CN108469624B - 基于激光探测器阵列超分辨的卫星定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于激光探测器阵列超分辨的卫星定标方法，用于解决现有卫星定标方法中存在的定标精度较低的技术问题。实现步骤为：布设地面激光探测器阵列；星载激光测高仪向地面激光探测器阵列发射高斯脉冲激光、各激光探测器获取高斯脉冲激光的能级值、地面计算机获取能级分布图、地面计算机获取超分辨图像、地面计算机对超分辨图像进行滤波，并计算滤波后图像的质心坐标、地面计算机获取卫星的指向角。用于星载激光测高仪测高***的在轨定标领域。

Description

基于激光探测器阵列超分辨的卫星定标方法

技术领域

本发明属于星载激光测高仪在轨标定技术领域，设计一种卫星定标方法，特别涉及一种基于地面场超分辨的星载激光测高仪在轨卫星定标方法，用于星载激光测高仪测高***的在轨定标领域。

背景技术

测绘卫星在获取卫星影像时，为产生高分辨率的数字高程模型，必须提供精确的卫星定标参数。卫星定标是通过各种传感器获得到的与卫星定标***相关的数据来计算获得的卫星与地面的指向角参数。目前所具有的定标方式有中红外传感器的定标、影像与辐射传输交叉定标、双星串飞编队测高模式下高度计测距值相对偏差的单次定标、基于激光探测器阵列定标。其中，基于激光探测器阵列定标方法的精度相对于其他三种精度较高，对测绘影像后续处理造成的误差较小。激光探测器阵列定标是通过地面激光探测器阵列接收到的激光信号，并根据激光信号的能量分布信息，计算激光的中心坐标，直接或者间接计算卫星的指向角信息，进而对卫星进行定标。现有激光探测器阵列定标采用质心法进行直接定标，例如：申请公布号为CN106840212A，名称为“基于地面激光光斑质心位置的星载激光在轨几何校验方法”的专利申请，公开了一种基于质心法的卫星定标方法，通过最小二乘平差原理不断迭代解算测距，指向等待定标的参数，获得质心坐标，从而获得标定参数结果。该方法具有计算简单、定标方便的优点，但是该方法直接利用能级分布图用质心法计算质心，直接利用能级分布图求质心并未利用激光信号的高斯分布规律特性，从而造成计算计算质心过程中求得的质心坐标精度较低的不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于激光探测器阵列超分辨的卫星定标方法，用于解决现有卫星定标方法中存在的定标精度较低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于激光探测器阵列超分辨的卫星定标方法，是通过星载激光测高仪、星载导航定位***、地面激光探测器阵列和地面计算机实现的，实现步骤为：

(1)布设地面激光探测器阵列：

布设包括n×n个周期性排列的激光探测器、且相邻激光探测器的间距为d的地面激光探测器阵列，n≥10；

(2)星载激光测高仪向地面激光探测器阵列发射高斯脉冲激光：

激光测高仪在星载导航定位***探测到卫星位于地面激光探测器阵列上方时，向地面激光探测器阵列发射高斯脉冲激光；

(3)各激光探测器获取高斯脉冲激光的能级值：

地面激光探测器阵列中的各探测器对接收到的高斯脉冲激光进行能级量化，得到n×n个探测器能级值；

(4)地面计算机获取能级分布图：

地面计算机创建包括n×n个像素，且每一个像素的像素值设置为相同或者不同的初始图像，并将激光探测器阵列中的各探测器能级值映射到初始图像相应位置像素的像素值上，实现对初始图像的填充，得到能级分布图；

(5)地面计算机获取超分辨图像：

地面计算机对能级分布图进行超分辨重建，得到超分辨图像；

(6)地面计算机对超分辨图像进行滤波，并计算滤波后图像的质心坐标(x_result,y_result)；

(7)地面计算机获取卫星的指向角θ_result：

地面计算机利用星载导航定位***获取的卫星坐标(x_G,y_G,z_G)和滤波后图像的质心坐标(x_result,y_result)，计算星载激光测高仪的指向角θ_result，并将θ_result作为卫星的指向角。

本发明与现有技术相比较，具有如下优点：

本发明由于在获取卫星的指向角时，是通过已知的地面激光探测器的能级分布信息，对能级分布图采用超分辨重建的方式得到超分辨图像，地面计算机对超分辨图像进行滤波，并计算滤波后图像的质心坐标实现的，克服了现有技术中直接计算能级分布图的质心坐标导致的计算卫星指向角精度较低的缺陷。

附图说明

图1是本发明适用的定标***的结构示意图；

图2是本发明的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，一种基于激光探测器阵列超分辨的卫星定标***，包括星载激光测高仪、星载导航定位***、地面激光探测器阵列和地面计算机。星载激光测高仪作用是发射激光高斯信号，让地面激光探测器接收。星载导航定位***功能是获取卫星与地面激光探测器阵列的相对位置并将卫星定位坐标信息传递给地面计算机。地面激光探测器阵列功能是获得激光的能量信息并进行量化能级传递给地面计算机。地面计算机通过地面激光探测器阵列传递的能级分布图获得超分辨图像，接着对超分辨图像进行滤波获得滤波后图像，然后计算滤波后图像质心坐标，最后使用质心坐标联合获取到的卫星定位坐标计算求得卫星与地面的指向角。

参照图2，一种基于激光探测器阵列超分辨的卫星定标方法，实现步骤为：

步骤1)布设地面激光探测器阵列：

布设包括10×10个周期性排列的激光探测器、且相邻激光探测器的间距为5m的地面激光探测器阵列；

步骤2)星载激光测高仪向地面激光探测器阵列发射高斯脉冲激光：

激光测高仪在北斗导航***探测到卫星位于地面激光探测器阵列中心的正上方时，向地面激光探测器阵列发射高斯脉冲激光；

步骤3)各激光探测器获取高斯脉冲激光的能级值：

地面激光探测器阵列中的各探测器对接收到的高斯脉冲激光按照接收到激光能量的强度不同进行能级量化，得到10×10个探测器能级值；

步骤4)地面计算机获取能级分布图：

地面计算机创建包括10×10个像素，且像素的像素值均设置为便于地面计算机初始化的全0的初始图像，并对初始图像按照激光探测器阵列的第i行，第j列上的能级值映射到全0值的初始图像的第i行，第j列上的像素值的原则进行填充，其中，i＝1,2,3…10，j＝1,2,3…10，将激光探测器阵列中的能级值转换成便于计算机能处理的数字图像，得到能级分布图；

步骤5)地面计算机获取超分辨图像：

地面计算机对能级分布图进行超分辨重建，得到超分辨图像；

步骤5a)地面计算机计算能级分布图的像素的平均中心点坐标(x_avg,y_avg)和能级分布图的像素的平均方差σ_avg：

步骤5a1)地面计算机通过从能级分布图中的每个像素的坐标信息和像素值信息，计算各种像素值对应像素的几何中心坐标值(x_m,y_m)和方差σ_m，其中m为每种像素的像素值，其中，n取值为10，其计算公式如下：

其中，x_a,b表示能级分布图的第a行、第b列的像素的行坐标，y_a,b表示能级分布图的第a行、第b列的像素的列坐标，Ap_a,b表示能级分布图的第a行、第b列像素的像素值，Sumσ_m表示像素值为m的方差和：

步骤5a2)地面计算机采用质心法，通过几何中心坐标值(x_m,y_m)计算各种像素值的平均中心点坐标(x_avg,y_avg)，并将(x_avg,y_avg)作为能级分布图的平均中心点坐标，同时通过几何中心方差σ_m计算各种像素值的平均方差σ_avg，并将σ_avg作为能级分布图的平均方差，其公式如下：

步骤5b)地面计算机获取超分辨图像：

步骤5b1)地面计算机获取插值后图像：

地面计算机在能级分布图的各相邻像素之间***k-1个的像素值为0的像素，得到插值后图像，其中设定的超分辨扩展倍数k为2，主要步骤如下：

步骤5b1a)地面计算机在能级分布图的相邻行像素之间***1行、10列便于地面计算机后续计算的元素值为0的像素，得到半插值图；

步骤5b1b)地面计算机对半插值图的相邻列像素之间***1列、20行便于地面计算机后续计算的元素值为0的像素，得到插值后图像。

步骤5b2)地面计算机构建密度分布量化函数f(x,y)中，实现步骤为步骤5b2a)、步骤5b2b)、步骤5b2c)：

步骤5b2a)地面计算机将能级分布图的平均中心点坐标(x_avg,y_avg)作为高斯函数的中心坐标，同时将能级分布图的平均方差σ_avg作为高斯函数的方差，得到初始化的高斯函数；

步骤5b2b)地面计算机将初始化的高斯函数的变量(x,y)除以预先设定的超分辨扩展倍数2，得到密度分布非量化函数；

步骤5b2c)地面计算机利用向上取整函数，对密度分布非量化函数的值域进行向上取整，得到密度分布量化函数f(x,y)：

步骤5b3)地面计算机利用密度分布量化函数f(x,y)对插值后的图像的像素值为0的像素进行插值填充，得到超分辨图像；

步骤6)地面计算机对超分辨图像采用5×5的高斯模板进行高斯滤波，并采用质心法计算滤波后图像的质心坐标(x_result,y_result)，其中，k＝2，其计算公式为：

其中(c,d)表示滤波后的图像的第c行，第d列的像素，Ap_c,d表示滤波后的图像的(c,d)像素的像素值，(x_c,d,y_c,d)表示滤波后的图像的(c,d)像素的坐标。

步骤7)地面计算机获取卫星的指向角θ_result：

地面计算机利用北斗导航定位***获取的卫星坐标(x_G,y_G,z_G)和滤波后图像的质心坐标(x_result,y_result)，计算星载激光测高仪的指向角θ_result，并将θ_result作为卫星的指向角，计算公式如下：

其中，(x_G,y_G,z_G)表示利用星载导航定位***获取的卫星坐标，(x_result,y_result)表示滤波后图像的质心坐标。

以下结合仿真实验结果，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件和内容。

仿真条件为星载导航定位***提供的卫星坐标为(50.3，50.3，500000)，地面激光探测器的布设数量为10*10，地面激光的半径为15m，激光地面探测器可以量化到8个能级，激光探测器间距分别为5m、6m、7m、8m。仿真内容为本发明与现有基于地面激光光斑质心位置的星载激光在轨几何校验方法的指向角精度对比仿真，仿真结果如表1所示。

2、仿真结果分析。

表1

仿真标号	定标方法	激光探测器阵列	激光探测器间距	超分辨倍数	指向角夹角/毫弧度
						1	现有技术	10*10	5m	/	0.058725
2	本发明	10*10	5m	2倍	0.023336
						3	现有技术	10*10	6m	/	0.08864
4	本发明	10*10	6m	2倍	0.039603
						5	现有技术	10*10	7m	/	0.087818
6	本发明	10*10	7m	2倍	0.113175
						7	现有技术	10*10	8m	/	0.2097
8	本发明	10*10	8m	2倍	0.064671

分析表格可得，在相同的激光探测器阵列和激光探测器间距时，本发明的定标指向角夹角比现有技术的定标指向角夹角更小，其表示的精度更高。激光测高仪的指向角夹角随着激光探测器的间距逐渐增大，其指向角夹角也将增大，相应的精度越低。本发明比现有基于地面激光光斑质心位置的星载激光在轨几何校验方法的指向角夹角小，进而精度高。

Claims (3)

1.一种基于激光探测器阵列超分辨的卫星定标方法，其特征在于，是通过星载激光测高仪、星载导航定位***、地面激光探测器阵列和地面计算机实现的，实现步骤为：

(1)布设地面激光探测器阵列：

布设包括n×n个周期性排列的激光探测器、且相邻激光探测器的间距为d的地面激光探测器阵列，n≥10；

(2)星载激光测高仪向地面激光探测器阵列发射高斯脉冲激光：

激光测高仪在星载导航定位***探测到卫星位于地面激光探测器阵列上方时，向地面激光探测器阵列发射高斯脉冲激光；

(3)各激光探测器获取高斯脉冲激光的能级值：

地面激光探测器阵列中的各探测器对接收到的高斯脉冲激光进行能级量化，得到n×n个探测器能级值；

(4)地面计算机获取能级分布图：

地面计算机创建包括n×n个像素，且每一个像素的像素值设置为相同或者不同的初始图像，并将激光探测器阵列中的各探测器能级值映射到初始图像相应位置像素的像素值上，实现对初始图像的填充，得到能级分布图；

(5)地面计算机获取超分辨图像：

地面计算机对能级分布图进行超分辨重建，得到超分辨图像；

(6)地面计算机对超分辨图像进行滤波，并计算滤波后图像像素的质心坐标(x_result,y_result)；

(7)地面计算机获取卫星的指向角θ_result：

地面计算机利用星载导航定位***获取的卫星坐标(x_G,y_G,z_G)和滤波后图像的质心坐标(x_result,y_result)，计算星载激光测高仪的指向角θ_result，并将θ_result作为卫星的指向角。

2.根据权利要求1所述的基于激光探测器阵列超分辨的卫星定标方法，其特征在于，步骤(7)所述的滤波后图像的质心坐标(x_result,y_result)，其计算公式为：

(c,d)表示滤波后的图像的第c行，第d列的像素，Ap_c,d表示滤波后的图像的(c,d)像素的像素值，(x_c,d,y_c,d)表示滤波后的图像的(c,d)像素的坐标，k表示预先设定的超分辨扩展倍数。

3.根据权利要求1所述的基于激光探测器阵列超分辨的卫星定标方法，其特征在于，步骤(7)所述的计算星载激光测高仪的指向角θ_result，计算公式为：

其中，(x_G,y_G,z_G)表示利用星载导航定位***获取的卫星坐标，(x_result,y_result)表示滤波后图像的质心坐标。

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