一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法与流程

1.本发明属于摄影测量与遥感技术领域，特别是涉及一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法。


背景技术：

2.随着高分辨率光学遥感卫星的广泛应用，全球高精度测绘成为可能。遥感卫星相机在对地观测时的光轴指向信息，一般是将星敏感器或星相机测得的姿态信息通过星/地相机夹角转换得到。因此，实现星/地相机光轴夹角变化的在轨高精度快速标定，是提高光学遥感卫星影像定位精度至关重要的因素。
3.针对星/地相机光轴夹角的在轨确定，目前通常是采用基于地面几何定标场的方法。通过地面布设大量的控制点构成检校场，将卫星过顶时拍摄的影像与检校场控制数据匹配，利用摄影测量原理解算星/地相机光轴夹角变化量，对地相机光轴指向进行校准，从而提高遥感卫星定位精度。虽然基于地面定标场的标定方法经过多年发展已趋于成熟，但仍然存在以下不足：一是在轨飞行阶段星/地相机夹角会不断变化，不能通过地面标定完全消除星/地相机夹角变化对提高定位精度的影响；二是顾及太阳直射移动的现实，空间热环境对星/地相机夹角低频误差值的影响在不同纬度地区存在较大差异；三是地面定标场的建设成本高，还需要持续消耗人力、物力进行定期维护，且无法实现全球均匀布设；四是受天气、卫星回归周期等客观条件的影响，定标周期较长，时效性差。因此，星/地相机光轴夹角变化实时高精度标定具有重要工程应用价值。
4.根据对现有专利成果的调研，已有基于面阵探测器观测恒星的星/地相机夹角在轨标定方法，但尚未有基于线阵探测器的星/地相机夹角在轨标定方法。本发明基于敏捷光学遥感卫星的快速姿态机动能力，提出一种基于线阵探测器载荷的敏捷光学遥感卫星的星/地相机夹角在轨快速标定方法，主要针对现有星/地相机夹角定标周期长、精度低的实际问题，旨在提高光学遥感测绘卫星的无控定位精度。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的不足，提供一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法。在卫星对地观测作业前，通过姿态快速机动使星相机和地相机分别对预定天区恒星进行成像，对两个相机拍摄所得的星图进行处理，由星相机和地相机的姿态确定结果实现星/地相机夹角变化的在轨标定，星/地相机夹角对天标定后，卫星通过姿态快速机动指向地球后进行对地成像。由于对天标定和对地成像的时间间隔非常小，该段时间内星/地相机夹角变化非常小，因此对天标定的方式能够极大消除由于星/地相机夹角不确定性对定位精度的影响、大幅提高卫星无控制点的定位精度。
6.为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法，包括以下步骤：步骤1，卫星对地观测作业前，通过姿态机动，使星相机和地相机分别对准预定天
区，同时进行恒星成像；步骤1.1，确定对天标定时星相机和地相机预定指向天区；步骤1.2，卫星姿态机动，由对日定向模式调整为对天模式，使星相机和地相机均对准步骤1.1中确定的预定指向天区；步骤1.3，星相机和地相机获取预定天区星图数据；步骤2，对地相机推扫星图进行处理，计算恒星在地相机测量坐标系中的方向矢量；步骤2.1，建立星相机成像时刻的地相机测量坐标系；步骤2.2，计算地相机推扫星图中恒星在成像时刻瞬时相机坐标系内单位方向矢量；步骤2.3，计算地相机成像时刻时刻瞬时相机坐标系到星相机成像时刻 时刻地相机测量坐标系的转换矩阵 ；步骤2.4，计算步骤2.2得到的单位方向矢量在地相机测量坐标系内单位方向矢量；步骤3，求取观测时刻星相机和地相机在j2000坐标系下的姿态矩阵；步骤3.1，计算星相机成像时刻时刻地相机推扫星图星像点对应恒星在天球坐标系中方向矢量；步骤3.2，计算星相机成像时刻时刻j2000坐标系到地相机坐标系的转换矩阵；步骤3.3，计算星相机星图中恒星在星相机测量坐标系内的单位方向矢量；步骤3.4，计算星相机成像时刻时刻星相机星图星像点对应恒星在天球坐标系中方向矢量；步骤3.5，计算星相机成像时刻时刻j2000坐标系到星相机测量坐标系的转换矩阵；步骤4，计算地相机到星相机的安装矩阵，使用多组同帧观测星图对星相机和地相机夹角进行标定；步骤4.1，求解星相机成像时刻时刻地相机到星相机的安装矩阵；步骤4.2，星相机和地夹角标定。
7.而且，所述步骤1.1中敏捷遥感卫星的星/地相机夹角对天标定时，要求星相机与地相机均能对足够数量恒星进行成像。首先根据对地观测作业范围信息、卫星姿态机动能力以及对天成像时长，推算星/地相机对天成像的起止时刻，然后基于星/地相机相对安装地面标定值、对天成像时卫星姿态机动速度，结合相机参数，对星表进行筛选，通过以下3个条件确保标定观测时星相机和地相机的预定指向天区：1）星/地相机规避太阳、地球、月球以能够对恒星成像；2）星相机和地相机视场内包含分布合理、三颗及以上较亮恒星；
3）卫星姿态机动角度较小。
8.而且，所述步骤1.3中卫星绕俯仰轴起旋，在达到满足恒星推扫成像所需的角速度后，星相机和地相机同时对天区内恒星进行成像，获取预定天区星图数据。
9.而且，所述步骤步骤2.1中线阵相机在推扫方向为平行投影，在线阵方向为中心投影，定义影像坐标系o
‑
xy，原点o位于影像左上角像元中心，x轴沿推扫方向，y轴沿线阵排列方向，由像点行列号可得该像点坐标：
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（2）式中，为地相机探测器像元尺寸。
10.定义为星相机成像时刻的地相机测量坐标系，原点位于时刻地相机摄影中心，轴指向时刻推扫方向，轴指向线阵排列方向，轴与地相机光轴重合，与轴和轴组成右手坐标系，各坐标轴指向在惯性空间保持不变。
11.坐标系原点在影像坐标系内的坐标为：
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（3）
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（4）式中，为线阵影像行积分周期，为推扫星图成像起始时刻，n为地相机线阵像元数，为地相机探测器像元尺寸，为地相机焦距，分别为线阵中心点沿轴和轴方向的侧视角。
12.而且，所述步骤步骤2.2中假设地相机推扫星图上某星像点j在影像坐标系内的坐标为 ，其成像时刻为，则：
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（5）式中，为线阵影像行积分周期，为地相机探测器像元尺寸，为推扫星图成像起始时刻。
13.定义为时刻地相机瞬时相机坐标系，原点位于时刻地相机摄影中心，轴指向时刻推扫方向，轴指向线阵排列方向，轴与地相机光轴重合，与轴和轴组成右手坐标系，各坐标轴指向在惯性空间保持不变。
14.该星像点在成像时刻瞬时相机坐标系中的坐标为：
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（6）式中，为星像点在成像时刻瞬时相机坐标系中的坐标，为星像点在影
像坐标系内的纵坐标，n为地相机线阵像元数，为地相机探测器像元尺寸，为地相机焦距，分别为线阵中心点沿轴和轴方向的侧视角。
15.该恒星在坐标系下单位方向矢量为：
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（7）式中，为星像点在成像时刻瞬时相机坐标系中的坐标。
16.而且，所述步骤步骤2.3中沿卫星星体三轴分别安装有三台星载陀螺，采样周期内可获得卫星相对于惯性空间运动的三轴角速度。由于陀螺在较短时间内具有较高的相对姿态测量精度，采用时刻卫星姿态与陀螺观测数据计算时刻卫星姿态。定义卫星本体坐标系相对于j2000坐标系的姿态四元数，则卫星的姿态运动学方程可表示为：
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（8）
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（9）式中：为星载陀螺测量得到的卫星本体系相对于惯性系的转动角速度在本体系中的投影。
17.由时刻卫星本体系相对于惯性系的姿态四元数，对时间积分可得时刻卫星本体系相对于j2000坐标系的姿态四元数：
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（10）根据姿态四元数q，可得卫星本体系相对于j2000坐标系的转换矩阵： （11）则根据式（11），由时刻卫星本体系相对于惯性系的姿态四元数，可得时刻j2000坐标系至卫星本体系的转换矩阵；由时刻卫星本体系相对于惯性系的姿态四元数，可得时刻j2000坐标系至卫星本体系的转换矩阵。设时刻瞬时相机坐标系到时刻地相机测量坐标系的转换矩阵为，由于地相机与卫星平台固连，两时刻间卫星本体系相对姿态即为两时刻间地相机坐标系转换矩阵，则。
18.而且，所述步骤2.4中由步骤2.3计算得到的转换矩阵，可得步骤2.2所得单位方向矢量在地相机测量坐标系内的单位方向矢量。
19.而且，所述步骤3.1中设时刻地相机推扫星图一定窗口范围内有k个星像点，通过星图识别，确定星像点对应恒星在天球坐标系中的方向矢量为。
20.而且，所述步骤3.2中设时刻j2000坐标系到地相机测量坐标系的转换矩阵为，步骤2.4所得与步骤3.1所得 满足，根据基于最小二乘准则的quest法，解算可得时刻j2000坐标系到地相机测量坐标系的转换矩阵；而且，所述步骤3.3中定义为星相机成像时刻的星相机测量坐标系，原点位于星相机摄影中心，轴平行于ccd面阵行方向，轴由轴逆时针旋转90
°
得到，轴指向时刻星相机视轴方向，与轴和轴组成右手坐标系，各坐标轴指向在惯性空间保持不变。对于时刻星相机拍摄星图，设星图内星像点个数为n，可得该恒星在星相机测量坐标系统中的单位方向矢量：
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（12）式中，为某星像点坐标，为星相机主点，为星相机焦距。
21.而且，所述步骤3.4中由步骤3.3中得到的星相机星图中恒星在星相机测量坐标系下的观测矢量，通过星图识别，可以确定观测时刻恒星在天球坐标系中的方向矢量为；而且，所述步骤3.5中设时刻j2000坐标系到星相机测量坐标系的转换矩阵，步骤3.3所得与步骤3.4所得满足，根据基于最小二乘准则的quest法，解算可得时刻j2000坐标系至星相机测量坐标系的转换矩阵。
22.而且，所述步骤4.1中时刻地相机到星相机的安装矩阵由步骤3.2所得时刻j2000坐标系到地相机坐标系的转换矩阵，以及步骤3.5所得时刻j2000坐标系到星相机测量坐标系的转换矩阵，根据矩阵转换关系得到。
23.而且，所述步骤4.2中设以时刻地相机坐标轴为参考坐标轴，服从z
‑
x
‑
y转序的欧拉转角分别为，由步骤4.1中时刻地相机到星相机的安装矩阵计算星/地相机三轴夹角：
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（13）
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（14）
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（15）式中，为安装矩阵的元素；由星图观测序列，取多次测量解算结果平均值作为星/地相机夹角标定最优解，即：
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（16）
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（17）
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（18）式中，m为星图观测序列中星的个数。
24.与现有技术相比，本发明具有如下优点：无需地面控制点，借助敏捷遥感卫星快速姿态机动能力，通过相应技术方法实现地相机推扫星图处理，在对地观测作业前进行星/地相机夹角标定，满足敏捷遥感测绘卫星全球高精度无控定位需求。
附图说明
25.图1为本发明实施例在轨标定流程图。
26.图2为本发明实施例对地观测作业前星/地相机对预定天区恒星成像示意图。
27.图3为本发明本发明实施例敏捷光学遥感卫星一次对地观测任务规划示意图。
28.图4为本发明实施例线阵相机成像原理示意图。
29.图5为本发明实施例线阵推扫影像坐标系示意图。
30.图6为本发明实施例瞬时相机坐标系与某时刻地相机测量坐标关系图。
具体实施方式
31.本发明提供一种敏捷光学遥感卫星星/地相机夹角在轨标定方法，首先通过敏捷遥感卫星的快速姿态机动能力，实现星/地相机分别对预定天区恒星目标进行成像；然后对地相机推扫星图进行处理，得到恒星在地相机测量坐标系内的观测矢量；再基于恒星物方、像方信息，计算观测时刻星/地相机在惯性系下的姿态；通过计算地相机到星相机的安装矩阵来确定星/地相机夹角，使用多组同帧观测星图对相机间夹角进行标定，可以实现不依赖于地面控制数据的星/地相机主光轴夹角在轨标定，提高标定效率。
32.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明；如图1所示，本发明实施例的流程包括以下步骤：步骤1，卫星对地观测作业前，通过姿态机动，使星相机和地相机分别对准预定天区，同时进行恒星成像，包括以下几个子步骤：步骤1.1，确定对天标定时星相机和地相机预定指向天区。
33.敏捷遥感卫星的星/地相机夹角对天标定时，要求星相机与地相机均能对足够数量恒星进行成像，首先根据对地观测作业范围信息、卫星姿态机动能力以及对天成像时长，推算星/地相机对天成像的起止时刻，然后基于星/地相机相对安装地面标定值、对天成像
时卫星姿态机动速度，结合相机参数，对星表进行筛选，通过以下3个条件确保标定观测时星相机和地相机的预定指向天区：1）星/地相机规避太阳、地球、月球以能够对恒星成像；2）星相机和地相机视场内包含分布合理、三颗及以上较亮恒星；3）卫星姿态机动角度较小。
34.设对地观测作业前星/地相机对天成像时，星相机的预定指向天区为预定天区1，地相机的预定指向天区为预定天区2，如图2所示。
35.步骤1.2，卫星姿态机动，由对日定向模式调整为对天模式，使星相机和地相机均对准步骤1.1中确定的预定指向天区。
36.如图3所示，时刻卫星处于对日定向模式，时间段内卫星进行姿态机动，使时刻星相机对准预定天区1且地相机对准预定天区2。
37.步骤1.3，星相机和地相机获取预定天区星图数据。
38.卫星绕俯仰轴起旋，在达到满足恒星推扫成像所需的角速度后，星相机和地相机同时对天区内恒星进行成像，获取预定天区星图数据。
39.时间段星相机和地相机同时对天区内恒星进行成像；卫星时刻开始绕俯仰轴起旋，设在时刻达到满足恒星推扫成像所需的角速度；星相机从时刻开始，以固定帧率对天区1成像，至时刻止，获取成像时刻为获取成像时刻为的共m张星相机星图；从时刻开始，地相机对天区2推扫成像，至时刻止，获得天区2的地相机推扫星图；在一次对地观测周期内，后续时间段卫星进行姿态机动，使时刻地相机光轴对准观测作业区域起始位置，时间段实施对地观测作业，获得对地观测图像数据；时间段卫星进行姿态机动，时刻卫星再次转入对日定向模式。
40.步骤2，对地相机推扫星图进行处理，计算恒星在地相机测量坐标系中的方向矢量，包括以下几个子步骤：步骤2.1，建立星相机成像时刻的地相机测量坐标系。
41.如图4所示，线阵相机在推扫方向为平行投影，在线阵方向为中心投影，定义影像坐标系，如图5所示，原点o位于影像左上角像元中心，x轴沿推扫方向，y轴沿线阵排列方向，由像点行列号可得该像点坐标：
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（2）式中，为地相机探测器像元尺寸。
42.定义为星相机成像时刻的地相机测量坐标系，原点位于时刻地相机摄影中心，轴指向时刻推扫方向，轴指向线阵排列方向，轴与地相机光轴重合，与轴和轴组成右手坐标系，各坐标轴指向在惯性空间保持不变；坐标系原点在影像坐标系内的坐标为：
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（3）
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（4）式中，为线阵影像行积分周期，为推扫星图成像起始时刻，n为地相机线阵像元数，为地相机探测器像元尺寸，为地相机焦距，分别为线阵中心点沿轴和轴方向的侧视角。
43.步骤2.2，计算地相机推扫星图中恒星在成像时刻瞬时相机坐标系内单位方向矢量。
44.假设地相机推扫星图上某星像点j在影像坐标系内的坐标为 ，其成像时刻为，则：
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（5）式中，为线阵影像行积分周期，为地相机探测器像元尺寸，为推扫星图成像起始时刻。
45.定义为时刻地相机瞬时相机坐标系，原点位于时刻地相机摄影中心，轴指向时刻推扫方向，轴指向线阵排列方向，轴与地相机光轴重合，与轴和轴组成右手坐标系，各坐标轴指向在惯性空间保持不变；该星像点在成像时刻瞬时相机坐标系中的坐标为：
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（6）式中，为星像点在成像时刻瞬时相机坐标系中的坐标，为星像点在影像坐标系内的纵坐标，n为地相机线阵像元数，为地相机探测器像元尺寸，为地相机焦距，分别为线阵中心点沿轴和轴方向的侧视角。
46.该恒星在坐标系下单位方向矢量为：
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（7）式中，为星像点在成像时刻瞬时相机坐标系中的坐标。
47.步骤2.3，计算地相机成像时刻时刻瞬时相机坐标系到星相机成像时刻 时刻地相机测量坐标系的转换矩阵。
48.沿卫星星体三轴分别安装有三台星载陀螺，采样周期内可获得卫星相对于惯性空间运动的三轴角速度；由于陀螺在较短时间内具有较高的相对姿态测量精度，采用时刻卫星姿态与陀螺观测数据计算时刻卫星姿态；定义卫星本体坐标系相对于j2000坐标系
的姿态四元数，则卫星的姿态运动学方程可表示为：
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（9）式中：为星载陀螺测量得到的卫星本体系相对于惯性系的转动角速度在本体系中的投影。
49.由时刻卫星本体系相对于惯性系的姿态四元数，对时间积分可得时刻卫星本体系相对于j2000坐标系的姿态四元数：
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（10）根据姿态四元数q，可得卫星本体系相对于j2000坐标系的转换矩阵： （11）则根据式（11），由时刻卫星本体系相对于惯性系的姿态四元数，可得时刻j2000坐标系至卫星本体系的转换矩阵；由时刻卫星本体系相对于惯性系的姿态四元数，可得时刻j2000坐标系至卫星本体系的转换矩阵；设时刻瞬时相机坐标系到时刻地相机测量坐标系的转换矩阵为，由于地相机与卫星平台固连，两时刻间卫星本体系相对姿态即为两时刻间地相机坐标系转换矩阵，则。
50.步骤2.4，计算步骤2.2得到的单位方向矢量在地相机测量坐标系内单位方向矢量。
51.由步骤2.3计算得到的转换矩阵，可得步骤2.2所得单位方向矢量在地相机测量坐标系内的单位方向矢量。
52.步骤3，求取观测时刻星相机和地相机在j2000坐标系下的姿态矩阵，包括以下几个子步骤：步骤3.1，计算星相机成像时刻时刻地相机推扫星图星像点对应恒星在天球坐标系中方向矢量。
53.设时刻地相机推扫星图一定窗口范围内有k个星像点，通过星图识别，确定星像点对应恒星在天球坐标系中的方向矢量为。
54.步骤3.2，计算星相机成像时刻时刻j2000坐标系到地相机坐标系的转换矩阵。
55.设时刻j2000坐标系到地相机测量坐标系的转换矩阵为，步骤2.4所得与步骤3.1所得满足，根据基于最小二乘准则的quest法，解算可得时刻j2000坐标系到地相机测量坐标系的转换矩阵。
56.步骤3.3，计算星相机星图中恒星在星相机测量坐标系内的单位方向矢量。
57.定义为星相机成像时刻的星相机测量坐标系，原点位于星相机摄影中心，轴平行于ccd面阵行方向，轴由轴逆时针旋转90
°
得到，轴指向时刻星相机视轴方向，与轴和轴组成右手坐标系，各坐标轴指向在惯性空间保持不变；对于时刻星相机拍摄星图，设星图内星像点个数为n，可得该恒星在星相机测量坐标系统中的单位方向矢量：
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（12）式中，为某星像点坐标，为星相机主点，为星相机焦距。
58.步骤3.4，计算星相机成像时刻时刻星相机星图星像点对应恒星在天球坐标系中方向矢量。
59.由步骤3.3中得到的星相机星图中恒星在星相机测量坐标系下的观测矢量，通过星图识别，确定观测时刻恒星在天球坐标系中的方向矢量为。
60.步骤3.5，计算星相机成像时刻时刻j2000坐标系到星相机测量坐标系的转换矩阵。
61.设时刻j2000坐标系到星相机测量坐标系的转换矩阵，步骤3.3所得与步骤3.4所得满足，根据基于最小二乘准则的quest法，解算可得时刻j2000坐标系至星相机测量坐标系的转换矩阵。
62.步骤4，计算地相机到星相机的安装矩阵，使用多组同帧观测星图对星相机和地相机夹角进行标定，包括以下几个子步骤：步骤4.1，求解星相机成像时刻时刻地相机到星相机的安装矩阵。
63.由步骤3.2所得时刻j2000坐标系到地相机坐标系的转换矩阵，以及步骤3.5所得时刻j2000坐标系到星相机测量坐标系的转换矩阵，根据矩阵转换关系，可得时刻地相机到星相机的安装矩阵。
64.步骤4.2，星相机和地相机夹角标定。
65.设以时刻地相机坐标轴为参考坐标轴，服从z
‑
x
‑
y转序的欧拉转角分别为
，由步骤4.1中时刻地相机到星相机的安装矩阵计算星/地相机三轴夹角：
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（14）
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（15）式中，为安装矩阵的元素。
66.由星图观测序列，取多次测量解算结果平均值作为星/地相机夹角标定最优解，即：
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（16）
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（17）
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（18）式中，m为星图观测序列中星的个数。
67.本文中所描述具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明；本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。