[发明专利]顾及大气折光校正的高轨面阵光学卫星在轨几何标定方法

摘要

本发明提供一种顾及大气折光校正的高轨面阵光学卫星在轨几何标定方法，包括：采用多项式拟合探元指向角构建内定标模型，通过分析大气折光对于影像几何精度的影响规律，建立顾及大气折光校正的外定标模型，然后将内外定标模型引入到严格几何成像模型中建立高轨光学卫星的在轨几何定标模型；基于星下点成像的影像进行内定标参数及外定标参数初值的解算；将解算的内定标参数作为真值，利用序列不同成像角获取的影像，在外定标参数初值的基础上进行外定标参数的解算。本发明在进行高轨光学在轨几何定标时，充分考虑大气折光对于影像几何精度的影响，构建的在轨几何定标模型更加严密，显著提高了高轨光学卫星影像的直接几何定位精度。

主权项

顾及大气折光校正的高轨面阵光学卫星在轨几何标定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，采用多项式拟合探元指向角构建内定标模型，通过分析大气折光对于影像几何精度的影响规律，建立顾及大气折光校正的外定标模型，然后将内外定标模型引入到严格几何成像模型中建立高轨面阵光学卫星的在轨几何定标模型，具体实现方式如下，步骤1.1，内定标模型构建：内定标模型采用基于三次多项式的指向角模型，利用三次多项式对相机面阵CCD上各探元在相机坐标系下的指向角(ψx,ψy)进行拟合，ψx(s,l)=a0+a1s+a2l+a3sl+a4s2+a5l2+a6s2l+a7sl2+a8s3+a9l3ψy(s,l)=b0+b1s+b2l+b3sl+b4s2+b5l2+a6s2l+a7sl2+b8s3+b9l3---(1)]]>其中，s和l分别表示星下点成像影像的行号和列号，(ai,bi)(i＝0,1,…9)为三次多形式系数，即待标定的参数；步骤1.2，顾及大气折光校正的外定标模型构建：大气折光引起的定位误差在空间上表现为一种沿径向的误差，与旋转角α和侧摆角θ有关，利用俯仰角和翻滚角补偿X，Y轴两个方向中大气折光引起定位误差，X，Y两个方向上的定位误差用俯仰角和翻滚角的改正量Δpitch和Δroll补偿，如式(4)，Δpitch=(e0+e1θ+e2θ2+e3θ3+...)cosαΔroll=(f0+f1θ+f2θ2+f3θ3+...)sinα---(4)]]>得到外定标模型如式(5)，pitch=pitch0+Δpitch=pitch0+(e0+e1θ+e2θ2+e3θ3+...)cosαroll=roll0+Δroll=roll0+(f0+f1θ+f2θ2+f3θ3+...)sinαyaw=yaw0---(5)]]>其中，(pitch,roll,yaw)为相机安装角，(pitch0,roll0,yaw0)相机安装角中的一部分不变量，用来补偿由相机安装误差，姿态漂移误差以及GPS偏心误差等引起的定位误差，(ei,fi)(i＝0,1,…)为多项式系数；物方点对应的侧摆角θ可从卫星成像参数中直接读取，旋转角α＝arctan(x/y)，(x,y)为物方点的位置坐标；步骤1.3，高轨面阵光学卫星的在轨几何定标模型构建：将构建的内定标模型以及保留三次多项式的外定标模型引入到严格几何成像模型中，得到在轨几何定标模型如式(6)，tan(ψx(s,l))tan(ψy(s,l))1=λRbodycam(pitch,roll,yaw)(RJ2000bodyRwgsJ2000Xg-XgpsYg-YgpsZg-Zgpswgs-BXBYBZbody)---(6)]]>其中，分别为构建的内外定标模型，(Xg,Yg,Zg)与(Xgps,Ygps,Zgps)分别表示像点对应的物方点及GPS天线相位中心在WGS84坐标系下的坐标，(Xgps,Ygps,Zgps)由卫星上搭载的GPS获取；分别代表WGS84坐标系到J2000坐标系的旋转矩阵、J2000坐标系到卫星本体坐标系的旋转矩阵、卫星本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵；(BX,BY,BZ)body代表从传感器投影中心到GPS天线相位中心的偏心矢量在卫星本体坐标系下的坐标；根据成像时间修正极移章动岁差获得，由星敏、陀螺通过组合定姿得到，与(BX,BY,BZ)body在卫星发射前测得的数据计算得到；步骤2，基于星下点成像的影像进行内定标参数及外定标参数初值的解算，具体实现方式如下，设表示矩阵的元素，则可改写为式(7)，Rbodycam(pitch,roll,yaw)=a1,b1,c1a2,b2,c2a3,b3,c3---(7)]]>令UXUYUZ=(RJ2000bodyRwgsJ2000Xg-XgpsYg-YgpsZg-Zgpswgs-BXBYBZbody)]]>可从式(6)推导出几何定标模型F(XE,XI)，G(XE,XI)如式(8)，F(XE,XI)=a1Ux+b1Uy+c1Uza3Ux+b3Uy+c3Uz-tan(ψx(s,l))G(XE,XI)=a2Ux+b2Uy+c2Uza3Ux+b3Uy+c3Uz-tan(ψy(s,l))---(8)]]>步骤2.1，采用成熟的影像匹配算法，在星下点成像影像与参考影像上匹配一定数量控制点，步骤2.2，对外定标参数XE、内定标参数XI赋初值步骤2.3，将当前内定标参数XI视为“真值”，将外定标参数XE视为待求的未知参数，将当前值代入公式(8)，对式(8)进行线性化处理，建立误差方程式(9)，V1＝AX‑L1 P1  (9)其中，式中，V1为改正数向量，L1是当前值代入公式(8)计算得到的常数向量；A是误差方程式的系数矩阵；X代表外定标参数改正数dXE；P1是观测值的权，利用最小二乘平差计算X，如式(10)，X＝(ATP1A)‑1(ATP1L1)  (10)更新外定标参数XE的当前值，XE=XEo+X---(11)]]>步骤2.4，重复步骤2.3，迭代计算直至外定标参数改正数X均小于阈值10‑12时停止，获得外定标参数初值；步骤2.5，将上述解算的外定标参数初值视为“真值”，内定标参数视为待求的未知参数，代入公式(8)构建误差方程式，V2＝BY‑L2 P2  (12)其中，Y＝dXI＝[dai dbi]T(i＝0,1…9)，式中，V2为改正数向量，L2是利用当前值代入公式(8)计算得到的常数向量；B是误差方程式的系数矩阵；Y代表内定标参数改正数dXI；P2是观测值的权，利用最小二乘平差计算Y，如式(13)，Y＝(BTP2B)‑1(BTP2L2)  (13)利用式(14)更新内定标参数XI的当前值，XI=XIo+Y---(14)]]>步骤2.6，重复步骤2.5，迭代计算直至内定标参数改正数均小于阈值10‑12时停止，输出内定标参数；步骤3，将解算的内定标参数作为真值，利用序列不同成像角获取的影像，在外定标参数初值的基础上进行外定标参数的解算，具体实现方式如下，步骤3.1，采用成熟的影像匹配算法，在不同成像角度的影像与参考影像上匹配一定数量控制点，步骤3.2，根据成像的姿轨数据计算匹配点对应的侧摆角θ及旋转角α，其中，匹配点对应的侧摆角θ可从卫星成像参数中直接读取，然后根据卫星的成像的姿轨数据计算该匹配点在XY平面上的位置坐标(x,y)，然后根据该坐标可得到α＝arctan(x/y)，步骤3.3，需要标定的外定标参数XE＝(pitch,roll,yaw,e0,e1,e2,e3,f0,f1,f2,f3)，将步骤2.6中获得的内定标参数作为“真值”，XE中(pitch,roll,yaw)的初值使用步骤2.4中解算的值或给定(0,0,0)，(e0,e1,e2,e3,f0,f1,f2,f3)的初值赋为0，步骤3.4，将当前值代入(8)，对式(8)进行线性化处理，建立误差方程式(16)，V3＝CZ‑L3 P3  (16)其中，Z＝dXE＝[dpitch droll dyaw de0 de1 de2 de3 df0 df1 df2 df3]，式中，V3为改正数向量，L3是利用外定标参数当前值代入公式(8)计算得到的常数向量；C是误差方程式的系数矩阵；Z代表内定标参数改正数dXE；P3是观测值的权，利用最小二乘平差计算Z，如式(17)，Z＝(CTP3C)‑1(CTP3L3)  (17)利用式(14)更新外定标参数XE的当前值，XE=XEo+Z---(18)]]>步骤3.5，重复步骤3.4，迭代计算直至外定标参数改正数均小于阈值10‑12时停止，输出外定标参数。