顾及光行差改正的遥感卫星成像模型及验证

张宏伟 张炳先,2 侯作勋 彭呈祥

顾及光行差改正的遥感卫星成像模型及验证

张宏伟1张炳先1,2侯作勋1彭呈祥1

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094）

结合光学遥感卫星的几何特性和成像机理，系统地分析了光行差效应对光学遥感卫星对地观测精度的影响。根据光行差效应影响的机理与特点，文章推导出了严格的光行差模型，并通过一个变换矩阵将该模型引入到传统共线方程模型中，实现了模型中光线真方向向量与视方向向量之间的转换。在实验阶段，通过两组实验对本模型的精度和有效性进行了对比验证，首先基于不同侧摆角的模拟影像对比分析了传统模型和本模型的定位精度，然后，结合几何定标的补偿效应，对比分析了两种初始模型及定标后的精化模型在不同侧摆角下的定向精度，进而验证各模型对光行差的改正效果。实验结果表明，文中方法可以有效的补偿卫星影像由光行差引起的几何误差，提高敏捷光学卫星大侧摆成像时的定位精度。

光行差 严格成像模型 定位精度 几何定标敏捷光学卫星 航天遥感

0 引言

光行差[1-2]（Aberration of Light，AOL）通常指在同一瞬间，运动中的观测者所观测到的天体视方向与静止的观测者所观测到的真方向之差，是一种普遍存在的物理现象。对于对地观测的光学卫星而言，可将其搭载的光学载荷作为观测者，由于卫星在轨时是按照其预定轨道不断运动的，因此其视方向与真方向之间通常存在一定的夹角，即卫星对地观测的光行差（本文将其视为光行差误差）。目前，一些国内外学者对于光行差的影响机理进行了研究，然而主要集中在天文[3-6]和飞行器导航[7-9]等领域，在对地观测领域[10-12]研究的文献不多。

从光行差的定义可知，光行差对于定位精度的影响主要和卫星运行速度（相对于地面的速度）和光信号从地面传播到卫星的时间有关，因此，对于一般的中低轨光学遥感卫星，假设其轨道高度为500km，则在其星下点成像时光线传播时间约为0.001 7s，若卫星在WGS84坐标系下的飞行速度为7.9km/s，通过简单的数学换算可知，由光行差引起的定位误差为13.5m，而在卫星侧摆成像时，卫星成像距离随着侧摆角增加而变大，因此该误差同样会相应的增大。然而，目前在轨运行的卫星光学遥感卫星如“资源三号”（ZY-3）、“天绘一号”（TH-1）等姿轨测量精度较稳定的光学卫星[13-16]，在不考虑光行差影响的情况下已经可以达到优于15m的定位精度，究其原因，主要是因为这些卫星均是非敏捷的对地观测卫星，不会进行大侧摆对地成像，因此卫星成像过程中光线传播距离基本不变，不同成像时刻光信号从地面传播到卫星的时间几乎一致，此外由于卫星运行速度相对稳定，因此由光行差引起的定位误差基本为一沿轨方向的系统性误差。在进行卫星在轨几何标定时，该误差将被作为外参数误差的一部分一并补偿，因此，对于这些卫星即使不考虑光行差的影响，在完成在轨几何定标后仍能达到较高的定位精度。

然而，随着卫星姿轨控制能力的不断提高，越来越多的光学卫星具备敏捷成像能力。在不同侧摆角的情况下，光信号传播的距离会发生变化，进而造成定标参数不能完全补偿光行差误差。针对该问题，本文从光行差的影响机理出发，建立基于严格成像模型的光行差改正模型，实现对于光行差误差的有效补偿。

1 光行差影响分析