī)圖像定位精度等效失配模型多級(jí)標(biāo)校方法流程圖；

圖2為光學(xué)遙感衛(wèi)星圖像定位精度等效失配模型多級(jí)標(biāo)校性能測(cè)試比較圖。

具體實(shí)施方式：

圖1所示，以靜止軌道遙感衛(wèi)星為例對(duì)本發(fā)明的圖像定位方法進(jìn)行說(shuō)明，由寬視場(chǎng)大面陣500×500像元探測(cè)器和二維指向機(jī)構(gòu)組成，其圖像定位流程如下：

首先地面先精確標(biāo)定相機(jī)光學(xué)畸變模型，精度優(yōu)于1個(gè)像元，再標(biāo)定因光機(jī)結(jié)構(gòu)裝配偏差等引起的成像模型中等效失配角參數(shù)集，計(jì)算出星載相機(jī)全視場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)處的對(duì)應(yīng)探測(cè)器像元的理想空間指向，并換算成在衛(wèi)星本體系下相機(jī)視線理想水平指向角、俯仰指向角。

地面編排相機(jī)恒星敏感星歷或地標(biāo)觀測(cè)計(jì)劃，間隔30min就控制相機(jī)短時(shí)間內(nèi)觀測(cè)3～4個(gè)已知方位恒星或地標(biāo)，結(jié)合下傳圖像定位輔助數(shù)據(jù)，迭代解算一軌不同采樣時(shí)刻星上熱變形引起的星載相機(jī)相對(duì)于星敏感器姿態(tài)基準(zhǔn)間的等效失配角參數(shù)；

星載相機(jī)全視場(chǎng)網(wǎng)格劃分基于水平、俯仰二維轉(zhuǎn)角，均選擇間隔0.5度，根據(jù)不同采樣時(shí)刻星上熱變形引起的星載相機(jī)相對(duì)于星敏感器姿態(tài)基準(zhǔn)間的等效失配角參數(shù)集，計(jì)算星載相機(jī)全視場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)處的任意探測(cè)器像元的實(shí)際空間指向St_real，并換算成在衛(wèi)星本體系下相機(jī)視線實(shí)際水平指向角θ_x、俯仰指向角θ_y：

星載相機(jī)全視場(chǎng)網(wǎng)格點(diǎn)處的同一探測(cè)器像元不同二維轉(zhuǎn)角處，計(jì)算出在衛(wèi)星本體系下相機(jī)視線實(shí)際水平、俯仰指向角與理想水平、俯仰指向角誤差分布，表述為水平、俯仰二維轉(zhuǎn)角的Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)形式，保留至2階。

ΔE＝A₀+A₁α+A₂β+A₃αβ+A₄α²+A₅β²

ΔN＝B₀+B₁α+B₂β+B₃αβ+B₄α²+B₅β²

其中：A₀,…A₅,B₀,…B₅為擬合系數(shù)；α、β為星載擺掃相機(jī)水平、俯仰二維轉(zhuǎn)角，ΔE，ΔN為在衛(wèi)星本體系下相機(jī)視線實(shí)際水平、俯仰指向角與理想水平、俯仰指向角度差。

選擇大面陣探測(cè)器角落的四個(gè)像元指向P1(10，10)、P2(10，490)、P3(490，10)、P4(490，490)分別作為探測(cè)器空間采樣點(diǎn)，均進(jìn)行隨轉(zhuǎn)角變化的上述指向角誤差擬合。

獲得衛(wèi)星在軌不同采樣時(shí)刻星上熱變形引起的上述指向角誤差分布多項(xiàng)式擬合系數(shù)集后，根據(jù)衛(wèi)星相對(duì)于地球、太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)周期，對(duì)指向角誤差分布多項(xiàng)式擬合系數(shù)集再進(jìn)行隨時(shí)間的一軌擬合，完全得到一軌熱變形變化規(guī)律參數(shù)集的量化表述，即建立了多級(jí)標(biāo)校的穩(wěn)定圖像定位模型。上一軌獲得熱變形變化規(guī)律參數(shù)集用于下一軌熱變形標(biāo)校定位使用。

圖2顯示了光學(xué)遙感衛(wèi)星圖像定位精度等效失配模型多級(jí)標(biāo)校性能測(cè)試比較。圖中視線計(jì)算誤差為根據(jù)稀疏控制點(diǎn)解算出定位模型等效失配角參數(shù)后，再根據(jù)等效失配角參數(shù)和定位模型計(jì)算采樣點(diǎn)處的視線指向與真實(shí)指向的角度差，用來(lái)評(píng)估根據(jù)等效失配角計(jì)算的視線指向穩(wěn)定性。實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要對(duì)等效失配角進(jìn)行一軌隨時(shí)間的擬合，或者采用本發(fā)明的圖像定位模型參數(shù)重構(gòu)及高精度指向誤差多級(jí)擬合處理方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意時(shí)間點(diǎn)的圖像定位。由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，采用本發(fā)明的等效失配模型多級(jí)標(biāo)校方法一天內(nèi)所有時(shí)刻熱變形標(biāo)校精度均優(yōu)于16μrad，相比等效失配角擬合方法所能達(dá)到的30μrad提高了1倍。由上述的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，等效失配角擬合方法在控制點(diǎn)稀疏集中時(shí)，圖像定位精度明顯降低，而本發(fā)明的等效失配模型多級(jí)標(biāo)校方法比較穩(wěn)定，可以有效地提升圖像定位精度。

以上對(duì)本發(fā)明所述的高精度圖像定位方法進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。對(duì)本領(lǐng)域一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神的前提下對(duì)它所做的任何顯而易見(jiàn)的改動(dòng)，都將構(gòu)成對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利權(quán)的侵犯，將承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。