提高光学遥感卫星图像几何精度总体设计分析

针对如何提高我国光学遥感卫星图像几何定位精度问题,从影响几何成像质量的关键要素——内外方位元素出发,介绍地面几何处理方法,并基于多颗卫星研制、地面量测试验及在轨验证情况,对高分辨率光学遥感卫星和多线阵观测卫星的几何精度的星-地全链路影响误差项进行对比分析,通过理论分析找出了约束我国高分辨率遥感卫星几何精度的关键问题,最后探讨了如何通过星上设计配合地面处理提高高分辨率遥感卫星的几何精度。     

卫星遥感影像外方位元素的误差传播研究

高分辨率卫星遥感影像的几何定位精度与影像外方位元素精度密切相关.文章针对单景影像直接对地定位和立体影像前方交会定位两种典型情况,对影像各外方位元素在目标几何定位中的误差传播规律进行分析比较,相关结论可供卫星姿控及相机载荷设计方参考.     

基于数字检校场的“天绘一号”卫星在轨几何定标

为了提高"天绘一号"卫星在轨几何定标的效率和精度,文章提出一种利用数字检校场(数字正射影像和数字高程模型)、基于简化的卫星几何定位模型的在轨几何定标方法。该方法利用卫星影像与数字正射影像自动匹配得到同名点的平面位置、由数字高程模型获得高程位置,得到大量地面控制点,再基于简化内外方位元素误差补偿模型,利用多轨数据求解系统误差改正参数,实现了几何定标。精度检测表明,经过定标后,无控定位平面误差由初始约100m,提升至10.5m(一倍中误差);基于内方位定标结果,文章实现了基于虚拟线阵算法的高分影像子条带合成和多光谱配准,并实现了优于0.3像素的内部符合精度。     

大气折射对光学卫星图像定位影响分析

研究了大气折射对光学卫星图像定位的影响。基于水平均匀球面分层模型,建立了定位误差与视线偏离角的关系,以SCIATRAN模型大气垂直廓线作为输入,计算了大气顶到目标大气各层的折射率,仿真模拟了不同卫星高度和不同位置目标的定位误差,以及光线波长、目标高度、折射率日变化等对定位误差的影响,研究结果可用于光学遥感卫星的图像定位与配准技术设计。     

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。     

一种空间推扫型光学成像系统几何映射方法

卫星光学遥感器在轨成像会受到颤振的影响,因此图像品质受姿态稳定度的影响很大,而高分辨率图像受到平台误差的影响更加明显。通过研究空间相机的几何模型,提出了一种从地球坐标系到空间光学遥感器坐标系之间的转换关系;分析了在轨卫星的姿态误差和运动源,并在几何模型中加入了内外方位元素特征;然后进行了空间TDICCD相机的成像仿真实验。为了在像面上模拟颤振,分别进行不同模态的颤振仿真,并且对视线范围内多模态综合作用进行仿真。仿真实验是基于三个轴系方向的,并且计算了TDICCD仿真图像的几何畸变量,模型中几何畸变量的测量尺度达到亚像素级,结果有利于指导卫星平台和遥感器的参数设计。     

敏捷光学卫星无控几何精度提升途径探讨

针对敏捷光学卫星无控制点几何精度,提出了区分高频和低频姿态误差、同时考虑定位误差的精化传播模型,通过仿真分析得出了低频姿态误差及姿态稳定度误差对定位精度的影响规律,并以满足30m平面定位精度和1:50 000比例尺测图要求为例,进行了定位误差分配和定位精度预估,提出了提高无控定位精度的措施。结果表明:星敏感器低频姿态角误差主要造成了水平位置方向的系统误差,但其在高程位置方向的系统误差可以通过卫星前后对称俯仰成像进行消除。当定位精度要求30m量级时,星敏感器低频误差和夹角稳定性不需要在现有卫星水平上加严控制,但是应尽量采用大基高比,同时采用异侧对称立体成像方式,避免系统性低频姿态误差带来额外的高程误差;当精度要求满足1:50 000时,应配置0.9″精度星敏感器,200Hz以上高频姿态测量设备和在轨夹角检测装置,同时将低频误差有效控制在5″以内等,以满足15m平面,6m高程的精度要求。     

星载激光高度计几何定位误差传播分析

星载激光高度计能够获取高精度的地面高程信息,可作为卫星光学遥感影像三维测图的补充。星载激光高度计的高程测量精度很高,但是平面精度较低。为了能够更有效的利用星载激光测高数据,需要研究星载激光高度计几何定位的误差源及其对定位精度的影响。文章从星载激光高度计几何定位模型出发,推导了星载激光高度计定位误差传播模型,得到影响星载激光高度计测高数据定位精度的主要误差源,并分析了各误差源对定位精度的影响,可以为星载激光高度计的设计和应用提供一定参考。     

顾及光行差改正的遥感卫星成像模型及验证

结合光学遥感卫星的几何特性和成像机理,系统地分析了光行差效应对光学遥感卫星对地观测精度的影响。根据光行差效应影响的机理与特点,文章推导出了严格的光行差模型,并通过一个变换矩阵将该模型引入到传统共线方程模型中,实现了模型中光线真方向向量与视方向向量之间的转换。在实验阶段,通过两组实验对本模型的精度和有效性进行了对比验证,首先基于不同侧摆角的模拟影像对比分析了传统模型和本模型的定位精度,然后,结合几何定标的补偿效应,对比分析了两种初始模型及定标后的精化模型在不同侧摆角下的定向精度,进而验证各模型对光行差的改正效果。实验结果表明,文中方法可以有效的补偿卫星影像由光行差引起的几何误差,提高敏捷光学卫星大侧摆成像时的定位精度。     

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。     

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。     

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。     

“资源三号”卫星三线阵影像几何质量分析

文章首先简要叙述了基于＂资源三号＂（ZY-3）卫星三线阵TLC影像的严格几何成像模型,然后建立了针对外方位角元素的系统误差补偿模型与相机视向量几何检校模型。经地面系统检校后,采用地面高精度控制点数据对非同时相影像进行试验,并对影像平面精度进行分析评价。结果显示ZY-3三线阵TLC影像无控制点状态下外部定位精度优于6像元,内部几何变形优于1.5像元。     

有理函数模型在光学卫星影像几何纠正中的应用

分析了中国光学卫星影像的严密成像几何模型,并采用有理函数模型(RFM)拟合严密成像几何模型,分别对"资源二号"两景影像(平原与山区)和"遥感二号"一景影像进行了几何纠正试验。试验中,参考相应地区1∶10 000数字正射影像(DOM)选取一定数量的控制点用于精化有理函数模型参数,结合相应地区1∶10 000数字高程模型(DEM)对影像进行正射纠正,纠正精度反映了RFM拟合严密成像几何模型的正确性,但同时也反应了中国光学卫星与法国、美国光学卫星在内检校工作上的差距。     

基于地标的静止轨道遥感卫星测定轨技术研究

在考虑地面站资源受限的基础上,提出了基于地标信息对静止轨道遥感卫星进行测定轨的基本原理,给出了根据地标图像和地面站测距结果进行定轨的计算模型。分析了卫星姿态确定误差、卫星及相机结构变形误差、相机空间分辨率、大气折射、地面站测距误差对该方法测定轨精度的影响。对地标和地面站个数多种组合以及无地面站情况进行了定轨仿真,并与自主轨道递推结果比较,结果表明:用基于地标的测定轨方法对静止轨道遥感卫星的定轨精度可达400m,并不受地面站资源限制和时间约束,多天自主定轨精度高于星上自主轨道模型递推结果。     

二次多项式拟合外方位元素卫星三线阵C CD影像平差

文章针对一景大小的卫星三线阵CCD影像,采用二次多项式拟合外方位元素模型,与国外的定向片法模型进行平差算法对比.对一景大小的模拟数据进行了试验,结果表明基于二次多项式拟合外方位元素模型的平差方法有效的提高了影像的平面精度与高程精度,与定向片法模型相比,该算法简单,结果同样满足1∶5万摄影测量的要求.     

“资源三号”卫星正视影像区域网平差

目前卫星影像的区域网平差技术已经有了初步的发展,但大多数研究都基于国际高分辨率卫星影像,针对大区域范围内的中国卫星影像的快速平差还鲜有提及。文章以“资源三号”卫星正视影像为数据源,配合高分辨率的控制点影像和数字高程模型（DEM）数据,基于RPC（rational polynomial coefficients）模型参数精确解算和一种新的控制点选取策略对大区域范围内仅使用少量控制点的区域网平差进行了研究与试验。在试验过程中,文章采用地形坡度统计的方法来快速获取多景影像中控制点的优先选取区域,缩小控制点选取范围。除此之外,文章还通过添加选取相对较为容易的连接点替代部分控制点来保证影像平差精度。结果表明：采用文中方法能大量减少控制点选取难度并有效提高中国遥感影像的几何定位精度,真正实现数字正射影像（DOM）产品的快速生产。     

卫星定位误差椭球的几何特征研究

在卫星导航定位的误差分析中,准确估计定位误差椭球的几何特征有利于更好的描述定位精度,为估算定位精度参数提供依据。本文研究卫星定位中误差椭球的轴方向、轴长和轴比。通过分析精度衰减(Dilution of Precision, DOP)矩阵的特征向量和特征值,分离其中的三维定位部分和与钟差有关部分,构建了定位误差椭球的理论模型,并给出误差椭球轴方向、轴长和轴比的计算公式。结合GPS星座,在全球范围内选取8个有代表性的地点对该模型开展仿真分析,表明该理论模型可以准确的描述定位误差椭球的几何特征,误差椭球的轴方向、轴长和轴比与模型给出的理论值非常符合。同时,利用8个地点中2个地点附近的IGS测站秒级实测数据进行定位解算,对定位误差椭球进行了分析,结果表明测站误差椭球诸参数的理论值与实测结果基本一致。     

基于几何定位一致性的星载多光谱影像配准精度分析

多光谱影像波段配准是高分辨率光学遥感卫星多光谱相机数据预处理的关键环节,其配准精度直接影响影像产品的融合、解译等应用。文章首先从理论上深入分析了影响基于几何定位一致性多波段配准方法精度的因素,然后利用"资源三号"(ZY-3)卫星多光谱相机影像数据,并结合像方配准方法进行了对比实验验证。实验结果表明,当平台无震颤或存在微小震颤时,基于几何定位一致性多波段配准方法精度优于0.2像元,能满足高分辨率遥感卫星多光谱影像高精度配准需求。