CN107504981A - 一种基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法及设备，该方法包括计算同名像点对应的地面三维坐标与卫星的第一距离值，计算卫星激光测高仪精确测量的地面点与卫星的第二距离值与所述第一距离值的差值，根据该差值判断卫星姿态误差是否需要修正，当需要修正时，根据上述第二距离值、同名像点对应的地面三维坐标、星载相机参数和当前卫星姿态参数得到修正后的卫星姿态参数。本发明提供的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法，利用卫星同平台搭载的激光测高仪获得的高精度测距信息，对卫星的姿态角测量误差进行探测并有效修正，提高卫星影像无地面控制时的高程精度，能有效解决境外地区的高精度测图难题，节省成本。
Description
技术领域
本发明涉及卫星测绘技术领域，具体涉及一种基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法及设备。
背景技术
卫星摄影测量和激光测高仪是目前卫星对地观测获得三维地表信息的两项重要技术。其中卫星摄影测量是当今世界各国用于地形图测绘的通用型先进技术，特别是近年来随着三线阵相机等技术的发展，三维遥感信息的获取技术取得了长足的进步。
卫星激光测高具备主动获取全球地表及目标三维信息的能力，能为快速获取包括境外地区在内的三维控制点以及立体测图提供服务，同时在极地冰盖测量、植被高度及生物量估测、云高测量、海面高度测量以及全球气候监测等方面都可以发挥重要作用。对于测绘领域而言，能在航天摄影测量中得到有效应用是卫星激光测高数据的核心价值所在，卫星激光测高数据的一个主要用途就是与光学立体影像进行联合处理，提高其无控高程精度，满足控制点难以获得地区特别是境外的高精度测图需求。
资源三号是我国首颗民用高精度立体测图卫星，使我国测绘卫星实现了“零的突破”。卫星发射两年多来，已经在测绘、国土、水利、减灾等方面得到了广泛应用，产生了巨大的社会经济效益，打破了我国长期以来对国外高精度卫星影像的依赖，同时也节省了大量外汇。深入开展以资源三号为代表的国产测绘卫星高精度立体测图技术研究，提升困难地区及全球立体测图的精度及产品业务化生产能力，是实现我国对全球高精度地形数据快速获取的前提和基础。
国产高分七号卫星即将于2018年下半年发射，该卫星上同时搭载了激光测高仪和立体相机，主要用于1:10000比例尺的高精度立体测图，其中激光测高仪主要用于获取高精度的高程控制数据，并与立体影像复合测绘提高影像的高程测量精度。但由于光学立体卫星立体测图方式以及卫星姿轨测量精度、相机畸变等方面的原因，导致其在无地面控制点的条件下，其高程测量精度还难以满足高精度测绘的需求，现有技术一般通过在地面测量获得高精度的地面控制点，利用平差方法补偿卫星平台的姿态角误差，实现立体影像高程精度的提升，核心问题在于要花费较大的人力物力去测量获得高精度的地面控制点，而这在境外地区基本难以实现。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法及设备，以解决现有技术中的卫星姿态角误差修正方法成本高，且无地面控制点的高程测量精度难以满足测绘需求的问题。
为此，本发明实施例提供了如下技术方案：
本发明实施例提供了一种基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法，包括：根据同名像点对应的地面三维坐标和激光工作时的卫星位置，计算所述同名像点对应的地面三维坐标与卫星的第一距离值；计算激光测高仪精确测量获得的地面点与卫星的第二距离值与所述第一距离值的差值；根据所述差值判断卫星姿态误差是否需要修正；当所述卫星姿态误差需要修正时，根据所述第二距离值、所述同名像点对应的地面三维坐标、星载相机参数和当前卫星姿态参数得到修正后的卫星姿态参数。
可选地，根据所述第二距离值、所述同名像点对应的地面三维坐标、星载相机参数和当前卫星姿态参数得到修正后的卫星姿态参数，包括：根据所述第二距离值、所述同名像点对应的地面三维坐标、星载相机参数和当前卫星姿态参数获取联合平差模型；利用所述联合平差模型获取卫星姿态误差改正数；根据所述卫星姿态误差改正数得到修正后的卫星姿态参数。
可选地，根据所述卫星姿态误差改正数得到修正后的卫星姿态参数，包括：将所述卫星姿态误差改正数与预定阈值进行比对；当所述卫星姿态误差改正数大于所述预定阈值时，根据所述卫星姿态误差改正数得到修正后的卫星姿态参数，并将修正后的卫星姿态参数作为所述当前卫星姿态参数，并返回所述获取联合平差模型的步骤。
可选地，当所述卫星姿态误差改正数小于所述预定阈值时，根据所述卫星姿态误差改正数得到修正后的卫星姿态参数，并停止修正计算。
可选地，根据同名像点对应的地面三维坐标和激光工作时的卫星位置，计算所述同名像点对应的地面三维坐标与卫星的第一距离值，在此步骤之前，还包括：根据激光足印影像和立体影像对，获取激光足印点对应的立体影像的同名像点坐标；根据卫星影像严密几何定位模型和所述同名像点坐标，通过立体影像前方交会计算出所述同名像点对应的地面三维坐标。
可选地，所述联合平差模型为：V＝Ax-L
式中，A1为同名像点的地面三维坐标改正数的系数矩阵，A2为激光点的地面三维坐标改正数的系数矩阵，B1为同名像点的成像模型改正数参数系数矩阵，B2为激光点的成像模型改正数参数系数矩阵，C为激光距离约束方程中地面三维坐标改正数的系数矩阵，D为虚拟观测误差方程中模拟修正参数的系数矩阵,x1为同名像点的地面三维坐标改正数，x2为激光点的地面三维坐标改正数，t为卫星姿态误差改正数，L1、L2为根据成像模型计算的误差方程常数项，L3为激光距离约束方程计算的误差方程常数项，v1和v2、v3、v4分别为成像模型、激光距离约束、虚拟观测值的误差方程改正数。
可选地，所述激光距离约束方程为：
式中，F为函数表达式，(X，Y，Z)为所述同名像点对应的地面三维坐标；(XS、YS、ZS)为所述激光工作时的卫星位置坐标；ρ为所述激光测量的地面点与卫星的第二距离值，由激光测高仪精确测得。
可选地，所述C的表达式为：
式中，(X，Y，Z)为所述同名像点对应的地面三维坐标；(XS、YS、ZS)为所述激光工作时的卫星位置坐标。
可选地，根据所述卫星姿态误差改正数得到修正后的卫星姿态参数，包括：根据姿态误差补偿模型获取修正后的卫星姿态参数，所述姿态误差补偿模型为：
ω(t)＝ω+Δω＝ω+b0+b1(t-t0)+b2(t-t0)2+…
κ(t)＝κ+Δκ＝κ+c0+c1(t-t0)+c2(t-t0)2+…
式中，ak,bk,ck(k＝0,1,2,…)为补偿参数，t为所述卫星姿态值对应的时间，t0为起始参考时间，为卫星的俯仰角，ω为卫星的滚动角，k为卫星的航偏角，ω、k为t时刻的原始姿态测量值，ω(t)、k(t)为经过改正后的t时刻的卫星姿态值。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如上所述的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法。
本发明实施例技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供了一种基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法及设备，包括根据同名像点对应的地面三维坐标和激光工作时的卫星位置，计算同名像点对应的地面三维坐标与卫星的第一距离值，计算卫星测量的地面点与卫星的第二距离值与所述第一距离值的差值，根据该差值判断卫星姿态误差是否需要修正，当卫星姿态误差需要修正时，根据上述第二距离值、同名像点对应的地面三维坐标、星载相机参数和当前卫星姿态参数得到修正后的卫星姿态参数。本发明实施例中的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法，利用卫星同平台搭载的激光测高仪获得的高精度测距信息，对卫星的姿态角测量误差进行探测并有效修正，显著提高卫星影像无地面控制时的高程精度，能有效解决境外地区的高精度测图难题，节省成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法的一个流程图；
图2是根据本发明实施例的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法的另一个流程图；
图3是根据本发明实施例的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法中卫星姿态误差探测流程图；
图4是根据本发明实施例的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法的激光测高示意图；
图5是根据本发明实施例的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法的严密几何成像模型示意图；
图6是根据本发明实施例的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法中卫星姿态误差修正流程图；
图7是根据本发明实施例的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法的计算机设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
在本实施例中提供了一种基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法，图1是根据本发明实施例的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法的一个流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
S101：根据同名像点对应的地面三维坐标和激光工作时的卫星位置，计算同名像点对应的地面三维坐标与卫星的第一距离值；具体地，根据激光足印影像和立体影像对，获取激光足印点对应的立体影像的同名像点坐标，根据卫星影像严密几何定位模型和同名像点坐标，通过立体影像前方交会计算出同名像点对应的地面三维坐标，即激光足印点物方三维坐标，然后根据卫星在激光达到地面时刻的星上激光参考点的三维坐标，即上述激光工作时的卫星位置，计算同名像点对应的地面三维坐标和卫星上激光参考点的三维坐标之间的距离。
S102：计算激光测高仪精确测量获得的地面点与卫星的第二距离值与上述第一距离值的差值；具体地，卫星上的激光测高仪也会测出一个地面点与卫星的距离值，即第二距离值，该第二距离值由于是激光测得，精度非常高，如高分七号激光测距精度约0.3m，而卫星姿态角存在误差会导致地面的三维坐标存在一定误差，因此上述计算的第一距离值一定与第二距离值之间存在高程误差。
S103：根据该差值判断卫星姿态误差是否需要修正；根据上述计算的高程误差，将其与第二预定阈值比较，如果该差值大于第二预定阈值，说明卫星姿态角存在较大误差，需要修正，如果该差值小于第二预定阈值，说明卫星姿态角存在的误差较小，可以忽略，例如在一个具体实施方式中，如果计算出的距离值与激光测量的距离值差值大于等于1.0m，则说明卫星姿态存在较大误差，需要继续补偿；如果小于1.0m，则可忽略不计，不对卫星姿态进行修正。为了提高探测灵敏度，也可重新设定阈值，如0.5m，但一般取值不小于激光测距误差，如资源三号02星，激光测距误差约1.0m。
S104：当卫星姿态误差需要修正时，根据上述第二距离值、同名像点对应的地面三维坐标、星载相机参数和当前卫星姿态参数得到修正后的卫星姿态参数；当判断卫星姿态误差需要修正时，根据第二距离值、同名像点对应的地面三维坐标、星载相机参数和当前卫星姿态参数等参数建立一个联合平差模型，根据该联合平差模型按最小二乘法求解得到卫星姿态误差改正数，根据该改正数得到修正后的卫星姿态参数。
通过上述步骤，根据同名像点对应的地面三维坐标和激光工作时的卫星位置，计算同名像点对应的地面三维坐标与卫星的第一距离值，计算激光测量的地面点与卫星的第二距离值与上述第一距离值的差值，根据该差值判断卫星姿态误差是否需要修正，当卫星姿态误差需要修正时，根据上述第二距离值、同名像点对应的地面三维坐标、星载相机参数和当前卫星姿态参数得到修正后的卫星姿态参数，本发明实施例利用同平台的卫星激光测高数据探测并修正卫星姿态误差，最终提高影像的无地面控制点的高程测量精度，对于资源三号后续星、高分七号卫星以及其他类型的测绘卫星都具有一定的参考和指导作用。对于难以实地获得高精度控制数据境外地区更是具有重要的实际应用价值，可以显著提高卫星影像无地面控制时的高程精度，能有效解决境外地区的高精度测图难题。
上述步骤S104涉及到当卫星姿态误差需要修正时，根据第二距离值、同名像点对应的地面三维坐标、星载相机参数和当前卫星姿态参数得到修正后的卫星姿态参数，在一个可选实施方式中，根据所述第二距离值、同名像点对应的地面三维坐标、星载相机参数和当前卫星姿态参数获取联合平差模型，利用该联合平差模型获取卫星姿态误差改正数，将该卫星姿态误差改正数与预定阈值进行比对，当卫星姿态误差改正数大于预定阈值时，根据卫星姿态误差改正数得到修正后的卫星姿态参数，并将修正后的卫星姿态参数作为当前卫星姿态参数，并返回获取联合平差模型的步骤，当卫星姿态误差改正数小于预定阈值时，根据所述卫星姿态误差改正数得到修正后的卫星姿态参数，并停止修正计算。根据激光测量的卫星与地面点的距离来达到最终修正卫星姿态参数的目的，这样即使在无地面点测绘时，也能保证高程测量精度，对于资源三号后续的卫星、高分七号卫星以及其他类型的测绘卫星都具有一定的参考和指导作用。
图2是根据本发明实施例的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法的另一个流程图，如图2所示，在一个具体实施方式中，基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法的总体流程是：根据精度可靠的激光测距参数、激光足印相机影像、两/三线阵相机参数及立体影像、卫星姿态参数和轨道参数，通过严密成像模型，计算出卫星与地面点的距离值和基于距离约束的卫星姿态误差探测，然后再根据卫星姿态参数和轨道参数、激光测距参数联合约束的区域网平差，最终姿态误差改正数，补偿姿态误差，提高影像高程精度，即需要先基于激光测高数据对卫星姿态误差进行探测，然后再对姿态误差进行修正。
图3是根据本发明实施例的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法中卫星姿态误差探测流程图，如图3所示，根据激光足印影像和立体影像对，提取激光足印点对应的立体影像同名像点，根据卫星影像严密几何定位模型，结合同名像点坐标、相机参数、卫星姿轨参数等，通过立体影像前方交会的方式计算出同名像点的地面三维坐标，根据该地面三维坐标与激光工作时的卫星位置，计算地面点与卫星的距离值，如果计算出的该距离值与激光测量的距离值的差值大于等于1.0m，则说明卫星姿态存在较大误差，需要进行补偿，即修正，如果差值小于1.0m，则可忽略不计，不对卫星姿态进行补偿，为了提交探测灵敏度，也可重新设定阈值，如0.5m，但一般取值不小于激光测距误差，如资源三号02星，激光测距误差约1.0m。
在一个具体实施方式中，给出了具体的卫星姿态误差探测过程，图4是根据本发明实施例的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法的激光测高示意图，如图4所示，卫星在T0和T2时刻拍摄的影像形成同轨立体影像，可用于三维地形测量，但因为姿态角误差的存在，导致地面的坐标存在一定误差，特别是俯仰角的测量误差，会引起显著的高程误差Δh。如果在在T1时刻激光获得精确的距离测量信息ρ，则通过添加一个距离约束，可以显著提高高程精度，且补偿掉姿态测量误差。
假定卫星轨道高度为H，基线长度为B，前后视相机在同一地物点P成像时刻分别为T0和T2，沿轨方向的角分别为和测量误差为和因角测量误差而引起的点位高程误差为：
对于资源三号卫星而言，和符号相反、数值相等，而且和互相独立，因此，式(1)的高程误差也可表示为：
因角测量误差而引起的点位平面定位误差为：
而一般数值在几角秒的左右，因此角误差对平面精度的影响很小。以资源三号卫星为例，基高比约0.89，轨道高度为500km，前后视角约22.5°，如果则相应的高程和平面误差分别为4.51m和2.81m。另外两个角ω和κ虽然对高程误差也有一定影响，但与角相比不是很明显。
图4中激光对应的地面点P与卫星T1时刻位置的距离可描述为：
式中，(XS,YS,ZS)为卫星在激光达到地面时刻的星上激光参考点的三维坐标；(X,Y,Z)为激光足印点物方三维坐标；
如果ρ为激光测高仪测得的单程激光测距值，为经大气延迟修正后的精确距离值，则理论上存在：
图4中，如果在T1时刻激光获得距离测量信息为ρ，在角误差存在时，若影像交会到P1点，此时的卫星与地面点的距离值与ρ会存在偏差，特别是当P点位于平坦区域时，该偏差会非常明显。通过比较影像交会计算出的地面点到卫星的距离与激光测量的距离差值，可以判断是否存在显著的姿态角误差，而增加激光距离值约束，可有效提高角误差的改正精度，提高最终影像的无地面控制的三维坐标精度，特别是高程精度。
对于航天线阵CCD相机，根据像点、投影中心和对应物方点三点共线原理，其严密几何定位模型可以用图5表示，图5是根据本发明实施例的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法的严密几何成像模型示意图，如图5所示，O1-X1Y1Z1为本体坐标系，O2-X2Y2Z2为轨道坐标系，在资源三号卫星中，这两个坐标系的Z轴方向均按右手准则指向地心方向，坐标轴间的三个角度关系由星敏感器测量获得，O-XYZ为地球地固坐标系，如常用的WGS84坐标系。
高分辨率卫星影像的严密几何成像模型可表示为：
式中，(ψx)P、(ψy)P代表线阵CCD第P个探元成像时沿轨道方向和垂直轨道方向的指向角。X,Y,Z为第P个探元对应的地面点的物方三维空间坐标；XG,YG,ZG为卫星在成像时刻的CCD投影中心的三维空间坐标；是由影像测量坐标系与本体坐标系间的转换矩阵，通过在轨几何定标获得；是由卫星姿态测量设备(星敏感器或陀螺)测得的本体坐标系在轨道坐标系中的姿态角而组成的转换矩阵；为轨道坐标系与天球惯性坐标系的转换矩阵，由卫星的位置和速度计算而来；为天球惯性坐标系相对于地固坐标系，如WGS84的转换矩阵；m为比例因子。
从同名像点坐标(l,p)到地面三维坐标(X，Y，Z)的计算过程如下：
成像过程推导：(l,p)→(X,Y,Z)。
(1)计算l行p列像素所对应的成像时间：
t＝tc+lsp×(l-lc) (7)
式中，tc为中央扫描行的摄影时间，lsp为每行的扫描时间，lc为中央扫描行的行号。
(2)通过列号p计算出指向角(ψx)p和(ψy)p
(3)内插出t时刻卫星的位置和
(4)内插出t时刻卫星的姿态角：
式中，ω(ti)，k(ti)分别为ti时刻卫星的俯仰角、滚动角、航偏角，可以从辅助数据文件中获取。
(5)计算和
其中，
和分别是像素(l,p)成像时刻t卫星的位置和速度矢量。
(6)计算
采用基于春分点的经典坐标转换方法计算惯性坐标系到地心地固坐标系的转换矩阵：
式中，P(t)为岁差矩阵；N(t)为章动矩阵；R(t)为地球自转矩阵；W(t)为极移矩阵；相应的转换矩阵都已有比较成熟的模型和方法。
(7)前方交会计算地面三维坐标
在公式(6)中描述了影像点对应的指向角(ψx,ψy)与地面三维坐标(X，Y，Z)的关系，但还存在一个比例因子m，对于单个影像上的点而言，无法直接通过影像坐标计算出地面坐标，必须采用多个影像构成立体观测相对，通过多幅影像上的同名点前方交会计算出地面三维坐标。
将公式(6)写成类似共线条件方程的形式：
公式(14)变换可得方程：
即：
对于立体影像来说，在每一个影像上都可以列出上面的两个方程，如果是两度重叠，则可以列出四个方程，然后求解(X,Y,Z)三个未知数，获得影像对应的地面三维坐标。通过前方交会解求地面三维坐标(X，Y，Z)的过程及方法已经很成熟，本文不赘述。然后再公式(4)计算地面点与卫星的距离值，根据激光距离约束方程公式(5)计算该距离值与激光测量的距离值的差值，从而根据该差值判断卫星姿态误差是否需要修正。
图6是根据本发明实施例的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法中卫星姿态误差修正流程图。如图6所示，根据激光足印影像和立体影像对，提取激光足印点对应的立体影像同名像点，根据激光测距值、同名像点的影像坐标、星载相机参数、卫星姿轨参数等列出联合平差模型，在联合平差模型中选择卫星姿态误差补偿方式，解算联合平差模型，求出卫星姿态误差该正数，设定姿态误差改正数阈值，如设为5*10-6rad，如果卫星姿态误差改正数大于阈值，则继续返回获取联合平差模型的步骤，直到求出的卫星姿态误差改正数小于预定阈值，则停止计算，根据该卫星姿态误差改正数获取修正后的卫星姿态参数。
在一个具体实施方式中，给出了一个具体的卫星姿态误差修正流程，首先采用基于卫星姿态参数的严密几何成像模型，同时附加激光测距参数等约束条件进行联合处理，其联合平差的误差方程可以用下式描述：
v1＝A1x1+B1t-L1 P1
v2＝A2x2+B2t-L2 P2
v3＝Cx2-L3 P3
v4＝Dt P4 (18)
其中，x1为同名像点的地面三维坐标改正数，x2为激光点的地面三维坐标改正数，t为卫星姿态误差改正数，A1，A2为共线方程中同名像点和激光点的地面三维坐标改正数的系数矩阵、B1,B2为共线方程中同名像点、激光点的对应的影像的模型改正参数系数矩阵、C为激光距离约束方程中地面三维坐标改正数的系数矩阵，D为虚拟观测误差方程中模拟修正参数的系数矩阵，P为各观测值的权矩阵，L1、L2为根据成像模型计算的误差方程常数项，L3为激光距离约束方程计算的误差方程常数项，v1和v2、v3、v4分别为成像模型、激光距离约束、虚拟观测值的误差方程改正数。
公式(18)中的第一、二类误差方程分别为同名影像点、激光在影像上的投影坐标而列出的误差方程，由公式(17)而来。第三类误差方程为距离约束误差方程，由公式(5)式而来，第四类为对几何成像模型进行补偿的参数虚拟观测误差方程。
公式(18)的核心为第三类方程，采用激光测距参数约束时如方程式(5)，相应的误差方程及系数矩阵为：
v＝Cx-L (19)
式中，v为距离约束方程(5)的改正数，理论上应有v＝0；
公式(18)中第四类方程为成像模型补偿参数的虚拟观测方程，在采用严密几何成像模型时，由于目前国产卫星轨道测量精度已经达到较高水平，其误差基本可忽略不计，可以只对姿态参数进行补偿优化，补偿参数一般采用多项式的模式。
卫星姿态参数补偿模型为：
ω(t)＝ω+Δω＝ω+b0+b1(t-t0)+b2(t-t0)2+……(20)
κ(t)＝κ+Δκ＝κ+c0+c1(t-t0)+c2(t-t0)2+…
式中，ak,bk,ck(k＝0,1,2,…)为补偿参数，t为所述卫星姿态值对应的时间，t0为起始参考时间，为卫星的俯仰角，ω为卫星的滚动角，k为卫星的航偏角，ω、k为t时刻的原始姿态测量值，ω(t)、k(t)为经过改正后的t时刻的卫星姿态值。
在该实施方式中，使用一次型改正模型，即：
Δω＝b0+b1(t-t0)
Δκ＝c0+c1(t-t0) (21)
式中，a0,b0,c0,a1,b1,c1为补偿系数。
将公式(18)总的写为：
V＝Ax-L (22)
依据VTPV＝0，按最小二乘求解方法，求出改正参数t，将t于预定阈值比较，在本实施例中，预定阈值设为5*10-6rad，如果t大于或者等于预定阈值，则返回获取联合平差模型的步骤，根据公式(20)和公式(21)可以求得修正后的卫星姿态参数，卫星姿态参数改变则会导致同名像点坐标对应的地面三维坐标(X，Y，Z)的改变，因此联合平差模型中的参数也会改变，重新计算出新的卫星姿态误差改正数，直到最终计算出的卫星姿态误差改正数t小于预定阈值，说明此时的卫星姿态误差不大，可以忽略，根据此时的卫星姿态误差改正数获取卫星姿态参数的修正值。
实施例2
图7是根据本发明实施例的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法的计算机设备的硬件结构示意图，如图7所示，该设备包括一个或多个处理器710以及存储器720，图7中以一个处理器710为例。
执行基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法的设备还可以包括：输入装置730和输出装置740。
处理器710、存储器720、输入装置730和输出装置740可以通过总线或者其他方式连接，图7中以通过总线连接为例。
处理器710可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器710还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器720作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法对应的程序指令/模块。处理器710通过运行存储在存储器720中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法。
存储器720可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储卫星姿态误差修正装置的使用所创建的数据等。此外，存储器720可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器720可选包括相对于处理器710远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至卫星姿态误差修正的处理装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置730可接收输入的数字或字符信息，以及产生与卫星姿态误差修正的处理装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置740可包括显示屏等显示设备。
所述一个或者多个模块存储在所述存储器720中，当被所述一个或者多个处理器710执行时，执行如图1所示的方法。
上述产品可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果以及未在本实施例中详尽描述的技术细节，具体可参见如图1至图6所示的实施例中的相关描述。
实施例3
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(FlashMemory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (11)
1.一种基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法，其特征在于，包括：
根据同名像点对应的地面三维坐标和激光工作时的卫星位置，计算所述同名像点对应的地面三维坐标与卫星的第一距离值；
计算激光测高仪精确测量获得的地面点与卫星的第二距离值与所述第一距离值的差值；
根据所述差值判断卫星姿态误差是否需要修正；
当所述卫星姿态误差需要修正时，根据所述第二距离值、所述同名像点对应的地面三维坐标、星载相机参数和当前卫星姿态参数得到修正后的卫星姿态参数。
2.根据权利要求1所述的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法，其特征在于，根据所述第二距离值、所述同名像点对应的地面三维坐标、星载相机参数和当前卫星姿态参数得到修正后的卫星姿态参数，包括：
根据所述第二距离值、所述同名像点对应的地面三维坐标、星载相机参数和当前卫星姿态参数获取联合平差模型；
利用所述联合平差模型获取卫星姿态误差改正数；
根据所述卫星姿态误差改正数得到修正后的卫星姿态参数。
3.根据权利要求2所述的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法，其特征在于，根据所述卫星姿态误差改正数得到修正后的卫星姿态参数，包括：
将所述卫星姿态误差改正数与预定阈值进行比对；
当所述卫星姿态误差改正数大于所述预定阈值时，根据所述卫星姿态误差改正数得到修正后的卫星姿态参数，并将修正后的卫星姿态参数作为所述当前卫星姿态参数，并返回所述获取联合平差模型的步骤。
4.根据权利要求3所述的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法，其特征在于，当所述卫星姿态误差改正数小于所述预定阈值时，根据所述卫星姿态误差改正数得到修正后的卫星姿态参数，并停止修正计算。
5.根据权利要求1所述的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法，其特征在于，根据同名像点对应的地面三维坐标和激光工作时的卫星位置，计算所述同名像点对应的地面三维坐标与卫星的第一距离值，在此步骤之前，还包括：
根据激光足印影像和立体影像对，获取激光足印点对应的立体影像的同名像点坐标；
根据卫星影像严密几何定位模型和所述同名像点坐标，通过立体影像前方交会计算出所述同名像点对应的地面三维坐标。
6.根据权利要求2所述的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法，其特征在于，所述联合平差模型为：
V＝Ax-L
<mrow>
<mi>V</mi>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "[" close = "]">
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<mtr>
<mtd>
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<mi>v</mi>
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<mtr>
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<mn>0</mn>
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<mtd>
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<mi>A</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
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<mtd>
<msub>
<mi>B</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mtd>
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<mtr>
<mtd>
<mn>0</mn>
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<mi>C</mi>
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<mn>0</mn>
</mtd>
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<mtr>
<mtd>
<mn>0</mn>
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<mtd>
<mn>0</mn>
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<mtd>
<mi>D</mi>
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</mtr>
</mtable>
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<mo>,</mo>
<mi>x</mi>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "[" close = "]">
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<mtd>
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<mi>x</mi>
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<mtr>
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<msub>
<mi>x</mi>
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<mo>=</mo>
<mfenced open = "[" close = "]">
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<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>L</mi>
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<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>L</mi>
<mn>3</mn>
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</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mn>0</mn>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>,</mo>
</mrow>
式中，A1为同名像点的地面三维坐标改正数的系数矩阵，A2为激光点的地面三维坐标改正数的系数矩阵，B1为同名像点的成像模型改正数参数系数矩阵，B2为激光点的成像模型改正数参数系数矩阵，C为激光距离约束方程中地面三维坐标改正数的系数矩阵，D为虚拟观测误差方程中模拟修正参数的系数矩阵，x1为同名像点的地面三维坐标改正数，x2为激光点的地面三维坐标改正数，t为卫星姿态误差改正数，L1、L2为根据成像模型计算的误差方程常数项，L3为激光距离约束方程计算的误差方程常数项，v1和v2、v3、v4分别为成像模型、激光距离约束、虚拟观测值的误差方程改正数。
7.根据权利要求6所述的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法，其特征在于，所述激光距离约束方程为：
<mrow>
<mi>F</mi>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>X</mi>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>X</mi>
<mi>S</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>Y</mi>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>Y</mi>
<mi>S</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>Z</mi>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mi>S</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
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<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</msqrt>
<mo>-</mo>
<mi>&rho;</mi>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
</mrow>
式中，F为函数表达式，(X，Y，Z)为所述同名像点对应的地面三维坐标；(XS、YS、ZS)为所述激光工作时的卫星位置坐标；ρ为所述激光测量的地面点与卫星的第二距离值，由激光测高仪精确测得。
8.根据权利要求7所述的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法，其特征在于，所述C的表达式为：
<mrow>
<mi>C</mi>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mfrac>
<mrow>
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<mi>X</mi>
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<mo>-</mo>
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<mi>X</mi>
<mi>S</mi>
</msub>
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</mrow>
<mn>2</mn>
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<mo>+</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>-</mo>
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<mi>Y</mi>
<mi>S</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
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<mo>+</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>Z</mi>
<mo>-</mo>
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<mi>Z</mi>
<mi>S</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
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<mtd>
<mfrac>
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<mo>(</mo>
<mi>Z</mi>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>Z</mi>
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<mi>X</mi>
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<mi>Y</mi>
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<mi>Z</mi>
<mi>S</mi>
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<mtd>
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<mi>X</mi>
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<msub>
<mi>X</mi>
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</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>Y</mi>
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<mi>Y</mi>
<mi>S</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>Z</mi>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mi>S</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</msqrt>
</mfrac>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
式中，(X，Y，Z)为所述同名像点对应的地面三维坐标；(XS、YS、ZS)为所述激光工作时的卫星位置坐标。
9.根据权利要求2所述的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法，其特征在于，根据所述卫星姿态误差改正数得到修正后的卫星姿态参数，包括：
根据姿态误差补偿模型获取修正后的卫星姿态参数，所述姿态误差补偿模型为：
ω(t)＝ω+Δω＝ω+b0+b1(t-t0)+b2(t-t0)2+…
κ(t)＝κ+Δκ＝κ+c0+c1(t-t0)+c2(t-t0)2+…
式中，ak,bk,ck(k＝0,1,2,…)为补偿参数，t为所述卫星姿态值对应的时间，t0为起始参考时间，为卫星的俯仰角，ω为卫星的滚动角，k为卫星的航偏角，ω、k为t时刻的原始姿态测量值，ω(t)、k(t)为经过改正后的t时刻的卫星姿态值。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至9中任一项所述的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法。
11.一种计算机设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求1至9中任一项所述的基于激光测高数据的卫星姿态误差修正方法。
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