[发明专利]基于恒星匹配的光电经纬仪参量优化方法

说明书

技术领域

本发明属于光电测量领域，具体涉及光电经纬仪系统参量的求解和优化方法。

背景技术

由于环境参数和设备本身的原因，光电经纬仪的指向精度中往往包含有较大的误差。这种指向误差由很多因素造成，例如：

●系统误差：由环境和设备引起的测量值和理论值之间的误差，包括大气折射、望远镜的制造和装配误差、望远镜的重力变形以及因为温度变化引起的变形误差，望远镜的结构因素包括轴系的误差、镜筒的弯沉、叉臂或轭架的变形等等，同一视场短时间内可认为该误差不变；

●配准误差：编码器与图像的时间不同步而产生；

●靶心误差：靶心（即编码器在图像中的对应位置）不在图像中心；

●当量误差：图像中的位置转换到方位俯仰的系数存在误差；

●质心误差：由于曝光、帧累加、图像畸变、时间配准等因素而导致图像中目标的质心存在偏差；

●其它误差：如设备站址误差、时间误差、目标光行误差，等等。

其中，有些误差是光电经纬仪的参量所固有的，所以在进行任务的时候，往往需要将这些参量进行标校，以便进行测量和计算。比如，将目标在图像中的位置解算到方位角（A）和俯仰角（E）坐标系中时，需要用到编码器、靶心、当量、质心等信息。目前是采用传感器检测或人工测量的方法来取值。但在高精度应用中，这些参量的误差仍然偏大，精度仍不能满足要求。一个典型的例子就是，由于编码器与图像存在时间配准误差，目标测量位置会受到非线性的影响。当视场中有多颗恒星时，理论上各恒星之间的相对观测位置应该与星库中的理论位置相匹配，即星与星之间的相对距离应该一致，但事实却并非如此。如图1所示，无论怎样修正系统误差，用当前系统参量测量出的恒星观测值（用四角星表示）与理论值（用五角星表示）之间，总不能完全吻合，有时其相对误差可达数角秒之多，以致目标的测量精度难以评判。然而，目前尚无能够完全克服这些误差的方法，大多只是从定性的角度来减小误差（比如用曝光时间的中间值来作为编码器的时间）。因此，亟需一种更加精确高效的方法，能够对系统的参量进行定量、自动的优化，从而进一步提升光电经纬仪的测量精度和效率。

发明内容

本发明解决的技术问题：针对光电经纬仪的编码器、当量、靶心等系统参量精度不高，人工测量误差较大，传感器检测又存在时间上难以配准的问题，利用恒星匹配来对系统参量进行直接求解和优化。

本发明是利用恒星之间相对观测位置与理论位置的精确匹配，来反向求解系统的参量，从而实现参量在恒星匹配意义下的高精度优化。其基本原理如图2所示，具体实现步骤如下：

（1）建立恒星的测量方程并确定所需的系统参量；

（2）建立恒星匹配度目标函数和待优化参量组；

（3）根据恒星测量方程，推导优化所需要的条件；

（4）根据优化所需要的条件采集恒星图像，提取恒星质心，计算恒星的测量值和理论值；

（5）用优化算法对恒星匹配度目标函数进行优化，解出待优化参量组；

（6）利用优化后的参量推算或修正其它参量，或者对其它目标进行高精测量。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

利用该方法，不仅可以对系统的参量进行全自动定量的标校，而且可以避开时间配准等难题，大幅度提高经纬仪的测量精度。这里以一个用6颗星来进行参量优化的实例来说明。观测图像中的恒星和星库中对应恒星分布图如图3所示。表1中是用本发明方法进行优化前后的误差对比，其中相对误差定义为：以指定恒星为目标，用其它恒星的误差均值来修正该恒星，修正后的测量值和理论值之间的残差即为相对误差。可见，优化后比优化前的相对误差大大降低，比如恒星1的E相对误差从-4.4938″减小到-0.3114″，恒星3的E相对误差从2.9729″减小到0.6160″，恒星4的A相对误差从2.0330″减小到-0.2276″，恒星5的E相对误差从2.5276″减小到-0.8401″，等等。而且，在优化过程中直接解出了当量、编码器以及系统误差，从而避开了编码器的同步问题，同时标校了当量和系统误差，并使测量精度提高了数倍。

表1用图3中6颗恒星优化前后相对误差的对比

附图面说明

图1是光电经纬仪恒星测量不匹配现象示意图，其中四角星表示恒星的测量位置，五角星表示恒星的理论位置；

图2是基于恒星匹配的系统参量优化原理示意图，其中四角和五角星的意义同图1；