高分辨率衛星幾何定位精度預估方法

文/肖倩 汪松 楊德運

目前與國外同等分辨率衛星比較起來，國產衛星影像的幾何定位精度還存在較大的差距，而產品圖像的幾何定位精度對影像融合、自動變化分析等應用都會帶來較大的影響。制約定位精度提升的一個重要原因是對于衛星系統設計及在軌運行中針對定位精度影響的關鍵技術因素影響機理掌握不夠深入準確，因此亟需針對國產光學遙感衛星深入開展面向衛星一體化設計的成像幾何定位精度的分析評價技術研究，為進一步突破基于平臺載荷一體化及高精度姿軌確定參數的幾何精度提升提供衛星設計技術建議。

1 國內外高分辨率衛星成像幾何定位精度預估方法調研

目前國內外高分辨率衛星成像幾何定位精度分析與評價方法主要分為兩種，一是基于事前的衛星成像幾何定位精度預估方法，二是在軌基于控制點的幾何定位精度評價。基于事前的衛星成像幾何定位精度預估方法，又分為基于誤差源的理論公式計算和基于全鏈路仿真分析衛星成像幾何定位精度的方法。

基于誤差源的理論公式計算方法目前僅就主要誤差源進行分析，各誤差源之間按照線性關系處理。該方法缺乏系統全面的誤差源分析，忽略了各誤差源之間的耦合關系，并且未能反應各項誤差源之間的物理關系。全鏈路仿真分析方法是一種目前國外輔助航天器分析設計的主流方法，國外已經存在DOCS(Dynamics-Optics-Controls-Structures)、IMOS(Integrated Modeling of Optical Systems) 和IME等系統，完成不確定性分析、性能分析、敏感度分析和參數優化分析等。與國外發達國家相比，國內的研究主要集中在分系統或單學科層面上，缺乏系統級的全面綜合分析評估手段。

2 高分辨率衛星成像幾何定位精度預估模型

本文在誤差源誤差建模基礎上，以各誤差源誤差模型建立高分辨率衛星成像幾何定位精度預估模型。利用衛星各項誤差指標，經誤差仿真分析計算實際測量輔助數據，依據全鏈路仿真分析思路，分別獲取理想成像條件下的數據和實際觀測數據，結合衛星實際在軌檢校參數和幾何定位精度預估模型，實現衛星立項過程中幾何定位精度的準確預估。

3 基于模型的定位精度分析與評估

本文利用衛星設計參數指標作為輸入，構建衛星成像模型和幾何定位精度模型，并生成理想格網點數據和實際格網點數據，進行精度評價，得到設計條件下幾何定位精度模型的評估值，若評估值與實際在軌精度在±10%以內，則說明本模型評價精度可靠。

實驗采用WorldView2衛星高精度DOM數據作為定位精度分析驗證數據。圖像區域選擇天津地區，地勢平坦，晴朗無云，紋理豐富，適合進行精度評價。該圖像幅寬超過17.5km，分辨率優于0.5m。原始數據包括RPC參數以及姿軌等輔助數據文件，為精度評價提供一定的數據源。經過詳細調研，得到WorldView2可參考的衛星及載荷設計指標如表1所示。

表1：WorldView-2衛星基本參數

表2：WorldView-2幾何定位精度分析

圖1：檢查點選取

WorldView-2衛星定位精度驗證過程中涉及的關鍵誤差源參數選取如下：內參數采用理想內參數計算，外方位參數采用單位安裝矩陣，姿態測量精度采用0.0001度，高頻顫振采用1Hz、0.5Hz、0.2Hz等，姿態穩定度采用0.0001°/s，軌道定軌精度按照10米計算，時間同步精度按照0.1ms計算。仿真評估采用特征檢查點的方式，檢查點示例如圖1所示。

根據已有WorldView-2衛星載荷設計參數及其設計精度指標，進行如下幾組實驗，分別采用軌道測量精度單軸10m(1σ,三軸)，姿態測量精度單軸0.0001°(1σ,單軸)，時間測量精度0.1ms，暫不考慮檢校殘差對幾何定位精度的影響，實驗結果如表2所示。

WorldView-2衛星實際在軌統計平面無控定位精度為6.5m(CE90)。因此，定位模型評估誤差|6.22-6.5|/6.5=4.31%≤10%。

4 結束語

本文在高分辨率衛星成像全鏈路誤差源分析的基礎上，建立了成像幾何定位精度評估模型，研究了幾何定位精度預估方法，并利用worldview2的數據進行了仿真試驗，驗證了該模型和方法的可行性，預估精度優于10%，是一種切實可行的衛星定位精度預估方法。