专利名称：一种星载相机的相移补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种星载相机的相移补偿方法，属于卫星对地观测领域。
背景技术：
星载TDICXD相机是实现卫星对地观测的重要手段，相机的照相精度则关系到对地观测任务的成败。为了提高卫星TDICCD相机的照相精度，相机需要实时引入积分时间代码数据进行像移补偿，速高比是计算积分时间代码的主要参数。当前由地面卫星测控中心定期向卫星注入精轨数据，通过外推得到当前时刻卫星的轨道根数，计算卫星的角速度变化率，得到速高比，再转换得到积分时间代码。此方法的缺点为首先，数据源需要地面定期注入，增加了大系统的复杂程度；其次，外推得到的数据源精度不高，导致星载相机最终成像精度难以保证；第三，没有考虑到地形地貌对积分时间带来的影响。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种星载相机的相移补偿方法，对TDICCD相机的积分时间代码进行像移补偿，提高敏捷卫星在空间姿态高度机动后的成像精度。本发明的技术解决方案是一种星载相机的相移补偿方法，步骤如下(1)建立卫星星体坐标系以卫星的质心为坐标原点0，三轴固连在星体上，在三轴稳定卫星的零姿态的情况下，Z轴垂直于对地的惯量主轴并指向对地方向，X轴垂直于沿速度方向的惯量主轴并指向速度方向，Y轴与Z轴、X轴成右手系；根据公式？； = M^Sc计算相机摄影线在J2000惯性坐标系下的单位矢量勺； 其中，Mg为卫星星体坐标系相对于J2000惯性坐标系的卫星姿态矩阵Mq的转置矩阵，所述卫星姿态矩阵Mq是根据卫星星体坐标系相对于J2000惯性坐标系的四元数姿态计算得到， M为相机安装坐标系相对于卫星星体坐标系的相机安装矩阵M。的转置矩阵，Sc为相机摄影线在相机安装坐标系下的单位矢量，且I= (O 0 if；所述相机安装坐标系定义为坐标原点0在像平面中心，三轴固连在相机上，Z轴定义为相机的摄影方向，即垂直于像平面的方向，并指向地面景物；X轴在像平面内严格垂直于相机成像像素线阵并沿卫星星体坐标系的X轴的方向；Y轴与Z轴、X轴成右手系；(2)通过如下步骤计算拟摄影点，得到所述拟摄影点在WGS84地固坐标系下的经纬度(2. 1)根据卫星位置和步骤(1)中得到的相机摄影线在J2000惯性坐标系下的单位矢量t，采用点法式建立摄影方程；(2. 2)将所述摄影方程和地球旋转椭球面方程联立，联立后方程的解即为拟摄影点在J2000惯性坐标系下的位置矢量R' = (RJX, Rjy, Rjz)τ ；(2. 3)将得到的拟摄影点在J2000惯性坐标系下的位置矢量R'转换成在WGS84 地固坐标系下的位置矢量，再将WGS84地固坐标系下的位置矢量转换成WGS84地固坐标系下的经纬度；(3)根据步骤(2)中得到的拟摄影点在WGS84地固坐标系下的经纬度，查询全球数字高程图，得到拟摄影点的数字高程Ah ；
ΔΛ(4)通过公式A = R' +——乙计算摄影点在J2000惯性坐标系下的位置矢量R ；其
cosy
^I , Ra为地球半长轴，Rb为地球半短轴；
\Ra Ra Rb J
- / φ, cos χ = Sj ·τ^7 , =
丨司⑶通过公式4=(、Λ)Λ-计算摄影点速度_其中、_
\ΡλvJZi ； 、yL、
1为J2000惯性坐标系下卫星星体坐标系的单位轴矢量，R为J2000惯性坐标系中摄影点位置矢量；氕和^分别为在J2000惯性坐标系下卫星的位置和速度；(6)通过公式f = (vRV-tj)·G计算地速艾；其中，〔为相机的扫描推进方向在J2000惯性坐标系下的单位矢量，且 G =MfMfUci为相机的扫描推进方向在相机安装坐标系下的单位矢量，且有 tc={\ 0 0)Γ；为摄影点速度巧《与地物速度&合成的相对速度，且有^W=所述地物速度1是指将在WGS84地固坐标系下的摄影点的位置矢量和零速度矢量转换到J2000惯性坐标系下得到的速度矢量；(7)通过公式计算星载相机的速高比；其中，M为地速ρ的模；h是斜距，为在
J2000惯性坐标系下摄影点的位置矢量R到卫星的位置Λ的距离；
d 1
-χ
^min(8)根据步骤(7)中得到的速高比，通过公式 _/' ν/h _计算星载相机
code _τ
的积分时间代码c。。de，进而星载相机在成像过程中通过得到的积分时间代码c。。de进行相移补偿；其中，d为星载相机的像元尺寸；f ‘为星载相机的光学系统的焦距；T为星载相机的时钟周期；Tmin为星载相机的最小积分时间。所述四元数姿态是指姿态数据的欧拉四元素形式，通过星上姿态测量系统得到。所述相机安装坐标系相对于卫星星体坐标系的相机安装矩阵M。为星载相机安装之后，由地面标定得到。本发明与现有技术相比的有益效果是(1)本发明方法不依赖于地面数据的注入，其输入的数据包括静态数据和动态数据，静态数据分为相机安装矩阵和全球数字高程图，动态数据分为姿态数据和轨道数据；相机安装矩阵是在相机装星时由地面标定所得的常系数矩阵，全球数字高程图作为常系数表直接烧录的星载计算机中，姿态数据由卫星的姿态测量设备提供(如星敏感器)，轨道数据由卫星导航测量设备提供(如GPS接收机)，以上四种数据作为计算积分时间代码的所有输入，均不依赖于地面的注入。从而降低了系统的复杂程度和系统的运行成本。(2)现有技术中星载相机的成像精度受到外推数据时影响极大，本发明中，姿态数据和轨道数据的精度基于敏感器直接测量与滤波，相对于地面上注的外推方式有本质的提高。对于敏捷卫星引入四元数姿态数据，在计算速高比和积分时间代码时，直接修正了姿态的变化对速高比的影响；卫星的位置速度可以采用GPS接收机的定位结果，精度高，实时性好，不需要地面干预；在计算成像点速高比时，引入覆盖全球的数字高程地图进行地形补偿，可以消除地形变化对速高比的影响。因此该技术具有实时性好、姿态高度机动、高精度等特点。
图1为本发明方法的流程图；图2为本发明方法速高比的斜距关系图；图3为本发明方法速高比的地速关系图。
具体实施例方式本发明提供了一种星载相机的相移补偿方法，如图1所示，按照如下步骤进行(1)建立卫星星体坐标系以卫星的质心为坐标原点0，三轴固连在星体上，在三轴稳定卫星的零姿态的情况下，Z轴垂直于对地的惯量主轴并指向对地方向，X轴垂直于沿速度方向的惯量主轴并指向速度方向，Y轴与Z轴、X轴成右手系；根据公式& = M^M= ·Sf计算相机摄影线在J2000惯性坐标系下的单位矢量J7 ； 其中，Mg为卫星星体坐标系相对于J2000惯性坐标系的卫星姿态矩阵Mq的转置矩阵，所述卫星姿态矩阵Mq是根据卫星星体坐标系相对于J2000惯性坐标系的四元数姿态计算得到， 所述四元数姿态是指姿态数据的欧拉四元素形式，通过星上姿态测量系统得到。Mf为相机安装坐标系相对于卫星星体坐标系的相机安装矩阵Mc的转置矩阵，Sc为相机摄影线在相机安装坐标系下的单位矢量，且&=(0 0 I)7’ ；所述相机安装坐标系相对于卫星星体坐标系的相机安装矩阵M。为星载相机安装之后，由地面标定得到。所述相机安装坐标系定义为坐标原点0在像平面中心，三轴固连在相机上，Z轴定义为相机的摄影方向，即垂直于像平面的方向，并指向地面景物；X轴在像平面内严格垂直于相机成像像素线阵并沿卫星星体坐标系的X轴的方向；Y轴与Z轴、X轴成右手系；(2)通过如下步骤计算拟摄影点，得到所述拟摄影点在WGS84地固坐标系下的经纬度(2. 1)根据卫星位置和步骤(1)中得到的相机摄影线在J2000惯性坐标系下的单位矢量t，采用点法式建立摄影方程；(2. 2)将所述摄影方程和地球旋转椭球面方程联立，联立后方程的解即为拟摄影点在J2000惯性坐标系下的位置矢量R' = (RJx, Rjy, Rjz)τ ；(2. 3)将得到的拟摄影点在J2000惯性坐标系下的位置矢量R'转换成在WGS84 地固坐标系下的位置矢量，再将WGS84地固坐标系下的位置矢量转换成WGS84地固坐标系下的经纬度；(3)根据步骤(2)中得到的拟摄影点在WGS84地固坐标系下的经纬度，查询全球数字高程图，得到拟摄影点的数字高程Ah ；
Δ/2(4)通过公式A = W+——乙计算摄影点在J2000惯性坐标系下的位置矢量R ；其
权利要求
1. 一种星载相机的相移补偿方法，其特征在于步骤如下(1)建立卫星星体坐标系以卫星的质心为坐标原点0，三轴固连在星体上，在三轴稳定卫星的零姿态的情况下，Z轴垂直于对地的惯量主轴并指向对地方向，X轴垂直于沿速度方向的惯量主轴并指向速度方向，Y轴与Z轴、X轴成右手系；根据公式 ; = MTQ I计算相机摄影线在J2000惯性坐标系下的单位矢量；其中， Mj为卫星星体坐标系相对于J2000惯性坐标系的卫星姿态矩阵Mq的转置矩阵，所述卫星姿态矩阵％是根据卫星星体坐标系相对于J2000惯性坐标系的四元数姿态计算得到，Mg为相机安装坐标系相对于卫星星体坐标系的相机安装矩阵Μ。的转置矩阵，&为相机摄影线在相机安装坐标系下的单位矢量，且知=(0 0 I)7'；所述相机安装坐标系定义为坐标原点0在像平面中心，三轴固连在相机上，Z轴定义为相机的摄影方向，即垂直于像平面的方向，并指向地面景物；X轴在像平面内严格垂直于相机成像像素线阵并沿卫星星体坐标系的X轴的方向；Y轴与Z轴、X轴成右手系；(2)通过如下步骤计算拟摄影点，得到所述拟摄影点在WGS84地固坐标系下的经纬度 (2. 1)根据卫星位置和步骤(1)中得到的相机摄影线在J2000惯性坐标系下的单位矢量乙，采用点法式建立摄影方程；(2. 2)将所述摄影方程和地球旋转椭球面方程联立，联立后方程的解即为拟摄影点在 J2000惯性坐标系下的位置矢量R' = (RJX, Rjy, Rjz)τ ；(2. 3)将得到的拟摄影点在J2000惯性坐标系下的位置矢量R'转换成在WGS84地固坐标系下的位置矢量，再将WGS84地固坐标系下的位置矢量转换成WGS84地固坐标系下的经纬度；(3)根据步骤(2)中得到的拟摄影点在WGS84地固坐标系下的经纬度，查询全球数字高程图，得到拟摄影点的数字高程Ah ； (4)通过公式W
2.根据权利要求1所述的一种星载相机的相移补偿方法，其特征在于所述四元数姿态是指姿态数据的欧拉四元素形式，通过星上姿态测量系统得到。
3.根据权利要求1所述的一种星载相机的相移补偿方法，其特征在于所述相机安装坐标系相对于卫星星体坐标系的相机安装矩阵MC为星载相机安装之后，由地面标定得到。
全文摘要
一种星载相机的相移补偿方法，包括如下步骤(1)计算相机摄影线在J2000惯性坐标系下的单位矢量；(2)计算拟摄影点，得到拟摄影点在WGS84地固坐标系下的经纬度；(3)查询全球数字高程图，得到拟摄影点的数字高程；(4)计算摄影点及摄影点速度；(5)计算地速；(6)计算速高比；(7)计算星载相机的积分时间代码，进而星载相机在成像过程中通过得到的积分时间代码进行相移补偿。本发明方法以星上实时的四元数姿态和卫星位置速度为输入，在全球数字高程地图的修正下，通过直接计算摄影点的速高比，得到相机的积分时间代码，其精度可达3‰，且具有不需要地面数据注入、适应空间姿态变化等特点，能够满足航天任务中敏捷卫星空间高精度成像的需要。
文档编号G01C25/00GK102279001SQ20111008208
公开日2011年12月14日 申请日期2011年4月1日 优先权日2011年4月1日
发明者刘峰, 李璐, 郭锦 申请人:航天恒星科技有限公司