面向连续监视任务的视频卫星摄像机最优指向角控制方法
【专利摘要】本发明提供一种面向连续监视任务的视频卫星摄像机最优指向角控制方法，设摄像机指向角为定义为主光轴在UW平面内的投影与W轴的夹角，ω为主光轴在VW平面内的投影与W轴的夹角，κ为绕W轴的转动角；设连续拍摄任务起始时刻为t时刻，确定摄像机的指向角中ω和κ后，将摄像机的主光轴依次绕绕U轴旋转ω角，绕W轴旋转κ角，确定摄像机指向角中的后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转角；在后续拍摄任务过程中，保持ω和κ角不变，确定摄像机的指向角中后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转进行相应实时变化。本发明依据卫星遥感视频监控时的严格成像几何关系，分析了摄像机指向角与成像范围、成像分辨率的变化关系，设计了一种最优指向角的控制方法，可为摄像机姿态控制提供优化方案。
【专利说明】面向连续监视任务的视频卫星摄像机最优指向角控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星成像【技术领域】，尤其是涉及卫星遥感视频跟踪监测过程中的摄像 机最优指向角的控制方法。
【背景技术】
[0002] 卫星遥感是一种获取对地观测信息的重要技术手段，已在国土测绘、环境监测、灾 害应急和军事行动发挥了重大作用。相对于传统的遥感卫星，视频卫星能够在一定的时间 范围内，不断调整摄像机的指向角，对地表目标进行凝视，持续观测目标区域的动态变化， 可大幅提高传统卫星对地观测的时效性，在灾害监控、应急响应、军事侦察以及国土安全等 领域都具有重大的应用前景。美国军方从20世纪末开始一直积极研究卫星视频遥感技 术，并已经发射了多颗视频卫星在轨运行，但其数据并没有对外公开。近年来，国际上的一 些高科技企业也开始进入这一领域，如加拿大UrtheCast公司通过在国际空间站上安装2 个摄像机来获取高清晰度的遥感视频，并在Web平台上向公众进行直播。国际空间站每天 环绕地球飞行16次，UrtheCast的摄像机每天能生成大约150段时长90秒左右的视频。 UrtheCast公司计划在不久的将来向公众用户提供数据定制服务，能够为重大的地球事件 和重要地区提供实时的卫星视频。美国的Skybox公司计划发射24颗人造卫星，建立一个 覆盖全球的视频对地观测网络，该公司已于2013年11月21日以及2014年7月8日成功 发射了 SkySat 1和SkySat 2两颗卫星，并成功获取了部分地区0. 7米分辨率的高清视频 数据向用户提供。近年来，我国视频卫星的发展进入快速发展阶段，并于2014年9月成功 发射了一颗实验性质的视频卫星"天拓二号"，在不久的将来，将会有更多的视频卫星发射 升空。随着视频卫星技术的不断成熟卫星视频数据将会和传统的卫星遥感数据一起，得到 越来越广泛的应用。
[0003] 视频卫星数据的获取与传统的遥感影像获取方式上存在一定区别：传统遥感卫星 获取影像过程中，相机的指向一般是不变的；而视频卫星为了对特定目标进行监测和跟踪， 需要对目标进行"凝视"，即主光轴对准某个目标点连续成像。这就要求在卫星平台高速运 动过程中，须对摄像机主光轴的指向进行持续调整和控制，保证对特定的目标区域进行连 续摄像。由于在摄像机主光轴的转动，每帧视频的成像角度不同，会造成各帧图像的成像范 围和比例尺的变化。如何确定成像过程中的摄像机的最优指向角，在最大程度保证成像范 围的一致性的同时实现各帧间尺度变形近可能小，已成为一个亟需解决的瓶颈问题，但目 前还未见这方面的公开讨论。
【发明内容】
[0004] 针对卫星视频连续监视的应用需要和现有方法的不足，本发明设计了一种面向视 频连续监视任务的摄像机最优指向角控制方法。
[0005] 本发明技术方案提供一种面向连续监视任务的视频卫星摄像机最优指向角控制 方法，设0点位于地球质心，定义大地坐标系0-XYZ，Z轴由原点指向地球参考北极点，X轴 由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标 系；在某时刻摄像机的摄影中心为Ot点，定义摄像机本体坐标系ot-uvw，W轴指向地心，U轴 在卫星轨道面内垂直于W轴指向卫星运动方向，V轴垂直于UW平面并与UW构成右手正交 坐标系；P点为O t点的星下投影点，过P点作椭球的切平面，记为平面Ω ;定义切平面坐标 系P-XtYtZt，其中Xt轴和Y t轴位于平面Ω内，Xt轴平行于U轴，Zt轴垂直于Ω向上，Yt轴 与X T、Zt构成右手正交坐标系；地面监测的目标区域标记为Rtjbj，中心为C点；
[0006] 设摄像机指向角为(叭咏*1，定义-为主光轴在UW平面内的投影与W轴的夹角，ω 为主光轴在VW平面内的投影与W轴的夹角，κ为绕W轴的转动角；设连续拍摄任务起始时 刻为t时刻，提取t时刻摄像机的最优指向角，在确定摄像机的指向角中ω和κ后，将摄 像机的主光轴依次绕绕U轴旋转ω角、绕W轴旋转κ角，在确定摄像机指向角中的f后， 将摄像机的主光轴绕V轴旋转#角；在后续拍摄任务过程中，保持ω和 K角不变，根据卫 星与目标的位置关系实时变化，确定摄像机的指向角中-后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转 进行相应实时变化；
[0007] 所述提取t时刻摄像机的最优指向角包括以下步骤，
[0008] 步骤1，利用坐标转换，将Ot点、C点，以及目标区域Rtjbj的顶点坐标和t时刻的摄 像机瞬时方向向量，转到切平面坐标系P-X tYtZt下；
[0009] 步骤2,以Ot为中心，按中心投影方式，将C点投影到平面Ω上，投影点记为C'， 将目标区域R tjbj投影到平面Ω上，并取最小包络矩形记为Rrert，在矩形中过中心点C'且平 行于长边的线段记为I a，平行于短边的线段记为Ib ;
[0010] 步骤3,过P点在平面Ω作直线I1平行于Ot点的飞行方向向量L，过C'点作平面 Ω内的直线I2平行于I1 ;在平面Ω内，过C'点作直线I1的垂线，垂足记为A ;过A点做直 线I1的垂线与L交于(?点；
[0011] 步骤4,在切平面坐标系P-XtYtZt下，P点坐标为[0, 0, 0]T，Ot点在Zt轴上，设摄 像机航高为h, Ot点的坐标为[0,0，h]T, C'点的坐标记为t时刻摄像机的飞行 方向向量记为[ei，e2, e3]T，矩形目标区域的长边长为a，短边长为b，线段Ia的方向向量为 [知η 2, 0]τ，摄像机的像平面Ψ为矩形，长边长为Wa，短边长为wb，摄像机主距为f，图像长边 方向和短边方向的视场角分别为小 3和Φμ
[0012] 摄像机最优指向角中的夹角-提取如下，
[0013] 考虑沿着Xt轴方向的成像光束夹角，
【权利要求】
1. 一种面向连续监视任务的视频卫星摄像机最优指向角控制方法，其特征在于：设O 点位于地球质心，定义大地坐标系0-ΧΥΖ,Z轴由原点指向地球参考北极点,X轴由原点指向 格林尼治参考子午线与地球赤道面的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系；在某时 刻摄像机的摄影中心为O t点，定义摄像机本体坐标系ot-uvw，W轴指向地心，U轴在卫星轨 道面内垂直于W轴指向卫星运动方向，V轴垂直于UW平面并与UW构成右手正交坐标系；P 点为Ot点的星下投影点，过P点作椭球的切平面，记为平面Ω ;定义切平面坐标系P-XtYtZt, 其中Xt轴和Y t轴位于平面Ω内，Xt轴平行于U轴，Zt轴垂直于Ω向上，Yt轴与X T、Zt构 成右手正交坐标系；地面监测的目标区域标记为Rtjbj,中心为C点； 设摄像机指向角为定义f?为主光轴在UW平面内的投影与W轴的夹角，ω为 主光轴在VW平面内的投影与W轴的夹角，κ为绕W轴的转动角；设连续拍摄任务起始时刻 为t时刻，提取t时刻摄像机的最优指向角，在确定摄像机的指向角中ω和κ后，将摄像 机的主光轴依次绕绕U轴旋转ω角、绕W轴旋转κ角，在确定摄像机指向角中的^后，将 摄像机的主光轴绕V轴旋转f角；在后续拍摄任务过程中，保持ω和 Κ角不变，根据卫星 与目标的位置关系实时变化，确定摄像机的指向角中#后，将摄像机的主光轴绕V轴旋转进 行相应实时变化； 所述提取t时刻摄像机的最优指向角包括以下步骤， 步骤1，利用坐标转换，将Ot点、C点，以及目标区域Rtjbj的顶点坐标和t时刻的摄像机 瞬时方向向量，转到切平面坐标系P-XtYtZtT; 步骤2,以Ot为中心，按中心投影方式，将C点投影到平面Ω上，投影点记为C'，将目 标区域Rtjbj投影到平面Ω上，并取最小包络矩形记为Rrat，在矩形中过中心点C'且平行于 长边的线段记为I a，平行于短边的线段记为Ib ; 步骤3,过P点在平面Ω作直线I1平行于Ot点的飞行方向向量L，过C'点作平面Ω 内的直线I2平行于I1 ;在平面Ω内，过C'点作直线I1的垂线，垂足记为A ;过A点做直线 I1的垂线与L交于(?点； 步骤4,在切平面坐标系P-XtYtZt下，P点坐标为[0, 0, 0]T，Ot点在Zt轴上，设摄像机航 高为h,0t点的坐标为[0,0，h]T,C'点的坐标记为[Xc，Y c，0]T,t时刻摄像机的飞行方向向量 记为Iie1, e2,e3]T，矩形目标区域的长边长为a,短边长为b,线段I a的方向向量为Iin1, n2,0] T，摄像机的像平面Ψ为矩形，长边长为wa，短边长为wb，摄像机主距为f，图像长边方向和短 边方向的视场角分别为小 3和Φμ 摄像机最优指向角中的夹角提取如下， 考虑沿着Xt轴方向的成像光束夹角Av，
摄像机最优指向角中的夹角ω提取如下， 考虑沿着Yt轴方向的成像光束夹角
摄像机最优指向角中的转动角κ角为Ia与I2之间的夹角，
所述在后续拍摄任务过程中，确定摄像机的指向角中-的方式为，根据当前的距离S1, 进行夹角-提取如下， 考虑沿着Xt轴方向的成像光束夹角*
【文档编号】H04N5/232GK104378552SQ201410695913
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】张靖, 沈欣, 张正鹏 申请人:武汉大学