考虑飞机姿态角时倾斜航空相机像移速度计算

飞机的飞行和姿态变化使航空相机在拍照时产生像移,必须通过像移补偿来提高照相分辨率。为获得飞机姿态角变化时在倾斜航空相机像面上的像移速度大小,首先建立姿态变化过程的数学模型,用坐标系的旋转来等同姿态角的变化,然后根据坐标系旋转前后相同点坐标值之间的矩阵转换关系,推算出单个姿态角变化导致的像移速度,最后将此方法推广到三个姿态角都变化时像移速度的计算。实际应用证明了该方法是一种有效的斜视画幅式航空相机的像移速度计算法,且直观、简单易行,还可以扩展到星载相机上。     

凝视模式下的画幅相机两轴像移补偿

通过斜视画幅相机的几何模型,选择载机相关坐标系,建立了计算目标航迹速度到像面坐标系下像移速度的数学模型。通过坐标变换将航迹速度(目标在航迹坐标系下的速度)转换至机体坐标系下的速度矢量,最终至补偿坐标系下的运动矢量;计算视轴长度,得到了扫描镜补偿角速度。最后,阐述了像面旋转机构在像移补偿中的作用,并给出了具体位置角计算公式。提出的采用扫描镜和像面旋转机构相结合的方案实现了凝视工作模式下的画幅相机像移补偿,利用坐标变换计算出的相应量,可为将来画幅相机在该模式下的像移补偿工程应用提供必要的参考。     

大视场空间相机的像移速度场模型及卫星三轴姿态稳定度分析

针对大视场空间相机的像移补偿,建立了基于坐标变换和姿态动力学的离轴三反大视场空间相机通用像移速度场模型。建模过程中考虑了离轴三反光学系统的离轴角对像移模型的影响,推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例,分析了3种典型成像姿态下焦面像移速度和偏流角的分布特点,研究了卫星姿态稳定度对相机成像质量的影响。分析表明,卫星三轴姿态稳定度的降低会导致相机焦面动态传递函数(MTF)下降,其中俯仰姿态稳定度对焦面动态MTF的影响最大;并且随着积分级数增加,下降会愈发明显。相机侧摆姿态成像时,对卫星姿态稳定度的要求更高。以传递函数下降5%为限,积分级数为96级的大视场空间相机,要求卫星姿态稳定度控制在0.001(°)/s以内。实验结果验证了文中对卫星姿态稳定度的分析,证明了像移速度场模型的准确性,为大视场空间相机像移补偿提供了可靠依据。     

基于DSP的空间相机像移速度计算的研究

为了精确匹配地物运动在空间相机像面产生的像移,实现了以WGS-84坐标系下航天器位置向量及速度向量,航天器轨道坐标系下姿态角及姿态角速率作为输入参数的像移速度计算方法。首先,在原有像移速度计算模型的基础上选取了惯性坐标系,降低了求解轨道倾角和降交点经度的复杂性。并通过球面几何的余弦定理直接求解航天器与降交点相对地心夹角的余弦值,避免了原像移速度计算模型中通过判断卫星飞行方向和星下点纬度来求解航天器与降交点相对地心夹角的余弦值的过程。接着,将星下点的经度和纬度与FLASH地址有机的联系在一起,避免了访问高程数据时繁琐的查表过程。然后,通过分析像移速度残差对相机MTF的影响,评估了像移速度计算模型的可行性。最后,在TI的DSP上实现了像移速度计算的整个过程。分析及实验结果表明,像移速度计算残差为1.5‰,引起的相机MTF下降为1％,像移速度计算时间小于2ms。满足空间相机对像移速度的计算精度和计算时间的要求。     

空间相机像移速度计算方法及DSP实现

为了精确匹配地物运动在空间相机像面上产生的像移,实现了以WGS-84坐标系下航天器位置向量及速度向量、航天器轨道坐标系下姿态角及姿态角速率作为输入参数的像移速度计算方法.首先,在原有像移速度计算模型的基础上选取惯性坐标系,降低了求解轨道倾角和降交点经度的复杂性.通过球面几何的余弦定理直接求解航天器与降交点相对地心夹角的余弦值,避开了原像移速度计算模型中通过判断卫星飞行方向和星下点纬度来求解航天器与降交点相对地心夹角余弦值这一过程.然后,有机联系星下点的经度和纬度与FLASH的地址,避开访问高程数据时繁琐的查表过程.通过分析像移速度残差对相机MTF的影响,评估了像移速度计算模型的可行性.最后,在TI的DSP上实现了像移速度的整个计算过程.分析及实验结果表明,像移速度计算残差为0.15%,引起相机的MTF下降为1%,像移速度计算时间＜2 ms,满足空间相机对像移速度的计算精度和计算时间等要求.     

机载成像系统像移计算模型与误差分析

研究了机载成像系统的像移及其对成像质量与相机分辨率的影响。为准确获取像移矢量,实现成像系统像移补偿,提出了一种基于坐标变换的机载成像系统像移计算模型。通过线性坐标变换,建立了从地面目标景物到成像系统像面的坐标变换模型,推导了地面目标景物在成像系统像面的解析表达式,根据坐标在相机积分时间内的变化来确定像移矢量。分析了成像系统像移误差的主要来源,讨论了载机轨道坐标、飞行姿态角和相机视轴角误差对像移计算结果的影响,采用蒙特卡罗方法分析和统计了像移计算误差。样本实验结果表明,在载机姿态角和相机摆角不变条件下,像移量与载机速度成正比,与目标距离成反比,像移误差随着参数误差的增加而增加,其中载机经度和纬度误差是影响像移计算误差的重要因素。结果显示本文方法对机载成像系统的像移补偿具有实用价值。     

基于差分法的空间相机像移速度矢量计算

为了实现空间相机精密像移补偿,提出了一种基于差分法的空间相机像移速度矢量计算模型.首先,应用坐标变换建立空间相机对地成像模型,分析了空间相机在垂直摄影、侧摆摄影和前后摆摄影时,目标像点与成像面之间的相对运动情况.然后,根据目标像点在成像面上的匀速运动规律,提出对像点位置坐标进行差分计算求得像移速度矢量的方法.最后,对提...     

飞行器姿态对空间相机像移补偿的影响

为了实现高精度的像移补偿,通过分析飞行器姿态对像移补偿结果的影响,提出空间相机对飞行器姿态精度的要求。首先,根据调制传递函数对像移匹配特性的要求进行分析,确定允许的像移匹配误差。然后,用蒙特卡洛法（即统计试验法）对像移速度误差进行分析和计算。最后,确定满足空间相机像移补偿要求的姿态精度。通过计算得出,满足96级TDI-CCD像移匹配误差要求的飞行器指向精度应优于0.1°,姿态稳定度应优于0.005°/s。方法简单,易于实现,适用于空间相机像移补偿系统的研究。     

姿态对地指向不断变化成像时的像移速度计算

基于线阵时间延迟积分(TDI)CCD推扫成像原理,分析了敏捷卫星在三轴姿态机动过程中动态成像的像移问题。由于姿态对地指向不断改变会导致像面空间方位不断改变,从而造成像移速度的改变,本文通过坐标变换法推导出了动态成像方式下的像移速度数学解析表达式,仿真得到了不同姿态机动角速度情况下的TDICCD积分时间数量级。数值仿真分析表明:当前50μs级的航天相机在700km的轨道高度可以实现以0.5(°)/s角速度上限进行动态推扫成像;当姿态机动角速度大于0.5(°)/s时,曝光时间越来越短,需要设计更高水平的相机。以上结论表明,对于不同角速度的动态成像任务,需要量化TDICCD积分时间数量级,实现在三轴姿态机动过程中开启光学有效载荷来完成推扫成像的动态成像。     

椭圆轨道TDI CCD相机像移匹配计算与成像验证

针对椭圆轨道卫星地心距和前进速度时刻变化对航天时间延迟积分(TDI)CCD相机成像的影响,提出了一种矢量映射分析方法来计算椭圆轨道时变的像移速度矢量。通过建立不同的坐标系,将椭圆轨道卫星在轨运行速度和地物随地球自转的线速度映射至TDI CCD相机像面坐标系。以某临界回归椭圆轨道为例,计算了影响航天TDI CCD相机成像的像移速度矢量和数据读出频率。最后,利用小卫星姿态控制系统半物理仿真平台和TDI CCD原理样机对提出的像移速度矢量映射分析方法进行了实验验证。结果表明:临界回归椭圆轨道一个周期内,参数按照等比缩放原则配置时,对应的偏流角、像移速度矢量和靶标移动速度分别为-3.76~3.22(°)、0.1673~0.72mm/s和19.12~82.24pixel/s,获取的图像能够满足1~2peixl的目标分辨率。实验结果说明,用提出的方法计算像移速度矢量结果准确,可为椭圆轨道航天TDI CCD相机成像匹配提供可靠依据。     

盾构姿态测量中基于边缘检测的中心定位算法

振动对盾构测量系统的影响较大,提出了基于光阑的测量方案对原系统加以改进。鉴于光斑存在随机噪声污染,采用中值滤波技术,有效地降低了其对光斑中心定位的影响。对多种边缘检测算子作了比较研究,并利用其对激光光斑进行边缘检测,实现了聚焦光斑的准确定位。     

多传感器的天文标定与空间配准

为了实现共平台的多个空间观测成像系统的空间配准,对多个相机进行天文标定和姿态测量,提出一种基于星图模拟的星图识别和姿态解算算法。首先,建立共平台的多传感器天文观测模型,并产生模拟星图,将星点之间的特征转换为图像特征;其次,根据四边形对角线的共线不变性特征,对相机观测星图和模拟星图进行特征匹配,提取相机内参数的初始值;然后,利用星点坐标矩阵奇异值不变性,自动匹配剩余星点并求解姿态矩阵的初始值;最后,对相机内参数和姿态矩阵进行非线性优化求解。实验结果表明,在未精确标定光学系统内外参数的情况下,星点正确识别率大于97.4%,相机像元角分辨率为3.9"×3.4",最后计算得出的投影误差低于1个像素,满足多传感器空间观测系统空间配准的精度和鲁棒性要求。     

基于双星敏感器的船体姿态确定

由于单星敏感器横滚测量精度偏低会影响航向测量精度,本文针对测量船的实际使用环境,提出了基于视轴指向的双星敏感器船体姿态测量方法。介绍了单星敏感器船体姿态测量原理及其不足,分析了星敏感器滚动角测量误差对船体姿态测量精度的影响。设计了双星敏感器船体姿态测量系统,建立了基于视轴指向测量的双星敏感器船体姿态测量模型。最后,对该算法模型进行了外场试验验证。试验结果表明,基于双星敏感器的船体姿态测量方法获得的航向、纵摇及横摇测量精度分别为6.9″、5.7″及4.5″,显著优于基于单星敏感器的船体姿态测量精度,避免了星敏感器横滚测量精度对航向测量结果的影响,为船用星敏感器的工程设计提供了参考依据。     

大量程高精度三维姿态角测量系统设计

基于针孔成像和双矢量定姿原理,设计一种使用单图像传感器实现大量程高精度三维姿态角测量的方法.根据系统要求设计双基准平行光源,采用FPGA单芯片实时实现图像传感器的驱动成像、光斑的分割与质心定位及与USB之间的快速通信,通过光斑质心坐标计算得到双基准平行光源的方向矢量,根据双矢量定姿原理计算姿态敏感器的旋转矩阵,得到三维姿态角;根据针孔成像模型,建立姿态敏感器的内外参数统一标定模型,对测量系统进行标定,标定结果和测量实验表明,三维姿态角测量系统的视场范围达到19.6°×19.6°,俯仰角、偏航角、滚动角的精度达到9.9″、9.3″、80.2″.     

基于多点合作目标的多线阵CCD空间物体姿态测量

为了精确测量悬浮试验场内姿态快速变换的空间物体的姿态角参数,提出了一种采用3个线阵CCD相机同时测量多个点合作目标的姿态测量方法,以解决传统的线阵CCD姿态测量系统中相机位置间的约束条件过多造成的非线性系统误差及校准参数多的问题.该方法采用柱面透镜和线阵CCD组成的3个一维相机,对被测物体上的多个点合作目标同时进行测量;并针对测量原理对姿态角限制的问题,采用模拟计算的方法进行姿态角测量范围的计算.由神经网络校准线阵CCD相机,直接给出点合作目标的空间三维坐标,并通过建立基于Rodrigues参数姿态解算模型求解被测物体的姿态角.实验结果表明,本文方法得到的空间点位置测量精度及空间姿态解算精度高于原线阵CCD姿态测量方法,验证了该姿态测量方法进行姿态测量的可行性和有效性.     

基于干扰观测器的无人机在轨姿态控制系统设计

针对无人机在轨姿态控制系统误差较大的问题,提出基于干扰观测器的无人机在轨姿态控制系统设计.选择 STK５３F４０６V 作为微处理器的芯片,存储器选用 AY５４GN１７８M 芯片,通过 TIM 时钟输入捕获命令进行脉冲调制信号的采集与存储.系统软件采用干扰观测器来分析无人机姿态控制中的干扰频域,从干扰的种类、精度、动态性能和飞行模式等方面对系统进行正弦波的干扰分析,将扰动与系统的控制参数控制在同一个范围内,实现对飞行状态的修正和扰动频率的正确估计.实验结果表明,基于干扰观测器的无人机姿态控制系统的抗干扰性强,耗时较短,控制性能较好.     

基于BP神经网络的盾构机姿态与轨迹控制研究

为提高盾构机在隧道施工掘进中的运动轨迹精度,降低掘进中的"蛇行"量,提出一种基于BP神经网络的盾构机姿态与轨迹控制参数补偿方法.首先,对影响盾构机姿态与轨迹的参数进行分析,从而结合动量定理和动量矩定理,构建盾构机空间6自由度运动的动力学方程.其次,利用BP神经网络反向学习功能,对盾构机姿态控制参数进行预测,并借助专家知识系统的推理功能,对推进系统姿态进行调整,从而使盾构机更好地沿着预定的设计轴线掘进.最后,对新算法进行仿真,验证了算法的可行性.