一種光學遙感衛星影像時變系統誤差建模補償方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于遙感衛星地面預處理領域，特別是涉及到一種光學遙感衛星影像時變 系統誤差建模補償方法及系統。
【背景技術】
[0002] 高分辨率光學衛星影像無控制幾何處理受到多種誤差源影響，其中由于星敏感器 低頻誤差、空間熱環境導致的安裝結構變化以及不同星敏感器工作模式切換所導致的姿態 基準的變化是當前影響光學遙感影像高精度幾何處理精度的重要因素。星敏感器是一種常 用的精密姿態測量部件，但是由于受到衛星上的冷熱交變的空間熱環境以及視場變化等因 素影響，其會產生依軌道周期變化的周期性低頻誤差。安裝結構變化以及星敏感器工作模 式切換導致姿態基準發生變化，進而無法保證不同姿態敏感器間姿態基準高精度耦合。因 此，需要解決如何消除或削弱星敏感器低頻誤差、姿態基準變化對無控制幾何定位的影響， 以滿足光學遙感影像地面處理要求。
【發明內容】
[0003] 本發明針對星敏感器低頻誤差參數難以辨識與補償以及姿態基準時變性變化的 問題，提供了一種光學遙感衛星影像時變系統誤差建模補償技術方案。
[0004] 本發明提供的技術方案為一種光學遙感衛星影像時變系統誤差建模補償方法，包 括以下步驟：
[0005] 步驟1，基于光學遙感衛星對地相機多個成像時間段的多星敏感器觀測數據，解算 星敏感器間相對安裝參數變化序列，進一步基于加權平均得到安裝參數最優估計值；
[0006] 步驟2,根據多個星敏感器成像時間段的觀測數據以及步驟1得到的安裝參數，實 現多星敏感器最優信息融合，獲取高精度姿態數據；
[0007] 步驟3，根據跟蹤偵照的光學定標場全色影像數據，定標場D0M/DEM參考數據，采用 嚴密幾何成像模型，實現對地相機精密姿態反演；
[0008] 步驟4,采用傅立葉級數構建時變系統誤差補償模型，進一步根據步驟2和步驟3所 得結果，基于最小二乘原理實現時變系統誤差補償模型參數最優估計。
[0009] 而且，步驟1中，解算星敏感器間相對安裝參數變化序列時，設某時刻t的星敏感器 A的四元數觀測值為# ，星敏感器B的四元數觀測值為 彳A- 知]T，得到時刻t的本體到慣性系的旋轉矩陣圮、每，計算A星敏感 器到B星敏感器的旋轉矩陣巧=(圮廣圯以及歐拉角轉換參數a#: 。
[0010] 而且，步驟2中，獲取高精度姿態數據實現方式如下，
[0011 ]設有η個星敏感器，多個星敏感器光軸在慣性系下的矢量坐標為Vms，Vms，…… VnCIS，在本體坐標系矢量坐標為VlBody，V2Body，…，VnBody，基于星敏感器光軸矢量的觀測方程 如下，Kt? + V3xl = ,? _ Κ,ν,,,Λ / =】.2,…."
[0012] 其中，忠表示本體坐標系到慣性坐標系的旋轉矩陣，乃幻為星敏感器測量噪聲；
[0013] 當光軸矢量個數大于等于2時，基于最小二乘原理實現姿態參數的最優估計。
[0014] 而且，步驟3中，所述嚴密幾何成像模型為基于探元指向角模型的嚴密幾何成像模 型。
[0015] 而且，步驟4中，采用傅立葉級數構建時變系統誤差補償模型的實現方式如下，
[0016] 設時變系統誤差歐拉角表不為~ Δ# .，則Δ k的三個分量米用傅 立葉函數形式進行建模，得到時變系統誤差補償模型如下，
[0018]
，T表示衛星軌道周期，k表示時間步長個數，τ表示時間步長， Μ為正常數，31^々1^，<^，\_/_」々0」表不未知的時變系統誤差系數。
[0019] 一種光學遙感衛星影像時變系統誤差建模補償系統，包括以下模塊：
[0020] 第一模塊，用于基于光學遙感衛星對地相機多個成像時間段的多星敏感器觀測數 據，解算星敏感器間相對安裝參數變化序列，進一步基于加權平均得到安裝參數最優估計 值；
[0021] 第二模塊，用于根據多個星敏感器成像時間段的觀測數據以及第一模塊得到的安 裝參數，實現多星敏感器最優信息融合，獲取高精度姿態數據；
[0022] 第三模塊，用于根據跟蹤偵照的光學定標場全色影像數據，定標場D0M/DEM參考數 據，采用嚴密幾何成像模型，實現對地相機精密姿態反演；
[0023] 第四模塊，用于采用傅立葉級數構建時變系統誤差補償模型，進一步根據第二模 塊和第三模塊所得結果，基于最小二乘原理實現時變系統誤差補償模型參數最優估計。
[0024] 而且，第一模塊中，解算星敏感器間相對安裝參數變化序列時，設某時刻t的星敏 感器A的四元數觀測值為# = ，星敏感器B的四元數觀測值為 得到時刻t的本體到慣性系的旋轉矩陣圮、忠，計算A星敏感 器到B星敏感器的旋轉矩陣=?)7 <以及歐拉角轉換參數6? 心/。
[0025]而且，第二模塊中，獲取高精度姿態數據實現方式如下，
[0026]設有η個星敏感器，多個星敏感器光軸在慣性系下的矢量坐標為Vicis，V2cis，...... VnCIS，在本體坐標系矢量坐標為VlBody，V2Body，…，VnBody，基于星敏感器光軸矢量的觀測方程 如下，
[0027] VicIS + ν3χ1 = Rg - Vmdy i = 1, % -,,n.
[0028] 其中，患表示本體坐標系到慣性坐標系的旋轉矩陣，V3XA星敏感器測量噪聲；
[0029]當光軸矢量個數大于等于2時，基于最小二乘原理實現姿態參數的最優估計。
[0030] 而且，第三模塊中，所述嚴密幾何成像模型為基于探元指向角模型的嚴密幾何成 像模型。
[0031] 而且，第四模塊中，采用傅立葉級數構建時變系統誤差補償模型的實現方式如下，
[0032] 設時變系統誤差歐拉角表示為的三個分量采用傅 立葉函數形式進行建模，得到時變系統誤差補償模型如下，
[0034]
.，Τ表示衛星軌道周期，k表示時間步長個數，τ表示時間步長， Μ為正常數，at j，bt j，《 _，ae j，b θ j表不未知的時變系統誤差系數。
[0035]本發明提供了一種光學遙感衛星影像時變系統誤差建模補償技術方案，實現了星 敏感器低頻誤差、姿態基準不統一誤差的在軌補償，通過本發明提供的技術方案可以有效 削弱無控制定位時變系統誤差影響，為光學遙感影像幾何處理奠定基礎。
【附圖說明】
[0036]圖1為本發明實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0037] 以下結合附圖和實施例詳細說明本發明技術方案。
[0038] 參見圖1所示光學遙感衛星影像無控制幾何定位的時變系統誤差在軌標定與補償 流程圖，以下針對實施例流程中的各步驟，對本發明方法做進一步詳細描述。
[0039]步驟1，基于光學遙感衛星對地相機多個成像時間段的多星敏感器觀測數據，解算 星敏感器間相對安裝參數變化序列，進一步基于加權平均得到安裝參數最優估計值，實現 星敏感器安裝參數相對標定。
[0040]假設某時刻t的星敏感器A的四元數觀測值為# 星敏感 器B的四元數觀測值為gli; ,得到時亥Ijt的本體到慣性系的旋轉矩陣 圮、埒表達式如下：
[0041]
[0043] 進一步得到A星敏感器到B星敏感器的旋轉矩陣^^ = (<)7 <以及歐拉角轉換參數 ，按此對多個時刻分別進行處理，可以得到解算星敏感器間相對安裝 參數變化序列。基于上述方法對多個成像段觀測數據進行處理得到每個成像時間段相對安 裝參數序列。
[0044] 對每個成像時間段相對安裝參數序列進行誤差統計分析得到每個成像時間段安 裝參數中誤差，最后基于每個成像時間段歐拉角轉換參數進行整體加權平均得到最優估計 值。
[0045] 步驟2,根據多個成像時間段的星敏感器原始觀測數據以及步驟1得到的安裝參數 最優估計值，實現多星敏感器最優信息融合，獲取高精度姿態數據。
[0046] 光學遙感衛星在軌成像過程中，由于空間環境復雜性以及星敏感器自身工作特 點，經常出現工作模式切換，導致單一星敏感器定姿、雙星敏感器定姿以及多星敏感器定姿 等情況產生，故可以根據步驟1標定的星敏感器間的安裝關系（即安裝參數最優估計值）以 及星敏感器原始觀測數據（即步驟1所述四元數觀測值），實現最優光軸矢量觀測信息融合， 得到姿態基準高度統一的姿態數據。
[0047] 假設有η個星敏感器，多個星敏感器光軸在慣性系下的矢量坐標為V1CIS，V2CIS，…… VnCIS，在本體坐標系矢量坐標為VlBody，V2Body，…，VnBody，基于星敏感器光軸矢量的觀測方程 如下：
[0049] 起表示本體坐標系到慣性坐標系的旋轉矩陣，v3X1為星敏感器測量噪聲。當光軸 矢量個數大于等于2時，基于最小二乘原理實現姿態參數的最優估計。
[0050] 步驟3,根據長年跟蹤偵照的光學定標場全色影像數據，定標場D0M/DEM參考數據， 進行控制點自動量測，一般包括特征點提取、影像模擬、金字塔影像匹配、整像素匹配、子像 素匹配以及粗差點剔除，具體實現可采用現有技術;進一步采用嚴密幾何成像模型，實現對 地相機精密姿態反演解算。
[0051] 即對地相機精密姿態反演數學模型為基于探元指向角模型的嚴密幾何成像模型， 具體實現形式如下：
[0053] 其中，（Xg，Yg，Zg)表示地物點的物方坐標；（Ms)，ilv( S))表示探元號s的指向角大 小；（xgps，Ygps，zgps)與(Bx，By，Bz)分別表示對地相機攝影中心的物方坐標與GPS偏心誤差;λ 表示比例系數；、Cy分別表示由WGS84坐標系到J2000坐標系旋轉矩陣、由 J2000坐標系到衛星本體坐標系旋轉矩陣以及由衛星本體坐標系到相機測量坐標系的旋轉 矩陣。
[0054] 由上式可以得到，對于線陣推掃相機，當每個掃描行匹配得到的非共線控制點觀 測矢量個數大于等