敏捷衛(wèi)星立體定位角元素影響分析

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1、72中國空間科學(xué)技術(shù)2014年12月ChineseSpaceScienceandTechnology第6期敏捷衛(wèi)星立體定位角元素影響分析孫峻趙鴻志楊芳趙鍵(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京100094)摘要為精確開展敏捷衛(wèi)星效能評(píng)估,合理制定機(jī)動(dòng)能力及其測(cè)量部件指標(biāo),首先針對(duì)敏捷衛(wèi)星利用平臺(tái)大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng),以單線陣CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)立體成像的特點(diǎn),分析了單線陣與三線陣立體定位角元素影響差異。其次建立了敏捷衛(wèi)星立體定位精度評(píng)估模型,進(jìn)行了內(nèi)、外方位元素與角元素相關(guān)性分析,給出了各誤差近似解析算法。解析分析定量給出了滿足定位精度要求時(shí)敏捷衛(wèi)星立體成像角方位元素及其測(cè)

2、量精度指標(biāo)的取值范圍。關(guān)鍵詞立體成像;單線陣電荷耦合相機(jī);定位精度評(píng)估模型;敏捷衛(wèi)星DOI:10·3780/·jissn·1000-758X·2014·06·0101引言隨著航天遙感信息實(shí)時(shí)性與精確性需求的提高,采用敏捷衛(wèi)星平臺(tái)配置單臺(tái)單線陣CCD相機(jī)的光學(xué)遙感小衛(wèi)星成為近年來國際上發(fā)展十分迅速的一類高性能衛(wèi)星。單線陣相機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕,在實(shí)現(xiàn)高分辨率的同時(shí),借助整星大范圍、快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力,能通過沿軌道方向前[1]后擺動(dòng)獲取無明顯時(shí)間差、無輻射差異的同軌立體像對(duì),目前主流的高分辨率衛(wèi)星,如美國的[2-4]WordView、GeoEye等和法國

3、的Pleiades衛(wèi)星都采用高定位精度敏捷成像技術(shù)。文獻(xiàn)[5]分析了影響推掃成像遙感衛(wèi)星圖像定位精度的各種誤差源,以及側(cè)擺成像條件下高程和目標(biāo)斜距的不確定性對(duì)圖像定位精度的影響,但未對(duì)立體成像定位精度誤差源進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[6]通過構(gòu)建三線陣CCD影像的攝影測(cè)量估算模型,對(duì)三線陣CCD影像立體測(cè)繪精度主要誤差源進(jìn)行了分析,但該模型不適用于敏捷模式下單線陣相機(jī)立體成像定位精度分析。文獻(xiàn)[7]研究了單線陣CCD相機(jī)立體測(cè)繪定位中相機(jī)幾何誤差對(duì)定位精度的影響,分析了相機(jī)幾何標(biāo)定和像點(diǎn)量測(cè)誤差對(duì)定位結(jié)果的影響,文獻(xiàn)[8]研究了如何提高姿態(tài)確定精度,減少外方位中角元

4、素誤差對(duì)定位精度影響的方法,但未對(duì)敏捷模式下姿態(tài)機(jī)動(dòng)、成像規(guī)劃對(duì)定位精度的影響進(jìn)行分析。針對(duì)上述問題,本文針對(duì)敏捷衛(wèi)星采用單線陣相機(jī)利用衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)同軌[9]立體成像的特點(diǎn),根據(jù)前方交會(huì)模型,推導(dǎo)敏捷衛(wèi)星平臺(tái)角元素及其誤差在立體定位中的誤差傳播規(guī)律,研究了不同觀測(cè)條件下角元素及其誤差對(duì)平面和高程定位精度的影響,為敏捷衛(wèi)星系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)計(jì)及其效能評(píng)估提供理論支持。2敏捷衛(wèi)星立體定位的基本原理敏捷衛(wèi)星單線陣CCD相機(jī)同軌立體成像是通過衛(wèi)星在一定側(cè)擺角的基礎(chǔ)上,沿軌道方向前后擺動(dòng),以一定交會(huì)角獲取地面目標(biāo)的立體影像,并經(jīng)攝影測(cè)量處理對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高程

5、定位了單線陣立收稿日期:2014-04-02。收修改稿:2014-07-252014年12月中國空間科學(xué)技術(shù)73體定位的原理示意如圖1所示。假設(shè)地面上任一點(diǎn)P(X,Y,Z),P1、P2分別為地面點(diǎn)P在立體影像上對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)。點(diǎn)P同時(shí)位于直線S1P1與S2P2上,若立體影像的位置與姿態(tài)已知,那么根據(jù)像點(diǎn)P1、P2坐標(biāo)就可確定這兩條空間直線,這樣地面點(diǎn)P就是這兩條直線的交點(diǎn),即它的位置是唯一確定的。以上所述就是立體定位的基本原理(如圖2所示),從中可以看出,立體定位的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是空間前方交會(huì)公式。其中S1S2為空間攝影基線B。圖1敏捷衛(wèi)星同軌立體成像示意圖2空間

6、前方交會(huì)示意Fig·1AgilitysatellitestereomappinginsingleorbitFig·2Spaceintersectiondiagram對(duì)于采用單線陣CCD相機(jī)的敏捷衛(wèi)星,與三線陣或兩線陣立體影像由兩臺(tái)前視、后視相機(jī)依靠嚴(yán)格的安裝角構(gòu)成固定交會(huì)角不同,是由衛(wèi)星平臺(tái)俯仰機(jī)動(dòng)使一臺(tái)相機(jī)前后兩次成像構(gòu)成立體像對(duì)。前者由于衛(wèi)星平臺(tái)軌道運(yùn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn),姿態(tài)角變化較小。因此角元素即衛(wèi)星姿態(tài)誤差引起的定位誤差系數(shù)只與攝影比例尺、固定的交會(huì)角毬、相機(jī)焦距f有關(guān)。而對(duì)于敏捷衛(wèi)星,大角度的姿態(tài)機(jī)動(dòng)使得角元素成為定位精度評(píng)估模型中的主要影響因素,不僅

7、與姿態(tài)測(cè)量精度有圖3俯仰角誤差對(duì)定位結(jié)果的影響示意關(guān),而且與敏捷機(jī)動(dòng)的姿態(tài)大小有關(guān),俯仰角誤差對(duì)Fig·3Influencesofagilitysatelliteangleof定位精度影響原理如圖3所示。pitcherroronpositionaccuracy3定位精度評(píng)估模型空間前方交會(huì)是根據(jù)立體像對(duì)前后影像的內(nèi)、外方位元素和同名像點(diǎn)的影像坐標(biāo)匹配來確定該點(diǎn)[10]的物方空間坐標(biāo)的過程。同名攝影光線空間前方交會(huì)地面點(diǎn)坐標(biāo)(XP,YP,ZP)的計(jì)算公式如下:XP=XS+NX1=XS+BX+N曚X2ü11êêê1YP=YS+NY1=YS+BY+N曚Y2=Y

8、S+(NY1+N曚Y2+BY)y(1)1112êêêZP=ZS1+NZ1=ZS1