基于高分卫星姿态监测的姿态参数算法优化

目前航天测绘相机几何参数的在轨标定通常经由地面检校场数据处理完成。然而,由于一次摄影中难以保证获取的地面检校场影像完整,使得在轨标定周期较长,进而导致实时监测与标定非常困难。“高分十四号”卫星搭载了一种新的姿态测定系统,利用高精度的相机光轴监测实现对相机几何参数的在轨实时标定。文章在此基础上对高分卫星星地相机间夹角在轨解算方案进行了优化,并基于数值仿真和在轨实测数据进行了分析,结果显示优化算法可以进一步提高影像内定向稳定度和最终的定位精度,未来有望在高精度立体测绘应用中发挥重要作用。     

CBERS-02B卫星高分辨率相机的在轨调焦方法

卫星发射时的振动、由空气到真空环境的转变、微重力的影响等因素都可能会改变相机的焦面位置,导致相机焦面位置发生变化。CBERS-02B卫星在轨测试期间,对高分辨率相机进行了在轨调焦,并取得了明显效果。文章对高分辨率相机的在轨调焦方法和调焦结果进行介绍。     

“高分四号”卫星相机热控系统设计及验证

"高分四号"卫星搭载的相机具有较高的分辨率和指向精度,需相机光学系统及主承力结构在全寿命周期内保持高温度稳定性,且该相机工作于地球静止轨道,所处空间热环境更为复杂,给热控设计带来极大挑战。文章结合相机在轨成像需求和空间热流特点,详细分析了相机热控设计的重点与难点,并创新性的采用了遮光罩开设散热面、间接辐射控温、南北耦合散热面等热控措施,实现了高轨相机的高精度温度控制。热平衡试验与在轨飞行温度数据表明,相机的热控设计合理可行,能够满足相机在轨成像的温度要求,为未来高轨大口径光学相机高精度、高稳定性热控设计奠定了良好的基础。     

高分七号卫星基于尺寸稳定的整星热设计

尺寸热稳定性是高分七号卫星热设计的重要组成部分,是保证卫星在轨期间相机光轴指向稳定的核心要素。为保证高分七号卫星高成像精度,结构件大量采用高强度、低热膨胀系数的氰酸酯基体碳纤维材料。将卫星设备散热与内部热设计进行一体化设计的支架是保证相机、测高仪指向精度的关键部件,通过布置合理热控措施,实现温度水平和稳定性的控制,保证一体化支架的尺寸稳定;大热耗短期工作的数据处理器外挂独立散热板、激光测高仪主体和散热板功率补偿一体化设计,避免了外舱板温度的剧烈波动,有效减小了热变形对一体化支架的影响,从整星层面保证了尺寸稳定性。     

“高分二号”卫星相机热控系统的设计与验证

为了保证相机在轨成像品质和指向精度,相机光机部件的控温要求需全寿命周期温度稳定性优于±0.3℃。文章根据"高分二号"卫星相机在轨成像需求,详细分析了相机热控设计的重点与难点,并创新性的采用了辐射主动控温措施对相机进行高精度的温度控制。热平衡试验和在轨飞行温度数据表明,相机热控设计合理可行,热控措施能够很好的满足在轨成像时所需温度要求,同时证明了辐射主动控温方法具有很好的控温精度和鲁棒性,在未来空间相机高精度、高稳定性热控设计中具有很好的应用前景。     

星载激光测高地面数据处理设计研究

星载激光测高技术是对地观测系统中最为核心和前沿的信息获取技术之一,因其具有探测方向性好、测距精度高等特点,在地球科学领域中体现出了巨大的应用潜力。在ICESat/GLAS测高地面数据处理系统的基础上,针对将于今年发射的高分七号卫星的载荷特点,设计了一套星载激光测高地面数据处理系统软件。该软件可实现对星载激光测高数据的地面处理并生成3级数据产品,包含激光能量计算、波形分解和激光脚点定位等,以及相应各级产品的数据质量控制处理。利用高分七号仿真数据对该软件进行相应的性能测试,测试结果表明:该系统软件基本满足需求,已初步具备星载激光测高地面数据处理能力。     

基于刃边法的星载相机在轨MTF测量精度分析

调制传递函数(MTF)反映可见光对地遥感系统在对地物成像过程中信号的扩散与削弱程度,是表达系统辐射性能的重要指标.文章对星载可见光CCD相机在轨MTF主要测量方法进行比对分析,通过数据仿真,重点对随机噪声、边缘探测与拟合等主要影响刃边法精度的因素进行了分析.分析结果表明,计算所用刃边法能够较准确地计算可见光遥感系统的M...     

基于扩展卡尔曼滤波的星敏感器在轨几何标定

星敏感器在轨几何标定是消除其系统测量误差,提高姿态确定精度的有效手段之一。目前利用星对角距相等进行星敏感器在轨标定时,大多采用最小二乘求得全局最优的静态待标定参数,但没有完全反映出恒星相机工作期间受外太空环境变化导致内部参数发生的微小动态变化。为了进一步提高星敏感器参数的在轨标定精度,文章在对星图识别结果预处理的基础上,引入扩展卡尔曼滤波对当前星图时刻对应的相机参数进行实时标定,动态获取当前最优参数值。利用该文所提方法对"资源三号"01/02星国产星敏感器进行在轨标定,试验结果表明所提方法能够有效标定当前星敏感器的参数误差,其精度优于传统的最小二乘标定方法,验证了该方法具有更好的适应性和可靠性,为星敏感器的在轨几何标定提供了一种技术参考,可用于卫星在轨实时标定或地面卫星姿态后处理。     

一种基于调节三镜的空间光学相机离焦补偿方法

离焦补偿是空间光学相机获得良好成像品质的关键。文章基于空间光学相机的技术特点分析其离焦补偿方法,提出调节三镜的离焦补偿方法。利用CODE V光学软件对某高性能光学小相机的光学系统进行仿真分析,获得离焦补偿精度、离焦补偿范围与系统成像品质的关系。为保证光学系统对移动三镜倾角控制要求,对三镜调焦机构直线精度及其力学稳定性进行了测试,最后对相机进行了地面外景成像验证与在轨测试。仿真及试验测试结果表明,调节三镜能有效地补偿空间三反相机在轨各因素引起的系统离焦,满足相机在轨成像品质要求。     

空间相机次镜在轨校正仿真分析

针对空间环境变化引起的面形误差和位置误差导致空间相机成像品质下降的情况,提出一种次镜调整补偿系统像差的多软件联合仿真方法。采用次镜调整来补偿系统像差的方法,利用条纹泽尼克多项式来拟合系统波前像差,建立像差系数和次镜调整量之间的多视场灵敏度矩阵模型,进而通过最小二乘法迭代计算求解出各调整量,实现次镜在轨校正的闭环控制。以偏视场同轴三反消像散光学系统为例进行仿真分析,次镜多次迭代调整可以使系统多个视场的波像差接近原始设计值。仿真结果验证了次镜在轨调整的像差补偿作用,为空间相机在轨主动像差校正技术提供了工程应用参考价值。     

高分七号卫星双线阵相机关键技术设计

光、机、热稳定性直接影响高分辨率、大比例尺测绘相机内外方位元素的稳定性,进而影响卫星地面定位精度和高程精度。文章介绍了高分七号1∶1万立体测绘卫星的主要载荷——双线阵立体测绘相机,为实现高稳定性在光学、结构、热控等方面采用的设计手段,通过真实温度场的光、机、热联合仿真分析方法,结合在轨测试结果,证明该相机设计能够满足1∶1万比例尺高分辨率测绘所需的内、外方位元素稳定性要求。     

空间机械臂可见光测量相机参数标定技术研究

空间机械臂可见光测量相机参数标定是制约空间合作目标三维位姿测量精度的关键技术和重要前提,它直观表征了视觉标记三维坐标与对应的二维图像坐标之间正确的映射函数。针对现有相机内外参标定方法操作步骤繁琐、积累误差大、标定精度低等工程问题,文章提出一种空间机械臂可见光测量相机内外参标定方法,引入高精度二维棋盘格标定靶与基准镜共同作为转换中介,且在相机有效观测视场内随意移动标定靶,分布式解算相机内参和外参。试验表明,相机内参离散度均不超过±0.3像元,角点重投影误差均不超过±0.5像元;外参六自由度分量标准差均不超过(0.6mm,0.05°)。上述标定方法具有较强的可操作性,极大简化了坐标转换计算复杂性,有效降低了标定过程中产生的积累误差,为机械臂实施视觉闭环自主捕获合作目标提供了可靠依据。     

高分七号卫星测绘体制与性能评估

回顾了我国光学立体测绘卫星研制历程,介绍了高分七号卫星系统总体方案,对卫星工作模式、主要设计参数进行了描述。比较单线阵、双线阵和三线阵测绘体制的优缺点,从基高比选择、激光测高辅助测绘两方面论证了卫星立体光学测绘体制选择的合理性。利用卫星在轨期间星敏感器、陀螺、激光测高仪、双线阵相机温度场等数据分析结果,对卫星在轨期间姿态测量、激光测高、结构稳定性等影响卫星立体测量精度的指标进行了评估。通过仿真评估,卫星可实现1∶1万比例尺精度要求,平面定位精度达到5 m,并通过激光辅助测高的支持,高程精度可以达到1.5 m。     

“高分四号”卫星影像辐射与几何精度评价

"高分四号"(GF-4)卫星是中国首颗高分辨率静止轨道面阵凝视光学遥感卫星,载荷首次采用面阵CMOS探测器在36 000km高轨成像、基于面阵成像构建在轨相对辐射校正模型、面阵相机光学畸变在轨检校。文章首先分析了影响GF-4卫星影像辐射质量(quality,以下同)与几何精度的关键因素,然后介绍了高轨面阵成像处理模型的构建技术,最后分析评价了GF-4卫星影像的辐射质量、几何质量和处理精度。结果表明:GF-4号卫星全色多光谱影像的平均行标准差、平均标准差和广义噪声等相对辐射精度指标均优于3%,典型地物信噪比平均优于40d B。影像内部畸变在垂轨和沿轨方向均优于0.8个像素。     

线扫描相机标定及畸变矫正方法

线扫描相机由于其高分辨率以及高数据处理效率的优势,使得其在测量领域的应用越来越广泛。但线扫描相机也会因光学系统畸变的存在影响成像的几何位置精度,造成图像的失真。文章面向线扫描相机标定及畸变矫正的应用需求,提出一种将一维数据映射到二维数据而不改变原始数据的方法,以利用面阵相机的标定方法来标定线扫描相机。在标定过程中,采用新型的标定板来创建世界坐标系与图像坐标系之间的关系。文章利用数字图像处理的方法,对光学镜头自身畸变进行标定和矫正,基本消除了由于图像变形而产生的测量误差,有效解决了由于镜头畸变而降低图像中物体的几何位置精度的问题。     

多视场遥感图像虚拟焦面拼接理论误差分析

随着遥感对地观测技术的发展,对大视场、宽幅数据的需求日益增加,经常需要通过多幅遥感图像拼接来满足图像幅宽的要求。由多台相机同轨同时成像并拼接获取大幅宽遥感图像可以解决图像幅宽的问题。目前主要采用基于匹配的图像域拼接方法或根据成像几何关系生成虚拟拼接图像的方法获取宽幅图像。而生成虚拟拼接图像的方法物理意义明确且拼接后图像具有经典成像几何关系,成为图像拼接发展的趋势。文章根据同轨多视场图像虚拟焦面拼接原理,由摄影测量严格共线方程几何定位模型推导了多台相机不同视场图像的理论拼接误差计算公式,得出拼接误差的主要误差源;并仿真实验分析了拼接理论误差对图像拼接的影响,为多台相机拼接获取宽幅图像的设计和应用提供一定参考。     

航天相机快速定焦的关键参数

在航天相机的装调中,焦平面的位置是影响航天相机的成像质量的关键因素,如何准确且快速地在实验室环境中预置相机的焦平面是体现光学装调水平的重要指标。通过深入研究定焦原理,建立光学模型进行理论推导和光学仿真,发现了定焦过程中平行光管焦面的离焦量与相机焦面组件的偏移量之间的定量关系,提出了离焦放大率的定义并将其作为定焦关键参数进行定焦的方法,克服了传统定焦方法中应用恒定值的轴向放大率定焦而需要反复迭代的缺陷。实验结果表明:装调实例的装调效率较传统装调方法提高了约3倍。由于对焦平面的精度要求主要取决于镜头的焦深大小,因此大相对孔径短焦的相机对焦面偏移量更为敏感,使用该关键参数指导装调,可以快速准确地确定最佳焦面位置,降低反复拆装焦面组件的风险,尤其适用于短焦相机的定焦,能大大节省工作量,提高装调效率。同时,由于离焦放大率和平行光管焦面的离焦量成线性关系,也有利于进行多个具有相同光学参数的相机的快速定焦。     

遥感卫星全视场成像质量仿真方法研究

基于卫星工具包(STK)和MATLAB软件,提出了一种对卫星全视场成像进行物理建模分析的交互仿真方法。以一颗运行在650km高度的太阳同步轨道、具有侧摆能力的遥感卫星为例,对相机在运动中的全视场积分时间偏差和全视场偏流角修正残差进行了仿真分析。仿真结果表明,文章提出的方法能够较精确地对相机在轨全视场的成像质量进行分析,从而可用于在轨成像性能预估。该仿真方法还能以卫星工程数据作为输入,用于卫星星上算法验证、在轨误差分析补偿等方面,为保障卫星在轨成像质量发挥作用。     

SpaceMocap：在轨人体运动捕捉系统

SpaceMocap是一套基于多RGB-D相机的计算机视觉航天员运动捕捉系统。地面准备阶段，扫描航天员模型，并分别标定彩色相机的内参数。在轨采集阶段，3~4台相机布置在舱内角落，同步采集航天员任务视频。地面处理阶段，通过相机外参数标定和ICP方法实现点云融合，采用深度神经网络对人体关节点位置进行检测并初始化位姿参数，再用改进的ICP方法进行位姿求精，实现序列图像中关节角度跟踪。本系统搭载TG-2升空，对SZ-11航天员的任务视频进行了采集和处理，首次获取了在轨航天员的姿态(包括中性体位)、占位空间、运动参数等重要数据。结果表明，运动捕捉的模型与点云具有良好的重合度，关节点位置与关节角度具有较高的跟踪精度。SpaceMocap是我国首个在轨运动捕捉系统，它小型、轻质，具有计算机视觉特有的非接触测量、直观、高精度优势，无需在人体上粘贴任何标志，具有良好的抗遮挡能力，完全适用于微重力、狭小空间环境下的在轨应用 。     

基于热平衡试验的某空间相机热光学集成分析

为研究某空间相机温度场变化对光学系统性能的影响,利用该空间相机热平衡试验温度测试结果,开展了相机光机主体的热光学集成分析,并依次完成了相机温度场反演、热变形分析、光学系统性能分析,以及热光学分析结果同试验测试结果的对比。结果表明：温度是影响该相机光学系统性能的主要因素之一;将光机主体温度控制在设计值能够最大程度上减小热变形对于相机光学系统性能的影响;而当光机主体温度发生变化时,热变形会使得相机焦面偏离初始焦面位置,因此需要对相机进行合理的温控设计并配合焦面调焦来满足在轨成像的需要。