一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法

技术领域

本发明属于光学遥感卫星数据几何处理技术领域，特别涉及一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法。

背景技术

遥感卫星成像机理方面的定位误差源主要指的是，由卫星成像参数的标称值或测量值与其真实值之间的差异引起的定位误差源，具体包括：相机主点误差、相机主距误差、相机畸变误差、相机安装误差、星敏感器安装误差、时间测量误差、卫星定轨误差、卫星定姿误差等。在上述误差中，相机主点和主距误差、相机畸变误差、相机和星敏感器安装误差通常为系统误差。利用在轨几何定标方法，可以有效消除系统误差对定位精度的影响。

相比于低轨遥感卫星所在的太阳同步轨道，高轨卫星所在地球静止轨道的光照条件更为复杂，卫星本体受热的剧烈变化往往会导致卫星定位系统误差随着温度的变化而变化，呈现出低频长周期和高频短周期相结合的温变误差特性。这需要根据高轨卫星的器件结构与温控策略，分析其温变误差的变化规律，并构建相应的温变误差模型，才能够有效消除该类误差的影响，现有光学遥感卫星定位与定标模型忽略几何定标周期内温度变化对定位精度的影响，难以实现高轨卫星高精度几何定位。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法，在常规光学遥感卫星定位与定标模型的基础上，将高轨卫星温变特性定位误差分解为低频长周期误差和高频短周期误差，据此构建在轨几何定标与修正模型，实现高轨卫星高精度几何定标和定位。

本发明解决技术的方案是：一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、根据卫星姿态参数、轨道参数、相机参数和待定标序列图像上控制点的三维坐标，构建考虑温变特性误差的高轨卫星在轨几何定标模型；所述高轨卫星在轨几何定标模型为关于相机安装角误差的函数；相机安装角误差与温度相关；

步骤2、将相机安装角误差分解为低频长周期误差模型和高频短周期误差模型，求解低频长周期误差模型的参数和高频短周期误差模型的参数，并由低频长周期误差模型和高频短周期误差模型拟合出与成像时间D和温度T相关的相机安装角误差表达式；

步骤3，将步骤2拟合出的相机安装角误差表达式代入步骤1构建的高轨卫星在轨几何定标模型；

步骤4，将成像时间D和温度T，代入步骤3的高轨卫星在轨几何定标模型，得到待定标序列图像上任意成像时间和温度下各个位置的精确坐标数据。

进一步的，步骤1所述的高轨卫星在轨几何定标模型为：

上式中：(X Y Z)

所述卫星姿态测量坐标系的原点位于卫星上姿态测量设备的质心，X轴为卫星飞行方向，Z轴指向地心，Y轴垂直于Z轴和X轴构成右手系；

在转序为先偏航方向再俯仰方向最后滚动方向的情况下，

其中：A＝y

进一步的，所述比例尺因子m根据以下椭球方程计算得到：

上式中，

进一步的，步骤2所述的相机安装角误差分解为低频长周期误差模型和高频短周期误差模型形式如下：

上式中，Δp

进一步的，所述低频长周期误差模型是以成像时间D作为自变量的线性模型，形式如下：

上式中，a

进一步的，所述高频短周期误差模型以相机温度T作为自变量，形式如下：

上式中，p

进一步的，所述低频长周期误差模型的参数求解方法为：

T1、根据一天内不同时刻的相机安装底板温度的变化，求得不同温度下的相机安装角误差，分别统计每一天内Δp

T2、根据低频长周期误差模型，构建低频长周期误差在俯仰、滚动、偏航方向的残差函数模型F

T3、针对N，N≥2天的低频长周期误差Δp

V

上式中：

A

X

L

T4、按照最小二乘平差原理，求解迭代停止时的a

进一步的，所述步骤T1中，在每个温度下求解相机安装角误差时，包括以下步骤：

S1、根据高轨卫星在轨几何定标模型建立探元指向角残差函数模型：

式中：F

S2、利用待定标序列图像上的M，M≥3个控制点的三维坐标，构建标准误差方程：

V

上式中：V

A

X为未知数矩阵，根据最小二乘平差原理进行迭代计算，表达形式为：X＝[Δp

L

L

S3、按照最小二乘平差原理，求解迭代停止时的相机安装角误差Δp

进一步的，所述高频短周期误差模型的参数的求解方法为：

Step1、从建立低频长周期误差模型时求得的不同温度下的相机安装角误差Δp

Step2、根据高频短周期误差模型，构建高频短周期误差在俯仰、滚动、偏航方向的残差函数模型F

Step3、针对K,K≥3个不同温度下的高频短周期误差，构建标准误差方程：

V

上式中：

A

其中：

Q

Q

X

X

L

Step 4、按照最小二乘平差原理，求解迭代停止时的p

进一步的，步骤3所述的高轨卫星在轨几何定标模型以1个月到3个月为时间间隔，定期更新所述相机安装角误差表达式中的低频长周期误差模型参数和高频短周期误差模型参数，使所述高轨卫星在轨几何定标模型长期适用。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明在传统定标模型的基础上，拓展高轨卫星温变特性定位误差模型，可以从模型本身消除温度变化对高轨卫星定位精度的影响，实现高轨卫星高精度几何定位。

(2)本发明采取卫星温变特性误差建模与求解方法，利用成像时间为自变量构建低频长周期误差模型和卫星本体温度为自变量构建高频短周期误差模型，实现不同温控策略下高轨卫星温变误差的统一建模与补偿，解决常规模型以成像时间或太阳高度角为自变量导致的模型不通用和误差补偿流程复杂的难题，保证了高轨卫星高精度定位需求。

附图说明

图1为本发明实施例的实现流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，为本发明方法的实现流程图，具体包括步骤1～步骤4：

步骤1、根据卫星姿态参数、轨道参数、相机参数和待定标序列图像上控制点的三维坐标，构建考虑温变特性误差的高轨卫星在轨几何定标模型。所述高轨卫星在轨几何定标模型为关于相机安装角误差的函数，形式如下：

上式中：(X Y Z)

所述卫星姿态测量坐标系的原点位于卫星上姿态测量设备的质心，X轴为卫星飞行方向，Z轴指向地心，Y轴垂直于Z轴和X轴构成右手系。

在转序为先偏航方向再俯仰方向最后滚动方向的情况下，

其中：A＝y

进一步的，

上式中，(s，l)为待定标序列图像上控制点在图像坐标系中的坐标，s为列号，l为行号；h

进一步的，所述比例尺因子m根据以下椭球方程计算得到：

上式中，

步骤2、将相机安装角误差分解为低频长周期误差模型和高频短周期误差模型，求解低频长周期误差模型的参数和高频短周期误差模型的参数，并由低频长周期误差模型和高频短周期误差模型拟合出与成像时间D和温度T相关的相机安装角误差表达式。

首先，分解的低频长周期误差模型和高频短周期误差模型形式如下：

上式中，Δp

所述低频长周期误差模型是以成像时间D作为自变量的线性模型，形式如下：

上式中，a

建立低频长周期误差模型时，需要求解不同温度下的相机安装角误差，在每个温度条件下求解相机安装角误差时，包括以下步骤：

S1、定义：

对高轨卫星在轨几何定标模型做以下变形，得到：

上面等式两边均左乘R

式中：F

S2、针对待定标序列图像上的每一个控制点坐标，构建标准误差方程。本实施例选取的控制点数量M为9个，构建的标准误差方程为：

V

上式中：上式中：V

A

X为未知数矩阵，表达形式为：X＝[Δp

X＝(A

本实施例中，设置X的初值为[0 0 0]。

L

L

P是目标质点坐标的观测权值，为单位矩阵。

S3、按照最小二乘平差原理，求解迭代停止时的相机安装角误差Δp

得到不同温度下的相机安装角误差后，通过以下方法低频长周期误差模型的参数：

T1、根据一天内不同时刻求得的不同温度下的相机安装角误差，分别统计每一天内Δp

T2、根据低频长周期误差模型，构建低频长周期误差在俯仰、滚动、偏航方向的残差函数模型F

T3、针对N天的低频长周期误差Δp

V

上式中：

A

X

X

本实施例中，设置X

L

T4、按照最小二乘平差原理，求解迭代停止时的a

进一步的，所述高频短周期误差模型以相机温度T作为自变量，形式如下：

上式中，p

进一步的，所述高频短周期误差模型的参数p

Step1、从建立低频长周期误差模型时求得的不同温度下的相机安装角误差Δp

Step2、根据高频短周期误差模型，构建高频短周期误差在俯仰、滚动、偏航方向的残差函数模型F

Step3、针对K个不同温度下的高频短周期误差，构建标准误差方程；本实施例中，K＝10，标准误差方程为：

V

上式中：

A

其中：

Q

Q

X

X

本实施例中，设置X

L

Step 4、按照最小二乘平差原理，求解迭代停止时的p

步骤4，将成像时间D和温度T，代入步骤3的高轨卫星在轨几何定标模型，得到待定标序列图像上任意成像时间和温度下各个位置的精确坐标数据。

本发明的高轨卫星在轨几何定标模型在一次建立完成之后，适用期限为1个月到3个月；以1个月到3个月为时间间隔，定期更新相机安装误差中的低频长周期误差模型参数和高频短周期误差模型参数，使步骤3所述的高轨卫星在轨几何定标模型长期适用。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。