一種光學(xué)遙感衛(wèi)星影像時變系統(tǒng)誤差建模補償方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于遙感衛(wèi)星地面預(yù)處理領(lǐng)域，特別是涉及到一種光學(xué)遙感衛(wèi)星影像時變 系統(tǒng)誤差建模補償方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像無控制幾何處理受到多種誤差源影響，其中由于星敏感器 低頻誤差、空間熱環(huán)境導(dǎo)致的安裝結(jié)構(gòu)變化以及不同星敏感器工作模式切換所導(dǎo)致的姿態(tài) 基準的變化是當前影響光學(xué)遙感影像高精度幾何處理精度的重要因素。星敏感器是一種常 用的精密姿態(tài)測量部件，但是由于受到衛(wèi)星上的冷熱交變的空間熱環(huán)境以及視場變化等因 素影響，其會產(chǎn)生依軌道周期變化的周期性低頻誤差。安裝結(jié)構(gòu)變化以及星敏感器工作模 式切換導(dǎo)致姿態(tài)基準發(fā)生變化，進而無法保證不同姿態(tài)敏感器間姿態(tài)基準高精度耦合。因 此，需要解決如何消除或削弱星敏感器低頻誤差、姿態(tài)基準變化對無控制幾何定位的影響， 以滿足光學(xué)遙感影像地面處理要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對星敏感器低頻誤差參數(shù)難以辨識與補償以及姿態(tài)基準時變性變化的 問題，提供了一種光學(xué)遙感衛(wèi)星影像時變系統(tǒng)誤差建模補償技術(shù)方案。
[0004] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案為一種光學(xué)遙感衛(wèi)星影像時變系統(tǒng)誤差建模補償方法，包 括以下步驟：
[0005] 步驟1，基于光學(xué)遙感衛(wèi)星對地相機多個成像時間段的多星敏感器觀測數(shù)據(jù)，解算 星敏感器間相對安裝參數(shù)變化序列，進一步基于加權(quán)平均得到安裝參數(shù)最優(yōu)估計值；
[0006] 步驟2,根據(jù)多個星敏感器成像時間段的觀測數(shù)據(jù)以及步驟1得到的安裝參數(shù)，實 現(xiàn)多星敏感器最優(yōu)信息融合，獲取高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)；
[0007] 步驟3，根據(jù)跟蹤偵照的光學(xué)定標場全色影像數(shù)據(jù)，定標場D0M/DEM參考數(shù)據(jù)，采用 嚴密幾何成像模型，實現(xiàn)對地相機精密姿態(tài)反演；
[0008] 步驟4,采用傅立葉級數(shù)構(gòu)建時變系統(tǒng)誤差補償模型，進一步根據(jù)步驟2和步驟3所 得結(jié)果，基于最小二乘原理實現(xiàn)時變系統(tǒng)誤差補償模型參數(shù)最優(yōu)估計。
[0009] 而且，步驟1中，解算星敏感器間相對安裝參數(shù)變化序列時，設(shè)某時刻t的星敏感器 A的四元數(shù)觀測值為# ，星敏感器B的四元數(shù)觀測值為 彳A- 知]T，得到時刻t的本體到慣性系的旋轉(zhuǎn)矩陣圮、每，計算A星敏感 器到B星敏感器的旋轉(zhuǎn)矩陣巧=(圮廣圯以及歐拉角轉(zhuǎn)換參數(shù)a#: 。
[0010] 而且，步驟2中，獲取高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)實現(xiàn)方式如下，
[0011 ]設(shè)有η個星敏感器，多個星敏感器光軸在慣性系下的矢量坐標為Vms，Vms，…… VnCIS，在本體坐標系矢量坐標為VlBody，V2Body，…，VnBody，基于星敏感器光軸矢量的觀測方程 如下，Kt? + V3xl = ,? _ Κ,ν,,,Λ / =】.2,…."
[0012] 其中，忠表示本體坐標系到慣性坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣，乃幻為星敏感器測量噪聲；
[0013] 當光軸矢量個數(shù)大于等于2時，基于最小二乘原理實現(xiàn)姿態(tài)參數(shù)的最優(yōu)估計。
[0014] 而且，步驟3中，所述嚴密幾何成像模型為基于探元指向角模型的嚴密幾何成像模 型。
[0015] 而且，步驟4中，采用傅立葉級數(shù)構(gòu)建時變系統(tǒng)誤差補償模型的實現(xiàn)方式如下，
[0016] 設(shè)時變系統(tǒng)誤差歐拉角表不為~ Δ# .，則Δ k的三個分量米用傅 立葉函數(shù)形式進行建模，得到時變系統(tǒng)誤差補償模型如下，
[0018]
，T表示衛(wèi)星軌道周期，k表示時間步長個數(shù)，τ表示時間步長， Μ為正常數(shù)，31^々1^，<^，\_/_」々0」表不未知的時變系統(tǒng)誤差系數(shù)。
[0019] 一種光學(xué)遙感衛(wèi)星影像時變系統(tǒng)誤差建模補償系統(tǒng)，包括以下模塊：
[0020] 第一模塊，用于基于光學(xué)遙感衛(wèi)星對地相機多個成像時間段的多星敏感器觀測數(shù) 據(jù)，解算星敏感器間相對安裝參數(shù)變化序列，進一步基于加權(quán)平均得到安裝參數(shù)最優(yōu)估計 值；
[0021] 第二模塊，用于根據(jù)多個星敏感器成像時間段的觀測數(shù)據(jù)以及第一模塊得到的安 裝參數(shù)，實現(xiàn)多星敏感器最優(yōu)信息融合，獲取高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)；
[0022] 第三模塊，用于根據(jù)跟蹤偵照的光學(xué)定標場全色影像數(shù)據(jù)，定標場D0M/DEM參考數(shù) 據(jù)，采用嚴密幾何成像模型，實現(xiàn)對地相機精密姿態(tài)反演；
[0023] 第四模塊，用于采用傅立葉級數(shù)構(gòu)建時變系統(tǒng)誤差補償模型，進一步根據(jù)第二模 塊和第三模塊所得結(jié)果，基于最小二乘原理實現(xiàn)時變系統(tǒng)誤差補償模型參數(shù)最優(yōu)估計。
[0024] 而且，第一模塊中，解算星敏感器間相對安裝參數(shù)變化序列時，設(shè)某時刻t的星敏 感器A的四元數(shù)觀測值為# = ，星敏感器B的四元數(shù)觀測值為 得到時刻t的本體到慣性系的旋轉(zhuǎn)矩陣圮、忠，計算A星敏感 器到B星敏感器的旋轉(zhuǎn)矩陣=?)7 <以及歐拉角轉(zhuǎn)換參數(shù)6? 心/。
[0025]而且，第二模塊中，獲取高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)實現(xiàn)方式如下，
[0026]設(shè)有η個星敏感器，多個星敏感器光軸在慣性系下的矢量坐標為Vicis，V2cis，...... VnCIS，在本體坐標系矢量坐標為VlBody，V2Body，…，VnBody，基于星敏感器光軸矢量的觀測方程 如下，
[0027] VicIS + ν3χ1 = Rg - Vmdy i = 1, % -,,n.
[0028] 其中，患表示本體坐標系到慣性坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣，V3XA星敏感器測量噪聲；
[0029]當光軸矢量個數(shù)大于等于2時，基于最小二乘原理實現(xiàn)姿態(tài)參數(shù)的最優(yōu)估計。
[0030] 而且，第三模塊中，所述嚴密幾何成像模型為基于探元指向角模型的嚴密幾何成 像模型。
[0031] 而且，第四模塊中，采用傅立葉級數(shù)構(gòu)建時變系統(tǒng)誤差補償模型的實現(xiàn)方式如下，
[0032] 設(shè)時變系統(tǒng)誤差歐拉角表示為的三個分量采用傅 立葉函數(shù)形式進行建模，得到時變系統(tǒng)誤差補償模型如下，
[0034]
.，Τ表示衛(wèi)星軌道周期，k表示時間步長個數(shù)，τ表示時間步長， Μ為正常數(shù)，at j，bt j，《 _，ae j，b θ j表不未知的時變系統(tǒng)誤差系數(shù)。
[0035]本發(fā)明提供了一種光學(xué)遙感衛(wèi)星影像時變系統(tǒng)誤差建模補償技術(shù)方案，實現(xiàn)了星 敏感器低頻誤差、姿態(tài)基準不統(tǒng)一誤差的在軌補償，通過本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以有效 削弱無控制定位時變系統(tǒng)誤差影響，為光學(xué)遙感影像幾何處理奠定基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0037] 以下結(jié)合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明技術(shù)方案。
[0038] 參見圖1所示光學(xué)遙感衛(wèi)星影像無控制幾何定位的時變系統(tǒng)誤差在軌標定與補償 流程圖，以下針對實施例流程中的各步驟，對本發(fā)明方法做進一步詳細描述。
[0039]步驟1，基于光學(xué)遙感衛(wèi)星對地相機多個成像時間段的多星敏感器觀測數(shù)據(jù)，解算 星敏感器間相對安裝參數(shù)變化序列，進一步基于加權(quán)平均得到安裝參數(shù)最優(yōu)估計值，實現(xiàn) 星敏感器安裝參數(shù)相對標定。
[0040]假設(shè)某時刻t的星敏感器A的四元數(shù)觀測值為# 星敏感 器B的四元數(shù)觀測值為gli; ,得到時亥Ijt的本體到慣性系的旋轉(zhuǎn)矩陣 圮、埒表達式如下：
[0041]
[0043] 進一步得到A星敏感器到B星敏感器的旋轉(zhuǎn)矩陣^^ = (<)7 <以及歐拉角轉(zhuǎn)換參數(shù) ，按此對多個時刻分別進行處理，可以得到解算星敏感器間相對安裝 參數(shù)變化序列?；谏鲜龇椒▽Χ鄠€成像段觀測數(shù)據(jù)進行處理得到每個成像時間段相對安 裝參數(shù)序列。
[0044] 對每個成像時間段相對安裝參數(shù)序列進行誤差統(tǒng)計分析得到每個成像時間段安 裝參數(shù)中誤差，最后基于每個成像時間段歐拉角轉(zhuǎn)換參數(shù)進行整體加權(quán)平均得到最優(yōu)估計 值。
[0045] 步驟2,根據(jù)多個成像時間段的星敏感器原始觀測數(shù)據(jù)以及步驟1得到的安裝參數(shù) 最優(yōu)估計值，實現(xiàn)多星敏感器最優(yōu)信息融合，獲取高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)。
[0046] 光學(xué)遙感衛(wèi)星在軌成像過程中，由于空間環(huán)境復(fù)雜性以及星敏感器自身工作特 點，經(jīng)常出現(xiàn)工作模式切換，導(dǎo)致單一星敏感器定姿、雙星敏感器定姿以及多星敏感器定姿 等情況產(chǎn)生，故可以根據(jù)步驟1標定的星敏感器間的安裝關(guān)系（即安裝參數(shù)最優(yōu)估計值）以 及星敏感器原始觀測數(shù)據(jù)（即步驟1所述四元數(shù)觀測值），實現(xiàn)最優(yōu)光軸矢量觀測信息融合， 得到姿態(tài)基準高度統(tǒng)一的姿態(tài)數(shù)據(jù)。
[0047] 假設(shè)有η個星敏感器，多個星敏感器光軸在慣性系下的矢量坐標為V1CIS，V2CIS，…… VnCIS，在本體坐標系矢量坐標為VlBody，V2Body，…，VnBody，基于星敏感器光軸矢量的觀測方程 如下：
[0049] 起表示本體坐標系到慣性坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣，v3X1為星敏感器測量噪聲。當光軸 矢量個數(shù)大于等于2時，基于最小二乘原理實現(xiàn)姿態(tài)參數(shù)的最優(yōu)估計。
[0050] 步驟3,根據(jù)長年跟蹤偵照的光學(xué)定標場全色影像數(shù)據(jù)，定標場D0M/DEM參考數(shù)據(jù)， 進行控制點自動量測，一般包括特征點提取、影像模擬、金字塔影像匹配、整像素匹配、子像 素匹配以及粗差點剔除，具體實現(xiàn)可采用現(xiàn)有技術(shù);進一步采用嚴密幾何成像模型，實現(xiàn)對 地相機精密姿態(tài)反演解算。
[0051] 即對地相機精密姿態(tài)反演數(shù)學(xué)模型為基于探元指向角模型的嚴密幾何成像模型， 具體實現(xiàn)形式如下：
[0053] 其中，（Xg，Yg，Zg)表示地物點的物方坐標；（Ms)，ilv( S))表示探元號s的指向角大 小；（xgps，Ygps，zgps)與(Bx，By，Bz)分別表示對地相機攝影中心的物方坐標與GPS偏心誤差;λ 表示比例系數(shù)；、Cy分別表示由WGS84坐標系到J2000坐標系旋轉(zhuǎn)矩陣、由 J2000坐標系到衛(wèi)星本體坐標系旋轉(zhuǎn)矩陣以及由衛(wèi)星本體坐標系到相機測量坐標系的旋轉(zhuǎn) 矩陣。
[0054] 由上式可以得到，對于線陣推掃相機，當每個掃描行匹配得到的非共線控制點觀 測矢量個數(shù)大于等