CN103868531B - 低轨卫星平面和立体精度预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于摄影测量与计算机仿真领域，特别涉及低轨卫星的平面和立体精度预估方法。本发明目的在于解决现有技术不足，提出了一种全新的低轨卫星姿态仿真方法，填补了国内在这方面的空白，为低轨卫星的预研工作提供了分析的依据。本发明的技术方案是：对低轨卫星成像过程进行分析，在其基础上构建对应的成像方程，通过带误差与不带误差的成像方程结果相比较，得到定位精度。

Description

低轨卫星平面和立体精度预估方法

技术领域

本发明属于摄影测量与计算机仿真领域，特别涉及低轨卫星的平面和立体精度预估方法。

背景技术

在40-50年代，由于计算机技术的限制，只有依靠物理仿真，在美国亚利桑那大学光学中心建立了世界上第一个航空航天遥感物理仿真***。在地面实验室里利用人造光源提供各种辐亮度和各个光谱谱段的照明条件，布置了不同背景下的各种大小尺寸靶标和军用目标模型(包括飞机、坦克、火炮等)，可以模拟卫星在轨飞行情况下的环境条件以及目标的运动等，采用可控制位置和运动模式的相机对目标按照预定的程序进行照相，以验证卫星的设计参数和成像质量。

在60年代，美国发射了多颗地球环境探测卫星，获得了大量地表、大气和地球环境的数据，这些数据为仿真实验室提供了接近真实的模型。从60年代到90年代，美国多次发射地球地理环境探测、校验和测绘卫星，用于监视和补充数据资料，修正数学模型。

80年代末期，ES公司首先在美国GE公司13个部门中的八个部门中应用了该公司的集成设计软件iSIGHT。1995年，美国NASA资助的LaRC(Landley Research Center)公布了PATCOD集成设计软件平台。美国NASA所属JPL实验室的飞行***测试平台(Flight SystemTested，FST)、Langley研究中心的SPASIM(Spacecraft Simulation)、俄罗斯能源科学生产联合体(NPO Energiya)的综合仿真测试平台(KMC)以及德国VEGA信息技术公司开发的仿真卫星(Simulating Spacectaft)等是九十年代卫星仿真技术发展的综合反映。这些软件用于航天卫星(重点是对卫星平台等大***)的设计和仿真。

目前国外计算机仿真技术发展很快，可以比较逼真地仿真出成像链路的特性，取得了一定成果，但是还是不能代替物理仿真。且在查到的仿真软件文献中，多数是应用成果介绍，很少见到详细的软件内容。因此发展国内的全链路仿真算法和***来指导卫星的预研工作、从而减少物理仿真的成本是很有必要的。

卫星严密几何成像模型如下所示：

式中：表示卫星在WGS84坐标系下的位置矢量；m为比例系数；R_J20002WGS84为 J2000坐标系到WGS84坐标系的变换矩阵；R_orbit2J2000为轨道坐标系到J2000坐标系的变换矩 阵；R_star2orbit为测姿坐标系到轨道坐标系的变换矩阵；为本体坐标系到测姿坐标系 的变换矩阵，由测姿***的安装确定；R_camera2body为传感器坐标系到本体坐标系的变换矩阵， 由相机安装确定；为定位设备在本体坐标系下的偏移；为传感器安装到本体坐标 系的偏移；为像素点对应的成像内方位元素。所有这些项的误差均会影响最终的定位 精度。而在实际的卫星在轨运行中，由于测量设备的精度限制、成像平台的稳定性及成像环 境等的变化，存在很多因素引起定位项的误差。如测轨误差会造成R_orbit2J2000、 R_J20002WGS84的误差；测姿误差会造成R_star2orbit的误差；设备安装误差会造成、R_camera2body的误差；相机镜头畸变会造成的误差；这些误差项 最终均降低了几何定位精度。在综合分析影响几何定位精度的各方面因素后，我们将影响 定位的误差源分为：姿态误差、轨道误差、时间同步误差、内方位元素误差、高程误差和控制 点数量及其分布影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何提高低轨卫星的几何定位高度。为此，本发明提出了一种全新的低轨卫星平面和立体精度预估方法，填补了国内在这方面的空白，为低轨卫星的预研工作提供了分析的依据。

本发明的技术方案是：对低轨卫星成像过程进行分析，在其基础上构建对应的成像方程，通过将带误差与不带误差的成像方程结果相比较，得到定位精度。其过程包括以下内容：

一种低轨卫星平面和立体精度预估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)首先，进行低轨卫星平面精度预估，其具体包括以下步骤：

步骤1.1，利用卫星相机获取卫星影像；

步骤1.2，根据如下公式(1)将影像上的像素坐标转化为传感器坐标系坐标，所述公式(1)为：

x=(x-x_o)·N

y=(y-y_c)·N

z=-f

式中，x_o、y_o为相机主点在影像上的像素坐标，N为面阵CCD探元的大小，f为相机的焦距；

步骤1.3，计算当前时刻的传感器坐标系和本体坐标系的旋转矩阵，并计算传感器坐标系与轨道坐标系的旋转矩阵；

步骤1.4，根据内插公式内插出用户指定时刻的卫星在WGS84坐标系下的位置和速度；内插公式如下所示：

式中，t₁、t₂、t₃...为星历时刻，t为用户指定的时刻，p(t_j)为相应时刻的卫星位置，为相应时刻的速度；

步骤1.5，将影像坐标变换为地面坐标；其转化公式如下所示：

根据已知条件，则上式可写成：

步骤1.6，计算尺度因子m；

由于：

式中A=a_e+h，B=b_e+h，这里a_e=6378137.0和b_e=6356752.3分别为地球椭球的长短半轴；

将上面式子代入得：

求解上式，关于m的二次方程就可得到m；

步骤1.7，计算该点在WGS84坐标系中的三维坐标；

步骤1.8，根据目标定位原理，分别计算影像带测量误差的地面点坐标和不带测量误差的地面点坐标；

步骤1.9，进行精度检查；

(2)其次，进行低轨卫星立体精度预估，其具体包括以下步骤：

步骤2.1，计算影像四个角点的经纬度，然后计算三个影像的重叠范围；

步骤2.2，在重叠范围内均匀选择地面点，然后投影到三个影像，获得同名点；

步骤2.3，利用带误差的参数利用同名点进行空间前方交会，计算地面点坐标。空间前方交会采用如下的公式：

其对应的误差方程为：

。

优选的，所述步骤1.9具体包括：

采用如下公式(2)进行精度检查，所述公式(2)为：

其中，(X_控，Y_控，Z_控)^T为无误差模拟影像定位的结果，(X_算，Y_算，Z_算)^T为带测量误差的影像定位的结果。

本发明提出了一种全新的低轨卫星姿态仿真方法，填补了国内在这方面的空白，为低轨卫星的预研工作提供了分析的依据。

附图说明

图1为根据本发明实施方式的立体精度分析示意图。

具体实施方式

本发明针对的低轨卫星平面和立体精度预估根据仿真要求分为平面精度预估和立体精度预估：：

(1)平面精度预估，基于严密成像几何模型和卫星轨道设计参数、姿态设计参数、相机设计参数等将地面的三维点投影到焦平面，给出成像时刻所对应的地面投影影像，进而用户根据分析相机、轨道和姿态设计参数对地面定位精度的影响，找出关键因素。

(2)立体精度预估，也是基于严密成像几何模型和卫星轨道设计参数、姿态设计参数、相机设计参数，采用空间前方交会的方法得到交会点的平面和高程信息，进而用户根据分析相机、轨道和姿态设计参数对地面立体定位精度的影响，找出关键因素。

本发明的平面精度预估和立体精度预估可以只进行一种预估，也可以分别进行两种预估，这可以由本领域技术人员根据实际情况而定。

在本发明中要求保护的技术方案具体实施时可通过计算机硬件来实现完成，也可以通过计算机软件来实现，或者通过计算机硬件和软件的结合来实现，这些对本领域技术人员来说都是显而易见的。以下详细说明本发明技术方案。

首先对低轨卫星平面精度预估进行说明，其具体包括以下步骤：

步骤1.1，利用卫星相机获取卫星影像；

步骤1.2，根据如下公式(1)将影像上的像素坐标转化为传感器坐标系坐标，所述公式(1)为：

x=(x-x_o)·N

y=(y-y_c)·N

z=-f

式中，x_o、y_o为相机主点在影像上的像素坐标，N为面阵CCD探元的大小，f为相机的焦距。

步骤1.3，计算当前时刻的传感器坐标系和本体坐标系的旋转矩阵，并计算传感器坐标系与轨道坐标系的旋转矩阵。

步骤1.4，根据内插公式内插出用户指定时刻的卫星在WGS84坐标系下的位置和速度。内插公式如下所示：

式中，t₁、t₂、t₃…为星历时刻，t为用户指定的时刻，p(t_j)为相应时刻的卫星位置，为相应时刻的速度。

步骤1.5，将影像坐标变换为地面坐标。其转化公式如下所示：

根据已知条件，则上式可写成：

步骤1.6，计算尺度因子m。

由于：

式中A=a_e+h，B=b_e+h，这里a_e=6378137.0和b_e＝6356752.3分别为地球椭球的长短半轴。

将上面式子代入得：

求解上式，关于m的二次方程就可得到m。

步骤1.7，计算该点在WGS84坐标系中的三维坐标。

步骤1.8，根据目标定位原理，分别计算影像带测量误差的地面点坐标和不带测量误差的地面点坐标。

为了研究卫星星历、传感器姿态、影像扫描时间等参数测量误差与目标定位精度的关系，可以利用上述模拟影像进行试验。由于模拟影像中以上各参数是精确已知的，若对它们加上零均值的高斯随机噪声和***误差可视其为这些参数所包含的测量误差。获得带有人为随机误差的卫星***参数后就可以进行卫星影像精纠正试验。具体试验是在模拟影像上选取均匀分布的若干个像点，利用精确影像坐标和带有误差的影像坐标，依据所建立的面阵卫星遥感影像数学模型计算其对应地面点的平面坐标，并求出该计算值与其理论坐标差值的均方差作为影像精纠正精度的测度。

步骤1.9，采用如下公式(2)进行精度检查，所述公式(2)为：

其中，(X_控，Y_控，Z_控)^T为无误差模拟影像定位的结果，(X_算，Y_算，Z_算)^T为带测量误差的影像定位的结果。

下面对低轨卫星立体精度分析进行说明，其包括以下步骤：

由于多视立体是对同一地区成像，满足高重叠度条件。在已知姿轨数据的前提下，可根据影像同名点，按前方交会获取地面点坐标。

步骤2.1，计算影像四个角点的经纬度，然后计算三个影像的重叠范围；

步骤2.2，在重叠范围内均匀选择地面点，然后投影到三个影像，获得同名点(采用不带误差的参数)；

步骤2.3，利用带误差的参数利用同名点进行空间前方交会，计算地面点坐标。空间前方交会采用如下的公式：

其对应的误差方程为：

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种低轨卫星平面和立体精度预估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)首先，进行低轨卫星平面精度预估，其具体包括以下步骤：

步骤1.1，利用卫星相机获取卫星影像；

步骤1.2，根据如下公式(1)将影像上的像素坐标转化为传感器坐标系坐标，所述公式(1)为：

x＝(x-x_o)·N

y＝(y-y_o)·N

z＝-f

式中，x_o、y_o为相机主点在影像上的像素坐标，N为面阵CCD探元的大小，f为相机的焦距；

步骤1.3，计算当前时刻的传感器坐标系和本体坐标系的旋转矩阵，并计算传感器坐标系与轨道坐标系的旋转矩阵；

步骤1.4，根据内插公式内插出用户指定时刻的卫星在WGS84坐标系下的位置和速度；内插公式如下所示：

式中，t₁、t₂、t₃...为星历时刻，t为用户指定的时刻，P(t_j)为相应时刻的卫星位置，V(t_j)为相应时刻的速度；

步骤1.5，将影像坐标变换为地面坐标；其转化公式如下所示：

根据已知条件，则上式可写成：

步骤1.6，计算比例系数m；

由于：

式中A＝a_e+h，B＝b_e+h，这里a_e＝6378137.0和b_e＝6356752.3分别为地球椭球的长短半轴；

将上面式子代入得：

求解上式，关于m的二次方程就可得到m；

步骤1.7，计算影像坐标在WGS84坐标系中的三维坐标；

步骤1.8，根据目标定位原理，分别计算影像带测量误差的地面点坐标和不带测量误差的地面点坐标；

步骤1.9，进行精度检查；

(2)其次，进行低轨卫星立体精度预估，其具体包括以下步骤：

步骤2.1，计算影像四个角点的经纬度，然后计算三个影像的重叠范围；

步骤2.2，在重叠范围内均匀选择地面点，然后投影到三个影像，获得同名点；

步骤2.3，利用带误差的参数利用同名点进行空间前方交会，计算地面点坐标；空间前方交会采用如下的公式：

其对应的误差方程为：