[发明专利]基于平行观测的星载推扫式光学传感器高频误差消除方法

摘要

本发明涉及一种基于平行观测的星载推扫式光学传感器高频误差探测方法，属于航空航天领域。该方法通过分析TDICCD器件使当前高分辨率对地光学卫星的主流成像器件，分析得出在利用全球SRTM‑DEM数据获取高程的前提下，平行观测中的同名交会误差可能是由成像几何参数中的高频误差和内方位元素误差造成，并提出内方位元素误差属于较为稳定的系统误差，在一段时间内不会发生变化或者变化不显著，可通过在轨检校消除。通过对平行观测中同名点的提取，计算同名点交会误差，实现高精度的在轨检校，精确恢复相机内方位元素后建立几何定位模型，在SRTM‑DEM辅助下计算同名点交会误差。对交会误差进行频谱分析，即可探测高频误差的频率、振幅等信息。

主权项

1.基于平行观测的星载推扫式光学传感器高频误差探测方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，CCD搭接区特征点配准；采用几何定位模型，计算相邻CCD线阵重叠像素，以重叠像素数作为同名点搜索的最大窗口，以尽量保障为每一行影像获取同名点，以便探测更高频率的误差；匹配过程基于相关系数测度确定像素级配准点位，进一步基于最小二乘匹配获取子像素级点位；给定CCD1线阵上一点(x₁,y₁)，其同名点，即子像素级点位，获取方法如下：步骤1.1、基于几何定位模型，计算CCD1线阵、CCD2线阵重叠像素数overlap，以该重叠像素数overlap为相关系数配准的最大搜索窗口；步骤1.2、基于几何定位模型，计算(x₁,y₁)对应的地物坐标(X,Y,Z)，并计算(X,Y,Z)在CCD2线阵上对应的像素坐标步骤1.3、以为中心，以重叠像素数overlap为最大搜索窗口，按下式逐点计算与以(x₁,y₁)为中心的领域的相关系数；并取最大相关系数点位(x'₂,y'₂)作为像素级配准点位；式中：i、j分别为像素所在行数、列数；(c，r)为搜索区中心的坐标；w,h分别表示相关系数计算窗口的宽、高；g、g′分别表示CCD1线阵、CCD2线阵影像灰度；分别表示CCD1线阵、CCD2线阵影像灰度的平均值；为(x₁+r，y₁+c)点的灰度；为(x₂+r，y₂+c)点的灰度。步骤1.4以点位(x₁,y₁)、(x'₂,y'₂)作为初值，按式(2)进行最小二乘匹配，获取子像素级配准点位(x₂,y₂)，即完成配准；步骤2，同名点粗差探测，去除误匹配点对；由于各线阵CCD上存在辐射差异且部分区域缺乏纹理特征原因，误匹配几乎难以避免，从而对高频误差探测及消除造成较大影响；因此，需要对误匹配点对进行剔除；将同名点对相对位置关系按横坐标作为时间，纵坐标作为像素建立关系坐标系；对同名点原始相对关系进行中值滤波，对比同名点原始相对关系和该中值滤波结果，若同名点原始相对关系与中值滤波结果之差大于预设阈值，则判定为误匹配点，则剔除该点；步骤3，高频误差计算；通过在轨几何检校消除相机的内方位元素误差后，平行观测中的同名点交会误差即为高频误差的具体表现；定义平行观测同名点对分别成像于t₀时刻和t₁时刻，则同名点交会误差表示为：式中，(ΔX ΔY ΔZ)^T为定位误差；为t₀时刻的定位误差；为t₁时刻的定位误差；显然，如果t₀时刻和t₁时刻星上误差不同，则导致定位误差不相等，即从而产生同名点交会误差；通过对该公式的分析能够看出，卫星的高频误差即为高频姿态误差，则基于偏置矩阵对姿态误差的补偿原理，在式(3)中引入姿态补偿矩阵：式中，(ΔX ΔY ΔZ)^T为定位误差；为t时刻对应的姿态补偿矩阵，定义如下：其中，ω_t、κ_t为待求解的姿态补偿角；现引入相对姿态概念，通过求解相对姿态消除高频姿态误差对几何定位模型的影响；令A1代表卫星成像过程中的真实姿态，A0代表星上下传的姿态；如果以前一时刻t₀的定位模型为基准，仅通过解求后一时刻t₁相对于t₀的姿态补偿矩阵来消除同名点交会误差，则实际求解恢复的姿态为A2；通过对比可知，恢复姿态A2的过程能够恢复不同时刻姿态间的相对关系；当利用A0姿态进行几何处理时，姿态误差为随机误差；而当利用A2姿态进行几何处理时，姿态误差为系统误差，则对影像的相对定位精度而言，A2与真实姿态A1具有等效性；因此，通过恢复A2，不仅可以简化求解，也可以求解高频姿态误差；当不考虑时间因素时：根据对同名点基于几何定位模型及全球SRTM‑DEM计算对应的地物坐标，得到控制点；当行上控制点数≥2，则可用常量偏置矩阵方法求解t₁时刻对应的姿态补偿矩阵R_offset；当行上控制点数<2时，无法求解；当考虑时间因素时：以同名点交会误差的相近程度作为归类测度，对所有同名点进行分组，逐组求解姿态补偿矩阵，降低误匹配的影响；在CCD1、CCD2上获得N对同名点对(x_ccd1,y_ccd1,x_ccd2,y_ccd2)_i,i≤N，并且y_ccd1＜y_ccd2，对所有同名点根据相近程度进行分组，并逐组求解姿态补偿矩阵的具体求解流程如下：(1)将所有同名点对按y_ccd1升序排列；(2)基于几何定位模型及SRTM‑DEM数据计算(x_ccd2,y_ccd2)_i对应的地物坐标(X,Y,Z)_i；(3)基于几何定位模型求出(X,Y,Z)i在CCD1上对应的像点坐标(x'_ccd1,y'_ccd1)_i；(4)计算CCD1同名点交会误差：(Δx,Δy)_i＝(x'_ccd1‑x_ccd1,y'_ccd1‑y_ccd1)_i，i≤N          (6)将式(6)得到的带入公式(3)即可求得CCD1同名点交会误差；(5)对相邻同名点交会误差按下式比较，若差值在阈值d范围内，则该两对同名点处于同一组；否则，创建新组；(6)若某一组成员少于预设值，则删除该分组；(7)当某组内含m个成员，(x_ccd1,y_ccd1,x_ccd2,y_ccd2)_i,i≤m，利用步骤3中的方法求解该组的姿态补偿矩阵R_offset，该姿态补偿矩阵的作用域按式(8)定义；遍历并求解所有分组的姿态补偿矩阵，则能够得到每个分组的姿态补偿矩阵，以及每个分组姿态补偿矩阵对应的作用域；min({y_ccd1}_j,j≤m)＝y_min≤y≤y_max＝max({y_ccd1}_j,j≤m)           (8)(8)对于t时刻的姿态，遍历步骤(7)得到的所有分组的姿态补偿矩阵以及所有作用域，利用作用域包含t时刻的姿态补偿矩阵按下式更新姿态数据；若不存在作用域包含t时刻的姿态补偿矩阵，则采用最邻近的前后两组的姿态补偿角按线性内插获取更新后的姿态补偿矩阵；更新后的姿态补偿矩阵带入公式(4)中即可消除高频误差。