立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法及系统与流程

本发明航天卫星测绘技术领域，具体涉及一种立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法及系统。

背景技术：

姿态测定系统是高分辨率航天遥感卫星立体测绘相机中的重要组成部分，通常有效载荷为星敏感器或星相机以及陀螺等设备。卫星在轨运行中，通过对恒星摄影成像，利用恒星位置等数据计算摄影时刻卫星的姿态。姿态测定数据不仅用于卫星的姿态控制，还可转换为摄影测量处理中所需的外方位角元素，用于实现无地面控制点或少量控制点卫星摄影测量，从而提高卫星影像的定位精度及应用效能。因此，卫星实现无地面控制点的摄影测量技术一直是国内外航天遥感领域研究的热点。

目前，世界多个国家均进行了卫星无地面控制定位方面的相关研究，但通过全球范围的定位精度检测后，无地面控制定位精度都未达到所需的标准要求。经过研究发现，立体测绘卫星的姿态测定系统误差与卫星纬度、摄影时相机受热有关，导致姿态测定的角元素有低频误差以及“慢漂”系统性误差，使得在轨标定后的星相机和三线阵CCD相机安装角转换参数产生额外的增量，从而影响到无地面控制定位精度。对于有地面控制点卫星摄影测量而言，可以利用地面控制点对姿态测定系统的低频误差影响进行控制，但在无地面控制点卫星摄影测量中，低频误差处理是必须解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法及系统，解决无地面控制点卫星测量中角元素的低频系统误差问题，提高无地面控制点卫星测量的定位精度。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案一方面提供了一种立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法，所述方法包括以下步骤：

对卫星拍摄的影像进行匹配，得到在前、正、后视影像上的连接点坐标；

根据所述连接点坐标计算得到各个连接点的视差；

根据所述连接点的视差计算得到姿态测定系统在俯仰、偏航方向上的低频误差均值；

根据所述低频误差均值计算得到修正后的卫星姿态数据，根据所述修正后的卫星姿态数据通过平差解算得到卫星影像的定位精度。

优选的，所述根据所述连接点坐标计算得到各个连接点的视差的步骤包括：

将所述连接点坐标代入公式：Q＝N1Y1-N2Y2-by，计算得到各个连接点的视差；其中，Q为连接点的视差，两个摄像站对同一地面拍摄影像时，N1Y为在左片投影点在以左摄站为原点的像空间辅助坐标系中的坐标；N2Y2为右片投影点在以右摄站为原点的像空间辅助坐标系中的坐标；by为两摄站的Y坐标之差。

优选的，所述根据所述连接点坐标计算得到各个连接点的视差的步骤还包括：

采用粗差剔除策略剔除错误的连接点。

优选的，所述根据所述连接点的视差计算得到姿态测定系统在俯仰、偏航方向上的低频误差均值的步骤包括：

将所述连接点的视差及连接点坐标代入公式：

计算得到dμ、dν；

其中，Q为连接点的视差，bx为两摄站的X坐标之差，dμ、dν分别为姿态测定系统在俯仰及偏航方向上的低频误差值；

计算dμ、dν的平均值，得到姿态测定系统在俯仰、偏航方向上的低频误差均值。

优选的，所述根据所述修正后的卫星姿态数据通过平差解算得到卫星影像的定位精度的步骤具体包括：

将修正后的卫星姿态数据进行平差解算，获得卫星定位参数；

根据所述卫星定位参数计算得到卫星影像的定位精度。

另一方面，本发明还提供一种立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿系统，所述系统包括：

匹配计算单元，用于对卫星拍摄的影像进行匹配，得到在前、正、后视影像上的连接点坐标；

视差计算单元，用于根据所述连接点坐标计算得到各个连接点的视差；

误差计算单元，用于根据所述连接点的视差计算得到姿态测定系统在俯仰、偏航方向上的低频误差均值；

补偿计算单元，用于根据所述低频误差均值计算得到修正后的卫星姿态数据，根据所述修正后的卫星姿态数据通过平差解算得到卫星影像的定位精度。

优选的，所述视差计算单元具体用于：

将所述连接点坐标代入公式：Q＝N1Y1-N2Y2-by，计算得到各个连接点的视差；其中，Q为连接点的视差，两个摄像站对同一地面拍摄影像时，N1Y为在左片投影点在以左摄站为原点的像空间辅助坐标系中的坐标；N2Y2为右片投影点在以右摄站为原点的像空间辅助坐标系中的坐标；by为两摄站的Y坐标之差。

优选的，所述视差计算单元还用于：

采用粗差剔除策略剔除错误的连接点。

优选的，所述误差计算单元具体用于：

将所述连接点的视差及连接点坐标代入公式：

计算得到dμ、dν；

其中，Q为连接点的视差，bx为两摄站的X坐标之差，dμ、dν分别为姿态测定系统在俯仰及偏航方向上的低频误差值；

计算dμ、dν的平均值，得到姿态测定系统在俯仰、偏航方向上的低频误差均值。

优选的，所述补偿计算单元具体用于：

将修正后的卫星姿态数据进行平差解算，获得卫星定位参数；

根据所述卫星定位参数计算得到卫星影像的定位精度。

采用上述技术方案，本发明至少可取得下述技术效果：

本发明立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法及系统通过根据连接点的视差计算的到姿态测定系统低频误差并对其进行补偿，从而解决了无地面控制点卫星测量中角元素的低频系统误差问题，提高了无地面控制点卫星测量的定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法的具体流程示意图；

图2是本发明立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法的相对定向示意图；

图3是本发明立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法的连接点视差的几何示意图；

图4是本发明立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

卫星影像后期处理所使用的外方位角元素，是从卫星本体根据安装参数经过一系列矩阵转换至相机的姿态数据。在这一复杂转换过程中，任何一个安装参数的变化及转换误差的出现，都将导致姿态测定系统含有系统误差，该系统误差可以通过相机参数在轨标定予以处理。与这类系统误差不同，姿态测定系统的低频误差是随时间及纬度的变化而变化，造成在水平位置方向有明显的系统误差，相机参数在轨标定无法全部消除该误差。经研究发现，姿态测定系统还存在与卫星轨道纬度有关的低频误差，导致用于摄影测量处理的角元素含有低频误差，影响无地面控制定位精度及其全球精度的一致性。

本发明提供一种立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法，所述方法包括以下步骤：对三线阵影像进行匹配，得到在前、正、后视影像上的连接点坐标；根据所述连接点坐标计算得到各个连接点的视差；根据所述连接点的视差计算得到姿态测定系统在俯仰、偏航方向上的低频误差均值；根据所述低频误差均值计算得到修正后的卫星姿态数据，根据所述修正后的卫星姿态数据通过平差解算得到卫星影像的定位精度。这样，本发明通过根据连接点的视差计算的到姿态测定系统低频误差并对其进行补偿，从而解决了无地面控制点卫星测量中角元素的低频系统误差问题，提高了无地面控制点卫星测量的定位精度。

请参阅图1，图1是本发明立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法的具体流程示意图。本实施例所述的立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法包括如下步骤：

步骤101：对卫星拍摄的影像进行匹配，得到在前、正、后视影像上的连接点坐标。

具体实现时，对卫星拍摄的影像(三线阵CCD影像)进行匹配，得到卫星影像在前、正、后视影像上的连接点坐标。如表1所示，

表1

通过对前、正、后视影像的连接点自动匹配，可以得到连接点坐标(像点坐标)，表1中，从左至右，第2-3列为空，表示连接点未计算的地理坐标；第4-9列依次是前视y,x，下视y,x，后视y,x的坐标。

步骤102：根据所述连接点坐标计算得到各个连接点的视差。

具体实现时，本步骤通过相对定向原理分别计算各个连接点的视差。

所述相对定向原理为：从两个摄像站对同一地面拍摄一个立体像对时，立体像对中任一物点的两条同名光线都相交于该物点，即存在同名光线对对相交的现象。若保持两张像片之间相对位置和姿态关系不变，将两张像片整体移动、旋转和改变基线的长度，同名光线对对相交的特性并不发生变化。解析法相对定向就是根据同名光线对对相交这一立体像对内在的几何关系，通过量测连接点的像点坐标，用解析计算的方法解求相对定向元素，建立与地面相似的立体模型，确定模型点的三维坐标。

请参阅图2，图2是本发明立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法的相对定向示意图。

S1a1和S2a2为一对同名光线，这对同名光线与摄影基线B位于同一核面内，即S1a1、S2a2和B三条直线共面。由空间解析几何知识可知，如果三条直线共面，则它们对应矢量的混合积为零，即

B·(S1a1×S2a2)＝0 (1)

三矢量在像空间辅助坐标系中的坐标分别为(Bx,By,Bz)、(X1,Y1,Z1)和(X2,Y2,Z2)，则共面条件方程可以用坐标表示为：

在相对定向解析计算时，通常把摄影基线B改写为b，b称为投影基线。这里

B＝m·b (3)

(3)式中，m为卫星摄影比例尺分母；bx,by,bz为投影基线的分量，由图2中的几何关系，可知

(4)式中，u和v为基线的偏角和倾角，将上式代入(2)式的共面条件方程式可得：

将(5)式中F按泰勒级数展开，取小值一次项，得共面方程的线性公式为

(6)式中，每一项偏导的推导过程可根据基本数学原理得到，在这里就不赘述。将各偏导数代入(6)式中，舍去含有μ和v的二次小项，只保留一次小项得到：

请参阅图3，图3是本发明立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法的连接点视差的几何示意图。

根据视差Q为：

(8)式中，N1Y为在左片投影点在以左摄站为原点的像空间辅助坐标系中的坐标；N2Y2为右片投影点在以右摄站为原点的像空间辅助坐标系中的坐标；by为两摄站的Y坐标之差，所以视差Q的几何意义为模型上同名点的Y坐标之差，称为视差，如图3所示。由上述(1)式可知，若同名光线相交于一点，即A1＝A2，则Q＝0。

即所述步骤102具体包括：

将所述连接点坐标代入公式：Q＝N1Y1-N2Y2-by，计算得到各个连接点的视差；其中，Q为连接点的视差，两个摄像站对同一地面拍摄影像时，N1Y为在左片投影点在以左摄站为原点的像空间辅助坐标系中的坐标；N2Y2为右片投影点在以右摄站为原点的像空间辅助坐标系中的坐标；by为两摄站的Y坐标之差。

本实施例中，采用粗差剔除策略剔除错误的连接点，保证了视差分布的均匀性。

步骤103：根据所述连接点的视差计算得到姿态测定系统在俯仰、偏航方向上的低频误差均值；

具体实现时，将(8)式代入(7)式相对定向原理公式，即得到：

其中，Q为连接点的视差，bx为两摄站的X坐标之差，dμ、dν分别为姿态测定系统在俯仰及偏航方向上的低频误差值，而对于滚转方向的误差直接去除，不进行计算滚转方向的误差值。

即所述步骤103具体包括：

将所述连接点的视差及连接点坐标代入公式：

计算得到dμ、dν；

其中，Q为连接点的视差，bx为两摄站的X坐标之差，dμ、dν分别为姿态测定系统在俯仰及偏航方向上的低频误差值；

计算dμ、dν的平均值，得到姿态测定系统在俯仰、偏航方向上的低频误差均值。

步骤104：根据所述低频误差均值计算得到修正后的卫星姿态数据，根据所述修正后的卫星姿态数据通过平差解算得到卫星影像的定位精度。

具体实现时，在得到姿态测定系统在俯仰、偏航方向上的低频误差均值后，将该低频误差均值作为卫星姿态测定系统低频误差补偿值进行补偿卫星姿态数据，得到修正后的卫星姿态数据，即通过姿态补偿消除系统误差实现无控定位。

将修正后的卫星姿态数据进行平差解算，获得卫星定位参数(RPC参数)；根据所述卫星定位参数计算得到卫星影像的定位精度。

其中，公式(10)表示卫星共线条件方程，公式(11)表示公式(10)泰勒展开。

需要说明的是，本发明立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法在天绘一号卫星的七个试验区影像数据进行了试验，结果表明：在无地面控制点条件下，通过本发明立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法对卫星姿态测定系统进行误差补偿，可使无地面控制点目标定位误差从500m改善到20m以内。

另，请参阅图4，本发明还提供一种立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿系统，所述系统包括：

匹配计算单元10，用于对卫星拍摄的影像进行匹配，得到在前、正、后视影像上的连接点坐标；

视差计算单元20，用于根据所述连接点坐标计算得到各个连接点的视差；

误差计算单元30，用于根据所述连接点的视差计算得到姿态测定系统在俯仰、偏航方向上的低频误差均值；

补偿计算单元40，用于根据所述低频误差均值计算得到修正后的卫星姿态数据，根据所述修正后的卫星姿态数据通过平差解算得到卫星影像的定位精度。

其中，所述视差计算单元20具体用于：

将所述连接点坐标代入公式：Q＝N1Y1-N2Y2-by，计算得到各个连接点的视差；其中，Q为连接点的视差，两个摄像站对同一地面拍摄影像时，N1Y为在左片投影点在以左摄站为原点的像空间辅助坐标系中的坐标；N2Y2为右片投影点在以右摄站为原点的像空间辅助坐标系中的坐标；by为两摄站的Y坐标之差。

所述视差计算单元20还用于：

采用粗差剔除策略剔除错误的连接点。

所述误差计算单元30具体用于：

将所述连接点的视差及连接点坐标代入公式：

计算得到dμ、dν；

其中，Q为连接点的视差，bx为两摄站的X坐标之差，dμ、dν分别为姿态测定系统在俯仰及偏航方向上的低频误差值；

计算dμ、dν的平均值，得到姿态测定系统在俯仰、偏航方向上的低频误差均值。

所述补偿计算单元40具体用于：

将修正后的卫星姿态数据进行平差解算，获得卫星定位参数；

根据所述卫星定位参数计算得到卫星影像的定位精度。

相比于现有技术，本发明立体测绘卫星姿态测定系统低频误差补偿方法及系统通过根据连接点的视差计算的到姿态测定系统低频误差并对其进行补偿，从而解决了无地面控制点卫星测量中角元素的低频系统误差问题，提高了无地面控制点卫星测量的定位精度。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。