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
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。