基于小卫星平台的双面阵立体测绘系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种双面阵立体测绘系统，具体涉及一种基于小卫星平台的可实现大 比例尺立体测绘的双面阵立体测绘系统。
【背景技术】
[0002] 传输型大比例尺立体测绘卫星主要任务是获取地球表面的三维影像信息，实施目 标的精确定位，测制数字地形图、数字高程模型和数字影像图。采用单线阵技术体制，需通 过侧摆构建同轨或异轨立体影像，对卫星平台机动性要求极高，且对平台的姿态稳定性要 求高。采用双线阵摄影模式，可实现连续立体覆盖，成像效率高，但需高精度的定轨定姿数 据、大量地面控制点或激光测距机配合使用，且处理方法复杂。采用三线阵摄影模式，也需 要地面控制点、激光测距机、高精度定轨定姿数据或者加小面阵配合使用，同时需研制三台 长焦距大幅宽测绘相机，载荷体积和重量对卫星平台和运载火箭都提出了严苛的要求。传 统画幅式相机具有对卫星姿态稳定度要求相对不高的优点，但是不能实时传输，且有摄影 胶片资源有限，数据处理不方便等缺点。
【发明内容】
[0003] 本发明为解决现有测绘系统存在处理方法复杂、对卫星平台的姿态稳定性要求高 以及时不能实时传输数据处理不方便等问题，提供一种基于小卫星平台的双面阵立体测绘 系统。
[0004] 基于小卫星平台的双面阵立体测绘系统，包含星务系统、测控系统、姿轨控系统、 供电系统、热控系统、第一星敏感器、第二星敏感器、数传系统、三轴陀螺、前视面阵相机、后 视面阵相机和前后视光学系统在轨夹角检测系统，前视面阵相机和后视面阵相机共用成像 和调焦控制器;前后视光学系统在轨夹角检测系统用于在轨实时检测前、后视光学系统在 轨夹角的夹角变化；
[0005] 前视面阵相机包含前视光学系统、前视调焦电机、前视编码器、前视调焦机构和前 视面阵图像传感器;后视面阵相机包含前视光学系统、后视调焦电机、后视编码器、后视调 焦机构和后视面阵图像传感器；
[0006] 所述成像和调焦控制器接收星务系统的指令，产生前视面阵图像传感器和后视面 阵图像传感器所需的时序信号，对前视调焦电机和后视调焦电机进行控制，并通过前视编 码器和后视编码器获得前视面阵图像传感器和后视面阵图像传感器的焦面位置，实现对前 视光学系统和后视光学系统的调焦；
[0007] 热控系统进行整星系统温度控制;供电系统为整星进行供电；测控系统接收和控 制地面接收站的收发通信;所述姿轨控系统根据第一星敏感器、第二星敏感器以及三轴陀 螺提供的信息进行整星的姿态控制；
[0008] 前视光学系统和后视光学系统将地面景物成像在前视面阵图像传感器和后视面 阵图像传感器上，并进行光电转换，经前视面阵图像传感器和后视面阵图像传感器输出的 双面阵图像数据由成像和调焦控制器进行数据调理后送入数传系统，最终传输回地面接收 站;采用框幅相片理论对获取的双面阵图像数据进行平差，获得立体测绘图像；
[0009] 所述前视光学系统和后视光学系统的结构相同，两光学系统光轴平行且与地面垂 直，即两光学系统的焦面平行，构建平坦像面，所述前视光学系统和后视光学系统中视轴和 光轴夹角β为前视光学系统和后视光学系统交会角a的一半，用公式表示为：P = f <要求2tg β>〇.4,所述视轴交会角为前视光学系统和后视光学系统视轴的夹角。
[0010] 本发明的有益效果：
[0011] 1、基于小卫星平台的大比例尺的双面阵立体测绘技术研究，有望降低对国外大比 例尺立体测绘产品的依赖，不仅可自足，还可以对外出口；
[0012] 2、可实现大比例尺无地面控制点立体测绘，降低或减少地面控制点的布设，可实 现全球测绘和深空测绘;在小卫星平台上实现大比例尺立体测绘，避免使用大卫星平台，可 大大降低发射成本，降低发射失败风险;可应用于一箭多星，实现双面阵立体测绘星座。
[0013] 3、可降低数据更新成本，且缩短图像数据的更新周期。对于数据更新来说，目前航 空的手段不管是自身航测还是购买国外数据，成本都非常高，并且是局部范围的。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明所述的基于小卫星平台的航天测绘系统组成结构图；
[0015]图2为本发明所述的基于小卫星平台的双面阵立体测绘系统对地拍摄原理示意 图；
[0016] 图3为现有同轴双面阵立体测绘系统的原理示意图；
[0017] 图4为本发明所述的基于小卫星平台的双面阵立体测绘系统的光学系统示意图；
[0018] 图5为本发明所述的基于小卫星平台的双面阵立体测绘系统中前后视光学系统在 轨夹角检测系统结构图；
[0019] 图6为本发明所述的基于小卫星平台的双面阵立体测绘系统中单组夹角检测系统 中穿轨视场角示意图；
[0020] 图7为本发明所述的基于小卫星平台的双面阵立体测绘系统中单组夹角检测系统 中沿轨视场角转角示意图；
[0021] 图8为双面阵测绘卫星的效果图。
【具体实施方式】
[0022]【具体实施方式】一、结合图1至图8说明本实施方式，基于小卫星平台的双面阵立体 测绘系统，包括星务系统、测控系统、姿轨控系统、供电系统、热控系统、第一星敏感器、第二 星敏感器、数传系统、三轴陀螺、前视面阵相机、后视面阵相机和前后视光学系统在轨夹角 检测系统。前视面阵相机和后视面阵相机共用成像和调焦控制器;前后视光学系统在轨夹 角检测系统用于在轨实时检测前、后视光学系统在轨夹角的夹角变化。
[0023]前视面阵相机包含前视光学系统、前视调焦电机、前视编码器、前视调焦机构和前 视面阵图像传感器;后视面阵相机包含前视光学系统、后视调焦电机、后视编码器、后视调 焦机构和后视面阵图像传感器；
[0024] 星务系统作为整星的控制核心，与各部分相连;成像和调焦控制器主要进行时序 产生、数据调理和通讯，接收星务系统的指令，产生前视面阵图像传感器和后视面阵图像传 感器所需的时序信号，对前视调焦电机和后视调焦电机进行控制，通过前视编码器和后视 编码器获取前视面阵图像传感器和后视面阵图像传感器的焦面位置，实现对前视光学系统 和后视光学系统的调焦；
[0025] 热控系统进行整星系统温度控制;供电系统为整星进行供电；测控系统接收和控 制地面接收站的收发通信；
[0026] 星敏感器用于获取整星的姿态信息；三轴陀螺测量卫星的角速度，三轴陀螺安装 在卫星的质心位置，且与星敏感器和相机的光机结构固联;二者可联合进行定姿以提高测 姿精度。为降低体积和重量，前视编码器和后视编码器采用多圈编码器方式，一方面可缩小 体积和重量，另一方面在相同的精度情况下可以提高角度分辨率。
[0027]姿轨控系统根据第一星敏感器、第二星敏感器以及三轴陀螺提供的信息进行整星 的姿态控制；
[0028] 前视光学系统和后视光学系统将地面景物成像在前视面阵图像传感器和后视面 阵图像传感器上，并进行光电转换，经前视面阵图像传感器和后视面阵图像传感器输出的 图像数据由成像和调焦控制器进行数据调理后送入数传系统，最终传输回地面接收站；
[0029] 本实施方式中，所述和第一星敏感器和和二星敏感器分别与前视面阵相机和后视 面阵相机高精度固联，并与相机精密标定，这样可以直接从星敏感器测量坐标系求得相机 测量坐标系在惯性系中的姿态而不需要通过卫星本体转换，从而可以减小相机测量坐标系 在惯性系中的姿态误差，提高测绘精度。
[0030] 本实施方式采用大离轴角离轴光学系统设计构建平坦像面的双面阵立体测绘系 统。图2为双面阵相机对地摄影示意图，图中P2和P3代表一个摄像时刻前视面阵相机和后视 面阵相机拍摄到的位置;P1和P2代表另一个摄像时刻前视面阵相机和后视面阵相机拍摄到 的位置。双面阵测绘相机通过对地进行连续推扫成像，形成两组连续的面阵图像条带，且通 过对双面阵测绘相机的成像控制，保证前视面阵相机和后视面阵相机对同一区域的图像高 于60%的重叠率。
[0031]结合图3和图4说明本实施方式，图3为传统的同轴光学系统，则光轴和视轴重合， 大面阵图像传感器的焦面垂直于光轴，则前视面阵图像传器和后视的面阵图像传感器不平 行，不够构建平坦像面，且获取的面阵图像在不同区域的分辨率不同，不能按照等效框幅相 片理论进行外方位元素的整体平差，失去了面阵图像几何保真度高的优势。
[0032]若采用传统的离轴光学系统可获得固定的离轴角，但传统的离轴三反光学系统离 轴角都较小，不能满足立体测绘的视轴交会角要求。
[0033]本实施方式所述的前视面阵相机和后视面阵相机采用相同光学系统，两光学系统 光轴平行、垂直对地，视轴交会角即为两离轴角之和，也就是前视面阵相机和后视面阵相机 的视轴和光轴夹角(离轴角)β为视轴交会角a的一半，也就是：
[0034] 彡同时为保证测绘应用中最够的基高比，则要求2tg0>〇.4。
[0035] 本实施方式中所述的前后视光学系统在轨夹角检测系统由前视目标发生器、前视 探测器、后视目标发生器、后视探测器、四个转角棱镜和四个小反射镜组成；
[0036]所述前视目标发生器和前视探测器设置在前视面阵相机的两侧，后视目标发生器 和后视探测器设置在后视面阵相机的两侧;前视面阵相机像面边缘的前视目标发生器发出 光束，后视面阵相机像面边缘的后视探测器进行接收，后视面阵相机像面边缘的后视目标 发生器发出光束，前视面阵相机像面边缘的前视探测器进行接收，结合图5,两台相机的检 测光路互为参考，具体为:前视面阵相机像面边缘的前视目标发生器从像面边缘发出的光 线经第一小反射镜进入前视光学系统，经前视光学系统后经过两个转角棱镜反射后进入后 视光学系统，经后视光学系统、第二小反射镜后在后视面阵相机像面边缘的后视探测器成 像，
[0037]后视面阵相机像面边缘的后视目标发生器发出光线经第三小反射镜进入后视光 学系统，经后视光学系统后经过两个转角棱镜反射后进入前视光学系统，经前视光学系统、 第四小反射镜后在前视面阵相机像面边缘的前视探测器进行接收。
[0038]所述的后视面阵相机的后视目标发生器的发光点与前视面阵相机像面边缘的成 像点为共辄关系。对成像点进行适当的离焦，既不会与相机面阵产生干涉又避免了成