RU2561231C1

RU2561231C1 - Method for flight calibration of multispectral space-based equipment

Info

Publication number: RU2561231C1
Application number: RU2014111890/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Еремеев; Ирина Ивановна Зинина; Алексей Евгеньевич Кузнецов; Геннадий Николаевич Мятов; Олег Григорьевич Светников; Роман Валентинович Тишкин
Original assignee: Акционерное общество "Ракетно-космический центр "Прогресс" (АО "РКЦ "Прогресс")
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-08-27

Abstract

FIELD: physics, navigation.

SUBSTANCE: invention relates to a method of calibrating internal orientation elements of space-based survey equipment, which includes a multispectral channel and a monochromatic channel. The method includes preliminary calibration of the monochromatic channel; surveying the same region of the earth's surface with both the monochromatic channel and the multispectral channel; transforming the multispectral image into a monochromatic image; reducing the transformed image to the scale of the monochromatic image; further, determining offset and turning said images about each other; refining angles between axes of the autonomous orientation system of the spacecraft and axes of the multispectral channel based on the obtained offset and turning; determining the true angular position of the multispectral channel in an inertial coordinate system.

EFFECT: high accuracy of calibrating internal orientation elements of multispectral survey equipment of spacecraft during flight thereof on a near-earth orbit.

5 cl

Description

Предлагаемый способ полетной калибровки мультиспектральной аппаратуры космического базирования относится к космической технике и фотограмметрии, а именно к обработке изображений поверхности Земли при дистанционном ее зондировании, и может быть использован для калибровки элементов внутреннего ориентирования (ЭВО) мультиспектральной съемочной аппаратуры (МСА) космического базирования в процессе полета по околоземной орбите. Системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) проходят предполетную калибровку характеристик съемочной аппаратуры (СА): геометрических - измерение ЭВО (фокусное расстояние, дисторсия объектива, конструктивный угол между системой ориентирования космического аппарата (КА) в пространстве и оптической осью СА, а также геометрические искажения), радиометрических (разброс чувствительности, нулевых уровней и отношения сигнал/шум приемников излучения) и спектрометрических. В ходе запуска космического аппарата (КА) и в процессе его эксплуатации геометрические, радиометрические и спектрометрические характеристики могут значительно изменяться относительно параметров, измеренных при наземной калибровке. Поэтому необходимо с определенной периодичностью проводить полетную калибровку съемочных устройств. Так как изменения геометрических характеристик МСА наиболее сильно влияют на точность определения геодезических координат, то задача их калибровки, связанная определением элементов внутреннего ориентирования МСА КА, является одной из важнейших задач полетной калибровки.The proposed method of flight calibration of multispectral space-based equipment relates to space technology and photogrammetry, namely to processing images of the Earth's surface during remote sensing, and can be used to calibrate interior orientation (EVO) elements of multispectral shooting equipment (ISA) space-based during flight in low Earth orbit. Earth remote sensing (ERS) systems undergo pre-flight calibration of the characteristics of filming equipment (SA): geometric - EVO measurement (focal length, lens distortion, design angle between the spacecraft’s orientation system in space and the optical axis of the SA, as well as geometric distortions) radiometric (scatter of sensitivity, zero levels and signal-to-noise ratios of radiation receivers) and spectrometric. During the launch of the spacecraft (SC) and during its operation, the geometric, radiometric and spectrometric characteristics can vary significantly with respect to the parameters measured during ground-based calibration. Therefore, it is necessary to conduct flight calibration of filming devices with a certain frequency. Since changes in the geometric characteristics of the ISA most strongly affect the accuracy of determining geodetic coordinates, the task of calibrating them, associated with the determination of the internal orientation elements of the ISA of the spacecraft, is one of the most important tasks of flight calibration.

Известен способ калибровки дисторсии оптико-электронного устройства (патент РФ №2321888, МПК (2006.01) G06K 9/32, G01M 11/02, 16.10.2006), заключающийся в перемещении оптико-электронного устройства вдоль оси на фиксированную величину и получении в каждом из зафиксированных положений изображения, измерении в каждом из зафиксированных положений оптико-электронного устройства реальных координат одной и той же контрольной точки получаемого изображения, вычислении по полученным координатам коэффициентов дисторсии.A known method of calibrating the distortion of an optoelectronic device (RF patent No. 2321888, IPC (2006.01) G06K 9/32, G01M 11/02, 10.16.2006), which consists in moving the optoelectronic device along the axis by a fixed value and receiving in each of fixed positions of the image, measuring in each of the fixed positions of the optical-electronic device the real coordinates of the same control point of the resulting image, calculating the obtained coordinates of the distortion coefficients.

Недостатком этого способа является недостаточная точность калибровки из-за не учета всех геометрических искажений, вносимых ЭВО, и низкая точность калибровки всех геометрических характеристик СА.The disadvantage of this method is the lack of accuracy of the calibration due to not taking into account all the geometric distortions introduced by the EVO, and the low accuracy of the calibration of all geometric characteristics of SA.

Известен также способ полетной калибровки (Аншаков Г.П., Голяков А.Д., Петрищев В.Ф., Фурсов В.А. Автономная навигация космических аппаратов (под ред. А.Н. Кирилина) - Самара: Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ - Прогресс», 2011. 486 с.), позволяющий определить угловые и линейные элементы внешнего ориентирования (установочные углы между визирной осью СА и ориентацией КА) и учесть геометрические искажения СА в процессе эксплуатации.There is also a method of flight calibration (Anshakov G.P., Golyakov A.D., Petrishchev V.F., Fursov V.A. Autonomous navigation of spacecraft (edited by A.N. Kirilin) - Samara: State Scientific and Production rocket and space center "TsSKB - Progress", 2011. 486 p.), which allows to determine the angular and linear elements of external orientation (installation angles between the target axis of the satellite and the orientation of the spacecraft) and take into account geometric distortions of the satellite during operation.

Использование этого способа для полетной калибровки МСА, являющейся СА среднего и низкого пространственного разрешения, дает неудовлетворительные результаты из-за недостаточного разрешения.Using this method for flight calibration of ISA, which is a medium and low spatial resolution CA, gives unsatisfactory results due to insufficient resolution.

Наиболее близким по технической сущности является способ полетной калибровки монохроматической оптико-электронной системы высокого пространственного разрешения (О.А. Гомозов. Методы и технологии геометрической обработки космической видеоинформации от оптико-электронных систем высокого пространственного разрешения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Рязань, 2005 г.) по множеству изображений полигона калибровки (т.е. наборов специально оборудованных наземных участков, каждый из которых имеет определенные устойчивые характеристики (спектральные, яркостные, геометрические и иные), которые используются для контроля параметров бортовых технических средств ДЗЗ в процессе полета и их калибровки, валидации спутниковых снимков, разработки и сертификации методик решения тематических задач ДЗЗ и проведения других научных исследований), который заключается в определении элементов внутреннего и внешнего ориентирования. После получения множества изображений полигона калибровки оценивают достоверность полученных значений параметров по изображениям контрольного полигона, полученным, например, отличным от изображений полигона калибровки способом. Затем осуществляют съемку района наблюдения, при которой используют значения параметров калибровки.The closest in technical essence is the method of flight calibration of a monochromatic optical-electronic system of high spatial resolution (OA Gomozov. Methods and technologies for the geometric processing of space video information from optical-electronic systems of high spatial resolution. Abstract of dissertation for the degree of candidate of technical sciences, Ryazan, 2005) according to the set of images of the calibration ground (i.e., sets of specially equipped ground sections, each of which has t certain stable characteristics (spectral, brightness, geometric and others) that are used to control the parameters of onboard remote sensing technical equipment during the flight and calibrate them, validate satellite images, develop and certify methods for solving thematic remote sensing tasks and conduct other scientific research), which consists in determining the elements of internal and external orientation. After obtaining a plurality of images of the calibration polygon, the reliability of the obtained parameter values is estimated from the images of the control polygon obtained, for example, in a manner different from the images of the calibration polygon. Then carry out the survey area, in which use the values of the calibration parameters.

Недостатком этого способа является его низкая точность при калибровке МСА, являющейся СА низкого пространственного разрешения.The disadvantage of this method is its low accuracy when calibrating the MSA, which is a low spatial resolution CA.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности калибровки элементов внутреннего ориентирования мультиспектральной аппаратуры космического базирования в процессе полета по околоземной орбите.The technical result of the invention consists in increasing the accuracy of calibration of the elements of the internal orientation of multispectral space-based equipment during flight in low Earth orbit.

Для достижения технического результата в способ полетной калибровки мультиспектральной аппаратуры космического базирования, при котором определяют элементы внутреннего и внешнего ориентирования монохроматического канала высокого пространственного разрешения (КМХВР) и производят съемку района наблюдения этим каналом, дополнительно вводят съемку мультиспектральным каналом низкого пространственного разрешения (КМСНР) того же района наблюдения, что и монохроматическим каналом высокого пространственного разрешения, затем полутоновое мультиспектральное изображение трансформируют в полутоновое монохроматическое, после чего трансформированное изображение приводят к масштабу исходного монохроматического изображения и совмещают с исходным монохроматическим, определяя при этом смещение и разворот относительно друг друга, а полученные значения смещений и разворота используют в каждом спектральном диапазоне для пересчета координат каждого элемента полутонового мультиспектрального изображения, пересчитанные координаты элементов масштабированного мультиспектрального изображения используют для уточнения конструктивных углов между осями системы автономной ориентации космического аппарата и осями мультиспектрального канала, затем с учетом этих данных определяют истинное угловое положение мультиспектрального канала в инерциальной системе координат, которое совместно с полученными координатами элементов трансформированного мультиспектрального изображения используют для пересчета координат элементов мультиспектрального изображения в геодезические координаты широты и долготы этих элементов.To achieve a technical result, the method of flight calibration of space-based multispectral equipment, in which the elements of internal and external orientation of a monochromatic channel of high spatial resolution (KMHVR) are determined and the observation area is taken by this channel, an additional multispectral channel of low spatial resolution (KMSNR) is also introduced the observation region as the monochromatic channel of high spatial resolution, then halftones The multispectral image is transformed into a grayscale monochromatic, after which the transformed image is scaled to the original monochromatic image and combined with the original monochromatic image, determining the displacement and rotation relative to each other, and the obtained values of the displacements and rotation are used in each spectral range to recalculate the coordinates of each element grayscale multispectral image, recalculated coordinates of the elements of the scaled multispectrum of the image is used to clarify the structural angles between the axes of the spacecraft’s autonomous orientation system and the axes of the multispectral channel, then, taking into account these data, the true angular position of the multispectral channel in the inertial coordinate system is determined, which, together with the obtained coordinates of the elements of the transformed multispectral image, are used to recalculate the coordinates of the multispectral elements images in geodetic coordinates of latitude and longitude of these elements entov.

Способ полетной калибровки мультиспектральной аппаратуры космического базирования реализуется следующим образом.The method of flight calibration of multispectral space-based equipment is implemented as follows.

В МСА, содержащей КМХВР и КМСНР, осуществляют полетную калибровку КМХВР одним из перечисленных способов: либо по наземным тестовым объектам, либо по звездам, либо по топографическим картам и планам, либо на основе статистической обработки полученных снимков. Суть полетной калибровки состоит в определении угловых и линейных элементов внутреннего ориентирования. После завершения калибровки КМХВР, осуществляют съемку одного и того же района наблюдения как КМХВР, так и КМСНР. Затем полутоновое мультиспектральное изображение низкого пространственного разрешения трансформируют в полутоновое монохроматическое, например, путем усреднения значений яркости элементов изображения с одинаковыми координатами по всем спектральным диапазонам.In the ISA, containing KMHVR and KMSNR, flight calibration of the KMHVR is carried out using one of the following methods: either by ground test objects, or by stars, or by topographic maps and plans, or based on statistical processing of the obtained images. The essence of flight calibration is to determine the angular and linear elements of the interior orientation. After the calibration of the KMHVR is completed, one and the same observation area of both the KMHVR and the KMSNR are surveyed. Then a grayscale multispectral image of low spatial resolution is transformed into a grayscale monochromatic, for example, by averaging the brightness values of image elements with the same coordinates across all spectral ranges.

После этого оба изображения совмещают друг с другом. Для пространственного совмещения данных трансформированного монохроматического изображения низкого пространственного разрешения и исходного монохроматического высокого пространственного разрешения эти изображения приводят к единому масштабу. При масштабировании изображений осуществляют яркостную интерполяцию, целью которой является определение яркости неопределенной точки в частой решетке, используя яркости окружающих ее ближайших точек. Операцию масштабирования проводят для изображений в каждом спектральном диапазоне исходного мультиспектрального изображения.After that, both images are combined with each other. To spatially combine the data of the transformed monochromatic image with low spatial resolution and the original monochromatic high spatial resolution, these images lead to a single scale. When scaling images, luminance interpolation is carried out, the purpose of which is to determine the brightness of an undefined point in a frequent lattice, using the brightness of the surrounding points. The scaling operation is performed for images in each spectral range of the original multispectral image.

Для совмещения масштабированного трансформированного изображения с исходным монохроматическим высокого разрешения находят одноименные элементы изображений либо вручную, либо путем корреляционно-экстремального поиска.To combine the scaled transformed image with the original high-resolution monochromatic image elements of the same name are found either manually or by correlation-extreme search.

При совмещении масштабированного трансформированного изображения с исходным монохроматическим высокого разрешения определяют относительные сдвиги и развороты элементов изображений. Полученные значения сдвигов и разворотов используют для определения поправок к установочному углу между монохроматическим и мультиспектральным каналами и для пересчета координат элементов масштабированного мультиспектрального изображения в систему координат КМХВР. Пересчитанные координаты элементов масштабированного мультиспектрального изображения служат для уточнения конструктивных углов между осями системы автономной ориентации КА, в качестве которой могут быть использованы, например, приборы определении координат звезд (ПОКЗ), и осями МСА. Затем с учетом этих данных определяют истинное угловое положение МСА в инерциальной системе координат (ИСК). Полученные координаты элементов изображения МСА с учетом истинного углового положения визирной оси МСА используют для пересчета координат изображения МСА в геодезические координаты широты и долготы этих элементов изображения.When combining a scaled transformed image with the original monochromatic high resolution, the relative shifts and turns of image elements are determined. The obtained values of the shifts and turns are used to determine corrections to the installation angle between the monochromatic and multispectral channels and to recalculate the coordinates of the elements of the scaled multispectral image in the KMHR coordinate system. The recalculated coordinates of the elements of the scaled multispectral image serve to refine the design angles between the axes of the spacecraft’s autonomous orientation system, which, for example, can be used to determine the coordinates of stars (POCZ), and the axes of the ISA. Then, taking into account these data, the true angular position of the ISA in the inertial coordinate system (CSI) is determined. The obtained coordinates of the MCA image elements, taking into account the true angular position of the MCA line of sight, are used to convert the coordinates of the MCA image to the geodetic coordinates of the latitude and longitude of these image elements.

Claims

1. The method of flight calibration of multispectral space-based equipment, which consists in determining the elements of internal and external orientation of the monochromatic channel of high spatial resolution and shooting the observation area with this channel, characterized in that the multispectral channel of low spatial resolution is shooting the same observation area as the monochromatic channel high spatial resolution, then grayscale multispectral image transforms They are converted into grayscale monochromatic, after which the transformed image is scaled to the original monochromatic image and combined with the original monochromatic image, and the displacement and reversal relative to each other are determined, and the obtained displacement and reversal values are used in each spectral range to recalculate the coordinates of each element of the grayscale multispectral image , the recalculated coordinates of the elements of the scaled multispectral image are used to refine I constructive angles between the axes of the autonomous orientation system of the spacecraft and the axes of the multispectral channel, then, taking into account these data, the true angular position of the multispectral channel in the inertial coordinate system is determined, which, together with the obtained coordinates of the elements of the transformed multispectral image, are used to convert the coordinates of the elements of the multispectral image into geodetic coordinates latitudes and longitudes of these elements.

2. The method according to p. 1, characterized in that the flight calibration of the monochromatic channel of high spatial resolution is carried out either by ground test objects, or by stars, or by topographic maps and plans, or based on statistical processing of the obtained images.

3. The method according to p. 1, characterized in that the transformation of a grayscale multispectral image into a monochromatic grayscale is carried out by averaging the brightness values of image elements with the same coordinates across all spectral ranges.

4. The method according to p. 1, characterized in that when scaling the transformed grayscale monochromatic image to determine the brightness of an indefinite point in a frequent lattice, use the brightness of the surrounding nearest points by which interpolation is performed.

5. The method according to p. 1, characterized in that the combination of the original grayscale monochromatic image with the transformed grayscale is carried out either manually at characteristic points, or by correlation-extreme search of the same elements.