CN106568437B - 静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取方法及***，包括如下步骤：步骤1：构建列像元的灰度值与恒星影像南北向坐标分量的关系；步骤2：提取恒星划过列像元中心时的探测器像元灰度值；步骤3：计算恒星影像南北向坐标分量；步骤4：计算恒星影像中心划过探测器东西方向中心线时的南北向坐标分量。本发明在计算恒星影像坐标时，考虑了恒星影像的形状和亮度分布特性，大幅提高了识别精度；通过多列像元计算结果进行最小二乘拟合，降低了由探测器光学成像、电路噪声、卫星高频抖动等因素引起的星点位置高频误差。

Description

静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取方法及***

技术领域

本发明涉及数字信号与图像处理技术，具体地，涉及一种静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取方法及***。

背景技术

随着遥感卫星应用技术水平的提高，通常要求高精度静止卫星对地成像的图像被精确定位，并配准到地球标称网格。但卫星平台和遥感仪器受到空间力学环境、热环境变化等因素的影响，卫星会存在轨道漂移和姿态指向偏差，仪器会产生几何变形，影响遥感图像的定位与配准精度。卫星成像导航与配准技术可解决此类问题：卫星对遥感仪器的二维扫描机构进行实时角度增量补偿，将仪器观测点在地表的移动轨迹引导至预设路径，从而实现成像导航，使遥感图像配准到地球标称网格。静止遥感卫星在轨期间的仪器几何变形不可直接测量，可利用仪器对恒星进行敏感成像，获取恒星在探测器面阵内划过的运动轨迹，通过提取恒星运动规律和特征参数，与恒星在惯性系的实际位置对比可计算遥感仪器的在轨变形量。

在计算恒星影像的纵向坐标时，常用的方法是重心法。但由于恒星在静止卫星探测器内的影像尺寸较小，甚至小于一个像元，若仍采用重心法，仅以像元的灰度为权重，不考虑恒星影像的形状和亮度分布特性，会引起一定的误差。

本发明方法面向工程实际，将点扩散函数用在静止卫星成像导航与配准恒星敏感南北参数提取上，通过多帧数据信息处理和曲线拟合消除由探测器光学成像、电路噪声、卫星高频抖动等因素引起的星点位置高频误差，从而提高了恒星位置参数的识别精度。本发明可应用于我国第二代静止气象卫星风云四号等静止遥感卫星的成像定位与配准***研制研发过程。J.LFiorello等人编写的NOAA的研究报告(1989年，编号N90-13422)对图像导航配准概念和原理进行了介绍，提出了通过仪器观测恒星获取仪器变形参数的方法，但未阐述对图像数据的处理方法。

经检索：

专利号为：US4801202，名称为：Method and apparatus for radiometer starsensing，描述了静止气象卫星的辐射计在轨观测恒星的方法，声明了对具体操作步骤等的权利要求，但未阐述对恒星敏感图像数据的处理方法。

专利号为：US4746976，名称为：Sightings by satellite for imagenavigation，介绍了静止气象卫星仪器在轨观测恒星的位置和数量，声明了对观星时机和方向的选取等方法的权利要求，但未阐述对多帧恒星敏感图像数据提取南北方向参数的内容。

李晓坤、王淦泉、陈桂林在科学技术与工程第7卷第6期(2007年3月)的文章《风云四号气象卫星扫描成像仪——可见光通道恒星敏感》中，介绍了风云四号卫星扫描成像仪通过恒星敏感解算仪器内部形变的方法，提出通过加权分析获得恒星划过探测器的位置，但没有融合多列探测器的数据。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种静止卫星成像导航与配准恒星敏感南北参数提取方法。

根据本发明提供的静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取方法，包括如下步骤：

步骤1：构建列像元的灰度值与恒星影像南北向坐标分量的关系；

步骤2：提取恒星划过列像元中心时的探测器像元灰度值；

步骤3：计算恒星影像南北向坐标分量；

步骤4：计算恒星影像中心划过探测器东西方向中心线时的南北向坐标分量。

优选地，所述步骤1包括：

当恒星影像划过列像元中心时，设恒星影像南北向坐标分量为l，恒星影像的中心点坐标写为(l,L/2)，其中，L为单个像元的尺寸；设列像元的第k个像元的灰度为h_k，则列像元与恒星影像南北向坐标分量的关系如下：

式中：函数f(·)表示恒星影像的点扩散函数，变量x表示恒星影像东西向坐标，变量y表示恒星影像南北向坐标。

优选地，所述步骤2包括：恒星划过探测器的某一列像元时，探测器多次曝光记录了恒星划过列像元的整个过程，通过提取恒星影像引起该列像元总灰度值随时间的变化关系和曲线，使用半功率法计算恒星划过该列像元中心的时刻，并记录恒星影像处于列像元中心时各像元的灰度值；

具体地，选择灰度值最高的三个列像元，并记录每个像元的灰度值。

优选地，所述步骤3包括：

假设步骤2中选取的三个列像元的排列序号分别为k、m和n，实测的列像元灰度值分别为h_k、h_m和h_n；

由步骤1得到恒星点扩散函数推导出来的三个列像元的灰度表达式分别如下：

恒星在探测器里的纵向坐标计算能够转化为最优化问题，最优化的目标是选取合适的恒星影像南北向坐标分量l，使点扩散函数法计算出的像元灰度值与实测的像元灰度偏差最小；目标函数如下：

式中：c₁、c₂和c₃为对应的三个列像元的权重，c₁、c₂和c₃的选取与对应列像元的灰度值大小相关，当Q值最小时，得出的l即为恒星影像南北向坐标分量。

优选地，所述步骤4包括：

步骤4.1：拟合恒星影像运动轨迹；

步骤4.2：计算恒星影像中心划过探测器东西方向中心线时的南北向坐标分量。

优选地，所述步骤4.1包括：

恒星影像划过探测器面阵时，会划过多列像元，则认为恒星影像中心在探测器面阵中的做匀速直线运动，将恒星在探测器面阵内的南北向坐标分量与东西向坐标分量描述为线性关系：

l＝Kx+B (4)

式中：K表示恒星影像运动的斜率、B分别表示恒星影像南北向坐标偏量；变量x表示恒星影像东西向坐标；变量l表示恒星影像东西向坐标。

优选地，所述步骤4.2包括：计算出恒星影像中心处于每一列像元中心线的南北向坐标后，再结合探测器上像元布局几何关系得到如下的计算公式：

式中：x₁、x₂、x_n分别表示多次采样的恒星影像东西向坐标，下标表示采样次数；l₁、l₂、l_n分别表示多次采样的恒星影像南北向坐标，下标表示采样次数。

通过最小二乘法对系数进行估计，获取K、B的估计值，从而拟合出恒星影像中心在探测器面阵上划过的南北向坐标分量与东西向坐标分量关系。

优选地，还包括恒星敏感东西方向参数获取步骤：据探测器面阵的几何特性，获取东西方向对称中心的列坐标，代入公式(5)获得恒星影像中心划过探测器东西方向中心线对应的南北向坐标。

根据本发明提供的静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取***，包括：

列像元与恒星影像关系构建模块：用于构建列像元的灰度值与恒星影像南北向坐标分量的关系；

灰度提取模块：用于提取恒星划过列像元中心时的探测器像元灰度值；

南北向坐标分量计算模块一：用于计算恒星影像南北向坐标分量；

南北向坐标分量计算模块二：用于计算恒星影像中心划过探测器东西方向中心线时的南北向坐标分量。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取方法在计算恒星影像坐标时，考虑了恒星影像的形状和亮度分布特性，大幅提高了识别精度；通过多列像元计算结果进行最小二乘拟合，降低了由探测器光学成像、电路噪声、卫星高频抖动等因素引起的星点位置高频误差。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取方法的流程示意图；

图2为恒星划过遥感探测器像元坐标示意图；

图3为恒星影像和列像元的关系示意。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明根据恒星影像的点扩散函数计算恒星影像在单列像元内的南北向坐标分量；利用多列像元南北向坐标分量的计算结果拟合恒星影像南北向运动轨迹，提取恒星敏感南北参数。根据点扩散函数对恒星影像和列像元的重叠面积进行积分，得出像元灰度与恒星在探测器南北向坐标分量的关系。再提取探测器像元的灰度值，进行最优化求解，得出星影像在单列像元内的南北向坐标分量；并根据静止遥感卫星仪器探测器面阵上各列像元的几何排布关系，拟合出恒星影像在探测器南北向的运动路径，并计算出恒星划过探测器面阵中心时的南北向坐标。

具体地，根据本发明提供的静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取方法，包括如下步骤：

步骤S1：构建列像元的灰度值与恒星影像南北向坐标分量的关系；

步骤S2：提取恒星划过列像元中心时的探测器像元灰度值；

步骤S3：计算恒星影像南北向坐标分量；

步骤S4：计算恒星影像中心划过探测器东西方向中心线时的南北向坐标分量。

所述步骤S1包括：

当恒星影像划过列像元中心时(恒星影像和列像元的关系示意如附图3所示)，设恒星影像南北向坐标分量为l，恒星影像的中心点坐标可写为(l,L/2)，其中，L为单个像元的尺寸；设列像元的第k个列像元的灰度为h_k，则列像元与恒星影像南北向坐标分量的关系如下：

式中：函数f(·)表示恒星影像的点扩散函数，变量x表示恒星影像东西向坐标，变量y表示恒星影像南北向坐标。从上式可以看出，恒星影像的点扩散函数已知后，像元的灰度值与恒星影像的中心点坐标相关。

所述步骤S2包括：

恒星划过探测器的某一列像元时，探测器多次曝光，记录了恒星划过列像元的整个过程，通过提取恒星影像引起该列像元总灰度值随时间的变化关系和曲线，使用半功率法计算恒星划过该列像元中心的时刻，并记录恒星影像处于列像元中心时各像元的灰度值。

一般情况下，恒星影像的尺寸和单个像元的尺寸大小接近，恒星影像一般会引起2～3个像元的灰度值变化，因此应选择灰度值最高的三个像元(这三个像元应该是依次排列)，并记录每个像元的灰度值。

所述步骤S3包括：

假设步骤S2中选取的三个列像元的排列序号分别为k、m和n，实测的列像元灰度值分别为h_k、h_m和h_n。

由步骤S1得到恒星点扩散函数推导出来的三个列像元的灰度表达式分别如下：

恒星在探测器里的纵向坐标计算能够转化为最优化问题，最优化的目标是选取合适的恒星影像南北向坐标分量l，使点扩散函数法计算出的像元灰度值与实测的像元灰度偏差最小；目标函数可写为

式中：c₁、c₂和c₃为对应的三个列像元的权重，c₁、c₂和c₃的选取与对应列像元的灰度值大小相关，当Q值最小时，得出的l即为恒星影像南北向坐标分量。

所述步骤S4包括：

恒星影像划过探测器面阵时，会划过多列像元，则认为恒星影像中心在探测器面阵中的做匀速直线运动，将恒星在探测器面阵内的南北向坐标分量与东西向坐标分量描述为线性关系：

l＝Kx+B (4)

式中：K表示恒星影像运动的斜率、B分别表示恒星影像南北向坐标偏量；变量x表示恒星影像东西向坐标；变量l表示恒星影像东西向坐标。

计算出恒星影像中心处于每一列像元中心线的南北向坐标后，再结合探测器上像元布局几何关系(附图2)，得到如下的计算公式：

式中：x₁、x₂、x_n分别表示多次采样的恒星影像东西向坐标，下标表示采样次数；l₁、l₂、l_n分别表示多次采样的恒星影像南北向坐标，下标表示采样次数。

通过最小二乘法对系数进行估计，获取K、B的估计值，从而拟合出恒星影像中心在探测器面阵上划过的南北向坐标分量与东西向坐标分量关系。

据探测器面阵的几何特性，获取东西方向对称中心的列坐标，代入公式(5)获得恒星影像中心划过探测器东西方向中心线对应的南北向坐标。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：构建列像元的灰度值与恒星影像南北向坐标分量的关系；

步骤2：提取恒星划过列像元中心时的探测器像元灰度值；

步骤3：计算恒星影像南北向坐标分量；

步骤4：计算恒星影像中心划过探测器东西方向中心线时的南北向坐标分量；

所述步骤1包括：

当恒星影像划过列像元中心时，设恒星影像南北向坐标分量为l，恒星影像的中心点坐标写为(l,L/2)，其中，L为单个像元的尺寸；设列像元的第k个像元的灰度为h_k，则列像元与恒星影像南北向坐标分量的关系如下：

式中：函数f(·)表示恒星影像的点扩散函数，变量x表示恒星影像东西向坐标，变量y表示恒星影像南北向坐标；

所述步骤2包括：恒星划过探测器的某一列像元时，探测器多次曝光记录了恒星划过列像元的整个过程，通过提取恒星影像引起该列像元总灰度值随时间的变化关系和曲线，使用半功率法计算恒星划过该列像元中心的时刻，并记录恒星影像处于列像元中心时各像元的灰度值；

具体地，选择灰度值最高的三个列像元，并记录每个像元的灰度值；

所述步骤3包括：

假设步骤2中选取的三个列像元的排列序号分别为k、m和n，实测的列像元灰度值分别为h_k、h_m和h_n；

由步骤1得到恒星点扩散函数推导出来的三个列像元的灰度表达式分别如下：

恒星在探测器里的纵向坐标计算能够转化为最优化问题，最优化的目标是选取合适的恒星影像南北向坐标分量l，使点扩散函数法计算出的像元灰度值与实测的像元灰度偏差最小；目标函数如下：

式中：c₁、c₂和c₃为对应的三个列像元的权重，c₁、c₂和c₃的选取与对应列像元的灰度值大小相关，当Q值最小时，得出的l即为恒星影像南北向坐标分量。

2.根据权利要求1所述的静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤4.1：拟合恒星影像运动轨迹；

步骤4.2：计算恒星影像中心划过探测器东西方向中心线时的南北向坐标分量。

3.根据权利要求2所述的静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取方法，其特征在于，所述步骤4.1包括：

恒星影像划过探测器面阵时，会划过多列像元，则认为恒星影像中心在探测器面阵中的做匀速直线运动，将恒星在探测器面阵内的南北向坐标分量与东西向坐标分量描述为线性关系：

l＝Kx+B (4)

式中：K表示恒星影像运动的斜率、B分别表示恒星影像南北向坐标偏量；变量x表示恒星影像东西向坐标；变量l表示恒星影像南北向坐标。

4.根据权利要求3所述的静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取方法，其特征在于，所述步骤4.2包括：计算出恒星影像中心处于每一列像元中心线的南北向坐标后，再结合探测器上像元布局几何关系得到如下的计算公式：

式中：x₁、x₂、x_n分别表示多次采样的恒星影像东西向坐标，下标表示采样次数；l₁、l₂、l_n分别表示多次采样的恒星影像南北向坐标，下标表示采样次数；

通过最小二乘法对系数进行估计，获取K、B的估计值，从而拟合出恒星影像中心在探测器面阵上划过的南北向坐标分量与东西向坐标分量关系。

5.根据权利要求4所述的静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取方法，其特征在于，还包括恒星敏感南北方向参数获取步骤：据探测器面阵的几何特性，获取东西方向对称中心的列坐标，代入公式(5)获得恒星影像中心划过探测器东西方向中心线对应的南北向坐标。

6.一种静止卫星成像导航与配准恒星南北参数提取***，其特征在于，包括：

列像元与恒星影像关系构建模块：用于构建列像元的灰度值与恒星影像南北向坐标分量的关系；

灰度提取模块：用于提取恒星划过列像元中心时的探测器像元灰度值；

南北向坐标分量计算模块一：用于计算恒星影像南北向坐标分量；

南北向坐标分量计算模块二：用于计算恒星影像中心划过探测器东西方向中心线时的南北向坐标分量；

所述列像元与恒星影像关系构建模块包括：

当恒星影像划过列像元中心时，设恒星影像南北向坐标分量为l，恒星影像的中心点坐标写为(l,L/2)，其中，L为单个像元的尺寸；设列像元的第k个像元的灰度为h_k，则列像元与恒星影像南北向坐标分量的关系如下：

式中：函数f(·)表示恒星影像的点扩散函数，变量x表示恒星影像东西向坐标，变量y表示恒星影像南北向坐标；

所述灰度提取模块包括：恒星划过探测器的某一列像元时，探测器多次曝光记录了恒星划过列像元的整个过程，通过提取恒星影像引起该列像元总灰度值随时间的变化关系和曲线，使用半功率法计算恒星划过该列像元中心的时刻，并记录恒星影像处于列像元中心时各像元的灰度值；

具体地，选择灰度值最高的三个列像元，并记录每个像元的灰度值；

所述南北向坐标分量计算模块一包括：

假设灰度提取模块中选取的三个列像元的排列序号分别为k、m和n，实测的列像元灰度值分别为h_k、h_m和h_n；

由步骤1得到恒星点扩散函数推导出来的三个列像元的灰度表达式分别如下：

恒星在探测器里的纵向坐标计算能够转化为最优化问题，最优化的目标是选取合适的恒星影像南北向坐标分量l，使点扩散函数法计算出的像元灰度值与实测的像元灰度偏差最小；目标函数如下：

式中：c₁、c₂和c₃为对应的三个列像元的权重，c₁、c₂和c₃的选取与对应列像元的灰度值大小相关，当Q值最小时，得出的l即为恒星影像南北向坐标分量。