偏场使用的同轴三反系统畸变稳定性仿真分析

针对测绘图像几何精度对光学镜头畸变稳定的要求,仿真分析了一偏场使用的同轴三反光学系统镜头的畸变稳定性,从而论证该光学镜头用于测绘相机的可能性。将光学系统畸变误差源分解为加工误差、装调误差、工作温度变化引入的误差、以及调焦引入的误差4个主要部分,利用光学设计软件仿真分析了各误差源单独做用时对光学镜头畸变的影响情况,仿真结果表明在引入误差源的情况下,所分析的光学镜头的相对畸变不变,绝对畸变的最大变化范围小于2个像元尺寸,光学镜头的畸变稳定,有用于测绘相机的可能性。     

三线阵相机体系定向模型研究

针对星载三线阵相机结构特点,提出一种新的三线阵相机体系空间方位表达形式,其中采用正视相机的外方位元素以及前、后视相机相对于正视相机的投影中心空间偏移量和相对旋转角共18个定向参数,以体现三线阵相机体系在动态成像过程中的内部几何关联。将该形式引入摄影测量光束法平差模型,有利于减少三线阵相机在多基线观测情况下的定向参数,提高定向解算的稳定性。仿真数据试验结果表明,文中提出的定向模型在同等的地面控制条件下能有效提高三线阵相机的摄影测量精度,为三线阵影像的几何处理提供新的技术途径,可望在三线阵影像空间信息提取中得到应用。     

卫星线阵立体影像的倾斜仿射变换核线模型

核线约束是构建摄影测量立体模型的重要条件。由于卫星线阵影像的多中心投影特性，难以建立其严格的核线模型。文章从上下视差最小的同名核线特征出发，在仿射变换模型基础上引入核线倾角变化参数，提出一种新的倾斜仿射变换核线模型。通过“无误差”的虚拟同名点仿真试验表明，文章提出的模型受影像范围及地表高差影响较小，在影像区块6 000像元×6 000像元、地表高差1 000m情况下，对于不同形式卫星立体影像的模型误差均小于1个像元。进一步使用实际匹配同名点平差，实验表明：对于SPOT-5、“资源三号”和“高分七号”等卫星影像，文章模型误差相对于匹配观测误差可忽略，实际核线精度在整景影像范围内优于0.8像元，所生成核线影像能够满足后续密集匹配要求。新模型的精确性和普适性相比现有同类模型显著提升，可实际应用于卫星摄影测量处理。     

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。     

双自旋卫星的姿态运动和控制

本文引入卫星动力学等效概念,把单自旋卫星的动力学分析、制控的概念和方法推广应用到双自旋卫星。提出了双自旋卫星的双脉冲闭路控制的设计方案。分析了由于结构误差引起的摆动,给出了摆动角的计算公式和卫星姿态的稳定判据。论证了管一球武章动阻尼器也适用于双自旋卫星。证明了章动阻尼器不能消除摆动,甚至对卫星姿态误差产生不可忽视的影响;最大姿态误差角等于章动角和摆动角之和。最后,用仿真试验验证了分析结果。     

一种空间推扫型光学成像系统几何映射方法

卫星光学遥感器在轨成像会受到颤振的影响,因此图像品质受姿态稳定度的影响很大,而高分辨率图像受到平台误差的影响更加明显。通过研究空间相机的几何模型,提出了一种从地球坐标系到空间光学遥感器坐标系之间的转换关系;分析了在轨卫星的姿态误差和运动源,并在几何模型中加入了内外方位元素特征;然后进行了空间TDICCD相机的成像仿真实验。为了在像面上模拟颤振,分别进行不同模态的颤振仿真,并且对视线范围内多模态综合作用进行仿真。仿真实验是基于三个轴系方向的,并且计算了TDICCD仿真图像的几何畸变量,模型中几何畸变量的测量尺度达到亚像素级,结果有利于指导卫星平台和遥感器的参数设计。     

遥感卫星双相机组合成像偏流角修正残差分析

针对国内遥感卫星工程中使用的双相机组合成像的配置,分析了双相机组合成像在偏流角修正中可能引入的误差,提出了一种通用的几何分析模型。基于全视场成像仿真方法,结合卫星实际场景,对卫星在不同姿态机动状态下的模型有效性进行了验证。研究结果表明:使用双相机组合成像的卫星,在无姿态机动(星下点成像)或常规侧摆机动时,成像质量基本不受影响;而俯仰机动时,系统将存在较大的偏流角修正残差,因此设计双相机组合成像卫星时不建议采用大角度俯仰机动成像。     

月球车鱼眼相机的标定方法研究

提出了一种两步法来高精度地标定月球车中鱼眼相机的方法.第一步,采用球面投影方程来表示鱼眼相机的成像模型,并建立球面投影与透视投影间的转换关系.利用直线在球面投影中的像为椭圆弧这一性质,求得球面投影中像主点坐标和球半径.第二步,用求得的上述参数将球面投影图像转化为透视投影图像,并进行相机内参数的标定.用新标定得到的像主点坐标和球半径代替上次结果,再次进行投影转换和内参数标定,按此进行迭代计算,直至标定结果收敛于设定阈值.最后,本文还通过了一组实验验证了该方法的正确性.     

传输型测绘相机内方位元素误差对高程精度的影响分析

文章通过对摄影测量学中基于空间前方交会的点投影系数法进行分析,建立了摄影测量的高程误差方程,重点分析了传输型测绘相机内方位元素误差对高程精度的影响。以1∶50 000比例尺地图产品为例,分析了某测绘相机的相机主距、主点位置、畸变等内方位元素对高程精度的影响程度,提出在测绘相机研制过程中在保证高程精度方面应注意的问题。     

“高分四号”卫星相机镜头像质检验技术

大口径相机由于比刚度低等原因,结构重力变形较大。重力造成的波前误差不可忽略,装调测试必须要重点关注,采用特定的方法测试、验证镜头的零重力波前误差,以保障在轨飞行重力释放时相机能够实现较好的成像品质。文章针对"高分四号"卫星相机镜头的重力变形情况进行了分析,主要包括镜头敏感元件的公差分析、次镜及前镜筒组件的结构力学仿真分析。通过分析确定镜头重力变形的敏感位置以及重力变形的量级,在装调测试过程中使用光轴水平旋转测试以及光轴垂直测试对镜头的零重力像质进行检验,两种状态的测试结果相互印证,与仿真结果吻合。     

空间飞行器交会对接相对位置和姿态的在轨自检校光学成像测量算法

空间飞行器交会对接的最后逼近阶段，通常采用光学成像敏感器来测量跟踪飞行器和目标飞行器之间的相对位置和姿态。考虑到飞行器在轨运行期间，CCD相机受空间环境的影响，其内参数会发生变化的实际情况，提出了一种单CCD在轨自检校光学测量方案，其主要特点是飞行器在执行测量任务时，可同时进行相机内参数的自检校。首先根据严格的中心投影共线条件方程，推导出目标飞行器光学特征点坐标和对应的像点坐标与内参数及相对位置和姿态的严格解析关系；然后建立了内参数及相对位置和姿态的解析表达式；提出了目标航天器上光学特征点的布设要求。通过严格的理论分析和数值仿真，单CCD在轨自检校光学测量方案具有可靠性高、精度高、算法易实现、适应能力强等优点。     

基于严格成像模型的卫星姿态角系统误差补偿

为消除卫星在轨运动过程中俯仰、偏航、滚动对遥感影像地面定位的影响,建立了卫星姿态角系统误差补偿模型,即在严格成像模型的基础上,对姿态角进行直接调整,以减小定位误差。利用环境减灾-1B（HJ-1B）卫星CCD1相机遥感影像进行分析,在单景影像的定位中,借助于2个地面控制点,将其系统误差减小到原来的1/3,从而验证了模型的有效性,为进一步在轨检校相机内部静态参数提供了前提。     

敏捷卫星像移补偿残差计算及对成像影响分析

通过分析敏捷卫星相机像移模糊机理,计算了对偏流角和行频像移补偿后的残差,并对其引起调制传递函数(MTF)的下降进行了仿真计算。结果表明,敏捷光学成像卫星相机设计中行频控制残差对成像质量的影响不容忽视,宜选用像元数少的时间延迟积分电荷耦合器件(TDIC-CD)予以解决。文章的研究结果对敏捷卫星的总体指标设计具有参考价值。     

高分辨率相机对安装底板微振动幅值的要求分析

相机安装底板作为卫星和相机的接口,其微振动量级对卫星、相机都很重要。总体设计经常把相机视为刚体,忽略了相机弹性和扰振频谱的耦合,使得计算出现误差。文章将相机视为弹性体,利用有限元软件和CODEV建立了结构、光学模型,分析了安装底板1μm平动位移以及0.1″转动位移对相机像移的全谱段影响,并反推得到了相机对安装底板微振动的频域要求。结果显示,以像移不超过0.35个像元(像元大小7μm)为指标,某分辨率1m的相机的安装底板在敏感频率处的平动位移幅值不应超过0.01μm,角位移幅值不应超过0.003″,该分析可以为总体设计初期提供参考。     

航天器近程编队自主协同相对导航方法

针对GNSS(全球导航卫星系统)拒止环境下近圆轨道多航天器近距离编队自主协同相对导航问题,提出了利用测角相机偏离航天器质心安装时的杆臂效应和多航天器之间几何一致性约束来实现相对导航的方法。首先,在第二轨道坐标下分别建立了基于Hill Clohessy Wiltshire方程的多航天器编队相对轨道演化模型、测角相机偏离质心安装情况下的相对视线角测量模型;然后,引入多航天器之间几何约束建立了相对轨道状态的一致性约束模型,并基于该约束模型设计了一致性扩展卡尔曼滤波估计算法;接着,对所建立的相对导航模型进行了相对轨道状态的可观测性分析,得到了使相对轨道可观测的相机偏置安装条件;最后,通过数值仿真实验对所提算法进行了校验,并与一致性无约束条件下的估计算法进行了对比分析。仿真结果表明,本文所提算法的相对位置误差能够快速收敛,在5 m传感器偏置和10 -3 rad量级测角误差条件下,多航天器相对定位误差在10 m以内。     

“资源三号”卫星三线阵影像几何质量分析

文章首先简要叙述了基于＂资源三号＂（ZY-3）卫星三线阵TLC影像的严格几何成像模型,然后建立了针对外方位角元素的系统误差补偿模型与相机视向量几何检校模型。经地面系统检校后,采用地面高精度控制点数据对非同时相影像进行试验,并对影像平面精度进行分析评价。结果显示ZY-3三线阵TLC影像无控制点状态下外部定位精度优于6像元,内部几何变形优于1.5像元。     

一种上下视差最小的线阵影像核线确定方法

建立核线约束是保证立体影像匹配准确性和可靠性的重要条件。由于线阵影像的多中心投影性质,难以对其建立严格的核线模型。文章在假定线阵影像局部范围内核线为直线前提下,提出一种基于RFM模型的同名核线求取方法。首先通过RFM生成的立体影像同名点直线拟合度测试获取核线倾角初值,再以抛物线拟合法精确求出核线倾角,从而得到具有最小上下视差的核线方程。根据ZY-3、Pleiades、SPOT-5、QuickBird等卫星线阵立体影像的试验结果得出:该方法所求核线对在5 000像元×5 000像元范围内上下视差中误差最大不超过0.6像元,核线精度明显优于投影轨迹法结果。不同影像核线倾角变化呈现不同规律:ZY-3卫星的影像核线几近平行,而SPOT-5和QuickBird卫星的影像核线倾角变化率较大。该结论将为构建线阵影像的核线平差模型提供参考。     

相机摆放方式对推扫成像试验的影响分析

为了减小空间TDI CCD相机外场成像过程中相机摆放方式引入的误差,更准确地评价相机成像性能,提出了一种相机最佳水平摆放角、半径以及成像仰角的计算方法。建立了推扫成像的像移矢量数学模型,定义了像移矢量与水平摆放角、半径之间的函数关系,对工程近似进行了误差分析。建立了相机仰角与像移失配率之间的函数关系,提出了最佳仰角的计算方法。分析结果表明：在常规大气条件下,水平摆放角为0°,摆放半径为0, 仰角为7°时,相机摆放方式对成像影响最小,成像结果最能客观反映相机性能。     

基于四元数的偏流角跟踪与条带拼接成像研究

根据小卫星星载相机存在后视角或安装相机摆镜导致相机实际光轴无法与星体主轴平行的状况,为避免用欧拉角时的姿态解算与转序问题,提出了一种基于四元数的卫星偏流角跟踪与条带拼接成像姿态控制方法。用四元数描述卫星姿态,根据相对轨道系目标四元数,绕相机光轴转动偏流角,以此作为成像模式目标四元数,实现绕空间轴的偏流角跟踪控制。给出了姿态规划算法:固定偏置姿态确定偏流角跟踪后的目标姿态和目标角速度,用迭代法提高偏流角控制精度,并在姿态机动过程开始即进行偏流角跟踪,保证姿态机动到位和高精度偏流角跟踪的同时实现。基于内干扰力矩前馈方法设计了姿态机动控制律。以同轨双条带拼接成像为例,给出了成像控制方法:在对日或对地定向基础上,计算偏置目标姿态和目标角速度,并调用姿态机动控制算法;姿态机动到位后,若需当轨完成多目标姿态机动,则用姿态机动控制算法保持姿态偏置飞行和偏流角跟踪控制。数学仿真结果验证了该算法的有效性和高精度。     

应用激光测高仪提高测绘卫星定位精度的研究

双线阵立体测绘卫星定位对外方位元素的测量精度要求高,然而布设控制点成本高,缺少全世界范围内的控制点。针对这一问题,提出应用星载激光测高仪提高定位精度的方法。首先,分析了双线阵立体测绘卫星和激光测高仪的误差特性,即测绘相机定位精度受外方位角元素影响比较大,激光测高仪高程精度受角元素影响相对较小。然后,论证了用激光测高仪提高定位精度的可行性。在相同的卫星平台定向辅助数据下,激光测高仪高程精度要比测绘相机高得多,可以作为高程约束提高定位精度。最后,应用光束法平差原理对激光测高数据作为高程约束进行了仿真试验。结果表明,加入激光测高数据可将双线阵立体测绘卫星的高程精度由8.0m提高到约3.5m。此方法可为实现全球无控制点测绘提供一定参考。