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基于恒星匹配的光电经纬仪参量优化方法
【专利摘要】基于恒星匹配的光电经纬仪参量优化方法，该方法针对光电经纬仪的编码器、当量、靶心等系统参量精度不高，人工测量误差较大，传感器检测又存在时间上难以配准的问题，利用恒星之间相对观测位置与理论位置的精确匹配，来反向求解系统的参量，从而实现参量在恒星匹配意义下的高精度优化。其有益效果在于：不仅可以对系统的参量进行全自动定量的标校，而且可以避开时间配准等难题，大幅度提高经纬仪的测量精度。
【专利说明】基于恒星匹配的光电经纬仪参量优化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电测量领域，具体涉及光电经纬仪系统参量的求解和优化方法。
【背景技术】
[0002]由于环境参数和设备本身的原因，光电经纬仪的指向精度中往往包含有较大的误差。这种指向误差由很多因素造成，例如:
[0003]?系统误差:由环境和设备引起的测量值和理论值之间的误差，包括大气折射、望远镜的制造和装配误差、望远镜的重力变形以及因为温度变化引起的变形误差，望远镜的结构因素包括轴系的误差、镜筒的弯沉、叉臂或轭架的变形等等，同一视场短时间内可认为该误差不变；
[0004]?配准误差:编码器与图像的时间不同步而产生；
[0005]籲靶心误差:祀心(即编码器在图像中的对应位置)不在图像中心；
[0006]?当量误差:图像中的位置转换到方位俯仰的系数存在误差；
[0007]?质心误差:由于曝光、帧累加、图像畸变、时间配准等因素而导致图像中目标的质心存在偏差；
[0008]?其它误差:如设备站址误差、时间误差、目标光行误差，等等。
[0009]其中，有些误差是光电经纬仪的参量所固有的，所以在进行任务的时候，往往需要将这些参量进行标校，以便进行测量和计算。比如，将目标在图像中的位置解算到方位角(A)和俯仰角(E)坐标系中时，需要用到编码器、靶心、当量、质心等信息。目前是采用传感器检测或人工测量的方法来取值。但在高精度应用中，这些参量的误差仍然偏大，精度仍不能满足要求。一个典型的例子就是，由于编码器与图像存在时间配准误差，目标测量位置会受到非线性的影响。当视场中有多颗恒星时，理论上各恒星之间的相对观测位置应该与星库中的理论位置相匹配，即星与星之间的相对距离应该一致，但事实却并非如此。如图1所示，无论怎样修正系统误差，用当前系统参量测量出的恒星观测值(用四角星表示)与理论值(用五角星表示)之间，总不能完全吻合，有时其相对误差可达数角秒之多，以致目标的测量精度难以评判。然而，目前尚无能够完全克服这些误差的方法，大多只是从定性的角度来减小误差(比如用曝光时间的中间值来作为编码器的时间)。因此，亟需一种更加精确高效的方法，能够对系统的参量进行定量、自动的优化，从而进一步提升光电经纬仪的测量精度和效率。

【发明内容】

[0010]本发明解决的技术问题:针对光电经纬仪的编码器、当量、靶心等系统参量精度不高，人工测量误差较大，传感器检测又存在时间上难以配准的问题，利用恒星匹配来对系统参量进行直接求解和优化。
[0011]本发明是利用恒星之间相对观测位置与理论位置的精确匹配，来反向求解系统的参量，从而实现参量在恒星匹配意义下的高精度优化。其基本原理如图2所示，具体实现步骤如下:
[0012](I)建立恒星的测量方程并确定所需的系统参量；
[0013](2)建立恒星匹配度目标函数和待优化参量组；
[0014](3)根据恒星测量方程，推导优化所需要的条件；
[0015](4)根据优化所需要的条件采集恒星图像，提取恒星质心，计算恒星的测量值和理论值；
[0016](5)用优化算法对恒星匹配度目标函数进行优化，解出待优化参量组；
[0017](6)利用优化后的参量推算或修正其它参量，或者对其它目标进行高精测量。
[0018]本发明与现有技术相比的有益效果在于:
[0019]利用该方法，不仅可以对系统的参量进行全自动定量的标校，而且可以避开时间配准等难题，大幅度提高经纬仪的测量精度。这里以一个用6颗星来进行参量优化的实例来说明。观测图像中的恒星和星库中对应恒星分布图如图3所示。表I中是用本发明方法进行优化前后的误差对比，其中相对误差定义为:以指定恒星为目标，用其它恒星的误差均值来修正该恒星，修正后的测量值和理论值之间的残差即为相对误差。可见，优化后比优化前的相对误差大大降低，比如恒星I的E相对误差从-4.4938"减小到-0.3114"，恒星3的E相对误差从2.9729"减小到0.6160"，恒星4的A相对误差从2.0330"减小到-0.2276"，恒星5的E相对误差从2.5276"减小到-0.8401"，等等。而且，在优化过程中直接解出了当量、编码器以及系统误差，从而避开了编码器的同步问题，同时标校了当量和系统误差，并使测量精度提高了数倍。
[0020]表I用图3中6颗恒星优化前后相对误差的对比
[0021]
【权利要求】
1.基于恒星匹配的光电经纬仪参量优化方法，其特征在于实现步骤如下: (1)建立恒星的测量方程并确定所需的系统参量； (2)建立恒星匹配度目标函数和待优化参量组； (3)根据恒星测量方程，推导优化所需要的条件； (4)根据优化所需要的条件采集恒星图像，提取恒星质心，计算恒星的测量值和理论值； (5)用优化算法对恒星匹配度目标函数进行优化，解出待优化参量组； (6)利用优化后的参量推算或修正其它参量，或者对其它目标进行高精测量。
2.根据权利要求1所述的基于恒星匹配的光电经纬仪参量优化方法，其特征在于:所述第(2)步中，建立恒星匹配度目标函数，目标函数为以下公式:
/ (V) = E {(Am+ Δ A-At)2+ (Em+ Δ E-Et)2} 式中，JO是目标函数，矢量V是待优化的参量组，E{}表示求期望，An^P Em分别为恒星方位和俯仰的测量值，ΛΑ和ΛΕ分别为方位和俯仰的系统误差，At和Et分别为恒星方位和俯仰的理论值。
3.根据权利要求1所述的基于恒星匹配的光电经纬仪参量优化方法，其特征在于:所述第(3)步中，根据恒星测量方程推导优化所需要的条件，包括关于待优化参量的方程的病态性、目标函数的收敛性、恒星的的数量要求和时间要求。
4.根据权利要求1所述的基于恒星匹配的光电经纬仪参量优化方法，其特征在于:所述第(4)步中，需同时提取图像中多颗恒星，其实现过程包括图像预处理、恒星增强、恒星提取、恒星识别、质心计算和星库寻星，详细步骤为: 1)采集图像并预处理:采集图像后先进行中值滤波，消除毛刺噪声，得到初滤图像；再进行低通滤波，获取初滤图像的低频成分；再进行形态学开运算，屏蔽掉恒星的幅度，获取背景的低频成分；再将初滤图像减去背景的低频成分，得到背景均衡化的预处理图像； 2)恒星增强:先以当前预处理图像为基准，将近期的历史预处理图像按恒星的运动轨迹与之进行定向平移配准；再统计平移后的各像素(Χ，Υ)对应有效预处理图像的数量Ν(Χ，Y)，并取各像素灰度的均值，得到定向累加图像；再次对定向累加图像进行背景均衡化处理，并扩大
5.根据权利要求1所述的基于恒星匹配的光电经纬仪参量优化方法，其特征在于:所述第(5)步中，用优化算法对恒星匹配度目标函数进行优化，其中优化算法使用BFGS更新的拟Newton法，公式为:
6.根据权利要求1所述的基于恒星匹配的光电经纬仪参量优化方法，其特征在于:所述第(6)步中，利用在恒星匹配意义下优化后的参量推算或修正其它参量，或者对其它目标进行高精测量。
【文档编号】G01C25/00GK103837160SQ201410076721
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月4日 优先权日:2014年3月4日
【发明者】罗一涵, 张涯辉, 陈科 申请人:中国科学院光电技术研究所