高分辨率光学遥感卫星高精度在轨自主几何定标方法研究

摘要

近年来，随着世界航天科技的快速发展，高分辨率光学遥感卫星影像已成为高分辨率对地观测系统最重要的组成部分。几何定位信息是高分辨率卫星遥感影像承载所有信息的基础，卫星遥感影像几何定位精度是衡量高分辨率卫星遥感系统先进性和应用效能的核心指标。然而，由于受到卫星发射和运行过程中不可避免的热学与力学影响以及必要的相机镜头调焦等操作，使得卫星发射之前地面标定的成像几何参数较在轨实际状态存在较大误差而无法适用。因此，利用在轨获取的遥感影像对光学遥感卫星进行在轨几何定标，获取成像系统在轨精确的内外方位元素，是高分辨光学卫星影像高精度几何定位的关键。　　本文主要针对传统几何定标方法中模型精度受限、过度依赖几何定标场的问题，面向高分辨光学遥感卫星高精度在轨自主几何定标方法进行探讨与研究。在研究构建顾及大气折光与光行差的光学遥感卫星全链路几何成像模型的基础上，面向静止轨道高分辨率面阵相机和单线阵/多线阵相机提出了各自的自主几何定标模型与流程方法，并利用实际遥感影像与仿真遥感影像进行实验分析与方法验证，论文具体研究内容和创新归纳如下：　　（1）提出了一种顾及大气折光与光行差修正的光学卫星全链路几何成像模型，可以更加精密的反映高分辨率光学遥感卫星影像像点坐标与物方点坐标的映射关系，是高精度在轨自主几何定标的理论基础。　　系统研究与论述了光学卫星对地观测成像时光行差误差与大气折光误差的形成机理，并对光行差与大气折光误差的误差特性进行定量化分析，在此基础上，构建了光行差误差与大气折光误差各自的修正模型。基于上述研究基础，本文对传统的光学卫星几何成像模型进行精细化处理，将光行差与大气折光误差修正模型引入传统几何成像模型中，构建全链路几何成像模型，并对该模型扩展RPC模型的可行性进行了验证，为后续自主几何定标模型的构建和成像规划方案的确定奠定了理论基础。　　（2）提出了静止轨道高分辨率面阵相机的在轨自主几何定标流程与方法，为未来甚高分辨率静止轨道面阵卫星的几何定标提供了新的思路与方法。　　针对静止轨道高分辨率面阵相机在轨几何定标及自主几何定标方法进行了详细的论述与分析。构建了静止轨道面阵相机严格物理成像模型，并在此基础上对引起几何定位误差的误差源进行列举与分析。针对静止轨道几何定位误差源之间的高相关性、部分参数低显著性的问题，本文采用二维指向角模型来进行基于几何定标场的在轨几何定标，并提出了相应的控制点匹配和定标参数解算方法。同时，构建了简化的严格物理量测模型，提出了基于交会约束的在轨自主几何定标方法和定标参数解算方法，并分析了不同重叠覆盖方式对于定标精度的影响。　　（3）提出了线阵光学卫星在轨自主几何定标流程与策略，有效减少了对于几何定标场的依赖程度。　　针对我国线阵光学卫星传统在轨几何定标方法对大范围高精度几何定标场的过度依赖情况，开展单/多线阵光学卫星在轨自主几何定标方法研究，旨在依靠多视立体影像的相对约束关系减少几何定标过程对于绝对约束条件的依赖程度，同时可以实现不次于传统几何定标方法的精度水平。根据本文提出的多视立体影像对成像误差分析思路和基于二视/三视立体影像的自主几何定标模型，研究了面向单/多线阵光学卫星且顾及大气折光与光行差误差的自主几何定标流程及成像规划方案。利用合理的成像规划和自主几何定标流程可以有效根据各卫星的机动成像能力及时高效地获取自主定标数据，且有效减少对于几何定标场的依赖程度。　　针对上述研究内容，本文利用资源3号02星，高分2号，高分6号，高分4号，高分1号等卫星型号的仿真和真实数据进行本文所研究方法的实验验证分析。实验结果表明，基于本文所提出的顾及大气折光与光行差误差的全链路几何成像模型和自主几何定标模型，可以有效实现对于静止轨道高分辨率面阵相机和单/多线阵相机的高精度几何定标，同时有效减少对于大范围高精度几何定标场的依赖程度。

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