張宏偉 張炳先,2 侯作勛 彭呈祥

顧及光行差改正的遙感衛(wèi)星成像模型及驗(yàn)證

張宏偉1張炳先1,2侯作勛1彭呈祥1

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

結(jié)合光學(xué)遙感衛(wèi)星的幾何特性和成像機(jī)理，系統(tǒng)地分析了光行差效應(yīng)對(duì)光學(xué)遙感衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)精度的影響。根據(jù)光行差效應(yīng)影響的機(jī)理與特點(diǎn)，文章推導(dǎo)出了嚴(yán)格的光行差模型，并通過(guò)一個(gè)變換矩陣將該模型引入到傳統(tǒng)共線方程模型中，實(shí)現(xiàn)了模型中光線真方向向量與視方向向量之間的轉(zhuǎn)換。在實(shí)驗(yàn)階段，通過(guò)兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)本模型的精度和有效性進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，首先基于不同側(cè)擺角的模擬影像對(duì)比分析了傳統(tǒng)模型和本模型的定位精度，然后，結(jié)合幾何定標(biāo)的補(bǔ)償效應(yīng)，對(duì)比分析了兩種初始模型及定標(biāo)后的精化模型在不同側(cè)擺角下的定向精度，進(jìn)而驗(yàn)證各模型對(duì)光行差的改正效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中方法可以有效的補(bǔ)償衛(wèi)星影像由光行差引起的幾何誤差，提高敏捷光學(xué)衛(wèi)星大側(cè)擺成像時(shí)的定位精度。

光行差 嚴(yán)格成像模型 定位精度 幾何定標(biāo)敏捷光學(xué)衛(wèi)星 航天遙感

0 引言

光行差[1-2]（Aberration of Light，AOL）通常指在同一瞬間，運(yùn)動(dòng)中的觀測(cè)者所觀測(cè)到的天體視方向與靜止的觀測(cè)者所觀測(cè)到的真方向之差，是一種普遍存在的物理現(xiàn)象。對(duì)于對(duì)地觀測(cè)的光學(xué)衛(wèi)星而言，可將其搭載的光學(xué)載荷作為觀測(cè)者，由于衛(wèi)星在軌時(shí)是按照其預(yù)定軌道不斷運(yùn)動(dòng)的，因此其視方向與真方向之間通常存在一定的夾角，即衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的光行差（本文將其視為光行差誤差）。目前，一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于光行差的影響機(jī)理進(jìn)行了研究，然而主要集中在天文[3-6]和飛行器導(dǎo)航[7-9]等領(lǐng)域，在對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域[10-12]研究的文獻(xiàn)不多。

從光行差的定義可知，光行差對(duì)于定位精度的影響主要和衛(wèi)星運(yùn)行速度（相對(duì)于地面的速度）和光信號(hào)從地面?zhèn)鞑サ叫l(wèi)星的時(shí)間有關(guān)，因此，對(duì)于一般的中低軌光學(xué)遙感衛(wèi)星，假設(shè)其軌道高度為500km，則在其星下點(diǎn)成像時(shí)光線傳播時(shí)間約為0.001 7s，若衛(wèi)星在WGS84坐標(biāo)系下的飛行速度為7.9km/s，通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)換算可知，由光行差引起的定位誤差為13.5m，而在衛(wèi)星側(cè)擺成像時(shí)，衛(wèi)星成像距離隨著側(cè)擺角增加而變大，因此該誤差同樣會(huì)相應(yīng)的增大。然而，目前在軌運(yùn)行的衛(wèi)星光學(xué)遙感衛(wèi)星如“資源三號(hào)”（ZY-3）、“天繪一號(hào)”（TH-1）等姿軌測(cè)量精度較穩(wěn)定的光學(xué)衛(wèi)星[13-16]，在不考慮光行差影響的情況下已經(jīng)可以達(dá)到優(yōu)于15m的定位精度，究其原因，主要是因?yàn)檫@些衛(wèi)星均是非敏捷的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，不會(huì)進(jìn)行大側(cè)擺對(duì)地成像，因此衛(wèi)星成像過(guò)程中光線傳播距離基本不變，不同成像時(shí)刻光信號(hào)從地面?zhèn)鞑サ叫l(wèi)星的時(shí)間幾乎一致，此外由于衛(wèi)星運(yùn)行速度相對(duì)穩(wěn)定，因此由光行差引起的定位誤差基本為一沿軌方向的系統(tǒng)性誤差。在進(jìn)行衛(wèi)星在軌幾何標(biāo)定時(shí)，該誤差將被作為外參數(shù)誤差的一部分一并補(bǔ)償，因此，對(duì)于這些衛(wèi)星即使不考慮光行差的影響，在完成在軌幾何定標(biāo)后仍能達(dá)到較高的定位精度。

然而，隨著衛(wèi)星姿軌控制能力的不斷提高，越來(lái)越多的光學(xué)衛(wèi)星具備敏捷成像能力。在不同側(cè)擺角的情況下，光信號(hào)傳播的距離會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而造成定標(biāo)參數(shù)不能完全補(bǔ)償光行差誤差。針對(duì)該問(wèn)題，本文從光行差的影響機(jī)理出發(fā)，建立基于嚴(yán)格成像模型的光行差改正模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)于光行差誤差的有效補(bǔ)償。

1 光行差影響分析