專利名稱：一種偏場ccd雙相機組合的地面成像投影的測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種偏場CCD雙相機組合在整星狀態(tài)下的相關(guān)安裝精度的測定方法。
背景技術(shù)：
為滿足衛(wèi)星成像的大幅寬要求，同時又局限于CXD器件的規(guī)模，星上經(jīng)常會配置超過一臺相機，而且相機一般配置多片CXD同時進行成像，這些C⑶通常以偏場的方式安裝在相機焦面上。如圖1所示，為一個星載偏場CXD的雙相機成像組合。為了實現(xiàn)大的視場要求，共配置了兩臺相機，分別為相機A和相機B，兩臺相機之間按照一個固定的夾角(保證兩臺相機間視場重疊)安裝在相機支架上，構(gòu)成一個雙相機并整體安裝在衛(wèi)星上。圖1中的X、Y、 Z為衛(wèi)星本體坐標系的三軸，E0, F0分別為相機B的相機本體坐標系+ 軸方向和相機A的相機本體坐標系+ 軸方向，H0, I0分別為相機B的相機本體坐標系+Y1軸方向和相機A的相機本體坐標系-Y1軸方向。其中，衛(wèi)星本體坐標系(OXYZ)的原點0在對接環(huán)下端框星箭對接面中心，對接環(huán)的軸心線為衛(wèi)星X軸，由原點指向載荷艙方向為正，衛(wèi)星Z軸為平行于短隔板方向，以相機安裝側(cè)為正，Y軸平行于長隔板方向，以蓄電池安裝側(cè)為負且遵循右手定則與X軸、Z軸構(gòu)成衛(wèi)星本體直角坐標系；相機本體坐標系(O1X1YA)的原點O1在相機成像投影中心，Z1軸平行于相機的光軸，即主點方向，X1軸指向相機成像時的推掃方向，Y1軸與&軸和\軸構(gòu)成右手系，平行于CCD線陣方向。由于相機本體坐標系不方便測定，通常將此坐標系引出，形成相機基準立方鏡安裝在相機上，相機基準立方鏡在^CpY1J1三個方向平面的法線方向即為相機本體坐標系的&、Yp乙軸。每臺相機(相機A和相機B)在焦平面上偏場安裝了三片(XD，三片C⑶成品字形排列(定義為001、002、003)，其中002在相機+乂1向偏場1. 15°，位于Y1向視場中央， (XD1、(XD3在相機+X1向偏場0. 7°，相對于Y1向視場中央呈對稱分布，且定義(XD1、(XD3 的對稱中心為相機的視軸(圖1中的E、F為兩臺相機的偏場視軸指向)。雙相機的視場及視軸分布如圖2所示，圖中的A1、A2、A3、B1、B2、B3分別表示A相機和B相機的CCD1、CCD2、 CCD3。這樣的相機組合體交付衛(wèi)星進行總裝后，需要對相機的安裝精度進行驗證。在衛(wèi)星經(jīng)歷了整星電測、力學環(huán)境試驗、熱試驗、磁試驗等各階段測試及大型試驗后，仍然需要對相機安裝精度的變化進行精測。通過進行精測，可以對兩相機夾角、總視場角、視軸空間指向等參數(shù)及相機安裝精度是否發(fā)生變化進行監(jiān)測，并為衛(wèi)星發(fā)射入軌后的圖像數(shù)據(jù)處理提供原始的數(shù)據(jù)資料支持。地面成像投影就是依據(jù)整星精測得到的數(shù)據(jù)以及對圖像投影坐標系的相關(guān)分析，按照衛(wèi)星在軌成像幾何關(guān)系得到的衛(wèi)星各個CXD器件在地面上的投影幾何關(guān)系。隨著衛(wèi)星對安裝精度和遙感器空間指向精度要求的提高，在整星狀態(tài)下對遙感器安裝精度以及整星狀態(tài)其下幾何參數(shù)的精確測量已經(jīng)逐漸成為了遙感衛(wèi)星總體的工作趨勢。根據(jù)地面成像投影不但能夠在衛(wèi)星工廠階段對衛(wèi)星的實際成像條件以及器件實際在軌拼接情況進行預估，還能夠為地面應用系統(tǒng)消除圖像的初期系統(tǒng)誤差，提高圖像定位精度提供最直接的支持。在傳統(tǒng)地面成像投影的分析方法中，主要使用視軸測量結(jié)合每臺相機的理論設計結(jié)果來進行投影的分析，這種方法忽略了一個很大的因素就是由于相機的組合安裝和CCD 的偏場安裝，導致從相機到衛(wèi)星的安裝偏差沒有在投影分析鏈中得到體現(xiàn)，因此導致幾何分析精度偏低，對實際投影情況預估不足，造成對衛(wèi)星性能的測試漏洞。另外，當預估偏差過大時還會在衛(wèi)星入軌后出現(xiàn)CXD視場拼接漏縫的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種幾何測量精度高、使用方式靈活的偏場CCD雙相機組合的地面成像投影的測定方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種偏場CXD雙相機組合的地面成像投影的測定方法，步驟如下(1)利用經(jīng)緯儀定位整星基準立方鏡，建立星體坐標系；(2)利用經(jīng)緯儀定位相機基準立方鏡，求得相機坐標系在星體坐標系下的安裝矩陣；(3)利用經(jīng)緯儀通過對CCD最邊緣四個角點的測量確定偏場CCD視軸的指向矢量， 從而求得相機視軸在星體坐標系下的矢量數(shù)據(jù)；(4)根據(jù)相機中各CCD的偏場角度，基于相機坐標軸，利用視軸空間旋轉(zhuǎn)的方式建立圖像投影坐標軸在星體坐標系下的矢量數(shù)據(jù)；(5)根據(jù)步驟的結(jié)果得到圖像投影坐標系在星體坐標系中的安裝矩陣；(6)利用相機的安裝矩陣以及空間幾何關(guān)系，代入衛(wèi)星軌道高度，獲得兩臺相機的傳感器視場的地面成像投影。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明提出的偏場CCD雙相機組合的地面成像投影的測定方法，融合了光學自準直測量方法、空間矢量運算和遙感器成像幾何特性，克服現(xiàn)有方法數(shù)據(jù)幾何精度的不足，測量并確定出視軸空間指向、圖像投影坐標系安裝矩陣等參數(shù)，在融合安裝面到幾何投影的誤差傳遞后，進一步得到了 CCD傳感器的地面成像投影。這些關(guān)鍵參數(shù)直接關(guān)系到衛(wèi)星的圖像定位精度、相機成像空間指向精度等星地一體化指標，而且也與相機在固有安裝精度下的成像質(zhì)量息息相關(guān)。因此本發(fā)明方法有效提升了成像投影模型的數(shù)據(jù)精度，適用于需要精確測定遙感器安裝精度和拼接情況，為地面應用系統(tǒng)提供了精確到單片CCD的圖像幾何投影修正模型。


圖1為整星基準與偏場CXD雙相機測量基準以及相機視軸的示意圖；圖2為一種偏場CCD雙相機的視場及CCD拼接設計示意圖；圖3為本發(fā)明方法的流程框圖；圖4為圖2所示相機CXD偏場成像示意圖；圖5為采用本發(fā)明方法獲取的組合相機的傳感器視場地面成像投影；圖6為采用傳統(tǒng)方法獲得的組合相機的傳感器視場地面成像投影。
具體實施例方式首先定義圖像投影坐標系()。原點&在相機投影中心，Z2軸為從投影中心指向成像CCD線陣對應點在的推掃方向面的投影方向，\軸平行于CCD線陣方向，以從 CXDl指向(XD3為正方向，X2軸與W軸構(gòu)成右手系。對于圖2所示的偏場CCD雙相機組合，以其中一臺為例，具體測定的方法如圖3所示，主要分為整星基準精測、相機基準及視軸精測、圖像投影坐標系建立以及求得安裝矩陣并獲得地面成像投影四個過程。①整星基準精測本步驟中需要利用兩套經(jīng)緯儀按常規(guī)的立方鏡自準定位方式獲得整星基準立方鏡Y向和Z向的法線，并由此兩個基準軸求得X軸，構(gòu)建右手系，即衛(wèi)星本體坐標系(OXYZ)。②相機基準及視軸精測利用經(jīng)緯儀用與①中相同的方式確定相機立方鏡的法線方向，建立相機本體坐標系(O1X1Y1Z1)并測量出與①所建立的衛(wèi)星本體坐標系(OXYZ)各個坐標軸的夾角，并以矩陣形式表示兩個坐標系的夾角關(guān)系。其所對應的相機基準安裝矩陣(以夾角形式給出并用變量代替)如表1所示表1相機基準安裝矩陣
基準立方鏡精測夾角均 ^1^-·^^XYZ相機A立方鏡X1a, deg風^YZ4Yia, degZiT4ZK4Zia，degZZX4ZZT4ZZZ4相機B立方鏡X1b, deg,XXbZXTsΖΧΖβYib，degZYTeZYZsZ1 b，degZZ^^ZYbZZZii利用克拉燈作為相機外部光源照射相機焦面，從而能直接通過鏡頭看到焦面，移動經(jīng)緯儀對準CXDl左端的上下角點，分別讀取4組經(jīng)緯儀坐標讀數(shù)，再移動經(jīng)緯儀找到 CCD3右端的上下角點，分別讀取4組經(jīng)緯儀坐標讀數(shù)，首先以每個角點四組數(shù)據(jù)的均值作為此角點的坐標，之后對四個角點的坐標求均值，計算出視軸中點的坐標。測量此視軸與整星基準鏡的夾角，以矢量形式表示視軸在整星基準坐標系的夾角關(guān)系。利用此方法分別對兩臺相機進行測量，圖2所對應的相機視軸在整星基準下的矢量關(guān)系(以夾角形式給出并用變量代替)如表2所示表2相機視軸矢量關(guān)系
準立方鏡精測夾角iifT^^^XYZ相機A視軸Sa, degZSX4ZSZa相機B視軸Sb, deg乙SXb^SYb^SZb ③圖像投影坐標系建立
由于CCD器件的偏場方式及安裝幾何關(guān)系不同，導致對不同的器件有不同的圖像 投影坐標系，根據(jù)幾何設計關(guān)系可以得到圖2所示CCD相機偏場成像的方式如圖4所示，在 相機中的圖像投影坐標系有兩個，第一個是CCDl和CCD3圖像形成的圖像投影坐標系，第二 個是(XD2圖像形成的圖像投影坐標系。對于(XDl/C⑶3圖像投影坐標系，由于相機視軸與此坐標系偏場相同，因此，其圖 像投影坐標系的Z軸就是在②中得到的相機視軸，表示在星體坐標系中為
Z^/3 ニ [cos {ZSX^) cos (ZSY^ ) cos (ZSZ^ )"圖像投影坐標系的Y軸就是相機坐標系中的Y軸。表示在星體坐標系中為
權(quán)利要求
1. 一種偏場C⑶雙相機組合的地面成像投影的測定方法，其特征在于步驟如下(1)利用經(jīng)緯儀定位整星基準立方鏡，建立星體坐標系；(2)利用經(jīng)緯儀定位相機基準立方鏡，求得相機坐標系在星體坐標系下的安裝矩陣；(3)利用經(jīng)緯儀通過對CCD最邊緣四個角點的測量確定偏場CCD視軸的指向矢量，從而求得相機視軸在星體坐標系下的矢量數(shù)據(jù)；(4)根據(jù)相機中各CCD的偏場角度，基于相機坐標軸，利用視軸空間旋轉(zhuǎn)的方式建立圖像投影坐標軸在星體坐標系下的矢量數(shù)據(jù)；(5)根據(jù)步驟的結(jié)果得到圖像投影坐標系在星體坐標系中的安裝矩陣；(6)利用相機的安裝矩陣以及空間幾何關(guān)系，代入衛(wèi)星軌道高度，獲得兩臺相機的傳感器視場的地面成像投影。
全文摘要
一種偏場CCD雙相機組合的地面成像投影的測定方法，步驟為(1)利用經(jīng)緯儀定位整星基準立方鏡，建立星體坐標系；(2)利用經(jīng)緯儀定位相機基準立方鏡，求得相機坐標系在星體坐標系下的安裝矩陣；(3)利用經(jīng)緯儀通過對CCD最邊緣四個角點的測量確定偏場CCD視軸的指向矢量，從而求得相機視軸在星體坐標系下的矢量數(shù)據(jù)；(4)根據(jù)相機中各CCD的偏場角度，基于相機坐標軸，利用視軸空間旋轉(zhuǎn)的方式建立圖像投影坐標軸在星體坐標系下的矢量數(shù)據(jù)；(5)根據(jù)步驟(4)的結(jié)果得到圖像投影坐標系在星體坐標系中的安裝矩陣；(6)利用相機的安裝矩陣以及空間幾何關(guān)系，代入衛(wèi)星軌道高度，即可獲得兩臺相機的傳感器視場的地面成像投影。
文檔編號G01C11/00GK102207384SQ20111007540
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月28日
發(fā)明者朱興鴻, 白照廣, 陸春玲 申請人:航天東方紅衛(wèi)星有限公司