一種航測相機定點拍攝預測控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及航空測繪相機中實現定點拍攝預測和控制的方法，特別涉及對航測相 機目標拍攝點的拍攝時刻進行預測計算、對相機各功能模塊進行同步控制的方法，屬于航 空測繪相機技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著航空技術的迅速發展，航測相機的應用領域不斷擴寬，對航測相機的功能提 出了新的要求。航測相機傳統的工作方式是只設定拍攝航線和航向重疊率，對拍攝點不作 要求，由航測相機在滿足重疊率的前提下自行控制相機曝光。在該工作方式下，相機實際的 拍攝位置具有隨機性且不可重復，不便于進行數據管理和事后的圖像處理。
[0003] 為了彌補傳統工作方式的不足，在新一代航測相機的研制中提出了定點拍攝的工 作方式。定點拍攝工作方式是根據航測相機載體的飛行高度和速度，結合相機的視場角、最 大拍攝幀頻率等參數，并考慮拍攝的航向重疊率要求，預先設定一系列拍攝點（經煒度坐 標），形成作業文件。在實際工作中，航測相機依據作業文件，當載體運動到達設定的拍攝點 時觸發CCD曝光成像。
[0004] 相對于航測相機傳統的工作方式，定點拍攝方式的優點包括：預先對整個拍攝過 程進行了詳細的規劃，便于對作業過程進行管理和控制；由于拍攝點預先設定，相鄰航帶上 的拍攝點位置關系是確定的，便于后期進行圖像拼接；同時拍攝的圖像幀數也是確定的，便 于進行圖像數據管理；由于拍攝點確定，任意航帶的拍攝過程是可重復的，方便進行補拍； 通過對拍攝點的靈活設定，可滿足航測相機在不同應用領域的功能需求，有利于擴展航測 相機的應用范圍。
[0005] 航測相機定點拍攝工作方式的實現要解決以下兩個主要問題：1.航測相機載體 的實際運動軌跡無法嚴格遵循設定的航線，當設定的目標拍攝點無法達到時需要選擇與目 標拍攝點最接近的點作為實際拍攝點；2.航測相機系統中的機械式快門和相移補償機構 需要提前啟動工作，才能保證在CCD曝光的時刻快門完全開啟，相移補償機構進入有效工 作區間，因此要對到達拍攝點的時刻進行預測。

【發明內容】

[0006] 為了解決航測相機定點拍攝工作方式下實際拍攝點的計算，拍攝時刻預測以及各 功能模塊同步控制問題，本發明設計了一種基于載體航跡擬合的航測相機定點拍攝預測控 制方法。
[0007] 本發明采用的技術方案如下：一種航測相機定點拍攝預測控制方法，其特征在于： 該控制方法利用的航測相機同步控制系統包括機載位置和姿態測量系統（即POS)、主控計 算機、單片機、時序控制FPGA、數字信號處理器（即DSP)、CCD相機、快門及像移補償機構， POS連接主控計算機，輸出測量信息；主控計算機連接單片機，輸出控制指令及工作參數； 單片機作為中轉，將指令及參數分別轉發到DSP及時序控制FPGA;DSP控制像移補償機構運 動；時序FPGA連接DSP、CCD相機、快門和POS，發出同步控制信號；所述的航測相機定點拍 攝預測控制方法具體實現過程如下：
[0008] (1)機載位置和姿態測量系統提供航測相機載體當前的經煒度位置、速度、姿態信 息，同時還輸出同步時間信號以及對應的時刻信息；
[0009] (2)主控計算機收到與同步時間信號對應的時刻信息，經由單片機轉發到時序控 制FPGA;
[0010] (3)主控計算機收到帶時間戳的相機載體位置信息，以此為依據擬合計算相機載 體的運動軌跡，并根據定點拍攝中設定的拍攝點預測下一個拍攝時刻以及像移補償速度；
[0011] (4)主控計算機將預測結果發送到單片機，單片機將時間相關參數發送到時序控 制FPGA，將像移補償速度參數發送到DSP;
[0012] (5)FPGA收到同步時間信號以及對應的時刻信息，建立航測相機同步控制系統時 間基準；
[0013] (6)FPGA根據接收到的拍攝時刻參數，參照時間基準在指定時刻發出外同步脈沖， 觸發相移補償機構、CCD相機、快門同步工作，完成一次拍照。
[0014] 進一步的，步驟（5)中，時序控制FPGA收到低精度的同步時間信號和對應的時刻 信息，所述的低精度為秒級，通過內部高精度時鐘進行細分，所述的高精度為微秒級，得到 高精度的時間基準，以滿足定點拍攝控制精度要求。
[0015] 進一步的，步驟（3)中，主控計算機根據當前以及過去一段時間內相機載體位置 隨時間變化的趨勢，采用基于"滑窗最小二乘"的多項式擬合的方法，得到載體的位置隨時 間變化的函數。
[0016] 進一步的，步驟（3)中，根據設定的拍攝位置，計算"位置-時間"函數上距離設定 拍攝位置最近的點以及對應的時刻，作為該位置的拍攝時刻的預測值。
[0017] 進一步的，步驟（6)中，時序控制FPGA根據拍攝時刻預測值，協調拍攝過程中相移 補償機構、快門、CCD相機的拍攝時序，確保在CCD相機曝光過程中快門保持開啟，像移補償 機構進入有效工作區間。
[0018] 本發明的原理在于：
[0019] 系統組成及各部分功能：
[0020] 航測相機同步控制系統由機載位置和姿態測量系統（POS)、主控計算機、單片機、 時序控制FPGA、數字信號處理器（DSP)、C⑶相機、快門及像移補償機構組成。
[0021] POS系統輸出的內容包括兩部分：1.同步時間信號和對應的時刻信息，2.包含時 間信息的載體位置、姿態、速度的實時測量結果。
[0022] 同步時間信號直接連入時序控制FPGA作為外同步時鐘，對應的時刻信息經過主 控計算機處理和單片機轉發后進入FPGA，用于對同步時間信號進行標識，進而建立起整個 系統的時間基準。由于POS輸出的時間信號頻率較低，一般為秒級，在FPGA內部需要對同 步時間信號進一步細分，得到高精度的系統時鐘，一般為微秒級。
[0023] 包含時間信息的載體位置、姿態、速度的實時測量結果輸入到主控計算機，主控計 算機依據載體的位置隨時間的變化關系，進行航跡擬合計算，得到載體的"位置-時間"曲 線表達式，進而計算曲線上距離目標拍攝點最近的點作為實際拍攝點，并得到載體到達該 點的時刻的預測值。
[0024] 主控計算機將預測的拍攝時刻以及相移補償速度等信息發送到單片機。單片機將 像移補償速度參數發送到數字信號處理器（DSP)用于像移補償機構的控制，將預測的拍攝 時刻發送到時序控制FPGA。FPGA依據本地系統時鐘對各個模塊協調控制，在預測的拍攝時 刻之前開啟機械快門并啟動的像移補償機構工作，在預測的拍攝時刻觸發CCD曝光成像， 完成一次定點拍攝過程。
[0025] 航跡擬合及拍攝時刻預測算法：
[0026] 綜合考慮算法的可靠性，實現的復雜程度以及航測相機實際工作條件等因素，選 擇滑窗（限定記憶）最小二乘多項式擬合算法進行載體航跡擬合計算。基本思想是：采用 多項式描述載體位置隨時間變化關系曲線，多項式的系數采用最小二乘的方法計算，依據 的是過去一段時間內的載體位置隨時間變化數據。
[0027] 假設主控計算機收到POS發送的最近的p個時刻的GPS位置隨時間變化的數據 表示為：(X1,Y1,h), (x2,y2,t2), . . .，（xp,yp,tp)。其中Xpyptj別表示經度、煒度和時刻， W--Ktp0
[0028] 根據逼近原理：任意區間上的連續函數都可以用一個多項式去逼近。建立載體飛 行軌跡的運動模型，采用多項式逼近，分別在X和y方向上可以得到：
【主權項】
1. 一種航測相機定點拍攝預測控制方法，其特征在于：該控制方法利用的航測相機同 步控制系統包括機載位置和姿態測量系統POS、主控計算機、單片機、時序控制FPGA、數字 信號處理器DSPXCD相機、快門及像移補償機構，POS連接主控計算機，輸出測量信息；主控 計算機連接單片機，輸出控制指令及工作參數；單片機作為中轉，將指令及參數分別轉發到 DSP及時序控制FPGA;DSP控制像移補償機構運動；時序FPGA連接DSP、CXD相機、快門和 P0S，發出同步控制信號；所述的航測相機定點拍攝預測控制方法具體實現過程如下： (1) 機載位置和姿態測量系統提供航測相機載體當前的經煒度位置、速度、姿態信息， 同時還輸出同步時間信號以及對應的時刻信息； (2) 主控計算機收到與同步時間信號對應的時刻信息，經由單片機轉發到時序控制 FPGA； (3) 主控計算機收到帶時間戳的相機載體位置信息，以此為依據擬合計算相機載體的 運動軌跡，并根據定點拍攝中設定的拍攝點預測下一個拍攝時刻以及像移補償速度； (4) 主控計算機將預測結果發送到單片機，單片機將時間相關參數發送到時序控制 FPGA，將像移補償速度參數發送到DSP; (5)FPGA收到同步時間信號以及對應的時刻信息，建立航測相機同步控制系統時間基 準； (6)FPGA根據接收到的拍攝時刻參數，參照時間基準在指定時刻發出外同步脈沖，觸發 相移補償機構、CCD相機、快門同步工作，完成一次拍照。
2. 根據權利要求1所述的航測相機定點拍攝預測控制方法，其特征在于：步驟（5)中， 時序控制FPGA收到低精度的同步時間信號和對應的時刻信息，所述的低精度為秒級，通過 內部高精度時鐘進行細分，得到高精度的時間基準，所述的高精度為微秒級，以滿足定點拍 攝控制精度要求。
3. 根據權利要求1所述的航測相機定點拍攝預測控制方法，其特征在于：步驟（3)中， 主控計算機根據當前以及過去一段時間內相機載體位置隨時間變化的趨勢，采用基于"滑 窗最小二乘"的多項式擬合的方法，得到載體的位置隨時間變化的函數。
4. 根據權利要求1所述的航測相機定點拍攝預測控制方法，其特征在于：步驟（3)中， 根據設定的拍攝位置，計算"位置_時間"函數上距離設定拍攝位置最近的點以及對應的時 亥IJ，作為該位置的拍攝時刻的預測值。
5. 根據權利要求1所述的航測相機定點拍攝預測控制方法，其特征在于：步驟（6)中， 時序控制FPGA根據拍攝時刻預測值，協調拍攝過程中相移補償機構、快門、CCD相機的拍攝 時序，確保在CCD相機曝光過程中快門保持開啟，像移補償機構進入有效工作區間。
【專利摘要】本發明公開了一種航測相機定點拍攝預測控制方法，屬于航測相機技術領域。航測相機主控計算機依據機載POS系統輸出的位置隨時間變化的信息，采用滑窗最小二乘多項式擬合方法計算載體航跡，進而得到航跡上距離目標拍攝點最近的點以及到達時刻的預測值。相機時序控制FPGA依據POS系統輸出的時間同步信號建立系統時間基準，根據主控計算機計算的拍攝時刻預測值，控制相機像移補償機構、機械式快門、CCD協調工作，完成該目標拍攝點的曝光過程。本方法解決了航測相機在定點拍攝工作方式下實際拍攝點的計算，拍攝時刻預測以及各功能模塊同步控制問題。
【IPC分類】G03B15-00, G05B19-042
【公開號】CN104765224
【申請號】CN201510197360
【發明人】周黎, 劉光林
【申請人】中國科學院光電技術研究所
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月23日