空间目标相对运动角参数的天基光学测量精度分析

利用在轨光学相机对空间目标进行跟踪测量,目标相对运动角参数的测量精度决定了空间目标的定轨精度。建立目标相对运动角参数测量计算数学模型,推导出相对运动角参数测量误差传递公式。通过对仿真计算结果的分析,确定出影响目标相对运动角参数测量精度的主要误差源:目标成像焦面坐标提取误差、光学相机视轴转动欧拉角测量误差与测量卫星姿态惯性角测量误差。其中,光学相机视轴转动欧拉角测量误差对相对运动角参数的测量误差影响最大,约占总误差的80%。观测条件对测量精度也有很大的影响,尤其在目标过顶时,相对运动角参数的测量误差显著增大。     

TDI-CCD全景式航空相机对地目标定位的算法

为准确获取摄影区域地理位置信息,针对时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)全景式航空相机未配备激光测距仪的情况,提出一种直接对地目标定位算法。依据机载定位定向系统(POS)测量的载机位置、姿态信息以及航空相机中编码器测量的俯角、位角信息,利用齐次坐标变换求解成像系统视轴(LOS)在地理坐标下的指向角以WGS-84坐标系下定义的地球椭球模型为基础,利用地球椭球计算理论确定目标区域经纬度信息。采用蒙特卡罗方法仿真分析了载机姿态角测量误差以及相机俯角、位角误差对视轴指向角计算精度的影响;着重分析了摄影倾斜角和目标区域地形起伏对对地目标定位精度的影响,指出摄影倾斜角和目标区域地形起伏越小,定位精度越高。采用飞行实验验证了该对地目标定位算法的有效性,在飞行高度为17750m,摄影倾斜角在63°~75°范围内,对地目标定位圆概率误差小于212.96m,可满足工程实际需要。     

基于天文观测的相机标定及姿态测量技术研究

为利用相机进行天文观测以实现高精度的相机姿态测量,必须先对相机参数进行精确标定。针对传统相机标定方法工作距离有限的问题,提出了以恒星为控制点的相机标定方法,根据球面天文学方法计算观测时刻控制点的世界坐标,利用摄像测量原理建立了恒星观测模型,求解相机的内外参数并分析了误差因素。实验结果表明,该标定方法在不依赖于精密、复杂的外部设备情况下可达到较高精度,并具有较强的抗噪声能力。将标定结果用于天文观测并求解相机姿态,航向角和俯仰角的解算重复性优于10″,能够满足高精度姿态测量的需求。该方法可进一步推广应用于星敏感器的标定。     

双星光学观测体系的目标定位误差分析

为提高双星光学观测体系的定位精度,构建了新型双星光学定位系统。通过对卫星、光电观测平台的建模,构建了地惯系下平台与目标间的观测矢量模型。利用几何定位算法,推导出了地惯系下的目标定位模型与定位误差模型,并利用蒙特卡罗法获得了定位误差分布。在此基础上,引入了小波理论进行误差的优化重构,以提高双星光学观测体系的定位精度。利用测量数据进行仿真,结果表明,引入小波理论对目标定位误差进行降噪重构后,可以使目标定位精度提高30%,为工程上减小目标定位误差提供了新的思路。     

机载光电成像平台的多目标自主定位系统研究

为同时对多个目标实施实时或准实时定位,建立了机载光电成像平台多目标自主定位系统,针对该系统提出一种基于像元视线向量的多目标自主定位模型。通过目标检测算法得到视场中各目标的像素坐标,根据单面阵电荷耦合器件(CCD)传感器的成像原理,构造各目标的视线向量并计算其与图像中心主目标的像元视线角,结合已测得的主目标相对光电平台的方位角、高低角和距离,计算出各目标与机载光电平台的角度与距离关系,应用全球定位系统(GPS)、航姿测量技术获取载机的位置姿态信息,通过齐次坐标变换方法计算出单幅图像中多个目标的大地坐标。针对镜头畸变引起的定位误差,提出基于畸变率的方法进行畸变修正。在1100 m高空对地面目标定位时,多目标定位的圆概率误差(CEP)约为28.74 m,大地高定位误差约为18 m,能同时对50个目标进行实时地理定位。当镜头畸变率为2%时,畸变修正后圆概率误差减小了7%。该多目标自主定位方法具有效率高,便于工程应用的优点。     

长基线声学定位系统跟踪解算优化方法

针对现有长基线定位解算算法忽略阵型标定误差的问题,本文提出了一种结合声信标的标定误差和测距误差的待定目标解算方法。该方法利用观测数据的先验误差将观测数据连同带求解量一并构建平差解算模型,可以对待定目标位置解算进行优化求解。采用该方法对现有测量船只的跟踪定位实验进行数据处理,得到的跟踪定位轨迹平滑连续,和传统方法相比更接近于GPS输出结果,在深水环境下效果提升明显。理论分析和实验结果表明采用该方法能够获得更优化的位置估计结果及全局误差,能够应用于高精度长基线定位系统中。      

LEO空间目标的非协同共视观测及初轨确定

测角数据的初轨确定(IOD)是通过光学观测技术进行空间目标编目的 关键,然而对于低地球轨道(LEO)空间目标,地基光学观测所获得的数据弧长较短且不包含距离信息.因此,在进行IOD时,所得轨道的误差往往较大,难以应用于进一步的工作中.针对上述问题,研究了LEO空间目标的非协同共视观测技术及其初轨确定,并基于统计学提出了一种利用非协同共视观测技术定位空间目标的新方法.结合中国科学院空间目标与碎片观测网的光学测角数据进行了实验验证,结果表明,所提方法对Ajisai卫星定位的均方根(RMS)误差小于100 m,对空间碎片CZ-2C R/B定位的RMS误差小于200 m,优于传统的三角视差法.随后,将上述定位结果用于IOD,所得轨道半长轴的误差在1 km左右.     

基于AR模型搜索迭代算法的望远镜跟踪误差分析

在大口径光学望远镜观测星体目标时,其跟踪误差主要由风载引起的望远镜跟踪抖动误差和大气湍流引起的跟踪误差组成.建立了望远镜跟踪误差的简化分析模型,提出了一种采用AR模型迭代算法将风载引起的望远镜跟踪抖动误差和大气湍流引起的跟踪误差分离的新方法,并在1.8 m望远镜上进行了实验验证.结果表明,风载引起的望远镜跟踪抖动误差与风向和风速直接相关,实验结果与理论分析比较符合.     

全极化微波辐射计姿态对观测亮温的影响及消除

针对全极化微波辐射计精确探测的需求, 研究了辐射计姿态对于观测亮温的影响以及亮温误差校正. 建立了姿态偏移与观测入射角以及极化旋转角的关系, 模拟了观测亮温随观测入射角以及极化旋转角波动的变化; 仿真了姿态偏移情况下的辐射计原始观测亮温;运用一种基于辐射传输模型的姿态补偿方法, 以垂直极化亮温和第三Stokes参数亮温为例, 对原始观测亮温展开误差校正. 研究显示, 该方法能够有效去除辐射计姿态偏移对观测亮温造成的影响, 校正结果满足辐射计数据预处理的误差精度要求. 关键词： 全极化微波辐射计 Stokes参数 观测入射角 极化旋转角     

星载遥感影像几何精校正算法分析比较

在系统分析星载遥感影像的多种几何精校正算法，并从必须的控制点数目、算法复杂性、适用性能等几个方面予以综合比较后，选用RadarSat和QuickBirdII影像各一幅进行实验，讨论了不同算法不同控制点数目对星载遥感影像几何精校正准确度的影响.结果表明：当获取的控制点准确度高且分布均匀时，不同算法的校正准确度总体上随控制点数目增多而提高，但当控制点达到一定程度后，则增长缓慢；三次有理函数在星载光学影像几何精校正算法中准确度最高；严密投影仿射变换模型是针对少地面控制点的星载光学影像的一种有效的校正算法；直接线性变换模型、自校验直接线性变换模型、扩展的直接线性变换模型适用于商业光学遥感影像几何精校正处理；对于星载雷达影像，距离－多普勒模型准确度稳定，用少量的控制点即可达到较高的校正准确度.     

P4P法相机姿态标定精度分析

为便于在相机标定系统设计前,对标定误差进行预估,分析影响标定误差的因素,指导相机标定系统工程设计,针对P4P相机标定算法,提出新的算法模型。解决原算法中方位角、俯仰角及横滚角各姿态角相互耦合的问题,使姿态角求解仅与相机内参和特征点图像坐标相关。在此基础上,建立误差分析模型,从理论上分析图像定位误差、畸变、主点误差、焦距误差、特征点位置误差对姿态角标定的影响,并进行仿真和实验。实验结果表明,标定精度仿真结果和实验值一致,误差分析模型准确有效。该模型能够指导标定系统工程设计,具有较高的工程应用价值。     

基于足印探测的激光测高仪在轨标定

高精度的地表目标三维观测结果需要卫星激光测高仪对其系统误差进行定期的在轨标定工作,这包含系统误差的估计和校正以及标定结果的精度检验,现有方式分别通过姿态机动法和足印探测法予以实现.然而,姿态机动方式不适用于我国的卫星平台,传统足印探测方式没有针对系统误差的估计模型,仅能用于标定结果的精度检验.本文推导了基于足印探测方式的激光指向角系统误差估计模型,使得足印探测法能完成包含在轨误差校正以及精度检验的工作闭环,同时对用于激光足印获取的地面能量探测器进行了改进设计.通过设计仿真实验对所推导的误差估计模型进行验证,并量化分析了探测器阵列激光入射角度、标定场地表粗糙度及探测器布设间距等因素对系统误差校正精度的影响.结果表明,若要实现1.8 m的水平定位精度(对应0.6 arcsec激光指向精度),探测器阵列间距达到20 m即可,探测器阵列面的入射角需高于3°,标定场地表粗糙度需小于10 cm.以上结论对我国未来发射GF-7号光学/激光立体测绘卫星具有重要参考价值.     

红外单站被动定位技术速度更新算法研究

针对红外单站被动定位技术中空中机动目标的运动速度不断变化这一实际情况,提出了一种基于红外相机运动特性的对目标的运动速度进行实时更新的校正算法.该算法克服了大多基于匀速直线运动这一空间模型的红外单站被动定位方案目标速度不变的缺点,客观地反映了空中机动目标的实际运动状况,不仅能对目标的运动速度进行实时准确的更新校正,而且可推演出一种新的红外单站被动定位算法,对推动红外单站被动定位技术的工程实用化进程具有重要的意义.     

同平台双偏振仪器地理定位及校正方法

在同一平台利用两种或以上不同偏振载荷进行联合观测,通过融合反演实现优势互补,可获取更高精度和质量的数据产品。若要实现两偏振载荷的联合探测和交叉定标系数传递,两者的视场匹配是需要解决的关键问题之一,为此搭建了基于高精度偏振扫描仪和同时偏振相机的航空验证系统,并开展了飞行验证实验。根据双偏振仪器观测几何和空间响应特性,通过坐标变换分别建立了观测像元与地理空间位置的对应模型,通过全球数字高程模型和仪器偏心校正对定位结果进行修正,分析了影响地理定位精度的误差源,建立了基于蒙特卡洛法的误差统计模型并完成了仿真计算。将该方法应用于机载同时偏振相机和高精度偏振扫描仪地理定位,分析了视场匹配后两仪器辐亮度和偏振度测量结果的一致性。结果表明采用该方法完成地理空间位置匹配后,双偏振仪器获取的偏振度偏差小于2%,辐亮度偏差小于5%,证明了该地理定位及校正方法的可行性与有效性,为后续星载偏振交火探测地理定位的处理提供了有效途径。     

改进的TOF相机谐波和强度误差校正算法设计

基于反射光强度和深度二维变量的含加性权值B样条曲面误差拟合被用于校正由目标场景的低反射率或长距离引起的弱光强度相关深度误差。与传统的B样条曲面误差拟合相比,改进的模型使用权值参数优化每个曲面片的部分控制点,获得了更精确的误差拟合曲面片,使得平均校正误差小于2 mm,精度提高了近2倍。此外,为克服乘性权值矩阵无法通过最小二乘法获取的难题,对每个控制点添加加性权值参数,实现相机参数校准过程中一次性求得控制点参数矩阵和加性权值参数矩阵。同时,考虑到谐波相关误差也与深度相关,将谐波相关误差的校正统一到校正方法中。     

指向摆镜的精度分析

在光学反射矢量公式的基础上,通过坐标变换和矢量分析,对指向摆镜的位置对地面观测目标的影响进行了分析,得出了在允许的光谱成像仪对地观测误差的条件下,指向摆镜的转角准确度和定位准确度,为指向摆镜的设计与装调提供了理论依据.     

基于CPU+GPU的大视场物镜成像畸变实时校正

针对工业大视场物镜畸变成像的实时校正问题,提出一种校正算法和CPU+GPU并行加速方案.根据光学畸变理论和相机标定技术,建立非球面畸变校正模型.利用棋盘样板计算光学中心和估计畸变系数,设计校正算法.在CPU+GPU并行加速方案基础上,设计内核自适应维度算法并优化运行程序,结合OPENGL驱动进行实时校正和显示.实验结果表明,本文设计的实时校正系统对高分辨率的畸变成像校正率可以达到98.2%,单帧耗时0.026 s,平均综合加速比为29.1.该系统精度高,可移植性强,简单易行,能够广泛应用于成像畸变的实时校正.     

嫦娥三号极紫外相机几何定位方法及其应用

针对嫦娥三号极紫外相机影像由于缺少控制点约束而无法沿用地球遥感影像几何定位方法的现状,研究了极紫外相机的工作原理、涉及的坐标系统及其转换关系,提出了一种基于星上遥测参数和严格坐标转换关系的几何定位方法,进行了影像数据几何定位及定位精度分析.研究结果表明,该方法能够解算影像拍摄时刻极紫外相机光轴在太阳磁层坐标系中的指向,以及着陆器在该坐标系中的位置,精确定位影像中地球质心的位置,校正相机光轴指向在原始影像中对应的位置,确保极紫外相机探测数据的科学应用价值,实现嫦娥三号空间环境探测的科学目标.     

点光源反射镜法向标校技术

针对基于反射式点光源进行在轨辐射定标过程中反射镜法向标校建模不够完善的问题,提出基于反射镜与相机几何模型的反射镜法向标校及矢量控制算法.通过解算模型求解相机与反射镜间的几何误差,建立了太阳图像质心坐标与反射镜法向之间的关系,可实现多点自动化标校反射镜法向,提高镜法向标校及系统指向精度.实验结果表明,利用解算后的几何模型反解不同时刻质心坐标进行多点反射镜法向标校,相机观测太阳像素角分辨率标准误差分别为:X轴方向0.02165°、Y轴方向0.01982°,综合角分辨率误差为0.02936°,优于太阳观测器对反射镜法向标校精度.实现了相机观测太阳取代人工借助太阳观测器观测太阳的自动化镜法向标校,扩展了标校灵活度,系统综合指向精度优于0.1°,为固定实验场联网自动化集中控制不同能级梯度的点光源阵列在轨辐射定标和调制传递函数检测奠定基础.     

基于测量不确定度的视觉惯性自适应融合算法

针对环境复杂的工业现场定位精度低、适应性差、鲁棒性低等问题,提出一种基于测量不确定度的视觉惯性自适应融合算法,分析基于隐函数模型的视觉定位测量不确定度,并依据视觉定位测量不确定度自适应调整卡尔曼滤波模型中的参数,校正视觉观测偏差,增强视觉惯性融合定位算法在不同观测条件下的鲁棒性。利用精密三轴转台及激光跟踪仪T-mac位姿测量系统对所提融合定位算法的定位精度进行实验验证。实验结果表明,相比传统扩展卡尔曼滤波方法,所提方法能满足视觉观测较差条件下的准确定位需求。