莫毅君，王 一,2，明朝輝

（1．西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，西安 710021；2．長安大學(xué)，西安 710021；3．山東科技大學(xué)，青島 266510）

基于天繪一號衛(wèi)星三線陣影像在軌幾何檢校與精度分析

莫毅君1，王 一1,2，明朝輝3

（1．西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，西安 710021；2．長安大學(xué)，西安 710021；3．山東科技大學(xué)，青島 266510）

針對天繪一號衛(wèi)星三線陣傳感器，綜合前視、正視、后視影像的主點(diǎn)、主距及相機(jī)夾角變化等影響，同時考慮姿態(tài)元素變化特征，建立嚴(yán)密幾何標(biāo)定模型。利用天繪一號七個實(shí)驗場的三線陣1A影像數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何參數(shù)檢校和定位精度檢測，檢測結(jié)果表明：通過多個實(shí)驗區(qū)標(biāo)定結(jié)果取均值做為最終標(biāo)定值，天繪一號衛(wèi)星無控定位精度可以滿足1︰5萬立體測圖要求。

天繪一號衛(wèi)星；相機(jī)夾角變化；幾何參數(shù)檢校；無控定位

1 引言

傳輸型衛(wèi)星由于衛(wèi)星發(fā)射的振動，長時間飛行中溫度的變化、太陽輻射等因素的影響，衛(wèi)星的實(shí)驗室標(biāo)定參數(shù)將會發(fā)生變化。若不進(jìn)行在軌幾何定標(biāo)處理，直接采用實(shí)驗室的標(biāo)定參數(shù)難以滿足高分辨率衛(wèi)星無控定位的要求[1]。當(dāng)前，針對國外多顆衛(wèi)星，國內(nèi)外研究學(xué)者提出過利用偏置矩陣補(bǔ)償、內(nèi)方位元素檢校、姿態(tài)常差檢校[2,3]等多種成熟的幾何標(biāo)定方法，使SPOT5、IKNONS等檢校后的無控定位精度均優(yōu)于50m[4,5,6]，GeoEye，WorldView-1,2無控定位精度優(yōu)于10m以內(nèi)。

天繪一號測繪衛(wèi)星就是我國首顆傳輸型立體測繪衛(wèi)星[7]，由航天東方紅衛(wèi)星有限公司基于CAST2000小衛(wèi)星平臺研制。01星于2010年8月發(fā)射成功，02星于2012年5月發(fā)射成功。其測繪相機(jī)采用三線陣成像模式，由前視、正視和后視三臺相機(jī)組成，前視、后視相機(jī)與正視相機(jī)交會角均為25°，地面像元分辨率為5m，定位測姿載荷由3臺星敏感器和1臺GPS接收機(jī)組成，標(biāo)定前，其定位精度在百米數(shù)量級，經(jīng)過在軌標(biāo)定處理，可進(jìn)行1︰50000比例尺的地形圖制作。

2 在軌標(biāo)定基本原理

由于衛(wèi)星長時間的在軌運(yùn)行，各種實(shí)驗室標(biāo)定的參數(shù)不可避免地會發(fā)生變化，在進(jìn)行三線陣衛(wèi)星影像的立體定位前，須將影響定位精度的誤差消除掉。經(jīng)過分析，定位誤差主要由攝影機(jī)內(nèi)方位元素和衛(wèi)星姿態(tài)角誤差引起。

對于三線陣相機(jī)的內(nèi)方位元素，主要包括相機(jī)的主距（fι，fv，fr）和主點(diǎn)（xι，xv，xr，yι，yv，yr）。姿態(tài)角誤差主要由星地相機(jī)夾角的變化引起，需要對姿態(tài)角常差進(jìn)行標(biāo)定。在軌幾何標(biāo)定誤差方程為

δ為內(nèi)方位元素改正數(shù)，

令

3 在軌標(biāo)定處理流程和精度檢測流程

3.1 在軌標(biāo)定處理流程

由于內(nèi)、外方位元素之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，采用分步標(biāo)定測策略，對內(nèi)方位元素和姿態(tài)角常差進(jìn)行分步解算，并通過迭代取得檢校結(jié)果。標(biāo)定參數(shù)的計算流程如圖1所示。

3.2 精度檢測流程

利用天繪一號1A級數(shù)據(jù)，首先利用控制點(diǎn)進(jìn)行在軌幾何標(biāo)定，修正內(nèi)方位元素及星地相機(jī)夾角，然后通過控制定位技術(shù)平差計算，消除天繪影像條帶內(nèi)姿態(tài)數(shù)據(jù)偶然誤差，最后利用檢查點(diǎn)前方交會進(jìn)行定位精度統(tǒng)計分析，精度檢測流程如圖2所示。

4 試驗方案設(shè)計與精度分析

4.1 試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為了提高天繪一號衛(wèi)星無控定位精度，根據(jù)攝影覆蓋情況，在國內(nèi)按照不同緯度、分布均勻等條件選定了東北、新疆及江西等七個實(shí)驗場區(qū)來確定不同的在軌幾何標(biāo)定方案。七個實(shí)驗場區(qū)中，各實(shí)驗場區(qū)范圍、地形、影像資料情況見表1所示，七個實(shí)驗場區(qū)測區(qū)分布如圖3所示。

4.2 姿軌數(shù)據(jù)分析

從表2中可以看出，精密定軌數(shù)據(jù)的三軸坐標(biāo)的三階差分中誤差基本在同一數(shù)量級，精密定姿數(shù)據(jù)的三軸角度的三階差分中誤差也基本在同一數(shù)量級，七個實(shí)驗場區(qū)的軌道與姿態(tài)數(shù)據(jù)精度相當(dāng)，可以等權(quán)進(jìn)行在軌標(biāo)定與定位精度分析試驗。

4.3 參數(shù)標(biāo)定結(jié)果及精度分析

對七個測區(qū)分別進(jìn)行了星地相機(jī)夾角標(biāo)定和三線陣相機(jī)內(nèi)方位元素標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)果見表3。

表3表明，七個實(shí)驗場區(qū)的星地相機(jī)夾角隨維度不同呈現(xiàn)微小變化，其精度穩(wěn)定的，三軸指向精度在1″數(shù)量級。星地相機(jī)夾角檢校值隨緯度的變化情況如圖4至圖6。

表4至表5的數(shù)據(jù)表明，七個實(shí)驗場區(qū)的內(nèi)方位元素變化穩(wěn)定，精度在0.01mm數(shù)量級，其標(biāo)定方法可靠。

4.4 標(biāo)定參數(shù)使用方案

在對七個實(shí)驗場區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定后，分別采用五種方案選擇標(biāo)定參數(shù)用于精度檢測。其中，方案一使用北京實(shí)驗場區(qū)的標(biāo)定參數(shù)；方案二使用北京、安徽的標(biāo)定參數(shù)均值；方案三使用北京、安徽、新疆、重慶的標(biāo)定參數(shù)均值；方案四使用北京、安徽、新疆、重慶、黑龍江吉林（1）、黑龍江吉林（2）的標(biāo)定參數(shù)均值；方案五分別用各測區(qū)的標(biāo)定參數(shù)檢測各區(qū)。

4.5 不同參數(shù)使用方案的檢測結(jié)果與分析

利用五種檢校參數(shù)，分別對七個場區(qū)進(jìn)行了無控定位處理和精度檢測，檢測結(jié)果見表6至表7。

經(jīng)過分析表明：當(dāng)使用兩個以下檢測場區(qū)的標(biāo)定參數(shù)時，不同實(shí)驗場的定位精度分布不均，隨著使用的標(biāo)定參數(shù)的增多，整體的定位精度逐漸趨近一致化；不同方案之間的高程精度變化不明顯，隨著使用的標(biāo)定參數(shù)的增多，平面精度明顯提高。

5 結(jié)束語

本文對天繪一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何內(nèi)方位元素和姿態(tài)角常差檢校，建立該衛(wèi)星線陣傳感器嚴(yán)密幾何模型，依托七個實(shí)驗場區(qū)進(jìn)行幾何參數(shù)檢校和定位精度檢測，經(jīng)測試，幾何定位精度穩(wěn)定可靠，通過多個實(shí)驗區(qū)標(biāo)定結(jié)果取均值做為最終標(biāo)定值，天繪一號衛(wèi)星無控定位精度可以滿足1︰5萬立體測圖要求。

[1] 李晶，王蓉，朱雷鳴 等．“天繪一號”衛(wèi)星測繪相機(jī)在軌幾何定標(biāo).遙感學(xué)報，2012. 16 (增刊)∶35-39

[2] 王任享，胡莘．無地面控制點(diǎn)衛(wèi)星攝影測量的技術(shù)難點(diǎn)．測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2004. 29(3)∶3-5

[3] 袁修孝，余俊鵬．高分辨率衛(wèi)星遙感影像的姿態(tài)角常差檢校[J]．測繪學(xué)報，2008. 37(1)∶36-41

[4] VALORGE C. 40Years of Experience with SPOT in-flight Calibration[C/ DK]. Workshop on Radiometric and Geo-metric Calibration. Gulfport.2003

[5] TADONO T,SHIMADA M, HASHIMOTO T, etal. Results if Calibration and Validation of ALOS Optical Sensors, and Their Accracy Assesments[C]//Proceedings of Geoscience and Remote Sensing Symposium.Barcelona IGARSS,2007

[6] 雷蓉，范大昭，劉楚斌 等．ALOS PRISM影像直接定位的系統(tǒng)誤差分析[J]．測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2011. 28(5)∶356-359

[7] 李松明，李巖，李勁東．“天繪一號”傳輸型攝影測量與遙感衛(wèi)星．遙感學(xué)報，2013. 17(3)∶9-15

On-orbit Geomatric Calibrition and Precision Analysis based on Three-line Array Camera’s Images of Mapping Satellite-1

Mo Yijun1, Wang Yi1,2, Ming Zhaohui3
(1.Aerors.Inc, Xi’an Shanxi, 710021; 2.Chang’an University, Xi’an Shanxi, 710021; 3.Science and Technology of Shandong University, Qingdao Shandong, 266510)

The strict geometric calibration model of Mapping-1 Satellite’s three-line array camera was established. The model considered the influence of three directions(forward, nadir and backward) images’ principal point, principal distance, camera angle changes and so on. Menwhile, the feature of attitude parameter changes were taked into account.1A product of Mapping-1 Satellite’s three-line array camera and Mapping-1 Satellite’s control point data at seven experimental fields were processed. The experiments included geometric parameters calibration and positioning accuracy detection. The results showed that non-GCP positioning accuracy can meet the map scale of 1∶ 50000 requirements, through taking the mean of several experimental regions’ calibration results as the final calibration value.

Mapping Satellite-1; camera angle changes; geometric parameters calibration; non-GCP positioning

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.06.003

TN96文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2015）06-0031-04