基于星空的遥感卫星相机视轴与星敏光轴夹角在轨标定方法与流程

1.本发明涉及一种遥感卫星基于星空的相机与星敏视轴夹角在轨标定方法，属于遥感卫星在轨标定领域。


背景技术：

2.图像定位精度是遥感卫星一项重要的星地一体化指标，影响定位精度的主要因素包括定轨精度、姿态测量精度、各系统间时间统一误差和地面处理误差等，其中对定位精度影响最大的姿态测量误差，因此星敏姿态测量精度、星敏与星相机间的夹角稳定性是卫星提高定位精度的设计重点。由于卫星发射过程的振动和温度变化等影响，会使相机与星敏之间的夹角发生变化，使之与地面测试结果差别较大，需要通过在轨标定，消除系统误差。
3.目前遥感卫星在轨定标方法主要采用相机拍摄地面已知地理信息的定标场，通过地面控制点与卫星影像匹配等处理从而解算出系统误差。但是此方法需地面定标场配合或具有高精度定标场数字底图，且无法剥离定轨、姿态测量等误差，只能将所有误差耦合在一起算出整体影响，也无法分析出在轨相机与星敏间夹角的绝对数值，因此对卫星设计的相机与星敏夹角稳定性目前无法在轨有效验证。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，基于对星空成像，提出一种遥感卫星光学相机与星敏间的夹角标定方法，实现在轨对相机和星敏间夹角的准确测量，一方面可分析在轨相机与星敏间夹角的变化情况，一方面可提高卫星图像定位精度。
5.本发明解决技术问题的方案是：基于星空的遥感卫星相机视轴与星敏光轴夹角在轨标定方法，该方法包括如下步骤：
6.s1、卫星进行姿态机动，使相机与星敏的视场同时指向星空；
7.s2、采用相机与星敏同时对星空进行连续拍摄成像，获取星空影像；
8.s3、对相机和星敏感器对星空拍摄的星空影像进行恒星星点坐标提取、星图识别以及姿态计算，得到相机姿态四元数q
cam
和星敏姿态四元数q
sts
；
9.s4、用相机姿态四元数q
cam
表示相机的姿态矩阵，用星敏姿态四元数q
cam
表示星敏的姿态矩阵；
10.s5、根据相机的姿态矩阵和星敏的姿态矩阵，计算相机视轴和星敏光轴的夹角。
11.优选地，所述步骤s2卫星采用星空凝视成像或者以一定速度推扫成像的方式对星空进行连续拍摄成像。
12.优选地，当相机为积分线阵推扫成像相机时，相机积分时间通过如下方法确定：
13.s2.1a、根据相机最小信噪比snrmin、相机噪声vnoise，计算得到相机最小信号强度vsignal；
14.s2.2a、选定对星空成像的星等m，得到对应星等的辐照度em，根据对星空成像的星等所对应的辐照度em，单位lx，
15.em＝2.65
×
10-6
×
2.512m16.s2.3a、按照星点在相机焦面上的像需大于最小像元尺寸的原则确定星空成像的入瞳辐亮度le的计算公式：
[0017][0018]
其中，d为像元尺寸，f为相机焦距；
[0019]
s2.3a、将相机最小信号强度vsignal、星空成像的入瞳辐亮度le代入相机积分时间t的关系式，得到相机积分时间：
[0020][0021]
式中，r为相机多级积分探测器单级响应度，n为积分级数，t为积分时间，τ为相机透过率，f为相机f数，∫s(λ)dλ为波长的积分，s(λ)为相机的光谱响应函数。
[0022]
优选地，当相机为积分线阵推扫成像相机，且相机以一定速度推扫成像的方式对星空进行连续拍摄成像时，相机积分时间与卫星推扫速度关系如下：
[0023][0024]
式中，d为像元尺寸，v为地面景物在相机焦平面内运动速度，v根据相机焦面与整星安装关系确定其与卫星推扫速度的关系。
[0025]
优选地，所述相机的姿态矩阵c_q
com
为：
[0026][0027]
其中，取自相机姿态四元数q
cam
。
[0028]
优选地，所述星敏感器的姿态矩阵c_q
sts
为：
[0029][0030]
其中，取自星敏姿态四元数q
sts
。
[0031]
优选地，相机视轴和星敏光轴的夹角为：
[0032]
angz＝arccos(z
cam
·zsts
)
[0033]
其中，z
cam
为相机的姿态矩阵c_q
com
的z轴分量，表示相机本体本体系z 三轴在
j2000系下的矢量表示，z
sts
为星敏感器的姿态矩阵c_q
sts
的z轴分量，表示星敏感器本体坐标系z三轴在j2000系下的矢量表示。
[0034]
优选地，当相机为面阵成像相机时，面阵相机曝光时间通过如下方法确定：
[0035]
s2.1b、根据相机最小信噪比snrmin、相机噪声vnoise，计算得到相机最小信号强度vsignal：
[0036]
s2.2b、选定对星空成像的星等m，得到对应星等的辐照度em，根据对星空成像的星等所对应的辐照度em，单位lx，
[0037]em
＝2.65
×
10-6
×
2.512m[0038]
s2.3b、按照星点在相机焦面上的像需大于最小像元尺寸的原则确定星空成像的入瞳辐亮度le的计算公式：
[0039][0040]
其中，d为像元尺寸，f为相机焦距；
[0041]
s2.3b、将相机最小信号强度vsignal、星空成像的入瞳辐亮度le代入面阵相机曝光时间的关系式，得到面阵相机曝光时间：
[0042][0043]
式中，r为相机多级积分探测器单级响应度，n为积分级数，t为面阵相机曝光时间，τ为相机透过率，f为相机f数，∫s(λ)dλ为波长的积分，s(λ)为相机的光谱响应函数。
[0044]
优选地，当相机为面阵成像相机，且相机以一定速度推扫成像的方式对星空进行连续拍摄成像时，面阵相机曝光时间与卫星推扫速度关系如下：
[0045][0046]
式中，d为像元尺寸，v为地面景物在相机焦平面内运动速度，v根据相机焦面与整星安装关系确定其与卫星推扫速度的关系。
[0047]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0048]
(1)、本发明通过提出相机与星敏对星空定标的方法，实现了对在轨相机与星敏视轴间夹角的定量化测量，为在轨评估相机与星敏视轴夹角变化分析提供数据支持，有助于提高卫星图像定位精度；
[0049]
(2)、本发明与现有传统相机定标方法相比，无需使用地面定标场，使用星空作为定标场，简化了对定标场的要求，不引入定标场误差，保证了较高的定标精度；
[0050]
(3)、本发明与现有传统相机定标方法相比，定标准备时间短，仅靠卫星自身即可完成，受约束条件少，可实施的定标频率高，定标周期短，有效提高在轨定标的易操作性及频次；
[0051]
(4)、本发明提出的相机与星敏夹角在轨标定方法，对标定数据处理要求简单，地面常规通用处理方法即可满足，引入地面处理误差小，保证较高定标精度。
附图说明
[0052]
图1为本发明实施例遥感卫星相机与星敏视轴夹角在轨标定方法流程图；
[0053]
图2为本发明实施例遥感卫星相机与星敏视轴夹角在轨标定系统组成示意图。
具体实施方式
[0054]
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
[0055]
如图1所示，本发明提供的基于星空的遥感卫星相机视轴与星敏光轴夹角在轨标定方法，该方法包括如下步骤：
[0056]
s1、卫星进行姿态机动，使相机与星敏的视场同时指向星空；
[0057]
s2、采用相机与星敏同时对星空进行连续拍摄成像，获取星空影像；
[0058]
如图2所示，中低轨遥感卫星一般采用多级积分线阵推扫成像相机，其成像积分时间较短，且星点辐照度较低，相机凝视成像较难满足对星空成像要求，可采用卫星以一定速度主动推扫成像。卫星推扫速度的计算需考虑卫星姿态机动能力、相机成像能力和星敏动态范围等多种因素，可根据相机可设置的最大成像积分时间反算卫星推扫速度，也可根据卫星姿态能力极限计算相机积分时间，以确保相机可对星空进行成像。也可以采用星空凝视成像的方式对星空进行连续拍摄成像。
[0059]
s3、对相机和星敏感器对星空拍摄的星空影像进行恒星星点坐标提取、星图识别以及姿态计算，得到相机姿态四元数q
cam
和星敏姿态四元数q
sts
；
[0060]
将步骤3中相机和星敏对星空拍摄的影像下传至地面，地面对星空影像进行恒星星点坐标提取、星图识别以及姿态计算，得到相机和星敏的姿态四元数，所用到方法是工程上应用成熟的方法。
[0061]
由得到的相机姿态四元数q
cam
和星敏姿态四元数q
sts
，转换为j2000惯性系到本体系下的姿态转换矩阵c(q
cam
)和c(q
sts
)，矩阵每行分别为本体系x、y、 z三轴在j2000系下的矢量表示。
[0062]
s4、用相机姿态四元数q
cam
表示相机的姿态矩阵，用星敏姿态四元数q
cam
表示星敏的姿态矩阵；
[0063]
所述相机的姿态矩阵c_q
com
为：
[0064][0065]
其中，取自相机姿态四元数q
cam
。
[0066]
所述星敏感器的姿态矩阵c_q
sts
为：
[0067]
[0068]
其中，取自星敏姿态四元数q
sts
。
[0069]
j2000坐标系原点位于地球质心，z轴指向j2000.0平天极，x轴指向 j2000.0平春分点。
[0070]
s5、根据相机的姿态矩阵和星敏的姿态矩阵，计算相机视轴和星敏光轴的夹角。
[0071]
相机视轴和星敏光轴的夹角为：
[0072]
angz＝arccos(z
cam
·zsts
)
[0073]
其中，z
cam
为相机的姿态矩阵c_q
com
的z轴分量，表示相机本体本体系z 三轴在j2000系下的矢量表示，z
sts
为星敏感器的姿态矩阵c_q
sts
的z轴分量，表示星敏感器本体坐标系z三轴在j2000系下的矢量表示。
[0074]
实施例1：
[0075]
下面详细描述本发明的实施例，所实施例根据卫星相机类型和工作模式不同以区分。
[0076]
本发明某一具体实施例中，在计算相机对星空成像积分时间t时，为保证成像图像满足星点提取需求，需根据所要成像的星等能量em、相机最小信噪比 snrmin要求等共同计算求出相机所需积分时间。相机为积分线阵推扫成像相机，相机积分时间通过如下方法确定：
[0077]
s2.1a、根据相机最小信噪比snrmin、相机噪声vnoise，计算得到相机最小信号强度vsignal：
[0078]
相机最小信号强度vsignal的计算公式如下：
[0079]
snrmin＝vsignal/vnoise；
[0080]
s2.2a、选定对星空成像的星等m，得到对应星等的辐照度em，根据对星空成像的星等所对应的辐照度em，单位lx，
[0081]em
＝2.65
×
10-6
×
2.512m[0082]
s2.3a、按照星点在相机焦面上的像需大于最小像元尺寸的原则，确定星空成像的入瞳辐亮度le的计算公式：
[0083][0084]
其中，d为像元尺寸，f为相机焦距。
[0085]
一般为便于星点质心提取，星点在相机焦面上的像要大于单个像元尺寸，假设星点在焦面上成像的大小为像元尺寸的2倍(根据星图处理算法选取)，采用上述可得对星空成像的入瞳辐亮度le_star。
[0086]
s2.3a、将相机最小信号强度vsignal、星空成像的入瞳辐亮度le代入相机积分时间t的关系式，得到相机积分时间：
[0087]
[0088]
式中，r为相机多级积分探测器单级响应度，n为积分级数，t为积分时间，τ为相机透过率，f为相机f数，∫s(λ)dλ为波长的积分，s(λ)为相机的光谱响应函数。
[0089]
相机积分时间与卫星推扫速度关系如下：
[0090][0091]
式中，d为像元尺寸，v为地面景物在相机焦平面内运动速度，v根据相机焦面与整星安装关系确定其与卫星推扫速度的关系。
[0092]
本发明还可以计算出星敏测量坐标系到相机本体坐标系之间的转换矩阵为
[0093]csts
→
cam
＝c(q
sts
)-1
*c(q
cam
)。
[0094]
实施例2：
[0095]
本发明另一具体实施例中，相机为面阵成像相机，实施例中，卫星通过姿态调整实现对星空惯性定向，相机和星敏对星空进行凝视成像，当然也可以进行推扫成像。
[0096]
面阵相机对星空凝视成像，即卫星处于对星空的惯性定向状态下，根据相机探测器参数和不同星等辐照度计算面阵相机曝光时间t，具体的面阵相机曝光时间通过如下方法确定：
[0097]
s2.1b、根据相机最小信噪比snrmin、相机噪声vnoise，计算得到相机最小信号强度vsignal：
[0098]
s2.2b、选定对星空成像的星等m，得到对应星等的辐照度em，根据对星空成像的星等所对应的辐照度em，单位单位lx，
[0099]em
＝2.65
×
10-6
×
2.512m[0100]
s2.3b、按照星点在相机焦面上的像需大于最小像元尺寸的原则确定星空成像的入瞳辐亮度le的计算公式：
[0101][0102]
其中，d为像元尺寸，f为相机焦距；
[0103]
s2.3b、将相机最小信号强度vsignal、星空成像的入瞳辐亮度le代入面阵相机曝光时间的关系式，得到面阵相机曝光时间：
[0104][0105]
式中，r为相机多级积分探测器单级响应度，n为积分级数，t为面阵相机曝光时间，τ为相机透过率，f为相机f数，∫s(λ)dλ为波长的积分，s(λ)为相机的光谱响应函数。
[0106]
当相机为面阵成像相机，且相机以一定速度推扫成像的方式对星空进行连续拍摄成像时，面阵相机曝光时间与卫星推扫速度关系如下：
[0107][0108]
式中，d为像元尺寸，v为地面景物在相机焦平面内运动速度，v根据相机焦面与整星安装关系确定其与卫星推扫速度的关系。
[0109]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域
技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。