一种卫星在轨偏航角测量方法

1.本发明涉及一种卫星在轨偏航角测量方法，具体涉及一种基于卷帘快门面阵cmos相机自相关成像的卫星在轨偏航角测量方法。


背景技术：

2.时间延时积分型电荷耦合器件(time delayed and integration charge coupled device，tdiccd)是一种面阵结构、线阵输出的新型ccd，它通过对同一物体多次曝光，利用多级积分来增加积分时间从而增加光能量。与一般线阵ccd相比，其响应度更高，动态范围更宽，在光线较暗的场所也能输出一定信噪比的信号，可极大地改善恶劣环境条件引起信噪比低的不利因素。因此，tdiccd在空间探测航天遥感领域有着广泛应用。
3.tdiccd工作时必须保证像移速率与电荷转移速率的匹配，同时像移方向必须沿着tdi方向，否则会造成相机在tdi方向上和垂直tdi方向上像质的退化。tdiccd多级累积积分的特性，使其必须在较长的累积积分时间内保证像移速度与转移速度的匹配，才能获得清晰的图像。
4.偏航角是卫星光轴方向在水平面上的投影与预定轨迹的切线方向之间的夹角。对于空间相机光轴方向即为tdiccd成像传感器tdi方向，而飞行轨迹切线方向决定了像移方向，因此卫星偏航角决定了tdi方向和像移方向的匹配度，偏航角会导致电荷累加积分过程出现相邻景物融合的现象，从而降低图像质量，对遥感图像的调制传递函数mtf、信噪比snr等成像指标有很大影响。
5.现有测量方法多采用卫星搭载的陀螺仪或角位移传感器，虽然精度足够，但由于与相机不是同一单机，如需在轨修正、计算或图像处理时难于即使获取数据，同时数据传输会大幅挤占宝贵的星上通信资源，同时由于分处不同单机导致数据对应时非常复杂，需要伴随时间戳，同时还需要一定的星上存储能力确保数据延迟匹配，才能达到足够的对应精度，这使得系统臃肿、数据冗余大、资源使用高、实时性差等缺点。


技术实现要素：

6.本发明提出了一种卫星在轨偏航角测量方法，该方法采用具有开窗功能的卷帘快门面阵cmos作为测量器件进行自相关成像，通过图像配准方法检测相关图像偏移量，实现卫星在轨偏航角实时测量。使用可进行开窗操作的卷帘快门面阵cmos作为探测设备，设备安装时需要让面阵cmos卷帘方向与飞行方向(卫星飞行方向)垂直。
7.一种卫星在轨偏航角测量方法，该方法由以下步骤实现：
8.步骤一、采用具有开窗功能的面阵cmos作为卫星在轨偏航角测量器件安装在在卫星焦面；要求所述面阵cmos的卷帘方向与卫星飞行方向相互垂直，并设置面阵cmos成像区域，即：开窗范围；
9.步骤二、调整所述面阵cmos开窗大小，进一步对图像重叠区域进行调节，获得合适的图像重叠区域；
10.步骤三、根据步骤二确定的图像重叠区域，采用图像配准计算重叠成像区图像偏移量；
11.步骤四、根据步骤三获得的图像偏移量计算偏航角，实现卫星在轨偏航角实时测量。
12.本发明的有益效果：
13.本发明所述的卫星在轨偏航角测量方法，该方法采用具有开窗功能的卷帘快门面阵cmos作为测量器件进行自相关成像，通过图像配准方法检测相关图像偏移量，实现卫星在轨偏航角实时测量，为卫星姿态调整提供指导数据，形成闭环控制体系，同时可以根据偏航角数据具体量化评估图像降质程度，如图像调制传递函数(mtf)与预期值间的下降幅度，为后续图像复原、像质提升提供数据依据。
14.本发明所述的卫星在轨偏航角测量方法，利用探测器图像进行偏航参数计算，既能达到足够的精度，又具备充分的实时性，无需额外数据传输，简单直接。
15.本发明所述的卫星在轨偏航角测量方法，使用可进行开窗操作的卷帘快门面阵cmos作为探测设备，能够实时测量卫星在轨偏航角，为图像降质评估和后续图像复原提供数据基础，在航天工程领域具有重要意义。
附图说明
16.图1为面阵成像器件对地重叠成像示意图。
17.图2为偏航角检测探测器安装示意图。
18.图3为通过调整探测器开窗大小从而调节重叠区域的示意图，(a)为全像元成像，(b)为1/2像元成像，(c)为1/4像元成像。
19.图4为利用图像对比算法计算图像间的沿飞行方向和垂直飞行方向相对偏移量的示意图。
具体实施方式
20.具体实施方式一、一种卫星在轨偏航角测量方法，为实现在轨偏航角实时测量，需要进行卷帘面阵cmos成像参数计算以获得足够重叠成像区、卷帘面阵cmos自相关成像、应用图像配准计算重叠成像区图像偏移量、计算卫星在轨偏航角等步骤。
21.卷帘面阵cmos成像参数计算主要用于计算出合适的卷帘面阵cmos开窗尺寸，使卷帘面阵cmos相邻两帧图像具有足够的图像重叠区域。对于面阵cmos，在全尺寸画幅工作模式下帧频是固定值，当卫星飞行速度高于一定阈值后可能导致连续两帧图像之间没有重叠区域，因此这里需要面阵cmos具有开窗能力，通过减小图像画幅提升探测器工作帧频，使得连续两帧图像具有足够的重叠区域。
22.使用卷帘面阵cmos则是为了提升采样频率，提高偏航角数据采集精度，为后续图像复原提供更为精准的数据基础，增强复原效果。全局快门传感器所有像元在同一时间段曝光成像，相当于在这一时间段内进行了一次采样，采样频率等于帧频；卷帘快门分时逐行成像相当于按照卷帘方向对景物依次采样，采样时间是单行曝光时间，采样间隔是行与行之间曝光开始时刻的间隔。使用卷帘面阵cmos作为探测元器件可以大幅提高采样频率，获得更好的采样结果。
23.卷帘面阵cmos自相关成像指的是卷帘面阵cmos成像时重叠区域相互关联的特性，由于卷帘快门特殊的成像方式使得卷帘快门面阵cmos图像具有逐行差异且耦合相关特性，该特性是提高采样频率的根本原因。
24.应用图像配准计算重叠成像区图像偏移量，首先对重叠图像进行分区开窗处理，然后对分区图像应用图像配准方法计算沿飞行方向和垂直飞行方向上的相对偏移量，图像配准方法主要包括灰度投影算法、归一化互相关算法等。
25.得到相对偏移量数据后，计算卫星在轨偏航角，该数据可以用于评估图像降质幅度，也可以作为后续图像复原的数据依据。
26.具体实施方式二、结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种卫星在轨偏航角测量方法的实施例：该方法包括偏航角检测探测器安装、通过调整探测器开窗大小调节重叠区域、卷帘面阵cmos自相关成像、应用图像配准计算重叠成像区图像偏移量、计算卫星在轨偏航角等步骤，以下结合附图进行详细说明。
27.如图1所示，本实施方式利用面阵cmos探测器对地连续成像，得到相邻的两帧图像具有重叠成像区域，图1所示的面阵成像器件对地重叠成像示意图，当面阵成像器件位于位置k和位置k+1时，面阵成像器件分别成像得到第k帧图像和第k+1帧图像，并且第k帧图像与第k+1帧图像之间有重叠成像区域，利用该重叠成像区域计算沿飞行方向和垂直飞行方向的相对偏移量，最终计算得到卫星在轨实时偏航角。具体过程如下：
28.一、如图2所示，本实施方式采用具有开窗功能的卷帘快门面阵cmos作为卫星在轨偏航角测量器件，在卫星焦面安装时探测器卷帘方向与卫星飞行相互垂直，探测器成像区域(也即开窗范围)可以通过设置开窗起始行和开窗终止行来进行调整。
29.二、如图3所示，通过提高面阵cmos探测器的帧频，可以使相邻的两帧图像相互重叠或增大重叠成像区域，采用图像开窗减小成像区域能够提高帧频，通过调整探测器开窗大小从而调节重叠区域的示意图。假设面阵cmos探测器沿飞行方向像元数量为n，垂直飞行方向像元数量为m，像元尺寸为a，行与行之间曝光开始时间间隔为t
row
，像移速度为vi，则重叠区域长度δl为：
30.δl＝na-mt
row
vi31.通过改变m的数值可以改变重叠区域长度，m越小则重叠区域越大。图3中示意了m在不同数值(全像元、1/2像元、1/4像元)下重叠区域变化。选择合适的m，让重叠区域足够大，同时开窗大小也足够大，便于后续偏移量计算。
32.三、在获得合适的重叠区域后，应用图像配准计算重叠成像区图像偏移量。首先对相邻的连续两帧图像的重叠区域进行分区处理，将一帧图像重叠区域按照一定间距分成若干相等大小的连续区域，分区间距为实际采样间隔时间，决定了采样频率大小，如图3所示，将重叠区域沿卷帘方向依次分成若干块。
33.如图4所示，可以依次得到ti1、ti2、
······
、tim时刻的水平方向和竖直方向偏移量，纵向坐标offset即偏移量，在沿飞行方向和垂直飞行方向上的相对偏移量，时刻之间的差值由分区之间间隔图像行数δl决定，即δt＝δl
·
t
row
。
34.四、利用图像对比算法计算上一步骤中处理的重叠图像分区之间在沿飞行方向和垂直飞行方向上的相对偏移量；对于具有重叠成像区域的两帧图像，通过图像对比算法可以计算出它们之间的相对偏移量，其中图像对比算法可以采用现有的偏移量检测算法，例
如灰度投影算法、特征点算法、归一化相关图像匹配算法等，利用这些算法均可以得到两帧图像间的相对偏移量。计算出来的沿飞行方向相对偏移量为δn(像元个数)，垂直飞行方向相对偏移量为δm(像元个数)。
35.五、根据沿飞行方向相对偏移量和垂直飞行方向相对偏移量计算偏航角。由上一步得到沿飞行方向相对偏移量δn和垂直飞行方向相对偏移量δm，则偏航角α为：
[0036][0037]
根据该数据可以用于评估图像降质幅度，也可以作为后续图像复原的数据依据。
[0038]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0039]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种卫星在轨偏航角测量方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：步骤一、采用具有开窗功能的面阵cmos作为卫星在轨偏航角测量器件安装在在卫星焦面；要求所述面阵cmos的卷帘方向与卫星飞行方向相互垂直，并设置面阵cmos成像区域，即：开窗范围；步骤二、调整所述面阵cmos开窗大小，进一步对图像重叠区域进行调节，获得合适的图像重叠区域；步骤三、根据步骤二确定的图像重叠区域，采用图像配准计算重叠成像区图像偏移量；步骤四、根据步骤三获得的图像偏移量计算偏航角，实现卫星在轨偏航角实时测量。2.根据权利要求1所述的一种卫星在轨偏航角测量方法，其特征在于：步骤一中设置的开窗范围通过开窗起始行和开窗终止行来进行调整。3.根据权利要求1所述的一种卫星在轨偏航角测量方法，其特征在于：步骤二中，设定面阵cmos沿飞行方向和像元数量为n，垂直飞行方向像元数量为m，像元尺寸为a，行与行之间曝光开始时间间隔为t
row
，像移速度为v
i
，则重叠区域长度δl为：δl＝na-mt
row
v
i
通过改变m的数值改变重叠区域长度，m越小则重叠区域越大。4.根据权利要求1所述的一种卫星在轨偏航角测量方法，其特征在于：步骤三中，计算图像偏移量的具体过程为：步骤三一、对相邻连续两帧图像的重叠区域进行分区处理，将一帧图像重叠区域按照一定间距分成若干相等大小的连续区域，分区间距为实际采样间隔时间；步骤三二、采用图像对比算法计算重叠图像分区之间在沿飞行方向和垂直飞行方向上的相对偏移量。5.根据权利要求1所述的一种卫星在轨偏航角测量方法，其特征在于：根据沿飞行方向相对偏移量和垂直飞行方向相对偏移量计算偏航角α；用下式表示为：式中，δn为沿飞行方向相对偏移量，δm为垂直飞行方向相对偏移量。

技术总结
一种卫星在轨偏航角测量方法，涉及一种卫星在轨偏航角测量方法，解决现有测量方法要求星上存储能力确保数据延迟匹配，才能达到足够的对应精度，存在系统复杂、数据冗余大、资源使用高以及实时性差等缺点，该方法采用具有开窗功能的卷帘快门面阵CMOS作为测量器件进行自相关成像，通过图像配准方法检测相关图像偏移量，实现卫星在轨偏航角实时测量。本发明通过卷帘面阵CMOS成像参数计算以获得足够重叠成像区、卷帘面阵CMOS自相关成像、应用图像配准计算重叠成像区图像偏移量以及计算卫星在轨偏航角等步骤实现。本发明为图像降质评估和后续图像复原提供数据基础，在航天工程领域具有重要意义。重要意义。重要意义。


技术研发人员：刘海龙 吕恒毅 韩诚山 曲利新
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2022.12.23
技术公布日：2023/8/1