專利名稱：一種提高立體測繪相機(jī)圖像定位精度的輔助數(shù)據(jù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種立體測繪相機(jī)圖像輔助數(shù)據(jù)的處理方法。
背景技術(shù)：
三線陣CXD航天攝影測量相機(jī)是上世紀(jì)八十年代中期出現(xiàn)的新一代傳輸型航天光學(xué)遙感器。經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，到2000年我國測繪科學(xué)家提出了 LMCCD體制(三線陣加面陣體制)后，立體測繪相機(jī)形成了較系統(tǒng)的體系。衛(wèi)星相機(jī)獲取的地面點(diǎn)影像在地面系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，需要知道地面點(diǎn)成像時(shí)刻的衛(wèi)星軌道參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)以及傳感器的工作參數(shù)等輔助數(shù)據(jù)。測繪應(yīng)用領(lǐng)域較其它領(lǐng)域在圖像定位精度方面有更高的要求，而輔助數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)及處理方法在很大程度上決定著圖像的定位精度。目前國內(nèi)遙感衛(wèi)星與圖像應(yīng)用相關(guān)的輔助數(shù)據(jù)，通常包括衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、姿控?cái)?shù)據(jù)、時(shí)間信息、遙感器工作參數(shù)等內(nèi)容。其中定位數(shù)據(jù)中只含有衛(wèi)星的位置和速度信息，無該數(shù)據(jù)對應(yīng)的時(shí)間信息；姿控?cái)?shù)據(jù)中只含有衛(wèi)星的姿態(tài)角估值和角速度估值，無該數(shù)據(jù)對應(yīng)的時(shí)間信息；時(shí)間信息為衛(wèi)星平臺(tái)在總線上廣播的星時(shí)，不能反應(yīng)遙感器攝像時(shí)圖像的時(shí)間信息；遙感器工作參數(shù)中只含有傳感器的電路增益、行周期等，無遙感器工作時(shí)圖像的時(shí)間信息。目前的輔助數(shù)據(jù)在立體測繪應(yīng)用時(shí)，存在如下不足(1)定位數(shù)據(jù)和姿控?cái)?shù)據(jù)的精度偏低(定位數(shù)據(jù)中的位置精度為10m，速度精度為0. lm/s，姿態(tài)數(shù)據(jù)中的角度測量精度為Γ ) ； (2)無立體測繪領(lǐng)域需要的實(shí)現(xiàn)多個(gè)線陣、線陣與面陣之間的時(shí)間信息的高精度關(guān)聯(lián)的信息數(shù)據(jù)；C3)相機(jī)圖像曝光時(shí)間、衛(wèi)星星歷獲取時(shí)間及姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間的三個(gè)時(shí)間同步精度低(約為5ms)。

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，提供了一種立體測繪相機(jī)輔助數(shù)據(jù)的處理方法，解決了定位數(shù)據(jù)和姿控?cái)?shù)據(jù)的測量精度和相機(jī)圖像、定位數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)之間的高精度時(shí)間同步問題，從而提高了立體測繪相機(jī)的圖像定位精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種提高立體測繪相機(jī)圖像定位精度的輔助數(shù)據(jù)處理方法，步驟如下(1)增加輔助數(shù)據(jù)的種類；對于定位數(shù)據(jù)，既輸出衛(wèi)星的位置和速度，又輸出GPS 接收機(jī)的原始測量數(shù)據(jù)；對于姿態(tài)數(shù)據(jù)，采用星敏感器的四元數(shù)數(shù)據(jù)代替姿態(tài)角度估值數(shù)據(jù)；(2)將GPS接收機(jī)、相機(jī)分系統(tǒng)和姿控分系統(tǒng)統(tǒng)一在同一時(shí)間基準(zhǔn)下；(3)將采集到的輔助數(shù)據(jù)信息與數(shù)據(jù)采集的時(shí)刻進(jìn)行對應(yīng)，(31)采用行時(shí)標(biāo)和幀時(shí)標(biāo)將三個(gè)線陣之間、線陣和面陣之間的攝像時(shí)刻關(guān)聯(lián)起來，所述的行時(shí)標(biāo)由行號(hào)與該行號(hào)對應(yīng)的攝像時(shí)間碼組成，在每個(gè)GPS秒脈沖下降沿到來后，采集某個(gè)圖像行的曝光時(shí)刻對應(yīng)的時(shí)間作為本次攝影的基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)，相鄰兩個(gè)基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)間的圖像行不再打入相應(yīng)的時(shí)標(biāo)，而由地面應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前圖像行最近的一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)值、兩圖像行的行計(jì)數(shù)差值及相機(jī)行周期通過公式ti+x = Ti+x · 計(jì)算得到，Ti為插入到圖像輔助數(shù)據(jù)中的第i行的行時(shí)標(biāo)時(shí)間，ti+x為第i+x行的時(shí)間，TffmeS本次攝影時(shí)的行周期值；面陣CCD每隔X個(gè)線陣CCD的圖像行攝像一次，其攝像驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用線陣CCD的第N+X個(gè)行同步信號(hào)，此時(shí)采集第N+X個(gè)行同步信號(hào)下降沿對應(yīng)的時(shí)刻作為M+1幀面陣圖像的攝像時(shí)刻，并將幀號(hào)M+1和對應(yīng)的時(shí)刻，插入到圖像輔助數(shù)據(jù)中；(32)在GPS秒脈沖信號(hào)有效沿到來時(shí)采集對應(yīng)的衛(wèi)星位置和速度信息；(33)星敏感器在接收到GPS秒脈沖信號(hào)的有效沿后，每隔500ms采集一組星敏感器四元數(shù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)，同時(shí)采集星敏感的曝光時(shí)刻與此時(shí)的星敏感器四元數(shù)，并把曝光時(shí)刻和此時(shí)的星敏感器四元數(shù)組成一包數(shù)據(jù)，插入到圖像輔助數(shù)據(jù)中；(33)在接收到GPS秒脈沖信號(hào)的有效沿后，采集衛(wèi)星角速度以及與此角速度對應(yīng)的時(shí)刻。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明方法將GPS接收機(jī)的偽距和載波相位等原始測量數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)供地面系統(tǒng)使用。傳統(tǒng)的只輸出衛(wèi)星位置和速度時(shí)，得到的衛(wèi)星位置測量精度為10m，而結(jié)合 GPS接收機(jī)的偽距和載波相位等原始測量信息進(jìn)行處理后，將測量精度提高到Im ；(2)本發(fā)明方法采用星敏感器四元數(shù)代替姿態(tài)角度估值，將衛(wèi)星的測角精度從分級(jí)提高到秒級(jí)。對于軌道高度為600km的衛(wèi)星，姿態(tài)引起的定位精度將從IOOm量級(jí)提高到 IOm量級(jí)，大大改善了由姿態(tài)測量引起的定位誤差；(3)本發(fā)明方法將各類數(shù)據(jù)的時(shí)間信息插入到圖像輔助數(shù)據(jù)中，使得各類數(shù)據(jù)在地面處理時(shí)，能夠精確關(guān)聯(lián)；(4)本發(fā)明方法采用GPS秒脈沖進(jìn)行對時(shí)，圖像、姿態(tài)和定位數(shù)據(jù)均以GPS時(shí)間為基準(zhǔn)，并采取合理的用時(shí)機(jī)制進(jìn)行時(shí)間同步。將各類輔助數(shù)據(jù)的時(shí)間同步精度從5ms提高到0. 1ms，相當(dāng)于將由于時(shí)間引起的定位誤差從38m提高到0. 76m。


圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；圖2為本發(fā)明中的輔助數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流框圖；圖3為本發(fā)明中的實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步的框圖；圖4為本發(fā)明中的行時(shí)標(biāo)生成過程示意圖；圖5為本發(fā)明中的面陣幀時(shí)標(biāo)生成過程示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中所述的立體測繪相機(jī)為三線陣加面陣結(jié)合的航天攝影測量相機(jī)。立體測繪相機(jī)圖像輔助數(shù)據(jù)的處理需要解決好以下幾個(gè)問題1.需解決輔助數(shù)據(jù)信息量過少，不利于提高測量精度的問題；2.需解決衛(wèi)星上的各種信息的高精度時(shí)間同步問題，其中包括定位信息、姿態(tài)信息和相機(jī)圖像的高精度時(shí)間同步，以及立體測繪相機(jī)中三個(gè)線陣之間、線陣與面陣之間的高精度時(shí)間同步。
如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖。數(shù)據(jù)的測量精度，對于定位數(shù)據(jù)，是將傳統(tǒng)的只輸出衛(wèi)星位置和速度的設(shè)計(jì)理念， 改進(jìn)為既輸出衛(wèi)星位置和速度，又輸出GPS接收機(jī)的偽距和載波相位等原始測量數(shù)據(jù)，地面系統(tǒng)通過在衛(wèi)星位置和速度初步定位信息基礎(chǔ)上，結(jié)合GPS接收機(jī)的偽距和載波相位等原始測量信息，得到精確的衛(wèi)星定位信息；對于姿態(tài)數(shù)據(jù)，將傳統(tǒng)的輔助數(shù)據(jù)只給出姿態(tài)數(shù)據(jù)中的角度估值改為精確的星敏四元數(shù)數(shù)據(jù)，使得衛(wèi)星的測角精度從分級(jí)提高到秒級(jí)。如圖2所示，輔助數(shù)據(jù)分為隨圖像下傳的圖像輔助數(shù)據(jù)和從數(shù)傳信道直接下傳的數(shù)據(jù)兩種。星敏感器數(shù)據(jù)、陀螺數(shù)據(jù)、GPS定位數(shù)據(jù)(位置和速度)在衛(wèi)星CAN總線上廣播， 相機(jī)下位機(jī)接收到這些數(shù)據(jù)后分別將其放置于對應(yīng)的緩存區(qū)，并將這些數(shù)據(jù)和相機(jī)成像參數(shù)一起插入到圖像數(shù)據(jù)中，隨圖像下傳至地面應(yīng)用系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)內(nèi)容如表1所示，其中相機(jī)放大器增益，相機(jī)焦面組件位置信息和行周期為攝像時(shí)刻相機(jī)的狀態(tài)參數(shù)。而GPS原始測量數(shù)據(jù)在衛(wèi)星CAN總線上廣播，星務(wù)分系統(tǒng)將其接收，并通過數(shù)傳信道下傳至地面應(yīng)用系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)內(nèi)容如表2所示。表2中的原始測量數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)為GPS接收機(jī)采集原始測量數(shù)據(jù)對應(yīng)的時(shí)間，原始測量數(shù)據(jù)包括GPS星號(hào)、GPS星偽距、載波相位、GPS信號(hào)的信噪比等。其中表1中的衛(wèi)星位置信息(X、Y、Z)和速度信息(VX、VY、VZ)供地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理時(shí)初步定位用，它是由表2中的GPS星偽距、載波相位數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算而得到的。由于受衛(wèi)星上處理器的計(jì)算能力和計(jì)算精度的限制(目前使用的CPU的型號(hào)最高到8位的8086)，衛(wèi)星位置信息(X、Y、Z)和速度信息(VX、VY、VZ)的精度較原始測量數(shù)據(jù)經(jīng)地面處理后(地面系統(tǒng)一般使用的CPU為64位的多核處理器)的數(shù)據(jù)在精度上存在約10倍的差異。表1立體測繪相機(jī)(線陣和面陣)隨圖像下傳的輔助數(shù)據(jù)的內(nèi)容
權(quán)利要求
1. 一種提高立體測繪相機(jī)圖像定位精度的輔助數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于步驟如下(1)增加輔助數(shù)據(jù)的種類；對于定位數(shù)據(jù)，既輸出衛(wèi)星的位置和速度，又輸出GPS接收機(jī)的原始測量數(shù)據(jù)；對于姿態(tài)數(shù)據(jù)，采用星敏感器的四元數(shù)數(shù)據(jù)代替姿態(tài)角度估值數(shù)據(jù)；(2)將GPS接收機(jī)、相機(jī)分系統(tǒng)和姿控分系統(tǒng)統(tǒng)一在同一時(shí)間基準(zhǔn)下；(3)將采集到的輔助數(shù)據(jù)信息與數(shù)據(jù)采集的時(shí)刻進(jìn)行對應(yīng)，(31)采用行時(shí)標(biāo)和幀時(shí)標(biāo)將三個(gè)線陣之間、線陣和面陣之間的攝像時(shí)刻關(guān)聯(lián)起來，所述的行時(shí)標(biāo)由行號(hào)與該行號(hào)對應(yīng)的攝像時(shí)間碼組成，在每個(gè)GPS秒脈沖下降沿到來后，采集某個(gè)圖像行的曝光時(shí)刻對應(yīng)的時(shí)間作為本次攝影的基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)，相鄰兩個(gè)基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)間的圖像行不再打入相應(yīng)的時(shí)標(biāo)，而由地面應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前圖像行最近的一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)值、兩圖像行的行計(jì)數(shù)差值及相機(jī)行周期通過公式ti+x = Ti+x · Twot計(jì)算得到，Ti為插入到圖像輔助數(shù)據(jù)中的第i行的行時(shí)標(biāo)時(shí)間，為第i+x行的時(shí)間，TffmeS本次攝影時(shí)的行周期值；面陣CCD每隔X個(gè)線陣CCD的圖像行攝像一次，其攝像驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用線陣CCD的第N+X 個(gè)行同步信號(hào)，此時(shí)采集第N+X個(gè)行同步信號(hào)下降沿對應(yīng)的時(shí)刻作為M+1幀面陣圖像的攝像時(shí)刻，并將幀號(hào)M+1和對應(yīng)的時(shí)刻，插入到圖像輔助數(shù)據(jù)中；(32)在GPS秒脈沖信號(hào)有效沿到來時(shí)采集對應(yīng)的衛(wèi)星位置和速度信息；(33)星敏感器在接收到GPS秒脈沖信號(hào)的有效沿后，每隔500ms采集一組星敏感器四元數(shù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)，同時(shí)采集星敏感的曝光時(shí)刻與此時(shí)的星敏感器四元數(shù)，并把曝光時(shí)刻和此時(shí)的星敏感器四元數(shù)組成一包數(shù)據(jù)，插入到圖像輔助數(shù)據(jù)中；(33)在接收到GPS秒脈沖信號(hào)的有效沿后，采集衛(wèi)星角速度以及與此角速度對應(yīng)的時(shí)刻。
全文摘要
一種提高立體測繪相機(jī)圖像定位精度的輔助數(shù)據(jù)處理方法，針對立體測繪任務(wù)，通過在目前遙感衛(wèi)星常用的圖像輔助數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，增加GPS接收機(jī)的偽距和載波相位等原始測量數(shù)據(jù)和采用星敏感器四元數(shù)代替姿態(tài)角度估值數(shù)據(jù)的方法提高影響圖像定位的相關(guān)數(shù)據(jù)的測量精度。其次，通過在輔助數(shù)據(jù)中增加各類數(shù)據(jù)的時(shí)間信息，使得各類數(shù)據(jù)之間存在精確的時(shí)間關(guān)系。最后，通過采用GPS秒脈沖將相機(jī)圖像、姿態(tài)和定位數(shù)據(jù)以GPS時(shí)間進(jìn)行對時(shí)，以及相機(jī)圖像行(幀)、姿態(tài)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的時(shí)間信息的采集方法，進(jìn)行各輔助數(shù)據(jù)的高精度時(shí)間同步。通過本發(fā)明方法可以提高立體測繪相機(jī)的圖像定位精度。
文檔編號(hào)G06F17/30GK102306160SQ20111020350
公開日2012年1月4日 申請日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月20日
發(fā)明者曹啟鵬, 李巖, 李潭, 王瑞, 趙鴻志 申請人:航天東方紅衛(wèi)星有限公司