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高分辨率空间相机敏捷成像的像移补偿方法研究

李伟雄  
【摘要】:随着空间相机分辨率的不断提高,各空间技术强国除了追求相机的高地面分辨率外,对相机的图像采集效率也有了较为严格的要求,并且提出更多的图像应用方向,敏捷成像应运而生并成为了重要的研究方向之一。本文分析了不同敏捷成像模式对高分辨率空间相机像移补偿的要求,在此基础上研究适应飞行器大侧摆和大俯仰姿态下的敏捷成像的像移补偿方法。 首先,参照国外敏捷成像卫星,规划出单条带成像、多轨连续条带成像、同轨连续条带成像、多轨立体成像、同轨立体成像以及同轨多目标成像六种在飞行器姿态三轴姿态稳定时敏捷成像模式,研究每种成像模式的特点和作用。按照每种敏捷成像模式对飞行器姿态要求,将六种模式分为侧摆成像、俯仰成像以及侧摆俯仰成像三类。 其次,建立瞬态几何成像模型,用简单直观的方法定性分析侧摆成像和俯仰成像两类敏捷成像模式对像移补偿的要求。根据齐次坐标变换矩阵及景点到像面的变换过程,建立了像移速度矢计算模型,并推导了像移速度的精确计算公式。通过精密的像移矢计算模型以及传递函数的评价方法定量分析三类敏捷成像模式对像移补偿的要求。 再次,对传统补偿方法下的像移速度相对误差和偏流角误差的误差源进行归纳。通过对传统补偿方法在敏捷成像时的像移速度和偏流角匹配残差、像移速度和偏流角估值误差以及偏流角累积误差的分析,确定传统补偿方法对敏捷成像模式的适应能力,进而提出了适应大侧摆和大俯仰的敏捷成像模式需要解决的三个问题,侧摆成像问题、持续成像问题以及俯仰成像问题。 然后,研究敏捷成像的三个问题的解决方法:分析异速匹配和实时偏流调整方法的原理,并通过地面实验和在轨测试的完成两个方法验证。建立了实时偏流调整中的机构调整附加误差计算的数学模型,对实时偏流调整原理以及偏流角误差进行了定量分析,从理论证明了实时偏流调整的可行性。根据横向像移图像的生成原理,建立了横向像移图像的数学模型。提出了组建完成方程组的横向像移图像复原的方法,完成了地面仿真验证和算法精度分析。 最后,根据异速匹配、实时偏流调整以及构建完整方程组方法的实施条件,设计了适用于敏捷成像的高分辨率空间相机的敏捷像面,并且提出了基于敏捷像面的适应于飞行器大侧摆和大俯仰姿态的高分辨率空间相机的敏捷成像方案,为高分辨率空间相机敏捷成像的像移补偿技术的发展,提供了理论依据。


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