一种基于光束法平差的星载摄影测量系统一体化检校方法与流程

技术特征：

1.一种基于光束法平差的星载摄影测量系统一体化检校方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，获取基于惯性系的以归一化四元数形式表示的卫星姿态数据；

步骤2，将通过步骤1获得的所述卫星姿态数据的表达形式由归一化四元数的形式转换为欧拉角形式；

步骤3，将通过步骤2获得的欧拉角形式的卫星姿态数据从惯性坐标系转换至地球固定直角坐标系；

步骤4，获取基于地球固定直角坐标系的卫星定位观测值；

步骤5，构建卫星摄影测量一体化检校平差模型；

步骤6，基于步骤5建立的星载摄影测量系统一体化检校平差模型，优选的按最小二乘原理求待检校参数估计值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述卫星姿态数据优选的用归一化四元数表示为：

$q=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{q}\\ q_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{q}_1\\ q_2\\ q_3\\ q_4\end{array}\right],$

其中，q为一个卫星姿态值，q₁、q₂和q₃表示归一化四元数的虚部，q₄表示归一化四元数的实部，其中，

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，根据下述转换公式(11)将卫星姿态数据的表达形式由归一化四元数的形式转换为欧拉角形式：

$A_{eular}=\left[\begin{array}{c}Roll\\ Pitch\\ Yaw\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\arctan \frac{2(q_1{q}_4+q_2{q}_3)}{1-2(q_1^2+q_2^2)}\\ \arcsin \left(2\left(q_2{q}_4-q_1{q}_3\right)\right)\\ \arctan \frac{2(q_3{q}_4+q_1{q}_2)}{1-2(q_2^2+q_3^2)}\end{array}\right]---\left(11\right)$

其中，Roll、Pitch和Yaw分别为以欧拉角形式表示的横滚角、俯仰角和偏航角，A_eular表示转换后的三轴欧拉角矩阵。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中，根据下述公式将卫星姿态数据从惯性坐标系转换至地球固定直角坐标系：

R_ITRS＝H(t)·R_GCRS

其中，R_ITRS为卫星在地球固定直角坐标系下的旋转矩阵，R_ITRS中的元素是由基于地球固定直角坐标系的三个姿态角phi、omega、kappa计算的方向余弦；R_GCRS为卫星在惯性坐标系下的旋转矩阵，R_GCRS中的元素是由基于惯性坐标系的三个姿态角Roll、Pitch、Yaw计算的方向余弦；H(t)＝W(t)·R(t)·Q(t)，W(t)，R(t)和Q(t)分别对应极移、自转和岁差章动转换矩阵。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5具体包括以下子步骤：

步骤5.1，建立像点观测方程，所述像点观测方程如下式(1)所示：

$\left.\begin{array}{c}x=0=-f\frac{a_1\left(X_T-{X_S}^{,}\right)+b_1\left(Y_T-{Y_S}^{,}\right)+c_1\left(Z_T-{Z_S}^{,}\right)}{a_3\left(X_T-{X_S}^{,}\right)+b_3\left(Y_T-{Y_S}^{,}\right)+c_3\left(Z_T-{Z_S}^{,}\right)}+x_0\\ y=-f\frac{a_2\left(X_T-{X_S}^{,}\right)+b_2\left(Y_T-{Y_S}^{,}\right)+c_2\left(Z_T-{Z_S}^{,}\right)}{a_3\left(X_T-{X_S}^{,}\right)+b_3\left(Y_T-{Y_S}^{,}\right)+c_3\left(Z_T-{Z_S}^{,}\right)}+y_0\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中，(x,y)为像点坐标；(x₀,y₀)为相机的像主点坐标；f为成像相机主距；(X_S',Y_S',Z_S')为成像相机外方位线元素；a_j,b_j,c_j(j＝1,2,3)为成像相机外方位角元素构成的旋转矩阵方向余弦值；(X_T,Y_T,Z_T)为该像点对应的地面点在地固坐标系下的空间坐标；

将式(1)进行线性化，得到像点坐标误差方程为：

V_X＝A_X1t₁+A_X2t₂+Ii+Jj+Bx+Cc-L_X (2)

其中，V_X为像点坐标误差，t₁为基准相机外方位线元素增量；t₂为基准相机外方位角元素增量；x为地面点物方坐标增量；c为相机内方位元素参数增量；A_X1表示像点坐标对基准相机外方位线元素的偏导系数矩阵；A_X2表示像点坐标对基准相机外方位角元素的偏导系数矩阵；I表示像点坐标对相机间摄影中心空间偏移量的偏导系数矩阵；J表示像点坐标对相机间相对旋转角的偏导系数矩阵；B表示像点坐标对地面点物方坐标的偏导系数矩阵；B表示像点坐标对地面点物方坐标的偏导系数矩阵；C表示像点坐标对相机内方位元素的偏导系数矩阵；L_X为像点坐标观测值的残差向量；对于前(后)视相机所成像点，i为前(后)视相机相对于正视相机的摄影中心空间偏移量增量；j为前(后)视相机本体相对于正视相机本体的相对旋转角增量；对于正视相机所成像点，有i,j＝0；

步骤5.2，建立卫星定位观测方程，所述卫星定位观测方程如下式(16)所示：

$\left[\begin{array}{c}{X}_g\\ Y_g\\ Z_g\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{X}_S\\ Y_S\\ Z_S\end{array}\right]+R_B\·\left[\begin{array}{c}{u}_g\\ v_g\\ w_g\end{array}\right]---\left(16\right)$

式中，[X_g Y_g Z_g]^T表示卫星定位观测值，[X_S Y_S Z_S]^T表示基准相机摄影中心坐标，[u_g v_gw_g]^T表示卫星定位观测中心在卫星摄影测量系统坐标系中的三维坐标，R_B表示基准相机外方位角元素构成的旋转矩阵；

在建立卫星定位接收机与基准相机的几何关系后，将式(16)简化为式(3)

G＝S+R_B·u (3)

其中，G为卫星定位观测值向量；S为基准相机摄影中心空间坐标向量；R_B表示基准相机外方位角元素构成的旋转矩阵；u为卫星定位接收机观测中心相对于基准相机摄影中心的空间偏移向量；

将式(3)进行线性化，得到卫星定位观测误差方程：

V_G＝A_G1t₁+A_G2t₂+Dd-L_G (4)

其中，V_G表示卫星定位观测误差，A_G1表示卫星位置坐标对基准相机外方位线元素的偏导系数矩阵子块，A_G2表示卫星位置坐标对基准相机外方位角元素的偏导系数矩阵子块，t₁为基准相机外方位线元素增量，t₂为基准相机外方位角元素增量，D为卫星位置坐标对观测中心空间偏移量的偏导系数矩阵子块，d为卫星定位观测中心空间偏移量增量，L_G为卫星定位观测值的残差向量；

步骤5.3，建立卫星姿态观测方程，所述卫星姿态观测方程如下式(5)所示：

$R^{\′}=R_B{A}_i^T---\left(5\right)$

其中，为相对旋转角构成的旋转矩阵，为绕系统坐标系V轴旋转对应的旋转矩阵，为绕系统坐标系U轴旋转ω_A对应的旋转矩阵，为绕系统坐标系W轴旋转κ_A对应的旋转矩阵；R'为卫星姿态观测值phi、omega、kappa构成的旋转矩阵，R_B为基准相机三轴姿态角即外方位角元素构成的旋转矩阵；

将式(5)进行线性化，得到卫星姿态观测误差方程如下式(6)所示：

V_S＝A_St₂+Mm-L_S (6)

其中，V_S表示卫星姿态观测误差，A_S表示卫星姿态对基准相机外方位角元素的偏导系数矩阵子块，t₂为基准相机外方位角元素增量，M为卫星姿态对相对旋转角的偏导系数矩阵子块，m为姿态输出设备本体与基准相机本体的相对旋转角增量，L_S为卫星姿态观测值的残差向量；

步骤5.4，联立所述像点坐标误差方程、卫星定位观测误差方程和卫星姿态观测误差方程，建立星载摄影测量系统一体化检校平差模型，如下式所示：

$\left.\begin{array}{c}{V}_X=A_{X1}{t}_1+A_{X2}{t}_2+Ii+Ji+Bx+Cc-L_X,E\\ V_G=A_{G1}{t}_1+A_{G2}{t}_2+Dd-L_G,P_G\\ V_S=A_S{t}_2+Mm-L_S,P_S\end{array}\right\}.$

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤5.4还包括：

根据平差模型，将上述星载摄影测量系统一体化检校平差模型表示为：

V＝Ky-l,P

其中，V＝Ky-l为平差函数模型，P为平差随机模型，即观测值的权矩阵。

具体地，

即观测值改正数向量；

y＝[t₁ t₂ i j x c d m]^T，即待求参数增量向量；

即观测值对待求参数的偏导系数矩阵；

即观测值与其近似值之差的向量；

为观测值的权矩阵；其中，E为单位矩阵，其对角线元素全为1，非对角线元素全为0；P_G为卫星定位观测值的权矩阵，其对角线元素的数值为(σ₀为像点坐标观测中误差，σ_G为卫星定位观测中误差)，非对角线元素全为0；P_S为卫星姿态观测值的权矩阵，其对角线元素的数值为(σ_S为卫星姿态观测中误差)，非对角线元素全为0。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6具体包括：

按最小二乘原理，构建卫星摄影测量一体化检校平差的法方程，其形式为

$K^{T}PK\hat{y}-K^{T}Pl=0$

其中，K为观测值对待求参数的偏导系数矩阵，P为观测值的权矩阵，l为观测值与其近似值之差的向量；表示待求参数增量的最小二乘估计值。

由此可得到参数增量的最小二乘估计值：

$\hat{y}={\left(K^{T}PK\right)}^{-1}{K}^{T}Pl$

则待求参数的估计值为

$\hat{Y}=Y^0+\hat{y}$

上式中，Y⁰为待求参数的初始值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述待检校参数是所述待求参数的一部分。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，其特征在于，所述待求参数包括基准相机外方位线元素、基准相机外方位角元素、地面点物方坐标、成像相机内方位元素、成像相机相对于基准相机的摄影中心空间偏移量、成像相机相对于基准相机的相对旋转角、卫星定位观测中心空间偏移量、姿态输出设备本体与基准相机本体的相对旋转角；所述待检校参数包括成像相机内方位元素、成像相机相对于基准相机的摄影中心空间偏移量、成像相机相对于基准相机的相对旋转角、卫星定位观测中心空间偏移量、姿态输出设备本体与基准相机本体的相对旋转角。

10.一种计算机程序，其特征在于，当执行所述计算机程序时，执行上述权利要求1-9中的任意一项所述的方法。