ZY-3衛星姿態插值與擬合方法研究

范城城，王　密，朱　映，向夏蕓，程宇峰

(武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

Research on the Method of ZY-3 Satellite Attitude Interpolation and Fitting

FAN Chengcheng，WANG Mi，ZHU Ying，XIANG Xiayun，CHENG Yufeng

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ZY-3衛星姿態插值與擬合方法研究

范城城，王密，朱映，向夏蕓，程宇峰

(武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

Research on the Method of ZY-3 Satellite Attitude Interpolation and Fitting

FAN Chengcheng，WANG Mi，ZHU Ying，XIANG Xiayun，CHENG Yufeng

摘要：衛星姿態作為構建ZY-3衛星高分辨率遙感影像嚴密幾何成像模型的必要參數，其精度對衛星影像幾何定位精度有直接影響，因此研究如何獲取衛星成像時刻的三線陣影像掃描行精確姿態具有重要意義。本文分別基于多項式插值方法、多項式擬合方法及球面線性插值方法對ZY-3衛星星上直傳精密姿態進行了擬合與平滑，進一步與基于高精度幾何定標場反演的對地相機精密姿態進行了比較。研究結果表明，基于歐拉角姿態參數的插值擬合方法同樣適用于四元數姿態參數，兩者精度相當，且姿態擬合精度可以達到1～2角秒級，為遙感影像高精度幾何處理提供精確可靠的外方位角元素。

關鍵詞：姿態擬合；姿態插值；多項式擬合；球面線性插值；ZY-3衛星

一、引言

高精度衛星姿態是構建光學影像嚴密幾何成像模型時重要的外方位角元素，因此ZY-3衛星遙感影像幾何定位精度在很大程度上對衛星姿態質量具有依賴性。為實現ZY-3衛星精密定姿任務從而進一步保證高分辨率遙感影像的幾何定位精度，星上配置了高精度星敏感器與慣性陀螺傳感器，通過兩者的組合定姿，可以充分保證ZY-3衛星高精度定姿任務[1]。考慮到ZY-3衛星遙感線陣影像成像時刻與衛星姿態解算時刻不一致，以及不同定姿手段、采樣間隔、定姿載荷觀測歷元不同步等因素，需要對衛星姿態進行插值或擬合。同時，在高分衛星地面數據處理過程中，需要獲取每一個掃描行的軌道和姿態數據，按照一定間隔獲取的采樣數據并不能在地面處理系統中直接應用，必須經過插值擬合構建合理的數學模型，從而保證高分光學衛星影像數據處理的順利進行[2-3]。

衛星姿態常用的插值或擬合方法有Lagrange插值、連分式插值、一元全區間插值、埃特金插值、光滑插值、球面線性插值、最佳平方逼近多項式擬合及最佳一致逼近多項式擬合等[4]。對衛星姿態旋轉量的插值，一般會考慮采用基于X、Y、Z軸旋轉的歐拉角進行插值擬合，實踐證明，由于歐拉角參數表達衛星姿態存在奇點，基于歐拉角的直接插值會導致姿態不連續性，且繞X、Y、Z軸旋轉順序的不同也會得到不同的旋轉矩陣[5-6]。因此，相比于歐拉角旋轉插值，姿態四元數作為衛星姿態常用描述參數，其旋轉插值擬合可以得到更加連續平滑的衛星姿態，故嘗試研究利用常規的插值擬合數學方法對ZY-3衛星四元數姿態參數進行數學建模具有一定意義。本文在驗證ZY-3衛星星上直傳精密姿態精度的基礎上，分別采用最佳平方逼近多項式插值、最佳平方逼近多項式擬合、最佳一致逼近多項式擬合及球面線性插值對衛星姿態參數進行數學建模與精度評價分析，并進一步得出一些有意義的結論，為ZY-3高分遙感衛星線陣影像高精度姿態確定奠定基礎。

二、相關原理

1. ZY-3衛星高精度組合定姿原理

ZY-3衛星作為我國第一顆高分辨率測繪衛星，衛星上配置的姿態敏感器包括：2臺德國ASTRON10星敏感器、1臺國產APS星敏感器、4組陀螺敏感器(其中1組為光纖陀螺儀)等。

ZY-3衛星星上高精度姿態解算主要是基于星載定姿傳感器遙測信息，構建合理的函數模型與隨機模型，采用一定的最優估計算法，精密確定衛星姿態參數，其涉及的主要處理模塊包括遙測數據預處理模塊、星敏感器測量模型構建模塊、慣性陀螺測量模型構建模塊、姿態敏感器內部特性參數標定模塊、姿態敏感器相對標定與絕對標定模塊、信息融合模塊等。圖1為ZY-3衛星星上直傳高精度姿態解算流程。

圖1　ZY-3衛星星上直傳高精度姿態解算流程

2. ZY-3衛星對地相機精密姿態反演原理

對地相機精密姿態反演技術作為ZY-3衛星星載姿態敏感器組合定姿精度外部評價的重要手段，其主要基于對地相機高分辨率遙感影像、高精度衛星軌道及遙感影像幾何定標場，構建高分辨率影像嚴密幾何成像模型，最終反演出對地相機精密姿態參數。圖2為對地觀測相機精密姿態反演流程。

圖2　ZY-3衛星對地觀測相機精密姿態反演流程

3. 多項式插值原理

拉格朗日多項式插值作為一種常用多項式插值方法，因內插形式簡單、計算速度快而被廣泛應用。時刻t的ZY-3衛星姿態歐拉角參數(φ,ω,κ)可以利用其左右相鄰的n個時刻外方位元素(φj,ωj,κj)，j∈[1,n]，按照如下公式內插計算

(1)

其中

除以上介紹的拉格朗日插值方法，本文涉及的多項式插值方法還包括一元全區間插值(Lgr)、一元三點插值(Lg3)、連分式插值(Pqs)、埃特金逐步插值(Atk)及光滑插值(Spl)等，主要原理與拉格朗日插值存在很多共性，故在此不再贅述。本文姿態四元數插值主要原理同上，具體按照如下公式內插計算

(2)

其中

式中，q0、q1、q2、q3表示待定時刻t姿態四元數，q0的正負號與其通過插值得到的值正負號相同。

4. 球面線性插值原理

球面線性插值(Slerp) 主要原理是構建一個函數q(t)，采用t時刻左右兩端四元數q1、q2對t時刻的姿態進行確定，這樣不僅會保持其單位長度不變,并且若將q1和q2看為四維空間單位球上的兩個點，則Slerp將以恒定的速率掃過q1和q2之間的夾角θ。Slerp的基本原理如圖3所示。

圖3　四元數球面線性插值原理

單位四元數q(t)位于連接q1和q2的弧上, 與q1構成的夾角為tθ(t∈[0,1])，與q2構成的夾角為(1-t)θ(t∈[0,1]),于是q(t)可表示為q(t)=C1(t)q1+C2(t)q2。其中,C1(t)和C2(t)分別表示q(t)在q1和q2方向上分量的長度。根據圖3中所示的相似三角形關系, 可以推導出C1(t)和C2(t)的表達式

(3)

則Slerp的插值函數可表示為

(4)

其中

θ=arccos-1〈q1·q2〉=

arccos-1(q10·q20+q11·q21+q12·q22+q13·q23)

如果將q1,q2看作四維空間中單位球上的兩個點,Slerp將沿著連接它們的最短弧進行插值,并且能保持恒定的內插速度，可以用于高分遙感衛星姿態四元數插值。

5. 多項式擬合原理

(1) 最佳平方逼近多項式擬合

(5)

(6)

(7)

設

則

(8)

(9)

(2) 最佳一致逼近多項式擬合

(10)

滿足在n個給定點上的偏差最大值為最小，即

1) 從給定的n個點中選取m+1個不同點t0、t1、…、tm組成初始參考點集。

(11)

三、ZY-3衛星姿態插值與擬合精度分析

1. 試驗數據

圖4　ZY-3衛星星上直傳精密姿態四元數與對地相機精密姿態四元數時間序列

本文的試驗數據包括由中國資源衛星應用中心提供的年積日DOY34/2012，軌道號為381的ZY-3衛星星上直傳精密姿態數據，以及基于武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室高分辨率光學衛星地面預處理系統軟件RSOne與河南嵩山幾何定標場反演的ZY-3衛星對地相機精密姿態數據。ZY-3衛星星上直傳精密姿態數據弧段長度約550 s，ZY-3衛星對地相機精密姿態數據受到幾何定標場范圍限制，弧段長度約為1.5 s，三線陣相機高分影像定標場掃描行約5000行，姿態精度為亞角秒級。圖4與圖5分別表示ZY-3衛星星上直傳精密姿態及對地相機精密姿態的四元數參數與歐拉角參數時間序列，從圖中可以看出年積日DOY34/2012，軌道號為381的ZY-3衛星運行平穩，姿態變化緩慢，為進一步研究奠定了良好的數據基礎。

圖5　ZY-3衛星星上直傳精密姿態歐拉角與對地相機精密姿態歐拉角時間序列

2. 試驗分析

(1) ZY-3衛星姿態插值精度分析

本文首先基于四元數球面線性插值方法對ZY-3衛星上直傳精密姿態精度進行驗證，將DOY34/2012，軌道號為381的ZY-3衛星星上直傳精密姿態數據與對地相機精密姿態數據進行對比，進一步統計姿態精度分布情況。圖6表示兩者姿態對比精度統計圖，可以看出，ZY-3衛星上直傳精密姿態精度可以達到1～2角秒級，且RMS_yaw=1.784，RMS_roll=2.474，RMS_pitch=1.020(單位均為arcsecond)，為高分遙感影像高精度對地定位提供了可靠的外方位角元素。

圖6　ZY-3星上直傳精密姿態與對地相機精密姿態對比精度統計

進一步討論其他多項式插值方法的選取，分別基于一元全區間插值(Lgr)、一元三點插值(Lg3)、連分式插值(Pqs)、埃特金逐步插值(Atk)及光滑插值(Spl)對軌道號381的ZY-3衛星星上直傳精密姿態數據進行最佳平方逼近多項式數學建模，并將插值結果與對地相機精密姿態數據進行比較，具體從姿態歐拉角航偏角(yaw)、滾動角(roll)及俯仰角(pitch)3個姿態方向進行統計，結果如圖7—圖11所示。

圖7　基于一元全區間插值精度統計

圖8　基于一元三點插值精度統計

圖9　基于連分式插值精度統計

圖10　基于埃特金逐步插值精度統計

圖11　基于光滑插值精度統計

圖7表示基于一元全區間插值，分別對四元數參數與歐拉角參數進行數學建模，通過與對地相機精密姿態比較可以看出，基于一元全區間插值方法進行姿態建模，四元數參數插值精度與歐拉角參數插值精度相當，可以達到角秒級。同樣，圖8表示基于一元三點插值，分別對四元數參數與歐拉角參數進行數學建模，同樣可以得到很好的結果。

圖9表示基于連分式插值，分別對四元數參數與歐拉角參數進行數學建模，通過與對地相機精密姿態比較可以看出，基于連分式插值方法進行姿態建模，四元數參數插值精度與歐拉角參數插值精度都不太理想，無法滿足ZY-3高分線陣影像高精度姿態建模要求，故連分式插值不適合ZY-3衛星姿態參數建模。

圖10與圖11分別表示基于埃特金逐步插值與光滑插值，分別對四元數參數與歐拉角參數進行數學建模，通過與對地相機精密姿態比較可以看出，埃特金逐步插值與光滑插值方法可以用于ZY-3衛星姿態建模，四元數參數插值精度與歐拉角參數插值精度相當，可以達到角秒級。

表1進一步詳細統計基于不同多項式插值方法，通過與對地相機精密姿態進行比較，四元數參數插值精度與歐拉角參數插值的精度分布情況。由分析可知，除連分式插值方法，一元全區間插值、一元三點插值、埃特金逐步插值、球面線性插值及光滑插值方法都可以用于ZY-3衛星姿態數據建模，四元數參數插值精度與歐拉角參數插值精度相當，且利用球面線性插值方法進行衛星姿態建模最可靠。

(2) ZY-3衛星姿態擬合精度分析

為進一步驗證本文結論可靠性，分別基于最佳平方逼近多項式擬合模型與最佳一致逼近多項式擬合模型，對四元數姿態參數進行擬合分析。表2詳細統計不同擬合數據個數與擬合階次情況下最佳平方逼近多項式四元數參數擬合精度分布情況，通過分析比較可以發現，當擬合數據個數n為10～60，擬合階次m為5～20時，最佳平方逼近多項式擬合模型可以用于ZY-3衛星姿態四元數參數數學建模，擬合精度為1～2角秒，滿足ZY-3衛星高分線陣影像高精度定姿要求。

表1　基于不同多項式插值方法的姿態精度統計　arcsecond

表2　基于最佳平方逼近多項式擬合的姿態精度統計　arcsecond

圖12表示基于擬合數據個數n=30,m=10最佳平方逼近多項式擬合的姿態四元數精度分布情況，由分析可以發現，航偏角(Yaw)、滾動角(Roll)及俯仰角(Pitch)3個姿態參數方向誤差精度變化穩定，可以達到角秒級，進一步驗證了本文的論點。

圖12　基于擬合數據個數n=30,m=10最佳平方逼近多項式擬合的姿態精度統計

表3詳細統計了不同擬合數據個數與擬合階次情況下最佳一致逼近多項式四元數參數擬合精度的

分布情況，通過分析比較可以發現，當擬合數據個數n為10～60，擬合階次m為1～2時，最佳一致逼近多項式擬合模型可以用于ZY-3衛星姿態四元數參數數學建模，擬合精度為1～2角秒，滿足ZY-3衛星高分線陣影像高精度定姿要求，相比于最佳平方逼近多項式擬合模型，最佳一致逼近多項式模型用于ZY-3衛星姿態參數建模時，階次的可選空間不大，故不太建議將最佳一致逼近多項式擬合模型用于ZY-3衛星四元數參數擬合。圖13進一步驗證了以上結論。

arcsecond

四、結論

本文驗證了ZY-3衛星星上直傳精密姿態精度，并采用多項式插值模型、多項式擬合模型及球面線性插值模型對ZY-3衛星姿態參數進行數學建模，研究結果表明：

1) 針對ZY-3衛星星上直傳的精密姿態，除連分式插值方法外，一元全區間插值、一元三點插值、埃特金逐步插值、球面線性插值及光滑插值方法都可以用于ZY-3衛星姿態數據建模，四元數參數插值精度與歐拉角參數插值精度相當， 插值精度為1～2

角秒級，且利用球面線性插值方法進行衛星姿態建模最可靠。

2) 在以上結論的基礎上進一步對ZY-3衛星上直傳精密姿態四元數參數進行多項式擬合，試驗證明相比于最佳一致逼近多項式擬合模型，最佳平方逼近多項式擬合更加適用于ZY-3衛星姿態四元數參數的建模要求，擬合精度為1～2角秒，有效保證了用于高分遙感影像高精度幾何處理的外方位角元素精度要求。

致謝：感謝中國資源衛星應用中心提供的數據。

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引文格式： 范城城，王密，朱映,等. ZY-3衛星姿態插值與擬合方法研究[J].測繪通報，2015(1)：15-21.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0003

通信作者：王密。E-mail：wangmi@lmars.whu.edu.cn

作者簡介：范城城(1986—)，男，博士生，主要從事光學衛星影像高精度幾何處理與深空導航方面的研究工作。E-mail：ccfan@whu.edu.cn

基金項目：國家973計劃(2014CB744201)；國家863計劃(2011AA120203)；國家自然科學基金(41371430)；長江學者與創新團隊發展計劃(IRT1278)

收稿日期：2014-07-30

中圖分類號：P237

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)01-0015-07