[发明专利]面向连续监视任务的视频卫星摄像机最优指向角控制方法

摘要

本发明提供一种面向连续监视任务的视频卫星摄像机最优指向角控制方法，设摄像机指向角为定义为主光轴在UW平面内的投影与W轴的夹角，ω为主光轴在VW平面内的投影与W轴的夹角，κ为绕W轴的转动角；设连续拍摄任务起始时刻为t时刻，确定摄像机的指向角中ω和κ后，将摄像机的主光轴依次绕绕U轴旋转ω角，绕W轴旋转κ角，确定摄像机指向角中的后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转角；在后续拍摄任务过程中，保持ω和κ角不变，确定摄像机的指向角中后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转进行相应实时变化。本发明依据卫星遥感视频监控时的严格成像几何关系，分析了摄像机指向角与成像范围、成像分辨率的变化关系，设计了一种最优指向角的控制方法，可为摄像机姿态控制提供优化方案。

主权项

一种面向连续监视任务的视频卫星摄像机最优指向角控制方法，其特征在于：设O点位于地球质心，定义大地坐标系O‑XYZ，Z轴由原点指向地球参考北极点，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系；在某时刻摄像机的摄影中心为O_t点，定义摄像机本体坐标系O_t‑UVW，W轴指向地心，U轴在卫星轨道面内垂直于W轴指向卫星运动方向，V轴垂直于UW平面并与UW构成右手正交坐标系；P点为O_t点的星下投影点，过P点作椭球的切平面，记为平面Ω；定义切平面坐标系P‑X_TY_TZ_T，其中X_T轴和Y_T轴位于平面Ω内，X_T轴平行于U轴，Z_T轴垂直于Ω向上，Y_T轴与X_T、Z_T构成右手正交坐标系；地面监测的目标区域标记为R_obj，中心为C点；设摄像机指向角为定义为主光轴在UW平面内的投影与W轴的夹角，ω为主光轴在VW平面内的投影与W轴的夹角，κ为绕W轴的转动角；设连续拍摄任务起始时刻为t时刻，提取t时刻摄像机的最优指向角，在确定摄像机的指向角中ω和κ后，将摄像机的主光轴依次绕绕U轴旋转ω角、绕W轴旋转κ角，在确定摄像机指向角中的后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转角；在后续拍摄任务过程中，保持ω和κ角不变，根据卫星与目标的位置关系实时变化，确定摄像机的指向角中后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转进行相应实时变化；所述提取t时刻摄像机的最优指向角包括以下步骤，步骤1，利用坐标转换，将O_t点、C点，以及目标区域R_obj的顶点坐标和t时刻的摄像机瞬时方向向量，转到切平面坐标系P‑X_TY_TZ_T下；步骤2，以O_t为中心，按中心投影方式，将C点投影到平面Ω上，投影点记为C'，将目标区域R_obj投影到平面Ω上，并取最小包络矩形记为R_rect，在矩形中过中心点C'且平行于长边的线段记为l_a，平行于短边的线段记为l_b；步骤3，过P点在平面Ω作直线l₁平行于O_t点的飞行方向向量L，过C'点作平面Ω内的直线l₂平行于l₁；在平面Ω内，过C'点作直线l₁的垂线，垂足记为A；过A点做直线l₁的垂线与L交于O_r点；步骤4，在切平面坐标系P‑X_TY_TZ_T下，P点坐标为[0,0,0]^T，O_t点在Z_T轴上，设摄像机航高为h，O_t点的坐标为[0,0,h]^T，C'点的坐标记为[X_C,Y_C,0]^T，t时刻摄像机的飞行方向向量记为[e₁,e₂,e₃]^T，矩形目标区域的长边长为a，短边长为b，线段l_a的方向向量为[n₁,n₂,0]^T，摄像机的像平面ψ为矩形，长边长为w_a，短边长为w_b，摄像机主距为f，图像长边方向和短边方向的视场角分别为φ_a和φ_b，摄像机最优指向角中的夹角提取如下，考虑沿着X_T轴方向的成像光束夹角当${\mathrm{\α}}_{X_T}\≤{\mathrm{\φ}}_a$时，即$\frac{h^2}{4s_1^2{f}^2+4f^2{h}^2-w_a^2{h}^2}\≤\frac{1}{4f^2-w_a^2},$当${\mathrm{\α}}_{X_T}>{\mathrm{\φ}}_a$时，即$\frac{h^2}{4s_1^2{f}^2+4f^2{h}^2-w_a^2{h}^2}>\frac{1}{4f^2-w_a^2},$摄像机最优指向角中的夹角ω提取如下，考虑沿着Y_T轴方向的成像光束夹角当${\mathrm{\α}}_{Y_T}\≤{\mathrm{\φ}}_b$时，即$\frac{h^2}{4s_2^2{f}^2+4f^2{h}^2-w_b^2{h}^2}\≤\frac{1}{4f^2-w_b^2},$$\mathrm{\ω}=\arctan \left(\frac{4s_2{f}^2}{4h{f}^2+2w_b{s}_{2}f+h{w}_b^2}\right)$当${\mathrm{\α}}_{Y_T}>{\mathrm{\φ}}_b$时，即$\frac{h^2}{4s_2^2{f}^2+4f^2{h}^2-w_b^2{h}^2}>\frac{1}{4f^2-w_b^2},$$\mathrm{\ω}=\arctan \left(\frac{1}{2s_2{w}_b^2}(\sqrt{{(w_b^{2}h+4f^{2}h)}^2+16s_2^2{w}_b^2{f}^2}-(w_b^{2}h+4f^{2}h))\right)$摄像机最优指向角中的转动角κ角为l_a与l₂之间的夹角，$\mathrm{\κ}=\arccos \left(\frac{e_1{n}_2+e_2{n}_1}{\sqrt{e_1^2+e_2^2}\·\sqrt{n_1^2+n_2^2}}\right)$其中，距离$s_1=\sqrt{{\left(\frac{e_1{X}_C}{e_1+e_2}\right)}^2+{\left(\frac{e_2{Y}_C}{e_1-e_2}\right)}^2},s_2=\sqrt{{(X_C-\frac{e_1{X}_C}{e_1+e_2})}^2+{(Y_C-\frac{e_2{Y}_C}{e_1-e_2})}^2};$所述在后续拍摄任务过程中，确定摄像机的指向角中的方式为，根据当前的距离s₁，进行夹角提取如下，考虑沿着X_T轴方向的成像光束夹角当${\mathrm{\α}}_{X_T}\≤{\mathrm{\φ}}_a$时，即$\frac{h^2}{4s_1^2{f}^2+4f^2{h}^2-w_a^2{h}^2}\≤\frac{1}{4f^2-w_a^2},$当${\mathrm{\α}}_{X_T}>{\mathrm{\φ}}_a$时，即$\frac{h^2}{4s_1^2{f}^2+4f^2{h}^2-w_a^2{h}^2}>\frac{1}{4f^2-w_a^2},$