论文部分内容阅读
[摘 要]针对航天星上在轨图像智能处理需求，设计了针对光学推扫式对地红外相机产生的拍摄图片及星上GPS对应地球经纬度进行建模及坐标相应转换的嵌入式DSP解算软件，该软件主要基于传统严格几何成像模型进行算法改良，搭建出更为适用于星上实时处理的高精度定位解算模型-星上几何模型，辅以星上参数修正和定期上注修正参数，提高星上直接定位精度，通过高精度定位误差分析，简化误差源，提高定位解算计算速度。
[关键词]定位解算，星上几何模型；高精度定位误差分析；误差源；DSP；
中图分类号：TP783 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）38-0027-02
1 引言
随着智能时代的到临，各类航天航空的星载产品的设计理念也有了突破性的发展，此外由于光学影像质量的不断提高，利用遥感图像进行跟踪定位已经成为遥感图像应用的重要组成部分。在遥感影像“看得清”的基础上，使其“测得准、定的快”已然成为判断高分辨率卫星影像性能和应用潜力的一个关键性指标。由于遥感影像的获取涉及诸如光学载荷、GPS、恒星敏感器、时间计数器等多载荷类复杂问题。而在影像获取过程中，这些因素都可能导致图像发生几何畸变，这些都会严重影像利用该影像进行定位的精度。现今，使用较多的是将图像数据等传输至地面，在地面利用控制点数据对其进行几何定标。这种方法针对静态目标可以很好的完成几何标定，但对于动态或是实时标定目标，则无法达到其实时性的需求，所以为了达到实时在轨标定，同时也能更为的节约星地数据传输资源，本文提出了一种适用与星上在轨实时的红外高精度定位解算软件。
2 成像模型的构建
2.1 星上几何成像模型的构建
由于利用光学卫星拍摄影像进行定位的基本原理就是共线方程。线阵相机传感器以推扫方式成像，卫星线阵CCD则以一定间隔时间为单位，按行生成对地影像，以此类推，连续推扫后形成条带式影像。而单位行的扫描则是满足中心投影，拍摄时刻和摄影主点、像点及物方点三点的共线方程。
传统地面定位解算选用的成像模型为严格物理模型，其核心为建立成像时刻像点、投影中心和地面点之间严格的函数关系。虽然该成像模型具有很高的定位精度。但是，基于星上星载光学相机复杂和特殊的成像过程，其实际使用时却存在一定困难，即星上主点、主距的内方位元素及安装矩阵等外方位元素的精确值无法一一明确；此外，较之传统光学成像，光学卫星在轨成像是设计影像获取、时间、姿态及轨道测量等多载荷协同工作的复杂过程，这种协同工作的特性则导致卫星影像的几何误差源更为多样、复杂。
针对在轨实时星上高精度标定这一特殊性，以严格物理成像模型为基础，通过分析相机内外参数对光学影像的直接几何定位精度的影像，在保障其定位精度的前提下对部分无法获得精确值的参数进行合理的取舍和优化，从而构建出可用于星上实时处理的模型—星上几何成像模型。
2.2 星上几何成像模型物理参数的优化
针对在轨实时星上高精度标定这一特殊性，以严格物理成像模型为基础，通过分析严格成像模型各个误差源之间的耦合性，并根据规律分布，对内方位元素和外方位元素进行优化，采取集中补偿法替代传统的针对各个误差源单独标定的方法，以此消除由于简化部分参数导致的误差，以此提高星上几何成像的定位精度。具体参数优化方法如下：
1）对内方位元素参数的优化：对于光学卫星影像，外部环境变换会导致光学载荷的内方位元素（主点、主距、焦距）发生改变。经研究，这些元素之间具有强耦合性，可以选用一个畸变参数来等效替代—指向角误差；
2）对外方位元素参数的优化：由于外方位元素误差来源十分广泛，同时包含线元素误差源和角元素误差源，单独对其进行补偿消除过于复杂，针对星上处理的特殊性，从定位精度影像效果上将其用一个畸变参数（偏移矩阵）替代；
3 基于DSP平台的算法优化
鉴于星上处理的外部资源环境，拟选用DSP 6701芯片配合外设MT48LC4M32B2 SDRAM搭建星上在轨实时高精度定位解算软件平台。为了保证定位的精度和实时性，软件基于DSP 6701的设计平台进行二次算法优化。
3.1 基于DSP定位算法软件的精度优化
在整个定位解算的计算过程中，许多基于坐标变换的过程会涉及到大量的三角函數和矩阵变换的计算，而由于卫星轨道高度的关系，使得细微角度误差也会导致定位精度动辄千米的误差。
为了减少DSP在计算过程产生误差的影响，算法软件在移植过程进行了如下改进：
1）在涉及幂次级计算时，软件自动判别参数大小，当参数过大或过小时，程序自动额外分配一个内存地址用以存储参数的幂次函数，防止计算器因为参数过大或过小导致的计算误差；
2）整个阶段性的算法，以模块化为单位，人为简化冗余的幂次级乘除过程，保证整个计算范围在可控范围；
3）以DSP 6701的32位计算器的大小为范围，在涉及到卷积计算模块的函数内添加保护机制，防止因数据反复卷积造成的数据溢出；
表1为某卫星图像定位解算结果列表，有所选试例可以发现该算法平均误差均控制在40m左右，能够满足现阶段大多数的星上智能处理需求。
3.2 基于DSP定位算法软件的实时性能优化
此外，有别于传统地面定位解算，星上定位解算更注重处理的实时性指标，在星上智能处理时，定位解算的反馈时间往往需要ms级。此外，定位解算作为星上智能处理的一个组成部分，往往在实际处理时需要计算出大量像素点的经纬度，为了节省处理时间，除了模型优化以外，软件还做了以下优化：
1）在批量计算像素点经纬度时，针对CCD成像特性，同行像素点只需计算首位两点的经纬，中间点均可以使用平差法计算得出；
2）在计算经纬度时，引入控制点自适应概念---仅需提取当前GPS秒级的姿态等特征值生成偏移矩阵，减少了大量辅助数据的读入读出时间；
4 结语
在轨实时高精度定位解算软件基于改良后的星上几何成像模型形成定位解算算法，在移植至DSP中，软件再次针对星上智能处理的实际情况进行算法改进，以保证最终定位精度误差小于100m，定位解算时间≤20ms，使得整个在轨实时高精度定位解算软件可以适用于多数的任务需求。
参考文献
[1]张霖.光学卫星遥感数据高精度自动定位关键技术研究[D].北京：清华大学.2009
[2]张伍，卢春玲.推扫成像遥感卫星图像定位精度分析与设计[J].航天器工程，2007，16（2）：6-11
[3]刘明川.单线阵CCD立体影像目标定位误差研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学.2011
[关键词]定位解算，星上几何模型；高精度定位误差分析；误差源；DSP；
中图分类号：TP783 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）38-0027-02
1 引言
随着智能时代的到临，各类航天航空的星载产品的设计理念也有了突破性的发展，此外由于光学影像质量的不断提高，利用遥感图像进行跟踪定位已经成为遥感图像应用的重要组成部分。在遥感影像“看得清”的基础上，使其“测得准、定的快”已然成为判断高分辨率卫星影像性能和应用潜力的一个关键性指标。由于遥感影像的获取涉及诸如光学载荷、GPS、恒星敏感器、时间计数器等多载荷类复杂问题。而在影像获取过程中，这些因素都可能导致图像发生几何畸变，这些都会严重影像利用该影像进行定位的精度。现今，使用较多的是将图像数据等传输至地面，在地面利用控制点数据对其进行几何定标。这种方法针对静态目标可以很好的完成几何标定，但对于动态或是实时标定目标，则无法达到其实时性的需求，所以为了达到实时在轨标定，同时也能更为的节约星地数据传输资源，本文提出了一种适用与星上在轨实时的红外高精度定位解算软件。
2 成像模型的构建
2.1 星上几何成像模型的构建
由于利用光学卫星拍摄影像进行定位的基本原理就是共线方程。线阵相机传感器以推扫方式成像，卫星线阵CCD则以一定间隔时间为单位，按行生成对地影像，以此类推，连续推扫后形成条带式影像。而单位行的扫描则是满足中心投影，拍摄时刻和摄影主点、像点及物方点三点的共线方程。
传统地面定位解算选用的成像模型为严格物理模型，其核心为建立成像时刻像点、投影中心和地面点之间严格的函数关系。虽然该成像模型具有很高的定位精度。但是，基于星上星载光学相机复杂和特殊的成像过程，其实际使用时却存在一定困难，即星上主点、主距的内方位元素及安装矩阵等外方位元素的精确值无法一一明确；此外，较之传统光学成像，光学卫星在轨成像是设计影像获取、时间、姿态及轨道测量等多载荷协同工作的复杂过程，这种协同工作的特性则导致卫星影像的几何误差源更为多样、复杂。
针对在轨实时星上高精度标定这一特殊性，以严格物理成像模型为基础，通过分析相机内外参数对光学影像的直接几何定位精度的影像，在保障其定位精度的前提下对部分无法获得精确值的参数进行合理的取舍和优化，从而构建出可用于星上实时处理的模型—星上几何成像模型。
2.2 星上几何成像模型物理参数的优化
针对在轨实时星上高精度标定这一特殊性，以严格物理成像模型为基础，通过分析严格成像模型各个误差源之间的耦合性，并根据规律分布，对内方位元素和外方位元素进行优化，采取集中补偿法替代传统的针对各个误差源单独标定的方法，以此消除由于简化部分参数导致的误差，以此提高星上几何成像的定位精度。具体参数优化方法如下：
1）对内方位元素参数的优化：对于光学卫星影像，外部环境变换会导致光学载荷的内方位元素（主点、主距、焦距）发生改变。经研究，这些元素之间具有强耦合性，可以选用一个畸变参数来等效替代—指向角误差；
2）对外方位元素参数的优化：由于外方位元素误差来源十分广泛，同时包含线元素误差源和角元素误差源，单独对其进行补偿消除过于复杂，针对星上处理的特殊性，从定位精度影像效果上将其用一个畸变参数（偏移矩阵）替代；
3 基于DSP平台的算法优化
鉴于星上处理的外部资源环境，拟选用DSP 6701芯片配合外设MT48LC4M32B2 SDRAM搭建星上在轨实时高精度定位解算软件平台。为了保证定位的精度和实时性，软件基于DSP 6701的设计平台进行二次算法优化。
3.1 基于DSP定位算法软件的精度优化
在整个定位解算的计算过程中，许多基于坐标变换的过程会涉及到大量的三角函數和矩阵变换的计算，而由于卫星轨道高度的关系，使得细微角度误差也会导致定位精度动辄千米的误差。
为了减少DSP在计算过程产生误差的影响，算法软件在移植过程进行了如下改进：
1）在涉及幂次级计算时，软件自动判别参数大小，当参数过大或过小时，程序自动额外分配一个内存地址用以存储参数的幂次函数，防止计算器因为参数过大或过小导致的计算误差；
2）整个阶段性的算法，以模块化为单位，人为简化冗余的幂次级乘除过程，保证整个计算范围在可控范围；
3）以DSP 6701的32位计算器的大小为范围，在涉及到卷积计算模块的函数内添加保护机制，防止因数据反复卷积造成的数据溢出；
表1为某卫星图像定位解算结果列表，有所选试例可以发现该算法平均误差均控制在40m左右，能够满足现阶段大多数的星上智能处理需求。
3.2 基于DSP定位算法软件的实时性能优化
此外，有别于传统地面定位解算，星上定位解算更注重处理的实时性指标，在星上智能处理时，定位解算的反馈时间往往需要ms级。此外，定位解算作为星上智能处理的一个组成部分，往往在实际处理时需要计算出大量像素点的经纬度，为了节省处理时间，除了模型优化以外，软件还做了以下优化：
1）在批量计算像素点经纬度时，针对CCD成像特性，同行像素点只需计算首位两点的经纬，中间点均可以使用平差法计算得出；
2）在计算经纬度时，引入控制点自适应概念---仅需提取当前GPS秒级的姿态等特征值生成偏移矩阵，减少了大量辅助数据的读入读出时间；
4 结语
在轨实时高精度定位解算软件基于改良后的星上几何成像模型形成定位解算算法，在移植至DSP中，软件再次针对星上智能处理的实际情况进行算法改进，以保证最终定位精度误差小于100m，定位解算时间≤20ms，使得整个在轨实时高精度定位解算软件可以适用于多数的任务需求。
参考文献
[1]张霖.光学卫星遥感数据高精度自动定位关键技术研究[D].北京：清华大学.2009
[2]张伍，卢春玲.推扫成像遥感卫星图像定位精度分析与设计[J].航天器工程，2007，16（2）：6-11
[3]刘明川.单线阵CCD立体影像目标定位误差研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学.2011