基于天绘一号卫星三线阵影像在轨几何检校与精度分析

莫毅君，王 一,2，明朝辉

（1．西安航天天绘数据技术有限公司，西安 710021；2．长安大学，西安 710021；3．山东科技大学，青岛 266510）

基于天绘一号卫星三线阵影像在轨几何检校与精度分析

莫毅君1，王 一1,2，明朝辉3

（1．西安航天天绘数据技术有限公司，西安 710021；2．长安大学，西安 710021；3．山东科技大学，青岛 266510）

针对天绘一号卫星三线阵传感器，综合前视、正视、后视影像的主点、主距及相机夹角变化等影响，同时考虑姿态元素变化特征，建立严密几何标定模型。利用天绘一号七个实验场的三线阵1A影像数据和控制点数据进行几何参数检校和定位精度检测，检测结果表明：通过多个实验区标定结果取均值做为最终标定值，天绘一号卫星无控定位精度可以满足1︰5万立体测图要求。

天绘一号卫星；相机夹角变化；几何参数检校；无控定位

1 引言

传输型卫星由于卫星发射的振动，长时间飞行中温度的变化、太阳辐射等因素的影响，卫星的实验室标定参数将会发生变化。若不进行在轨几何定标处理，直接采用实验室的标定参数难以满足高分辨率卫星无控定位的要求[1]。当前，针对国外多颗卫星，国内外研究学者提出过利用偏置矩阵补偿、内方位元素检校、姿态常差检校[2,3]等多种成熟的几何标定方法，使SPOT5、IKNONS等检校后的无控定位精度均优于50m[4,5,6]，GeoEye，WorldView-1,2无控定位精度优于10m以内。

天绘一号测绘卫星就是我国首颗传输型立体测绘卫星[7]，由航天东方红卫星有限公司基于CAST2000小卫星平台研制。01星于2010年8月发射成功，02星于2012年5月发射成功。其测绘相机采用三线阵成像模式，由前视、正视和后视三台相机组成，前视、后视相机与正视相机交会角均为25°，地面像元分辨率为5m，定位测姿载荷由3台星敏感器和1台GPS接收机组成，标定前，其定位精度在百米数量级，经过在轨标定处理，可进行1︰50000比例尺的地形图制作。

2 在轨标定基本原理

由于卫星长时间的在轨运行，各种实验室标定的参数不可避免地会发生变化，在进行三线阵卫星影像的立体定位前，须将影响定位精度的误差消除掉。经过分析，定位误差主要由摄影机内方位元素和卫星姿态角误差引起。

对于三线阵相机的内方位元素，主要包括相机的主距（fι，fv，fr）和主点（xι，xv，xr，yι，yv，yr）。姿态角误差主要由星地相机夹角的变化引起，需要对姿态角常差进行标定。在轨几何标定误差方程为

δ为内方位元素改正数，

令

3 在轨标定处理流程和精度检测流程

3.1 在轨标定处理流程

由于内、外方位元素之间存在较强的相关性，采用分步标定测策略，对内方位元素和姿态角常差进行分步解算，并通过迭代取得检校结果。标定参数的计算流程如图1所示。

3.2 精度检测流程

利用天绘一号1A级数据，首先利用控制点进行在轨几何标定，修正内方位元素及星地相机夹角，然后通过控制定位技术平差计算，消除天绘影像条带内姿态数据偶然误差，最后利用检查点前方交会进行定位精度统计分析，精度检测流程如图2所示。

4 试验方案设计与精度分析

4.1 试验数据准备

为了提高天绘一号卫星无控定位精度，根据摄影覆盖情况，在国内按照不同纬度、分布均匀等条件选定了东北、新疆及江西等七个实验场区来确定不同的在轨几何标定方案。七个实验场区中，各实验场区范围、地形、影像资料情况见表1所示，七个实验场区测区分布如图3所示。

4.2 姿轨数据分析

从表2中可以看出，精密定轨数据的三轴坐标的三阶差分中误差基本在同一数量级，精密定姿数据的三轴角度的三阶差分中误差也基本在同一数量级，七个实验场区的轨道与姿态数据精度相当，可以等权进行在轨标定与定位精度分析试验。

4.3 参数标定结果及精度分析

对七个测区分别进行了星地相机夹角标定和三线阵相机内方位元素标定。标定结果见表3。

表3表明，七个实验场区的星地相机夹角随维度不同呈现微小变化，其精度稳定的，三轴指向精度在1″数量级。星地相机夹角检校值随纬度的变化情况如图4至图6。

表4至表5的数据表明，七个实验场区的内方位元素变化稳定，精度在0.01mm数量级，其标定方法可靠。

4.4 标定参数使用方案

在对七个实验场区数据进行参数标定后，分别采用五种方案选择标定参数用于精度检测。其中，方案一使用北京实验场区的标定参数；方案二使用北京、安徽的标定参数均值；方案三使用北京、安徽、新疆、重庆的标定参数均值；方案四使用北京、安徽、新疆、重庆、黑龙江吉林（1）、黑龙江吉林（2）的标定参数均值；方案五分别用各测区的标定参数检测各区。

4.5 不同参数使用方案的检测结果与分析

利用五种检校参数，分别对七个场区进行了无控定位处理和精度检测，检测结果见表6至表7。

经过分析表明：当使用两个以下检测场区的标定参数时，不同实验场的定位精度分布不均，随着使用的标定参数的增多，整体的定位精度逐渐趋近一致化；不同方案之间的高程精度变化不明显，随着使用的标定参数的增多，平面精度明显提高。

5 结束语

本文对天绘一号卫星数据进行几何内方位元素和姿态角常差检校，建立该卫星线阵传感器严密几何模型，依托七个实验场区进行几何参数检校和定位精度检测，经测试，几何定位精度稳定可靠，通过多个实验区标定结果取均值做为最终标定值，天绘一号卫星无控定位精度可以满足1︰5万立体测图要求。

[1] 李晶，王蓉，朱雷鸣 等．“天绘一号”卫星测绘相机在轨几何定标.遥感学报，2012. 16 (增刊)∶35-39

[2] 王任享，胡莘．无地面控制点卫星摄影测量的技术难点．测绘科学技术学报，2004. 29(3)∶3-5

[3] 袁修孝，余俊鹏．高分辨率卫星遥感影像的姿态角常差检校[J]．测绘学报，2008. 37(1)∶36-41

[4] VALORGE C. 40Years of Experience with SPOT in-flight Calibration[C/ DK]. Workshop on Radiometric and Geo-metric Calibration. Gulfport.2003

[5] TADONO T,SHIMADA M, HASHIMOTO T, etal. Results if Calibration and Validation of ALOS Optical Sensors, and Their Accracy Assesments[C]//Proceedings of Geoscience and Remote Sensing Symposium.Barcelona IGARSS,2007

[6] 雷蓉，范大昭，刘楚斌 等．ALOS PRISM影像直接定位的系统误差分析[J]．测绘科学技术学报，2011. 28(5)∶356-359

[7] 李松明，李岩，李劲东．“天绘一号”传输型摄影测量与遥感卫星．遥感学报，2013. 17(3)∶9-15

On-orbit Geomatric Calibrition and Precision Analysis based on Three-line Array Camera’s Images of Mapping Satellite-1

Mo Yijun1, Wang Yi1,2, Ming Zhaohui3
(1.Aerors.Inc, Xi’an Shanxi, 710021; 2.Chang’an University, Xi’an Shanxi, 710021; 3.Science and Technology of Shandong University, Qingdao Shandong, 266510)

The strict geometric calibration model of Mapping-1 Satellite’s three-line array camera was established. The model considered the influence of three directions(forward, nadir and backward) images’ principal point, principal distance, camera angle changes and so on. Menwhile, the feature of attitude parameter changes were taked into account.1A product of Mapping-1 Satellite’s three-line array camera and Mapping-1 Satellite’s control point data at seven experimental fields were processed. The experiments included geometric parameters calibration and positioning accuracy detection. The results showed that non-GCP positioning accuracy can meet the map scale of 1∶ 50000 requirements, through taking the mean of several experimental regions’ calibration results as the final calibration value.

Mapping Satellite-1; camera angle changes; geometric parameters calibration; non-GCP positioning

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.06.003

TN96文献标示码：A

1672-7274（2015）06-0031-04