JP5619866B2 - 対称な露光写真を利用した地球観測システムに係るアライメント誤差のキャリブレーション方法 - Google Patents

Description

本発明は、観測衛星に関する。より特定的には、そうした衛星におけるオンボードの画像システムに係るキャリブレーションに関する。

さらに特定的には、本発明は、飛行中における地球観測システムのアライメント誤差のキャリブレーションに関する。

観測衛星の軌道上での配信は、衛星が正常に動作していることを確認した後で始まり、数ヶ月間継続する。この配信は、システムと仕様が一致していることを確認するために実行され、でき得る限りで最高の局地化を伴う画像の配布と流通させる。

衛星の一生を通じて幾何学的配置の実績のアセスメントもモニターされる。起こり得る変化または異常を特定できるようにするためである。

幾何学的配置のキャリブレーションは、幾何学的な軌道上の配信の第１の目的である。その目的は、グラウンドプロセス(ｇｒｏｕｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ)に対して幾何学的なモデル化と処理に含まれる特定の幾何学的なパラメーターを提供することである。これらのパラメーターは、先に地上において測定されているが、いくつかのものは打ち上げの後に変化することがあり、他のものは不十分な精度でしか測定することができない。これらのパラメーターは、サイトマーク（ｓｉｇｈｔ ｍａｒｋ）の方向を含んでいる。

このように、飛行中の幾何学的配置のキャリブレーションの間は、その目的は、サイトマークのキャリブレーション、または、サイトマークの絶対的な方向を決定することから成る、アライメント誤差のキャリブレーションを完了することである。

「宇宙からの画像、地球観測のための画像獲得の基本から光学的画像処理まで（Ｉｍａｇｅｒｙ ｆｒｏｍ Ｓｐａｃｅ， ｆｒｏｍ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｔｏ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ Ｅａｒｔｈ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ）」（ＩＳＢＮ：９７８．２．８５４２８．８４４．５）の１３７ページから１４１ページに記載されているように、アライメント誤差の幾何学的配置のキャリブレーションは、現在では、平面上および高度計測上の両方で、正確に幾何学的に既知のサイト（ｓｉｔｅ）を利用して行われる。これらのサイトは、異なるタイプのものであり（幾何学的な画像とモデル、コントロールポイント、３次元モデル、等）、精度のレベルも異なるものである。

こうしたサイトは、２つの主なファミリーから構成されている。一方は、アライメント誤差のキャリブレーションを可能にして局地化の実績を測定し（コントロールポイントデータベース）、他方は、姿勢残渣の精細な解析と異なる焦点に係る地図作成（幾何学的なスーパーサイト）をさせる動的および静的な分析をすることによって精細な幾何学的配置を可能にする。精度の問題の他に、これらのリファレンスの経年変化が問題となる。特には、リファレンスが画像（スーパーサイト）であるか、またはサムネイル画像（コントロールポイント）が付随しているときに問題となる。

一般的には、こうした制約を避けられるような地球観測システムの幾何学的配置のキャリブレーションのための技術が求められる。

「宇宙からの画像、地球観測のための画像獲得の基本から光学的画像処理まで（Ｉｍａｇｅｒｙ ｆｒｏｍ Ｓｐａｃｅ， ｆｒｏｍ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｔｏ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ Ｅａｒｔｈ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ）」（ＩＳＢＮ：９７８．２．８５４２８．８４４．５）１３７から１４１ページ

本発明は、こうした必要性に応えることを目的としている。本発明の第１の態様に従って、観測衛星の中のオンボード画像システムに係るサイトマークのロール方向とピッチ方向におけるアライメント誤差のキャリブレーション方法を提案する。

第１の態様に従って、本発明では、画像システムによって獲得されたあるシーン（ｓｃｅｎｅ）の参照画像が、そのシーンの第２画像と比較される。参照画像及び第２画像は、画像システムによって獲得されたシーンに係る露光写真からできており、第２画像に係る露光の間の観測衛星の動作方向は、参照画像に係る露光の間の観測衛星の動作方向とは反対である、ことで特徴付けられる。

本方法では、こうして、地球観測システムのアライメント誤差のキャリブレーションをするのにコントロールポイントなしで済ますことができる。

本方法に係る、望ましく、非限定的な特定の態様は以下の通りである。
−参照画像と第２画像の比較は画像間の相関を利用して行う。
−ピッチ方向誤差とロール方向誤差をそれぞれアセス（ａｓｓｅｓｓ）するために、参照画像と第２画像の相関によって獲得されたマトリックスに係るラインの平均化とカラムの平均化を含む。
−空間的三角測量によってピッチ方向とロール方向の誤差の見積もりが実行される。
−参照画像と第２画像は、シーン上の観測衛星に係る一つ及び同一のパスの間に獲得される。
−参照画像と第２画像との比較に先立って、擬似的に重ね合わせるとぴったり一致するように第２画像を参照画像の中に投射する目的で画像を共通局所化することから成るステップを含む。
−複数のシーンに対して実行され、一方で、複数のシーンに係るそれぞれのシーンについて計算されたピッチ方向誤差の見積もりを平均化し、他方では、複数のシーンに係るそれぞれのシーンについて計算されたロール方向誤差の見積もりを平均化することによって平均アライメント誤差が見積もられる。
−ピッチ方向誤差見積もりの標準偏差とロール方向誤差見積もりの標準偏差が計算される。

第２の態様に従って、本発明は、一式の命令を含むコンピュータープログラム製品に関する。コンピュータープログラム製品は、データ処理装置上で実行されるときに、本発明の第１の態様に従った方法に係るステップをデータ処理装置に実行させるものである。

第３の態様に従って、本発明は、観測衛星のオンボードに載せられるように設計された画像システムに関する。本システムは、複数の検知器と、実行されたときに画像システムのロール方向とピッチ方向のアライメント誤差のキャリブレーションを実施させる、本発明の第２の態様に従った、コンピュータープログラム製品とから成る、検知バーを含んでいる。

本発明の他の態様、目的、そして有利な点は、以降の好ましい実施例に係る詳細な記述を読めば、さらに明らかにされる。限定の無い実施例に係る方法や、添付の図面を参照することによってである。
図１は、本発明に従って、一つ及び同一なシーン(ｓｃｅｎｅ)に係る参照画像と第２画像を示している。 図２は、ロール方向およびピッチ方向の誤差に達するために平均的なライン（ｌｉｎｅ）とカラム（ｃｏｌｕｍｎ）のオフセットを測定するためのスキームを示している。 図３は、本発明の第１の態様に従った方法に係り可能な実施例の異なるステップを示した模式図である。

一般的に、本発明は、第１の態様に従って、観測衛星の中で実行されるオンボードの画像システムに係るサイトマーク（ｓｉｇｈｔ ｍａｒｋ）のアライメント誤差のキャリブレーション方法を提案するものであり、一つ及び同一なシーンについて２つの対称な獲得画像（単一のパスである必要はない）に基づいてコントロールポイントをなしで済ますことができる。このタイプの獲得画像の主たる有利な点は、ロール方向及びピッチ方向における誤差のために、地上での効果を対称にすることである。

本発明は、このように、あるシーンの参照画像を画像システムによって獲得された同一シーンの第２画像と比較することを提案する。参照画像及び第２画像は、画像システムによって獲得されたシーンに係る露光写真からできている。第２画像に係る露光の間の観測衛星の動作方向は、参照画像に係る露光の間の観測衛星の動作方向とは反対である。

このように、もし第１の露光写真（参照画像）に対する正のロール効果が東寄りのオフセットを結果として生じているのであれば、第２の露光写真（第２画像）における同一の正のロール効果は西寄りのオフセットを結果として生じる。北／南のピッチ方向についても同様である。地上における２つの露光写真に係るオフセットを測定することによって、アライメント誤差を２倍にする（ロール方向及びピッチ方向）観測可能性が得られる。

２０１１年１２月に打ち上げられた地球観測衛星プレアデス（ＰＬＥＩＡＤＥＳ）は、軌道面の両側、または前から後ろに揺り動かすことによって素早くその視界方向を変更できるという意味において機敏であるという利点を示している。この操作性は、広がった視野で映像モザイクを生成し、または３次元でシーンを再構築する実施例のために異なる角度から撮影された一つ及び同一のシーンに係る景色を構成することを可能にしている。

プレアデス衛星のように機敏な衛星は、本発明の範囲内において、参照画像と第２画像から成るペア画像の獲得を実行するために、左右に首を振るように操作できる。より正確には、参照画像は衛星の進行を利用して従来通りに獲得することができ、第２画像は１８０°のヨー（ｙａｗ）操作の後で獲得することができる。画像システムの検出バーは、このように回転して、ピッチ（ｐｉｔｃｈ）操作の助けを借りて同一のシーンを再度撮影できるようにする。

図１は、本発明に従った、一つ及び同一のシーンに係る参照画像Ｒと第２画像Ｓの「対称な」露光写真である。

図１において、ラベルＣＣＤは、観測衛星の画像システムに係る検出バーの位置を示している。このバーは、典型的にはＣＣＤ（電荷結合素子、電荷の移動を利用するデバイスを意味する）タイプであるが、配列された複数の感光性センサーを含んでいる。例えば、列ごとに４０００から６０００個のセンサーといったオーダーである。ラベルｔは、時間上の衛星の動きを示している。本発明は、「プッシュ−ブルーム（ｐｕｓｈ−ｂｒｏｏｍ）」タイプのスキャニングセンサーに限定されず、マトリックスタイプのセンサーまで拡張されることが理解されよう。

図２は、ピッチ方向とロール方向の誤差に達するための、参照画像と第２画像との間のライン（ｌｉｎｅ）とカラム（ｃｏｌｕｍｎ）の平均オフセットを測定するスキームを示している。ラインオフセットｄｌは、ピッチ方向誤差の２倍である特性をもち、カラムオフセットｄｃは、ロール方向誤差の２倍である特性をもつ。

図３は、本発明の第１の態様に従って、本方法で可能な実施例に係る異なるステップを説明する模式図である。

「幾何学的配置調整（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ）」と呼ばれる第１のステップに従って、参照画像と第２画像が画像ペアの中で選択される。参照画像と第２画像に係る幾何学モデルは、次に、システムによって配信された全ての情報（デジタル地形モデル、姿勢、焦点面の地図作成、等）を画像の中に投射するために使用される。すると、２つの画像は擬似的に重ね合わせるとぴったり一致するようになる。違いは、焦点面に係る情報の欠如と（姿勢と軌道制御システムＡＯＣＳによって修正されていない）残余の姿勢誤差から生じるものだけである。

このように、この「幾何学的配置調整」ステップは、ペアの第１の画像を第２の画像の上に投射することから成る。より正確には、「共通局所化（ｃｏ−ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ）」と呼ばれる変換が、対応する第１画像に係る全てのラインとカラムの位置を第２画像に係るラインとカラムの位置に当てはめるために使用される。この目的のためには、地上におけるその画像の位置に関する情報を得るために（画像の予備データに含まれる全ての情報を利用して）第１画像に係る直接的な局所化モデルが使用される。そして、この地上情報と第２画像に係る逆局所化モデルが利用される。

第２のステップに従えば、ピッチ方向とロール方向の誤差を見積もるために、例えば相関によって、第２画像と参照画像の比較が行われる。

本発明は、相関の実行に限定されるものではなく、画像間のオフセットを測定するためのあらゆる他の技術にまで拡張されることが理解されよう。

次に、ピッチ方向とロール方向の誤差を見積もるために、ラインとカラムにおける平均オフセットが計算される。平均ラインオフセットは、実際にはピッチ方向誤差の２倍に対応し、平均カラムオフセットは、ロール方向誤差の２倍に対応する。

このように、参照画像と第２画像の相関によって得られたマトリックスに係る平均ラインと平均カラムは、ピッチ方向とロール方向の誤差をそれぞれに見積もることを可能にする。

一つの可能な実施例においては、ピッチ方向とロール方向の誤差の見積もりは、空間的な三角測量によって実行される。

この第２のステップは、複数のシーンと、従っていくつかの参照画像／第２画像のペアに対して有利なように何回か繰り返される（例えば、従来の幾何学的配置のキャリブレーション技術の場合には３０か、そのくらいの数のシーンである）。そして、一方で、複数のシーンに係るそれぞれのシーンについて計算されたロール方向誤差の見積もりを平均することによって、平均アライメント誤差が見積もりされる。ピッチ方向誤差見積もりの標準偏差とロール方向誤差見積もりの標準偏差は、また、局地化実績の見積もりを提供するために有利なように計算される。

本発明の第１の態様に従った方法の主な有利な点は、スーパーサイト（ｓｕｐｅｒｓｉｔｅ）を要求することなく（これによりスーパーサイトを生成し、操作し、維持するという制約を避けることができる）、またはコントロールポイント（ＧＰＳ，地図、等）も要求することなく、アライメント誤差の自律的なキャリブレーションを実行できることである。

この方法により、（スーパーサイトに接続された）特定の局所化をなしで済ますことができる。そして、異なる緯度におけるサイト（ｓｉｔｅ）のアライメント誤差をキャリブレーションすることができる。それにより、こうした誤差において起こり得る熱弾性の変化をモニターすることができ、軽い作業負担で日常的な軌道のモニター作業に使用できる。大量のサイトを利用することも可能であり、それゆえ幾何学的配置のキャリブレーションの精度を改善することもできる。

本発明は、第１の態様に従った方法に限定されるものではなく、第２の態様に従って、一式の命令を含むコンピュータープログラム製品にまで拡張されることが理解されよう。コンピュータープログラム製品は、データ処理装置上で実行されるときに、本発明の第１の態様に従った方法に係るステップをデータ処理装置に実行させるものである。本発明は、さらに、観測衛星の機内に載せられるように設計された画像システムにまで拡張される。システムは、複数の検知器と、実行されたときに画像システムのキャリブレーションを実施させる本発明の第２の態様に従ったコンピュータープログラム製品から構成されている。

Claims (10)

1. 観測衛星の内部のオンボード画像システムに係るサイトマークのロール方向とピッチ方向におけるアライメント誤差をキャリブレーションする方法であって、
   あるシーンに係る参照画像を前記画像システムによって獲得された前記シーンに係る第２画像と比較するステップを含み、該比較は、前記画像間のオフセットを測定し、ロール方向及びピッチ方向における前記アライメント誤差と相関する観測可能性をもたらし、
   前記参照画像と前記第２画像は、前記画像システムによって獲得された前記シーンに係る露出写真で構成され、前記第２画像に係る露光の間の前記観測衛星の動作方向は、前記参照画像に係る露光の間の観測衛星の動作方向とは反対である、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記参照画像と前記第２画像との前記比較は、前記画像間の相関を利用している、請求項１に記載の方法。
3. 前記方法は、さらにピッチ方向誤差とロール方向誤差をそれぞれ見積もるための前記参照画像と前記第２画像の相関によって獲得されたマトリックスに係るラインの平均化とカラムの平均化を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記ピッチ方向誤差とロール方向誤差の見積もりは、空間的三角測量によって実行される、請求項３記載の方法。
5. 前記参照画像と前記第２画像は、前記シーン上の前記観測衛星に係る一つ及び同一のパスの間に獲得された、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記方法は、前記参照画像と前記第２画像との比較に先立って、擬似的に重ね合わせるとぴったり一致するように前記第２画像を前記参照画像の中に投射する目的で前記画像を共通局所化することから成るステップを含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記方法は、複数のシーンに対して実行され、一方で、前記複数のシーンに係るそれぞれのシーンについて計算されたピッチ方向誤差の見積もりを平均化し、他方では、前記複数のシーンに係るそれぞれのシーンについて計算されたロール方向誤差の見積もりを平均化することによって平均アライメント誤差が見積もられる、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ピッチ方向誤差の見積もりに係る標準偏差と、前記ロール方向誤差の見積もりに係る標準偏差が計算される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. データ処理装置上で実行されるときに、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法に係るステップを前記データ処理装置に実行させる一式の命令を含む、コンピュータープログラム。
10. 観測衛星のオンボードに載せられるように設計された画像システムであって、複数の検知器と、実行されたときに前記画像システムのサイトマークに係るロール方向とピッチ方向におけるアライメントのキャリブレーションを実施させる請求項９に記載のコンピュータープログラムとから成る検知バー、を含むシステム。

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