本發(fā)明涉及光學(xué)衛(wèi)星遙感影像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光學(xué)影像的在軌高精度實(shí)時(shí)定位方法。

背景技術(shù)：

在軌高精度實(shí)時(shí)定位技術(shù)的研究國(guó)內(nèi)雖然還處于起步階段，但隨著光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)率呈現(xiàn)海量增長(zhǎng)，給數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的壓力，傳統(tǒng)基于地面處理的定位技術(shù)已經(jīng)很難滿足應(yīng)用需求，因此在軌目標(biāo)識(shí)別及高精度定位的應(yīng)用需求變得日益迫切。在軌高精度定位解算技術(shù)可實(shí)時(shí)提供探測(cè)目標(biāo)的物方位置信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)、靜目標(biāo)的定位以及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡及行為意圖的分析。

在利用光學(xué)衛(wèi)星影像進(jìn)行跟蹤定位時(shí)，由于系統(tǒng)存在各種誤差導(dǎo)致定位精度降低，傳統(tǒng)的定位技術(shù)是將影像數(shù)據(jù)下傳到地面，通過(guò)地面服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理來(lái)減小系統(tǒng)的誤差，從而提高定位精度；但數(shù)據(jù)下傳處理會(huì)導(dǎo)致定位存在時(shí)間遲滯性，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)如何克服傳統(tǒng)基于地面處理的定位技術(shù)對(duì)衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)及減小定位的時(shí)間遲滯性，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于光學(xué)影像的在軌高精度實(shí)時(shí)定位方法，包括步驟：

將嚴(yán)格幾何成像模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行歸類和等效，并將嚴(yán)格幾何成像模型等效為星上幾何定位模型；

利用地面定標(biāo)場(chǎng)的控制點(diǎn)對(duì)星上幾何定位模型的參數(shù)進(jìn)行修正；

將修正后的參數(shù)上注到星上。

一種實(shí)施例中，將嚴(yán)格幾何成像模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行歸類和等效，并將所述嚴(yán)格幾何成像模型等效為星上幾何定位模型；具體包括：

嚴(yán)格幾何成像模型為：其中，為影像對(duì)應(yīng)的地面目標(biāo)點(diǎn)在wgs84坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，為衛(wèi)星在wgs84坐標(biāo)系中的位置，為j2000坐標(biāo)系到wgs84坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為本體坐標(biāo)系到j(luò)2000坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為gps天線相位中心在本體坐標(biāo)系下的三個(gè)偏移量，為相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)相對(duì)于本體坐標(biāo)系原點(diǎn)的偏移量，m為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的縮放因子，為相機(jī)坐標(biāo)系到本體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為地面點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的投影坐標(biāo)；

根據(jù)是否與載荷本身有關(guān)將嚴(yán)格幾何成像模型的相關(guān)參數(shù)歸類為內(nèi)方位元素和外方位元素；

將內(nèi)方位元素等效為指向角的指向向量，及，將外方位元素等效為一個(gè)偏移矩陣，嚴(yán)格幾何成像模型等效的星上幾何定位模型為：

其中，rbais為偏移矩陣，

為影像坐標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系下的指向向量。

一種實(shí)施例中，利用地面定標(biāo)場(chǎng)的控制點(diǎn)對(duì)星上幾何定位模型的參數(shù)進(jìn)行修正，具體包括：

以實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)結(jié)構(gòu)為初始值，采用羅德里格矩陣對(duì)外方位元素進(jìn)行修正；

以標(biāo)定后的外方位參數(shù)為初始值，采用反變換設(shè)定閾值迭代的方法對(duì)內(nèi)方位元素進(jìn)行修正。

一種實(shí)施例中，采用羅德里格矩陣對(duì)所述外方位元素進(jìn)行修正，具體包括：

偏移矩陣rbais的表達(dá)式為：rbais＝(i-s)^-1(i+s)，其中，

構(gòu)建誤差方程：v＝ax-l，其中，其中，

采用最小二乘法對(duì)誤差方程求解獲得參數(shù)a，b，c，并獲得偏移矩陣rbais；

根據(jù)偏移矩陣rbais修正所述星上幾何定位模型的外方位元素。

一種實(shí)施例中，采用反變換設(shè)定閾值迭代的方法對(duì)所述內(nèi)方位元素進(jìn)行修正，具體包括：

令f()、g()分別為影像空間坐標(biāo)系下像點(diǎn)沿軌及垂軌方向的矢量殘差函數(shù)，所述矢量殘差函數(shù)的表達(dá)式為：

其中，xe為外方位元素，xi為內(nèi)方位元素，為本體坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為像點(diǎn)光線在本體坐標(biāo)系下的矢量，和為指向角；

將修正后的外方位元素視為xe的初始值，將內(nèi)方位元素xi視為待求的未知參數(shù)，根據(jù)矢量殘差函數(shù)修正星上幾何定位模型的內(nèi)方位元素。

依據(jù)上述實(shí)施例的在軌高精度實(shí)時(shí)定位方法，由于對(duì)傳統(tǒng)的嚴(yán)格幾何成像模型進(jìn)行分板和優(yōu)化，將其等效為星上幾何定位模型，該星上幾何定位模型能夠適應(yīng)星上資源有限的情況，然后，通過(guò)星上幾何定位模型實(shí)時(shí)定位處理來(lái)減小定位的時(shí)間遲滯性，同時(shí)，減小海量數(shù)據(jù)下傳對(duì)數(shù)傳系統(tǒng)帶來(lái)的壓力，最后通過(guò)基于星地協(xié)同的參數(shù)修正方法來(lái)減小系統(tǒng)的誤差，提高定位精度。

附圖說(shuō)明

圖1為在軌高精度實(shí)時(shí)定位原理圖；

圖2為在軌高精度實(shí)時(shí)定位流程圖；

圖3為定位參數(shù)修正流程圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本例提供一種基于光學(xué)影像的在軌高精度實(shí)時(shí)定位方法，其原理示意圖如圖1所示，通過(guò)原理分析可以發(fā)現(xiàn)，光學(xué)衛(wèi)星影像和地物目標(biāo)之間存在著一一映射關(guān)系，因此可以利用光學(xué)衛(wèi)星影像來(lái)對(duì)地物目標(biāo)進(jìn)行精確跟蹤定位，但由于光學(xué)載荷獲取影像的過(guò)程是一個(gè)多載荷協(xié)同工作的復(fù)雜過(guò)程，因此不可避免地會(huì)引入各種系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，正是由于這些誤差的存在，極大地降低了定位的精度。通過(guò)修正星上幾何定位模型的參數(shù)，消除系統(tǒng)誤差和部分隨機(jī)誤差可以極大地提高定位精度。直接在星上處理，無(wú)需將影像數(shù)據(jù)下傳到地面，避免了海量數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)傳系統(tǒng)帶來(lái)的壓力，同時(shí)消除了數(shù)據(jù)下傳帶來(lái)的時(shí)間遲滯性，保證了定位的時(shí)效性。

進(jìn)一步，本例的在軌高精度實(shí)時(shí)定位方法，具體包括如處步驟，其流程圖如圖2所示。

s1：將嚴(yán)格幾何成像模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行歸類和等效，并將嚴(yán)格幾何成像模型等效為星上幾何定位模型。

本例首先對(duì)嚴(yán)格幾何成像模型進(jìn)行分析優(yōu)化，其中，嚴(yán)格幾何成像模型為

上式中，為影像對(duì)應(yīng)的地面目標(biāo)點(diǎn)在wgs84坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，為衛(wèi)星在wgs84坐標(biāo)系中的位置，為j2000坐標(biāo)系到wgs84坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為本體坐標(biāo)系到j(luò)2000坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為gps天線相位中心在本體坐標(biāo)系下的三個(gè)偏移量，為相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)相對(duì)于本體坐標(biāo)系原點(diǎn)的偏移量，m為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的縮放因子，為相機(jī)坐標(biāo)系到本體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為地面點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的投影坐標(biāo)。

根據(jù)是否與載荷本身有關(guān)將上述嚴(yán)格幾何成像模型的相關(guān)參數(shù)歸類為內(nèi)方位元素和外方位元素；其中，內(nèi)方位元素為主點(diǎn)、主距和焦距等，由于內(nèi)方位元素的測(cè)量精度與主光軸的精度有關(guān)，因此，利用指向角的指向向量來(lái)等效優(yōu)化嚴(yán)格幾何成像模型中的主點(diǎn)、主距和焦距等內(nèi)方位元素，而從外方位元素對(duì)定位精度的影響效果上分析可將其等效成一個(gè)偏移矩陣，通過(guò)一系列等效優(yōu)化后，將嚴(yán)格幾何成像模型等效為適合星上處理的星上幾何定位模型如下：

其中，rbais為偏移矩陣，為影像坐標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系下的指向向量。

s2：利用地面定標(biāo)場(chǎng)的控制點(diǎn)對(duì)星上幾何定位模型的參數(shù)進(jìn)行修正。

由于內(nèi)方位元素與外方位元素之間存在耦合性，為確保標(biāo)定結(jié)果的收斂性，本例采用分步標(biāo)定的方法，即先對(duì)外方位元素進(jìn)行修正標(biāo)定再對(duì)內(nèi)方位元素進(jìn)行修正標(biāo)定，具體過(guò)程如下，其修正標(biāo)定流程圖如圖3所示。

首先，以實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)結(jié)果為初始值，采用羅德里格矩陣對(duì)所述外方位元素進(jìn)行修正；本例中，偏移矩陣rbais的表達(dá)式為：rbais＝(i-s)^-1(i+s)。

其中，

構(gòu)建誤差方程：v＝ax-l，其中，其中，

采用最小二乘法對(duì)誤差方程求解獲得參數(shù)a，b，c，并獲得偏移矩陣rbais；

根據(jù)偏移矩陣rbais修正星上幾何定位模型的外方位元素。

其次，以標(biāo)定后的外方位參數(shù)為初始值，采用反變換設(shè)定閾值迭代的方法對(duì)內(nèi)方位元素進(jìn)行修正，具體過(guò)程如下。

令f()、g()分別為影像空間坐標(biāo)系下像點(diǎn)沿軌及垂軌方向的矢量殘差函數(shù)，矢量殘差函數(shù)的表達(dá)式為：

其中，xe為外方位元素，xi為內(nèi)方位元素，為本體坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為像點(diǎn)光線在本體坐標(biāo)系下的矢量，和為指向角；

將修正后的外方位元素視為xe的初始值，將內(nèi)方位元素xi視為待求的未知參數(shù)，根據(jù)矢量殘差函數(shù)修正所述星上幾何定位模型的內(nèi)方位元素。

s3：將修正后的參數(shù)上注到星上。

具體的，設(shè)置定標(biāo)精度閾值，判斷修正的定位參數(shù)是否達(dá)到閾值，如果達(dá)到閾值則修正結(jié)束，將定位參數(shù)通過(guò)遙控通道上注到星上；如果沒有達(dá)到，重復(fù)修正，直到達(dá)到閾值為止。采用周期性的上注修正的定位參數(shù)可以消除外界環(huán)境變化、軌道漂移等因素對(duì)定位精度的影響。

本例通過(guò)優(yōu)化嚴(yán)格幾何成像模型，降低了算法復(fù)雜度，從而降低算法對(duì)硬件資源的需求使之適應(yīng)星上資源有限的實(shí)際情況，另外，只需周期性的上傳修正參數(shù)就能達(dá)到提高定位精度的目的，無(wú)需將海量數(shù)據(jù)下傳到地面處理，在能準(zhǔn)確定位地物目標(biāo)的同時(shí)，降低對(duì)系統(tǒng)對(duì)地傳輸帶寬的要求，消除了數(shù)據(jù)下傳帶來(lái)的時(shí)間遲滯性，提高了定位的時(shí)效性。

以上應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行闡述，只是用于幫助理解本發(fā)明，并不用以限制本發(fā)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演、變形或替換。