CN113742863B - 环火轨道中分全球及局部成像能力地面验证*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种环火轨道中分全球及局部成像能力地面验证方法。本发明充分集成考虑轨道、速度、光照等因素对数据应用处理的影响,提出一种环火轨道中分全球及局部成像能力地面验证方法,能够仿真生成火星探测器在轨运行过程中相机拍摄的动态真实景象,解决了中分对火成像探测从信息交互、成像、图像处理全流程的验证难题。本发明对于探测器平台和成像载荷集成设计与测试、中分成像能力分析有良好效果。本发明的应用取得降低测试成本、提高测试效率、直观评价中分相机的动态成像质量等有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及航天器的技术领域,具体地,涉及环火轨道中分全球及局部成像能力地面验证方法。
背景技术
通过使用中分辨率相机对火星表面进行成像,可以获取火星全球影像图。为了获取准确的图像信息,需要轨道、姿态、相机成像参数协调一致。光学部分仿真验证仅从计算机理论仿真验证光学指标符合性,包括点扩散函数、畸变等指标,无法验证光学***对后续电子学成像、地面数据处理等影响程度;电子学部分仿真,仅对成像功能、通信功能等独立进行仿真和验证,不涉及后续地面图像拼接;地面应用数据处理部分只应用模拟图像进行拼接等处理,没有充分集成考虑轨道、速度、光照等因素对数据应用处理的影响。
在公开号为CN107504982A的专利文献中公开了一种航空相机对地成像模拟***,包括:目标转鼓、平行光管、反射镜、隔热窗口和温度高度箱及航空相机,目标转鼓上设有目标,隔离窗口设于温度高度箱的底部,目标对准平行光管的焦平面,按设定的参数改变目标与平行光管的焦平面的轴向距离,产生一定的目标距离,目标转鼓驱动目标转动,产生一定的目标转速,目标转速与目标距离匹配,生成相应的速高比,目标产生的目标光线经平行光管、反射镜进入用于隔离气压和温度的隔离窗口,之后进入设于温度高度箱内的航空相机内进行成像,温度高度箱内部具有设定的温度和气压。
在公开号为CN107330544A的专利文献中公开了一种卫星对地成像任务规划问题处理的方法,方法包括:S1、在采用改进的模拟退火算法处理卫星对地成像任务规划时,获取模拟退火算法中的初始控制温度和初始解i*;S2、根据初始控制温度和初始解i*、马氏链长度L0,执行模拟退火算法的迭代过程,以及将迭代过程中每一次迭代的较优解存入记忆矩阵I中;S3、在迭代过程满足停止准则后,采用局部搜索算法处理记忆矩阵I中的每一个较优解,获取待输出的一个较优解作为卫星对地成像任务规划的最优方案。
在公告号为CN110363758B的专利文献中公开了一种光学遥感卫星成像质量确定方法及***。所述方法包括:获取点光源遥感影像计数值;点光源为布设在地面的自动化反射式点光源;点光源遥感影像计数值是由光学遥感卫星成像***得到的;依据点光源遥感影像计数值和光学遥感卫星成像***的点扩散函数,构建响应值目标函数;点扩散函数采用高斯模型表示;采用最小二乘法对响应值目标函数进行求解,得到点光源遥感影像的像点坐标值;依据像点坐标值,确定光学遥感卫星的成像质量。
在公开号为CN111222544A的专利文献中公开了一种卫星颤振对相机成像影响的地面模拟测试***,该***包括:卫星运行颤振模拟组件:包括激振平台、安装在激振平台输出端的相机滑轨以及在相机滑轨上左右滑动的成像相机,用以模拟卫星在轨运行发生的平台抖动;线性地物模拟组件:与成像相机相对设置,包括目标板滑轨以及在目标板滑轨上前后滑动的目标板,用以模拟不同卫星轨道高度;监测组件:包括与成像相机连接的电脑,用以获取实测颤振频率和振幅参数。
针对上述中的相关技术,发明人认为上述方案在地面对中分相机成像进行验证时,现有验证方法仅从相机光学部分、电学部分、地面数据应用等几个部分分别进行验证,且无法验证信息流交互过程,验证不充分。没有建立针对中分辨率相机从成像、信息交互、图像数据处理等覆盖光、机、电、软、控等一体化的验证***。因此,需要提出一种技术方案以改善上述技术问题。
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环火轨道中分全球及局部成像能力地面验证方法。
根据本发明提供的一种环火轨道中分全球及局部成像能力地面验证***,包括数据接口模块、相机仿真模块、姿态控制模块和图像渲染及处理模块;
所述数据接口模块分别与相机仿真模块和姿态控制模块相连接;所述图像渲染及处理模块分别与相机仿真模块和姿态控制模块相连接;
所述数据接口模块进行数据通信与资源共享,保持较高的传输速率。
优选地,所述数据接口模块对相机电气***仿真中的RS422和LAN接口进行管理,中分辨率载荷成像验证***与探测器平台测试设备之间通过千兆以太网交换机连接,保留RS422真实接口接收功能。
优选地,所述相机仿真模块根据数据接口模块传递的相关指令及模式,按照相机内外参数进行光学***仿真,将相关参数及属性传递至图像渲染及处理模块。
优选地,所述相机仿真模块生成相机观测的仿真图像包括如下步骤:
步骤S1:计算相机坐标系和火星坐标系之间的相对位置和姿态,得到相机的参数矩阵,计算相机图像上每一个像素点对应的射线方程;
步骤S2:计算射线与火星表面的交点,在已经获得的火星图像上找到与交点相邻的4个已知亮度的像素点,计算仿真图像上像素点的亮度;
步骤S3:根据太阳入射角和相机观测方向修正仿真图像上像素的亮度,对4096×3072个像素点依次执行上述步骤,得到仿真图像;
步骤S4:根据图像输出方式的设置,对计算得到的全幅仿真图像按全图或开窗、抽样输出。
优选地,所述相机固连在探测器上,所述相机的安装位置、朝向等参数均是相对于探测器本体坐标系而言。
优选地,所述相机位置在仿真时的微调和相机姿态的调整是以探测器本体坐标系作为基准坐标系。
优选地,所述图像渲染的基准坐标系为探测器轨道坐标系,将相机的位置和姿态参数从探测器本体坐标系转换到探测器轨道坐标系中。
优选地,所述图像渲染及处理模块模拟观测图像亮度与积分时间的关系和模拟相机观测晨昏线。
优选地,所述探测器相对火星获得相机观测火星表面图像包括如下步骤:
步骤1:将探测器坐标系相对火星坐标系的6自由度转换为相机相对火星坐标系的6自由度,得到相机的外参数矩阵;
步骤2:计算相机图像每一个像素点过相机光心射线与火星球面的交点;
步骤3:将交点的经纬度坐标转换为火星图像坐标;
步骤4:用火星图像像素的亮度估计相机观测图像上对应像素点的亮度;
步骤5:根据观测点在火星表面的法线方向,太阳入射方向和相机观测方向,校正相机观测图像的亮度。
优选地,获得火星全图中像素点经纬度按火固坐标系定义,火星全图中像素点经纬度与自转周同向为经度增加方向,赤道面纬度为0,北极点纬度为90°,南极点纬度为-90°
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1、本发明能够仿真生成火星探测器在轨运行过程中相机拍摄的动态真实景象,具有接收探测器平台测试设备模拟指令、轨道、姿态参数等信息;
2、本发明按照真实相机的光学***参数进行光学仿真计算后,生成相应三维景物成像信息反馈回测试设备;
3、本发明实现了中分对火成像探测从信息交互、成像、图像处理全流程的验证。
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为本发明中分辨率载荷成像验证***各个模块的关系图;
图2为本发明火星成像模型姿态调整流程图;
图3为本发明火星图像及经纬度图;
图4为本发明火星上的细节图;
图5为本发明相机坐标系-火星图像坐标系之间的关系图。
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。
本发明提供一种环火轨道中分全球及局部成像能力地面验证方法,能够仿真生成火星探测器在轨运行过程中相机拍摄的动态真实景象,具有接收探测器平台测试设备模拟指令、轨道、姿态参数等信息,按照真实相机的光学***参数进行光学仿真计算后,生成相应三维景物成像信息反馈回测试设备,实现了中分对火成像探测从信息交互、成像、图像处理全流程的验证。
环火轨道中分成像验证方法主要实现按照探测器平台测试设备给出的探测器位置和姿态等数据,结合相机真实光学***内参数,并依此计算出中分辨率相机视场内的图像。中分辨率载荷成像验证***按功能要求,可分为数据接口模块、相机仿真模块、姿态控制模块、图像渲染及处理模块。
数据接口模块主要完成相机电气***仿真中的RS422和LAN接口管理,中分辨率载荷成像验证***与探测器平台测试设备之间通过千兆以太网交换机连接,并保留RS422真实接口接收功能,实现数据通信与资源共享,保持较高的传输速率。
相机仿真模块根据数据接口模块传递的相关指令及模式,按照相机内外参数进行光学***仿真,并将相关参数及属性传递至图像渲染及处理模块。生成相机观测的仿真图像的过程为:
步骤S1:计算相机坐标系和火星坐标系之间的相对位置和姿态,得到相机的参数矩阵,计算相机图像上每一个像素点对应的射线方程。
步骤S2:计算射线与火星表面的交点,在已经获得的火星图像上找到与交点相邻的4个已知亮度的像素点,计算仿真图像上像素点的亮度。
步骤S3:根据太阳入射角和相机观测方向修正仿真图像上像素的亮度,对4096×3072个像素点依次执行上述步骤,得到仿真图像。
步骤S4:根据图像输出方式的设置,对计算得到的全幅仿真图像按全图或开窗、抽样输出。
姿态控制模块:相机刚性地固连在探测器上,其安装位置、朝向等参数均是相对于探测器本体坐标系而言的。同时,仿真时相机位置的微调和相机姿态的调整也是以探测器本体坐标系作为基准坐标系的。图像渲染的基准坐标系为探测器轨道坐标系,所以需要将相机的位置和姿态参数从探测器本体坐标系转换到探测器轨道坐标系中,才能正确地确定相机的可视区域,渲染出正确的图像。火星成像模型姿态调整流程如图2所示。
图像渲染及处理模块:火星上最高的山峰是奥林匹克山,高于基准面21.2km,直径为648km,最低的盆地为海腊斯盆地,低于基准面2km,直径1600km。探测器最低轨道高度为260km,在这个高度上成像不需要考虑模拟阴影。已获得的火星地图的分辨率为231m/pixel,在探测器高度为400km时,相机的地元分辨率为100m/pixel,大约每2个火星地图像素点插值得到1个仿真图像像素点,在探测器高度为260km时,相机的地元分辨率为65m/pixel,大约4个火星地图像素点插值得到1个仿真图像像素点。仿真图像的渲染包括两个方面,一方面是模拟观测图像亮度与积分时间的关系,另一方面是模拟相机观测晨昏线。
获得的火星全图中像素点经纬度按火固坐标系定义,与自转周同向为经度增加方向,赤道面纬度为0,北极点纬度为90°,南极点纬度为-90°。火星表面图像与经纬度的关系如图3所示。目前已获得的火星图像的基本信息如下:
纬度范围:-90°———90°
经度范围:-180°——180°
分辨率:231.542m/pixel
角度分辨率:256pixel/°
长轴半径:3396190km
短轴半径:3376200km
火星彩色图像数据量有12GB,灰度图像数据量有4GB,图4显示了火星上的局部细节。
在已知探测器坐标系与火固系的关系后,经过坐标转换得到相机与火星坐标系之间的关系,也是相机坐标系与火星坐标系之间的6自由度关系,即相机的外参数。计算相机图像的四个点点A,B,C,D在火星表面的投影,计算这4个交点的在火星坐标系中的经纬度,映射到火星全图上,这四个点构成的四边形区域为相机在当前外参数条件下观测的火星表面的区域,如图5所示。
由探测器相对火星的6自由度获得相机观测火星表面图像的过程如下:
步骤1:将探测器坐标系相对火星坐标系的6自由度转换为相机相对火星坐标系的6自由度,得到相机的外参数矩阵。
步骤2:计算相机图像每一个像素点过相机光心射线与火星球面的交点。
步骤3:将交点的经纬度坐标转换为火星图像坐标。
步骤4:双线性插值,用火星图像像素的亮度估计相机观测图像上对应像素点的亮度。
步骤5:根据观测点在火星表面的法线方向,太阳入射方向和相机观测方向,校正相机观测图像的亮度。
输入为探测器坐标系相对火星坐标系的6自由度;输出为相机观测图像4096×3076。
本发明能够仿真生成火星探测器在轨运行过程中相机拍摄的动态真实景象,具有接收探测器平台测试设备模拟指令、轨道、姿态参数等信息;按照真实相机的光学***参数进行光学仿真计算后,生成相应三维景物成像信息反馈回测试设备;实现了中分对火成像探测从信息交互、成像、图像处理全流程的验证。
本领域技术人员知道,除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以外,完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以,本发明提供的***及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件,而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构;也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
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 (5)
1.一种环火轨道中分全球及局部成像能力地面验证***,其特征在于,包括数据接口模块、相机仿真模块、姿态控制模块和图像渲染及处理模块;
所述数据接口模块分别与相机仿真模块和姿态控制模块相连接;所述图像渲染及处理模块分别与相机仿真模块和姿态控制模块相连接;
所述数据接口模块进行数据通信与资源共享,保持较高的传输速率;
所述相机仿真模块根据数据接口模块传递的相关指令及模式,按照相机内外参数进行光学***仿真,将相关参数及属性传递至图像渲染及处理模块;
所述相机仿真模块生成相机观测的仿真图像包括如下步骤:
步骤S1:计算相机坐标系和火星坐标系之间的相对位置和姿态,得到相机的参数矩阵,计算相机图像上每一个像素点对应的射线方程;
步骤S2:计算射线与火星表面的交点,在已经获得的火星图像上找到与交点相邻的4个已知亮度的像素点,计算仿真图像上像素点的亮度;
步骤S3:根据太阳入射角和相机观测方向修正仿真图像上像素的亮度,对4096×3072个像素点依次执行上述步骤,得到仿真图像;
步骤S4:根据图像输出方式的设置,对计算得到的全幅仿真图像按全图或开窗、抽样输出;
所述姿态控制模块包括:
所述相机固连在探测器上,所述相机的安装位置、朝向参数均是相对于探测器本体坐标系而言;
所述相机位置在仿真时的微调和相机姿态的调整是以探测器本体坐标系作为基准坐标系;
所述图像渲染的基准坐标系为探测器轨道坐标系,将相机的位置和姿态参数从探测器本体坐标系转换到探测器轨道坐标系中;
所述***用于仿真生成火星探测器在轨运行过程中相机拍摄的动态真实景象,具有接收探测器平台测试设备模拟指令、轨道、姿态参数信息,按照真实相机的光学***参数进行光学仿真计算后,生成相应三维景物成像信息反馈回测试设备,实现了中分对火成像探测从信息交互、成像、图像处理全流程的验证。
2.根据权利要求1所述的环火轨道中分全球及局部成像能力地面验证***,其特征在于,所述数据接口模块对相机电气***仿真中的RS422和LAN接口进行管理,中分辨率载荷成像验证***与探测器平台测试设备之间通过千兆以太网交换机连接,保留RS422真实接口接收功能。
3.根据权利要求1所述的环火轨道中分全球及局部成像能力地面验证***,其特征在于,所述图像渲染及处理模块模拟观测图像亮度与积分时间的关系和模拟相机观测晨昏线。
4.根据权利要求1所述的环火轨道中分全球及局部成像能力地面验证***,其特征在于,所述探测器相对火星获得相机观测火星表面图像包括如下步骤:
步骤1:将探测器坐标系相对火星坐标系的6自由度转换为相机相对火星坐标系的6自由度,得到相机的外参数矩阵;
步骤2:计算相机图像每一个像素点过相机光心射线与火星球面的交点;
步骤3:将交点的经纬度坐标转换为火星图像坐标;
步骤4:用火星图像像素的亮度估计相机观测图像上对应像素点的亮度;
步骤5:根据观测点在火星表面的法线方向,太阳入射方向和相机观测方向,校正相机观测图像的亮度。
5.根据权利要求1所述的环火轨道中分全球及局部成像能力地面验证***,其特征在于,获得火星全图中像素点经纬度按火固坐标系定义,火星全图中像素点经纬度与自转周同向为经度增加方向,赤道面纬度为0,北极点纬度为90°,南极点纬度为-90°。
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