高分辨率衛(wèi)星幾何定位精度預(yù)估方法

文/肖倩 汪松 楊德運(yùn)

目前與國外同等分辨率衛(wèi)星比較起來，國產(chǎn)衛(wèi)星影像的幾何定位精度還存在較大的差距，而產(chǎn)品圖像的幾何定位精度對影像融合、自動變化分析等應(yīng)用都會帶來較大的影響。制約定位精度提升的一個(gè)重要原因是對于衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)及在軌運(yùn)行中針對定位精度影響的關(guān)鍵技術(shù)因素影響機(jī)理掌握不夠深入準(zhǔn)確，因此亟需針對國產(chǎn)光學(xué)遙感衛(wèi)星深入開展面向衛(wèi)星一體化設(shè)計(jì)的成像幾何定位精度的分析評價(jià)技術(shù)研究，為進(jìn)一步突破基于平臺載荷一體化及高精度姿軌確定參數(shù)的幾何精度提升提供衛(wèi)星設(shè)計(jì)技術(shù)建議。

1 國內(nèi)外高分辨率衛(wèi)星成像幾何定位精度預(yù)估方法調(diào)研

目前國內(nèi)外高分辨率衛(wèi)星成像幾何定位精度分析與評價(jià)方法主要分為兩種，一是基于事前的衛(wèi)星成像幾何定位精度預(yù)估方法，二是在軌基于控制點(diǎn)的幾何定位精度評價(jià)。基于事前的衛(wèi)星成像幾何定位精度預(yù)估方法，又分為基于誤差源的理論公式計(jì)算和基于全鏈路仿真分析衛(wèi)星成像幾何定位精度的方法。

基于誤差源的理論公式計(jì)算方法目前僅就主要誤差源進(jìn)行分析，各誤差源之間按照線性關(guān)系處理。該方法缺乏系統(tǒng)全面的誤差源分析，忽略了各誤差源之間的耦合關(guān)系，并且未能反應(yīng)各項(xiàng)誤差源之間的物理關(guān)系。全鏈路仿真分析方法是一種目前國外輔助航天器分析設(shè)計(jì)的主流方法，國外已經(jīng)存在DOCS(Dynamics-Optics-Controls-Structures)、IMOS(Integrated Modeling of Optical Systems) 和IME等系統(tǒng)，完成不確定性分析、性能分析、敏感度分析和參數(shù)優(yōu)化分析等。與國外發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)的研究主要集中在分系統(tǒng)或單學(xué)科層面上，缺乏系統(tǒng)級的全面綜合分析評估手段。

2 高分辨率衛(wèi)星成像幾何定位精度預(yù)估模型

本文在誤差源誤差建模基礎(chǔ)上，以各誤差源誤差模型建立高分辨率衛(wèi)星成像幾何定位精度預(yù)估模型。利用衛(wèi)星各項(xiàng)誤差指標(biāo)，經(jīng)誤差仿真分析計(jì)算實(shí)際測量輔助數(shù)據(jù)，依據(jù)全鏈路仿真分析思路，分別獲取理想成像條件下的數(shù)據(jù)和實(shí)際觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合衛(wèi)星實(shí)際在軌檢校參數(shù)和幾何定位精度預(yù)估模型，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星立項(xiàng)過程中幾何定位精度的準(zhǔn)確預(yù)估。

3 基于模型的定位精度分析與評估

本文利用衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)作為輸入，構(gòu)建衛(wèi)星成像模型和幾何定位精度模型，并生成理想格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)和實(shí)際格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行精度評價(jià)，得到設(shè)計(jì)條件下幾何定位精度模型的評估值，若評估值與實(shí)際在軌精度在±10%以內(nèi)，則說明本模型評價(jià)精度可靠。

實(shí)驗(yàn)采用WorldView2衛(wèi)星高精度DOM數(shù)據(jù)作為定位精度分析驗(yàn)證數(shù)據(jù)。圖像區(qū)域選擇天津地區(qū)，地勢平坦，晴朗無云，紋理豐富，適合進(jìn)行精度評價(jià)。該圖像幅寬超過17.5km，分辨率優(yōu)于0.5m。原始數(shù)據(jù)包括RPC參數(shù)以及姿軌等輔助數(shù)據(jù)文件，為精度評價(jià)提供一定的數(shù)據(jù)源。經(jīng)過詳細(xì)調(diào)研，得到WorldView2可參考的衛(wèi)星及載荷設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1：WorldView-2衛(wèi)星基本參數(shù)

表2：WorldView-2幾何定位精度分析

圖1：檢查點(diǎn)選取

WorldView-2衛(wèi)星定位精度驗(yàn)證過程中涉及的關(guān)鍵誤差源參數(shù)選取如下：內(nèi)參數(shù)采用理想內(nèi)參數(shù)計(jì)算，外方位參數(shù)采用單位安裝矩陣，姿態(tài)測量精度采用0.0001度，高頻顫振采用1Hz、0.5Hz、0.2Hz等，姿態(tài)穩(wěn)定度采用0.0001°/s，軌道定軌精度按照10米計(jì)算，時(shí)間同步精度按照0.1ms計(jì)算。仿真評估采用特征檢查點(diǎn)的方式，檢查點(diǎn)示例如圖1所示。

根據(jù)已有WorldView-2衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì)參數(shù)及其設(shè)計(jì)精度指標(biāo)，進(jìn)行如下幾組實(shí)驗(yàn)，分別采用軌道測量精度單軸10m(1σ,三軸)，姿態(tài)測量精度單軸0.0001°(1σ,單軸)，時(shí)間測量精度0.1ms，暫不考慮檢校殘差對幾何定位精度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

WorldView-2衛(wèi)星實(shí)際在軌統(tǒng)計(jì)平面無控定位精度為6.5m(CE90)。因此，定位模型評估誤差|6.22-6.5|/6.5=4.31%≤10%。

4 結(jié)束語

本文在高分辨率衛(wèi)星成像全鏈路誤差源分析的基礎(chǔ)上，建立了成像幾何定位精度評估模型，研究了幾何定位精度預(yù)估方法，并利用worldview2的數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型和方法的可行性，預(yù)估精度優(yōu)于10%，是一種切實(shí)可行的衛(wèi)星定位精度預(yù)估方法。