[發明專利]基于恒星匹配的光電經緯儀參量優化方法

有效

• 申請號: 201410076721.0
• 申請日: 2014-03-04
• 公開（公告）號: CN103837160A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 羅一涵;張涯輝;陳科
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 孟卜娟;盧紀

技術領域

本發明屬于光電測量領域，具體涉及光電經緯儀系統參量的求解和優化方法。

背景技術

由于環境參數和設備本身的原因，光電經緯儀的指向精度中往往包含有較大的誤差。這種指向誤差由很多因素造成，例如：

●系統誤差：由環境和設備引起的測量值和理論值之間的誤差，包括大氣折射、望遠鏡的制造和裝配誤差、望遠鏡的重力變形以及因為溫度變化引起的變形誤差，望遠鏡的結構因素包括軸系的誤差、鏡筒的彎沉、叉臂或軛架的變形等等，同一視場短時間內可認為該誤差不變；

●配準誤差：編碼器與圖像的時間不同步而產生；

●靶心誤差：靶心（即編碼器在圖像中的對應位置）不在圖像中心；

●當量誤差：圖像中的位置轉換到方位俯仰的系數存在誤差；

●質心誤差：由于曝光、幀累加、圖像畸變、時間配準等因素而導致圖像中目標的質心存在偏差；

●其它誤差：如設備站址誤差、時間誤差、目標光行誤差，等等。

其中，有些誤差是光電經緯儀的參量所固有的，所以在進行任務的時候，往往需要將這些參量進行標校，以便進行測量和計算。比如，將目標在圖像中的位置解算到方位角（A）和俯仰角（E）坐標系中時，需要用到編碼器、靶心、當量、質心等信息。目前是采用傳感器檢測或人工測量的方法來取值。但在高精度應用中，這些參量的誤差仍然偏大，精度仍不能滿足要求。一個典型的例子就是，由于編碼器與圖像存在時間配準誤差，目標測量位置會受到非線性的影響。當視場中有多顆恒星時，理論上各恒星之間的相對觀測位置應該與星庫中的理論位置相匹配，即星與星之間的相對距離應該一致，但事實卻并非如此。如圖1所示，無論怎樣修正系統誤差，用當前系統參量測量出的恒星觀測值（用四角星表示）與理論值（用五角星表示）之間，總不能完全吻合，有時其相對誤差可達數角秒之多，以致目標的測量精度難以評判。然而，目前尚無能夠完全克服這些誤差的方法，大多只是從定性的角度來減小誤差（比如用曝光時間的中間值來作為編碼器的時間）。因此，亟需一種更加精確高效的方法，能夠對系統的參量進行定量、自動的優化，從而進一步提升光電經緯儀的測量精度和效率。

發明內容

本發明解決的技術問題：針對光電經緯儀的編碼器、當量、靶心等系統參量精度不高，人工測量誤差較大，傳感器檢測又存在時間上難以配準的問題，利用恒星匹配來對系統參量進行直接求解和優化。

本發明是利用恒星之間相對觀測位置與理論位置的精確匹配，來反向求解系統的參量，從而實現參量在恒星匹配意義下的高精度優化。其基本原理如圖2所示，具體實現步驟如下：

（1）建立恒星的測量方程并確定所需的系統參量；

（2）建立恒星匹配度目標函數和待優化參量組；

（3）根據恒星測量方程，推導優化所需要的條件；

（4）根據優化所需要的條件采集恒星圖像，提取恒星質心，計算恒星的測量值和理論值；

（5）用優化算法對恒星匹配度目標函數進行優化，解出待優化參量組；

（6）利用優化后的參量推算或修正其它參量，或者對其它目標進行高精測量。

本發明與現有技術相比的有益效果在于：

利用該方法，不僅可以對系統的參量進行全自動定量的標校，而且可以避開時間配準等難題，大幅度提高經緯儀的測量精度。這里以一個用6顆星來進行參量優化的實例來說明。觀測圖像中的恒星和星庫中對應恒星分布圖如圖3所示。表1中是用本發明方法進行優化前后的誤差對比，其中相對誤差定義為：以指定恒星為目標，用其它恒星的誤差均值來修正該恒星，修正后的測量值和理論值之間的殘差即為相對誤差。可見，優化后比優化前的相對誤差大大降低，比如恒星1的E相對誤差從-4.4938″減小到-0.3114″，恒星3的E相對誤差從2.9729″減小到0.6160″，恒星4的A相對誤差從2.0330″減小到-0.2276″，恒星5的E相對誤差從2.5276″減小到-0.8401″，等等。而且，在優化過程中直接解出了當量、編碼器以及系統誤差，從而避開了編碼器的同步問題，同時標校了當量和系統誤差，并使測量精度提高了數倍。

表1用圖3中6顆恒星優化前后相對誤差的對比

附圖面說明

圖1是光電經緯儀恒星測量不匹配現象示意圖，其中四角星表示恒星的測量位置，五角星表示恒星的理論位置；

圖2是基于恒星匹配的系統參量優化原理示意圖，其中四角和五角星的意義同圖1；