基于天繪一號衛星三線陣影像在軌幾何檢校與精度分析

莫毅君，王 一,2，明朝輝

（1．西安航天天繪數據技術有限公司，西安 710021；2．長安大學，西安 710021；3．山東科技大學，青島 266510）

基于天繪一號衛星三線陣影像在軌幾何檢校與精度分析

莫毅君1，王 一1,2，明朝輝3

（1．西安航天天繪數據技術有限公司，西安 710021；2．長安大學，西安 710021；3．山東科技大學，青島 266510）

針對天繪一號衛星三線陣傳感器，綜合前視、正視、后視影像的主點、主距及相機夾角變化等影響，同時考慮姿態元素變化特征，建立嚴密幾何標定模型。利用天繪一號七個實驗場的三線陣1A影像數據和控制點數據進行幾何參數檢校和定位精度檢測，檢測結果表明：通過多個實驗區標定結果取均值做為最終標定值，天繪一號衛星無控定位精度可以滿足1︰5萬立體測圖要求。

天繪一號衛星；相機夾角變化；幾何參數檢校；無控定位

1 引言

傳輸型衛星由于衛星發射的振動，長時間飛行中溫度的變化、太陽輻射等因素的影響，衛星的實驗室標定參數將會發生變化。若不進行在軌幾何定標處理，直接采用實驗室的標定參數難以滿足高分辨率衛星無控定位的要求[1]。當前，針對國外多顆衛星，國內外研究學者提出過利用偏置矩陣補償、內方位元素檢校、姿態常差檢校[2,3]等多種成熟的幾何標定方法，使SPOT5、IKNONS等檢校后的無控定位精度均優于50m[4,5,6]，GeoEye，WorldView-1,2無控定位精度優于10m以內。

天繪一號測繪衛星就是我國首顆傳輸型立體測繪衛星[7]，由航天東方紅衛星有限公司基于CAST2000小衛星平臺研制。01星于2010年8月發射成功，02星于2012年5月發射成功。其測繪相機采用三線陣成像模式，由前視、正視和后視三臺相機組成，前視、后視相機與正視相機交會角均為25°，地面像元分辨率為5m，定位測姿載荷由3臺星敏感器和1臺GPS接收機組成，標定前，其定位精度在百米數量級，經過在軌標定處理，可進行1︰50000比例尺的地形圖制作。

2 在軌標定基本原理

由于衛星長時間的在軌運行，各種實驗室標定的參數不可避免地會發生變化，在進行三線陣衛星影像的立體定位前，須將影響定位精度的誤差消除掉。經過分析，定位誤差主要由攝影機內方位元素和衛星姿態角誤差引起。

對于三線陣相機的內方位元素，主要包括相機的主距（fι，fv，fr）和主點（xι，xv，xr，yι，yv，yr）。姿態角誤差主要由星地相機夾角的變化引起，需要對姿態角常差進行標定。在軌幾何標定誤差方程為

δ為內方位元素改正數，

令

3 在軌標定處理流程和精度檢測流程

3.1 在軌標定處理流程

由于內、外方位元素之間存在較強的相關性，采用分步標定測策略，對內方位元素和姿態角常差進行分步解算，并通過迭代取得檢校結果。標定參數的計算流程如圖1所示。

3.2 精度檢測流程

利用天繪一號1A級數據，首先利用控制點進行在軌幾何標定，修正內方位元素及星地相機夾角，然后通過控制定位技術平差計算，消除天繪影像條帶內姿態數據偶然誤差，最后利用檢查點前方交會進行定位精度統計分析，精度檢測流程如圖2所示。

4 試驗方案設計與精度分析

4.1 試驗數據準備

為了提高天繪一號衛星無控定位精度，根據攝影覆蓋情況，在國內按照不同緯度、分布均勻等條件選定了東北、新疆及江西等七個實驗場區來確定不同的在軌幾何標定方案。七個實驗場區中，各實驗場區范圍、地形、影像資料情況見表1所示，七個實驗場區測區分布如圖3所示。

4.2 姿軌數據分析

從表2中可以看出，精密定軌數據的三軸坐標的三階差分中誤差基本在同一數量級，精密定姿數據的三軸角度的三階差分中誤差也基本在同一數量級，七個實驗場區的軌道與姿態數據精度相當，可以等權進行在軌標定與定位精度分析試驗。

4.3 參數標定結果及精度分析

對七個測區分別進行了星地相機夾角標定和三線陣相機內方位元素標定。標定結果見表3。

表3表明，七個實驗場區的星地相機夾角隨維度不同呈現微小變化，其精度穩定的，三軸指向精度在1″數量級。星地相機夾角檢校值隨緯度的變化情況如圖4至圖6。

表4至表5的數據表明，七個實驗場區的內方位元素變化穩定，精度在0.01mm數量級，其標定方法可靠。

4.4 標定參數使用方案

在對七個實驗場區數據進行參數標定后，分別采用五種方案選擇標定參數用于精度檢測。其中，方案一使用北京實驗場區的標定參數；方案二使用北京、安徽的標定參數均值；方案三使用北京、安徽、新疆、重慶的標定參數均值；方案四使用北京、安徽、新疆、重慶、黑龍江吉林（1）、黑龍江吉林（2）的標定參數均值；方案五分別用各測區的標定參數檢測各區。

4.5 不同參數使用方案的檢測結果與分析

利用五種檢校參數，分別對七個場區進行了無控定位處理和精度檢測，檢測結果見表6至表7。

經過分析表明：當使用兩個以下檢測場區的標定參數時，不同實驗場的定位精度分布不均，隨著使用的標定參數的增多，整體的定位精度逐漸趨近一致化；不同方案之間的高程精度變化不明顯，隨著使用的標定參數的增多，平面精度明顯提高。

5 結束語

本文對天繪一號衛星數據進行幾何內方位元素和姿態角常差檢校，建立該衛星線陣傳感器嚴密幾何模型，依托七個實驗場區進行幾何參數檢校和定位精度檢測，經測試，幾何定位精度穩定可靠，通過多個實驗區標定結果取均值做為最終標定值，天繪一號衛星無控定位精度可以滿足1︰5萬立體測圖要求。

[1] 李晶，王蓉，朱雷鳴 等．“天繪一號”衛星測繪相機在軌幾何定標.遙感學報，2012. 16 (增刊)∶35-39

[2] 王任享，胡莘．無地面控制點衛星攝影測量的技術難點．測繪科學技術學報，2004. 29(3)∶3-5

[3] 袁修孝，余俊鵬．高分辨率衛星遙感影像的姿態角常差檢校[J]．測繪學報，2008. 37(1)∶36-41

[4] VALORGE C. 40Years of Experience with SPOT in-flight Calibration[C/ DK]. Workshop on Radiometric and Geo-metric Calibration. Gulfport.2003

[5] TADONO T,SHIMADA M, HASHIMOTO T, etal. Results if Calibration and Validation of ALOS Optical Sensors, and Their Accracy Assesments[C]//Proceedings of Geoscience and Remote Sensing Symposium.Barcelona IGARSS,2007

[6] 雷蓉，范大昭，劉楚斌 等．ALOS PRISM影像直接定位的系統誤差分析[J]．測繪科學技術學報，2011. 28(5)∶356-359

[7] 李松明，李巖，李勁東．“天繪一號”傳輸型攝影測量與遙感衛星．遙感學報，2013. 17(3)∶9-15

On-orbit Geomatric Calibrition and Precision Analysis based on Three-line Array Camera’s Images of Mapping Satellite-1

Mo Yijun1, Wang Yi1,2, Ming Zhaohui3
(1.Aerors.Inc, Xi’an Shanxi, 710021; 2.Chang’an University, Xi’an Shanxi, 710021; 3.Science and Technology of Shandong University, Qingdao Shandong, 266510)

The strict geometric calibration model of Mapping-1 Satellite’s three-line array camera was established. The model considered the influence of three directions(forward, nadir and backward) images’ principal point, principal distance, camera angle changes and so on. Menwhile, the feature of attitude parameter changes were taked into account.1A product of Mapping-1 Satellite’s three-line array camera and Mapping-1 Satellite’s control point data at seven experimental fields were processed. The experiments included geometric parameters calibration and positioning accuracy detection. The results showed that non-GCP positioning accuracy can meet the map scale of 1∶ 50000 requirements, through taking the mean of several experimental regions’ calibration results as the final calibration value.

Mapping Satellite-1; camera angle changes; geometric parameters calibration; non-GCP positioning

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.06.003

TN96文獻標示碼：A

1672-7274（2015）06-0031-04