应用激光测高仪提高测绘卫星定位精度的研究

双线阵立体测绘卫星定位对外方位元素的测量精度要求高,然而布设控制点成本高,缺少全世界范围内的控制点。针对这一问题,提出应用星载激光测高仪提高定位精度的方法。首先,分析了双线阵立体测绘卫星和激光测高仪的误差特性,即测绘相机定位精度受外方位角元素影响比较大,激光测高仪高程精度受角元素影响相对较小。然后,论证了用激光测高仪提高定位精度的可行性。在相同的卫星平台定向辅助数据下,激光测高仪高程精度要比测绘相机高得多,可以作为高程约束提高定位精度。最后,应用光束法平差原理对激光测高数据作为高程约束进行了仿真试验。结果表明,加入激光测高数据可将双线阵立体测绘卫星的高程精度由8.0m提高到约3.5m。此方法可为实现全球无控制点测绘提供一定参考。     

高分七号卫星总体概况及影像产品

正高分七号卫星总体概况卫星主要特点首颗自主研发1:1万比例尺立体测绘卫星,首次采用双线阵相机立体测绘联合激光测高的主被动复合测绘体制。国内首套长焦距、大口径、无畸变双线阵测绘相机,分辨率前视全色优于0.8m、后视相机全色优于0.65m、后视相机多光谱优于2.6m,实现亚米级立体测绘。国内首台星载对地全波形体制激光测高仪,利用高精度测时和高速采样技术实现高精度测距。国内首次采用高稳定度控制补偿技术实现姿态稳定度优于6×10~(-50)/s。国内首套星图融合星敏感器,双星敏夹角动态修正,大幅提高卫星姿态确定精度。国内首台星载可变编码调制器,国际首次实现X频段最高通道码速率2×1.2Gbps数据传输。     

星载激光测高仪辅助卫星摄影测量浅析

激光测高仪可以快速高精度获取地面高程信息,弥补卫星光学遥感影像三维信息获取能力的不足。采用高精度激光测高数据作为控制信息,符合卫星摄影测量尽量减少地面控制点的发展趋势。文章首先介绍了实际卫星立体测绘中难以解决的问题,结合激光测高的特点,设计了星载激光测高仪辅助空中三角测量立体测绘的方案。根据摄影测量观测方程和激光测高仪对地观测方程,以及卫星影像和激光测高数据外方位元素之间的联系,由光束法平差原理建立观测误差方程。对星载激光测高仪进行定位精度理论分析,采用高精度激光测高数据可以作为高程控制,提高高程观测精度。最后对卫星摄影测量数据与星载激光测高数据联合平差仿真实验,实验结果表明定位精度明显提高。     

星载线阵CCD相机与激光测高仪无控定位精度对比分析

光学立体测绘卫星测高精度受姿态确定能力的限制,难以实现1∶10 000及以上大比例尺无控立体测绘。激光测高卫星的高程精度高,考虑结合2种遥感手段,提升测绘卫星的无控定位精度。为比较高分辨率立体测图卫星与激光测高卫星的无控定位精度,介绍了星载线阵CCD立体相机及激光测高仪的几何定位原理,构建了相应的几何定位模型,推导了各自的误差传播方程。参照目前平台及载荷的技术水平,分析了卫星参数及各项测量指标,通过仿真估算了两者在同卫星平台上的无控定位精度,并进行定量对比分析。结果表明:同平台下星载线阵CCD相机平面定位精度优于星载激光测高仪,而后者的测高精度明显高于前者。     

高分七号卫星双线阵相机关键技术设计

光、机、热稳定性直接影响高分辨率、大比例尺测绘相机内外方位元素的稳定性,进而影响卫星地面定位精度和高程精度。文章介绍了高分七号1∶1万立体测绘卫星的主要载荷——双线阵立体测绘相机,为实现高稳定性在光学、结构、热控等方面采用的设计手段,通过真实温度场的光、机、热联合仿真分析方法,结合在轨测试结果,证明该相机设计能够满足1∶1万比例尺高分辨率测绘所需的内、外方位元素稳定性要求。     

高分七号卫星激光测高仪分系统关键技术设计与实现

针对1∶10 000比例尺立体测绘对高程控制点的需求,高分七号激光测高仪分系统在传统激光脉冲式距离测量技术的基础上,通过可见光光学被动成像与激光接收光学复合设计方案,同时获取激光足印在地物影像上的二维方位信息和大足印内的多回波波形,并对激光指向在轨监测关键技术进行了设计实现。关键技术仿真及试验结果表明:激光足印平面定位精度可达到5μrad,对强度变化33 dB内的回波测距均值最大变化3.3 cm。在轨监测数据表明:激光发射光轴稳定性优于0.5μrad,无云区域回波探测概率达到100%。测量获取的具备5μrad平面精度、1 m高程精度的激光落点可为1∶10 000比例尺测绘提供高质量的控制点信息。     

大比例尺航天测绘系统体制研究

航天测绘可通过多台线阵相机立体成像、单台线阵相机姿态机动成像、面阵相机立体成像等多种体制实现。文章针对大比例尺(1∶5000~1∶2000)航天测绘任务的实际应用需求,提出了降轨双线阵立体成像、双星编队立体成像等新型实现体制,从原理上分析了不同体制的技术特点,研究了不同体制对于系统设计、有效载荷、卫星平台、地面处理等环节的要求,从测绘效率、测绘精度、工程实现难度等方面对可行的体制进行了比较,可为我国大比例尺航天测绘系统建设提供参考。     

“资源三号”卫星遥感技术

"资源三号"(ZY-3)卫星是中国自行研制的民用高分辨率光学传输型立体测绘卫星,于2012年1月9日在太原卫星发射中心使用CZ-4B运载火箭发射升空。卫星可提供3.5m分辨率立体影像,2.1m全色/5.8m多光谱平面影像,可用于1∶50 000立体测图及更大比例尺基础地理信息产品的生产和更新。文章重点介绍了ZY-3卫星定位精度高和内方位元素稳定性强等任务特点以及内方位元素高稳定性的立体测绘相机、高速率双圆极化复用数据传输技术、角秒级定姿精度等技术创新点,简要介绍了在轨评价及应用情况,为后续测绘卫星提供参考。     

“资源三号”卫星在轨几何定标及精度评估

＂资源三号＂卫星是中国第一颗民用三线阵立体测图卫星,实现了中国民用高分辨率测绘卫星领域零的突破,对中国测绘事业的发展具有革命性意义,是中国卫星测绘发展史上一座新的里程碑。在轨几何定标是测绘卫星应用的一个重要环节,文章利用武汉大学在河南嵩山地区建设的几何定标场等基础设施实现了＂资源三号＂卫星的在轨几何定标,并对定标结果进行了试验验证。试验结果表明：基于高精度几何定标场几何定标后,＂资源三号＂卫星可以获得很好的无地面控制精度以及少量控制下的平面和高程精度,完全可以满足1︰50 000测图精度要求。     

“资源三号”高分辨率立体测绘卫星三线阵相机设计与验证

2012年1月9日,中国第一颗民用高分辨率立体测绘卫星——"资源三号"卫星在太原卫星发射中心成功发射,星上装载的三线阵相机可以获取2.1m地面像元分辨率(正视相机)和3.5m地面像元分辨率(前/后视相机)全色影像。文章介绍了三线阵相机的组成及工作原理、关键技术及实现情况、在轨运行和测试情况,给出了在轨测试的初步结果。在轨运行情况表明:相机设计合理,成像品质优异,各项指标满足1∶50 000制图应用的要求,实现了内方位元素的高精度稳定,对卫星定位精度达到国际先进水平发挥了关键作用。     

“高分七号”测绘卫星双线阵相机

<正>2019年11月3日,"高分七号"卫星在太原卫星发射中心顺利发射入轨,开启了精准3D测绘之旅,也拼上了高分专项这幅宏伟拼图的最后一块。"高分七号"卫星是我国首颗民用亚米级高分辨率传输型立体测绘卫星,星上搭载的主载荷?双线阵相机由北京空间机电研究所研制。"高分七号"卫星的任务是进行1∶1万精确比例尺立体测图和数字影像制作,在未来的8年寿命期间,将为地球绘制彩色立体的精准图像,服务于测图生产及更大比例尺基础地理信息产品的更新。双线阵相机由两台线阵推扫相机组成,分别称为前视相机和后视相机。前视相机与地面垂直方向的夹角为26°,后视相机为5°。这个双相机组合体不但能够清晰观测得到地球表面的平面图像,还能测量描绘     

一种空间碎片天基测量定位技术与参数优化

针对空间碎片在轨精确定位需求,系统总结了采用天基光学探测和激光测距对空间碎片运动状态初值的求解方法;立足在轨应用,文章提出了基于天基光学探测和激光测距的空间碎片运动状态扩展卡尔曼滤波(EKF)估计方法,以目标定位精度为评价标准,研究了探测体制、测量数据精度、测量数据率和探测距离等因素对目标定位性能的影响,并提出了定位参数最优的水平选择。数学仿真结果表明：在特定载荷性能下,采用双星光学测量体制,碎片位置估计精度优于79.4 m,速度估计精度优于3.5 m/s;采用单星光学测量加激光测距体制,碎片位置估计精度优于124.3 m,速度估计精度优于4.5 m/s。该方法具有求解精度高、运行稳定性好和数据计算量低等优点,具备在轨应用的条件,可为面向空间碎片的天基跟踪系统设计提供参考。     

双基高比线面阵结合立体测绘几何模型的构建

目前,中国1︰5 000大比例尺航天立体测绘及城市测绘能力存在不足,现有光学测绘卫星的性能指标和测绘体制难以满足大比例尺立体测图的需求,亟需开展甚高精度航天立体测绘新体制研究。文章提出双基高比线面阵结合测绘新体制,以解决在城市等复杂地物目标测绘中存在的遮挡、畸变和辐射差异等问题。以共线条件方程为基础,分析面阵相机和线阵相机的成像机制,给出顾及像点特性的各类系统误差模型,引入各类附加观测值,建立双基高比线面阵结合立体测绘的传感器严格几何成像模型,并基于仿真影像进行双基高比线面阵结合定位精度分析,验证了成像模型的正确性,可为实现1︰5 000比例尺甚高精度航天立体测绘提供一种新思路和解决途径。     

基于RFM与平面高程控制分离的立体定位研究

星载激光测高技术应用于高分辨率光学立体测绘卫星,辅助航天摄影测量以提高卫星几何精度将成为一种重要的技术手段。针对复合测绘这一思路,文章基于有理函数模型(rational function model,RFM)进行立体定位研究。初步建立了高分辨率遥感卫星基于平面控制和高程控制数据分离的区域网平差模型,以天津地区"资源三号"卫星影像作为试验数据,并利用直接前方交会定位模型、RFM系统误差补偿模型、立体区域网平差模型对构建的模型进行精度验证。试验结果表明,基于平面控制和高程控制数据分离的区域网平差可以提高卫星影像的几何定位精度,且精度与其它模型相当,证明了平面高程控制数据分离进行RFM区域网平差的有效性和可行性。     

一种海洋测高卫星质心在轨估计算法

为了满足海洋测高卫星在轨质心位置精度的要求,提出了一种使用陀螺仪测量数据在轨估算卫星质心位置的算法。该算法利用推力器工作产生外力矩,采用总体最小二乘法,综合考虑了实际推力器推力的误差及陀螺仪的测量误差,由卫星的姿态动力学方程估算得到卫星质心位置。数值仿真证明了该算法的有效性,结果表明质心位置的估计精度在毫米量级,可以满足海洋测高卫星对质心位置精度的需求。     

“高分四号”卫星影像辐射与几何精度评价

"高分四号"(GF-4)卫星是中国首颗高分辨率静止轨道面阵凝视光学遥感卫星,载荷首次采用面阵CMOS探测器在36 000km高轨成像、基于面阵成像构建在轨相对辐射校正模型、面阵相机光学畸变在轨检校。文章首先分析了影响GF-4卫星影像辐射质量(quality,以下同)与几何精度的关键因素,然后介绍了高轨面阵成像处理模型的构建技术,最后分析评价了GF-4卫星影像的辐射质量、几何质量和处理精度。结果表明:GF-4号卫星全色多光谱影像的平均行标准差、平均标准差和广义噪声等相对辐射精度指标均优于3%,典型地物信噪比平均优于40d B。影像内部畸变在垂轨和沿轨方向均优于0.8个像素。     

陆海激光卫星高程测量的思考

为满足新形势下陆海激光卫星高程测量的需求,分析了高精度高程控制点数据获取、森林生物量估算、浅海及海岛礁地形测绘、"三极"区域高程变化监测等方面的需求,提出了发展多波束激光卫星测高的初步设想,并就高精度激光指向测量技术、距离门宽度动态适应调整技术等关键技术问题进行了探讨。     

资源三号卫星结构稳定性设计与实现

结构稳定性是影响卫星图像定位精度的重要环节。文章介绍了资源三号卫星在系统、相机、结构等方面为提高结构稳定性所采取的技术措施。资源三号卫星采用3台星敏感器与3台测绘相机一体化设计,并对星敏感器支架和相机支架等关键结构进行高稳定设计,提高星上姿态测量基准与成像基准的匹配精度;测绘相机采用低畸变光学系统设计,以提高相机内部稳定性;基于整星有限元模型对相机光轴在轨指向进行了仿真分析,并开展地面试验对设计和分析进行验证。卫星在轨数据表明:相机支架、星敏感器支架等结构在轨稳定性良好,卫星图像定位精度超过任务指标要求,相关设计、分析与试验技术可为后续高精度遥感卫星提供参考。     

国产光学卫星影像几何精度研究

受卫星设计和关键硬件制造水平的限制,我国高分辨率光学卫星影像的自主几何定位精度与国际先进水平仍有一定差距。针对在轨的国产光学卫星的影像几何精度问题,文章从误差源分析入手,提出了国产光学卫星影像几何精度提升理论和方法,通过在卫星数据处理过程中自动检测、消除包括设备安装,姿态、轨道测量,相机畸变,时间同步等多种误差,提高了卫星影像的几何精度;并对高分辨率卫星数据的几何精度提升状况进行了验证。结果表明:经过所提出的几何精度提升方法处理后,国产卫星的带控制点影像几何定位精度均可达到1.5像素,显著优于原设计指标。     

高分七号卫星激光测高仪总体设计与在轨验证

高分七号卫星搭载了我国首台全波形体制激光测高仪,它具有测距精度高、指向稳定和长寿命的特点,在少量或无地面控制点情况下,以激光足印为高程控制点,与测绘相机数据联合平差,可实现1∶10 000比例尺地图对平面误差和高程精度的要求。文章论述了高分七号卫星激光测高仪的总体设计思路,并给出了高速采样全波形测距、基于足印相机的激光指向测量、长寿命固态激光器的设计方案和地面验证结果。激光测高仪发射入轨以后,对激光测距精度、激光指向测量精度、激光出光次数和能量遥测进行了统计和分析,结果表明:激光测高仪状态良好,测距精度优于0.3 m,满足设计指标要求。