СПОСОБ ПОЛЕТНОЙ КАЛИБРОВКИ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ
METHOD FOR FLIGHT CALIBRATION OF MULTISPECTRAL SPACE-BASED EQUIPMENT

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.
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.
Недостатком этого способа является недостаточная точность калибровки из-за не учета всех геометрических искажений, вносимых ЭВО, и низкая точность калибровки всех геометрических характеристик СА.
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.
Использование этого способа для полетной калибровки МСА, являющейся СА среднего и низкого пространственного разрешения, дает неудовлетворительные результаты из-за недостаточного разрешения.
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.
Недостатком этого способа является его низкая точность при калибровке МСА, являющейся СА низкого пространственного разрешения.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности калибровки элементов внутреннего ориентирования мультиспектральной аппаратуры космического базирования в процессе полета по околоземной орбите.
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.
Способ полетной калибровки мультиспектральной аппаратуры космического базирования реализуется следующим образом.
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.
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.
Для совмещения масштабированного трансформированного изображения с исходным монохроматическим высокого разрешения находят одноименные элементы изображений либо вручную, либо путем корреляционно-экстремального поиска.
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.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности калибровки элементов внутреннего ориентирования мультиспектральной аппаратуры космического базирования в процессе полета по околоземной орбите.