CN108226982A - 单线阵卫星激光联合高精度定位处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供单线阵卫星激光联合高精度定位处理方法,包括:利用单线阵卫星沿轨道前后摆动,以设定交会角获取地面目标的立体影像,及通过立体影像配准获得同名像点的像方坐标;利用初始定向参数和线阵影像像坐标计算加密点初始物方坐标;将激光测高数据与线阵影像配准得到激光点相应的像方坐标;构建误差方程式和对应的权矩阵;建立法方程,并答解影像定位模型参数和加密点地面坐标的改正数,并修正影像定位模型参数和加密点地面坐标;计算中误差,判断两次中误差之差是否小于给定限差,及根据判断结果进行迭代,并输出计算出的影像定位模型参数和加密点地面坐标。本发明在提高定位精度的同时,也能增强数据获取能力,保证遥感信息实时性。
Description
技术领域
本发明属于单线阵卫星通信的技术领域,涉及一种单线阵卫星激光联合高精度定位处理方法。
背景技术
随着航天遥感信息实时性与精确性需求的提高,敏捷卫星成为近年来国际上发展十分迅速的一类高性能卫星。其所搭载的单线阵相机结构简单、体积小、质量轻,在实现高分辨率成像的同时,借助整星大范围、快速姿态机动能力,可以通过沿轨道方向前后摆动获取无明显时间差、无辐射差异的同轨立体像对。但是,与采用固定交会角的多线阵卫星相比,单线阵卫星为实现立体成像,姿态机动角度大且频繁,卫星姿态稳定度较差,使得卫星姿态往往带有很大的随机误差,也会直接影响定位精度。
另外,我国未来测绘卫星的发展趋势是实现无控条件上1:1万比例尺全球地形图的测制。在无控条件下,对于多线阵立体测绘卫星(如天绘一号和资源三号等),其高程精度也很难达到要求,则对单线阵卫星而言更是难上加难。于是,提出了把激光测高数据引入到线阵影像光束法平差中,但是最近几年对于线阵影像和激光数据联合处理的研究主要是针对的多线阵测绘卫星,对单线阵卫星与激光数据的研究尚缺乏。因此,开展单线阵卫星激光联合高精度定位技术的研究尤为重要和迫切。
发明内容
发明所要解决的课题是,如何将对单线阵卫星与激光数据联合,将激光测高数据引入到线阵影像光束法平差中以提高程定位精度。
用于解决课题的技术手段是,提出单线阵卫星激光联合高精度定位处理方法,适用于单线阵卫星激光联合高精度定位的处理技术,该方法既能够提高高程定位精度,实现1:1万无控测图要求;也能够充分发挥单线阵相机的优势,保证高分辨率成像和遥感信息的实时性。
本发明的单线阵卫星激光联合高精度定位处理方法,包括如下步骤:
步骤(1)利用单线阵卫星沿轨道前后摆动,以设定交会角获取地面目标的立体影像,及通过立体影像配准获得同名像坐标,用于步骤(2)中计算加密点初始物方坐标;
步骤(2)根据卫星初始参数得到单线阵对应的初始外方位元素,利用初始外方位元素和单线阵影像同名像坐标计算加密点初始物方坐标;
步骤(3)将激光点物方坐标反投影到单线阵影像得到激光点像方坐标,用于步骤(4)中构建误差方程式;
步骤(4)依据有理多项式构建误差方程式和对应的权矩阵,这里构建误差方程式用到加密点物方坐标和像方坐标、激光点物方坐标和激光点像方坐标;
步骤(5)根据所建立的误差方程式和对应的权矩阵,建立法方程,并答解影像外方位元素和加密点物方坐标改正数,并修正影像外方位元素和加密点物方坐标;
步骤(6)根据所述修正的影像外方位元素和加密点地面坐标计算中误差,判断两次中误差之差是否小于给定限差,及根据判断结果进行迭代,并输出计算出的影像外方位元素和加密点物方坐标。
进一步地,作为本发明的一种优选技术方案,所述步骤(4)构建误差方程式和对应的权矩阵包括:
对于通过单线阵影像立体构像产生的连接点,按照有理多项式建立像点观测方程;
对于落在激光光斑范围内的连接点,建立高程约束观测方程。
进一步地,作为本发明的一种优选技术方案,所述步骤(6)计算中误差采用公式:
式中,RMS表示中误差,r表示多余观测;V表示误差方程式。
进一步地,作为本发明的一种优选技术方案,所述步骤(6)根据判断结果进行迭代,包括:
若判断两次中误差之差大于给定限差,则利用修正后的影像外方位元素和加密点物方坐标作为初始值重新组误差方程式计算其改正量;
若判断两次中误差之差小于给定限差,则停止迭代。
发明效果是,本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明中立体观测是通过单线阵相机沿轨道方向前后摆动实现的,充分发挥单线阵相机高分辨率成像和大角度姿态快速机动性能,使卫星具有更多的姿态工作模式,能够实现快速观测、拼幅成像、立体成像和推扫成像,保证了遥感信息的实时性,增强了数据获取能力,同时降低了成本。
(2)本发明中把激光测高数据引入到光束法区域网平差中,激光测高仪是一种能够精确获得地面三维信息的主动遥感手段,当激光测距精度足够高时,可以把其作为控制约束条件,参与影像的区域网平差计算,优化影像的外方位元素,提高地面点的高程精度,达到1:1万无控条件下地形图测制的精度要求。
附图说明
图1为本发明单线阵卫星激光联合高精度定位处理方法的流程图。
图2为本发明反投影中搜索窗口确定原理图。
图3(a)为本发明实验结果中激光测高数据对单线阵影像定位精度影像图;图3(b)为本发明实验结果中单线阵卫星激光联合平差结果图。
具体实施方式
以下,基于附图针对本发明进行详细地说明。
如图1所示,本发明设计了一种单线阵卫星激光联合高精度定位处理方法,该方法包括如下步骤:
步骤(1)利用单线阵卫星沿轨道前后摆动,以设定的一定交会角获取地面目标的立体影像,及通过立体影像配准获得同名像方坐标,用于步骤(2)中计算加密点初始物方坐标。
步骤(2)根据卫星初始参数得到单线阵影像对应的初始外方位元素,利用初始外方位元素和单线阵影像像坐标计算加密点初始物方坐标,加密点初始物方坐标的计算过程如下:
有理多项式公式如下:
式中,(Y,X)是指加密点像方坐标,(P,L,H)是指加密点物方坐标,NumL、DenL、NumS、DenS是关于(P,L,H)的多项式,计算公式如下:
NumL=a1+a2L+a3P+a4H+a5LP+a6LH+a7PH+a8L2+a9P2+a10H2+a11PLH+a12L3+a13LP2+a14LH2+a15L2P+a16P3+a17PH2+a18L2H+a19P2H+a20H3
DenL=b1+b2L+b3P+b4H+b5LP+b6LH+b7PH+b8L2+b9P2+b10H2+b11PLH+b12L3+b13LP2+b14LH2+b15L2P+b16P3+b17PH2+b18L2H+b19P2H+b20H3
Nums=c1+c2L+c3P+c4H+c5LP+c6LH+c7PH+c8L2+c9P2+c10H2+c11PLH+c12L3+c13LP2+c14LH2+c15L2P+c16P3+c17PH2+c18L2H+c19P2H+c20H3
Dens=d1+d2L+d3P+d4H+d5LP+d6LH+d7PH+d8L2+d9P2+d10H2+d11PLH+d12L3+d13LP2+d14LH2+d15L2P+d16P3+d17PH2+d18L2H+d19P2H+d20H3
其中,a1~a20、b1~b20、c1~c20、d1~d20是有理多项式模型参数,初始值可以从卫星自带数据中获得。
步骤(3)将激光点物方坐标反投影到单线阵影像得到激光点像方坐标,反投影计算激光像坐标的基本过程如下:
如图2所示:设相机焦平面上每条线阵CCD像素数为N,条带影像行数为L,地球平均高程面为H0,在轨道条带上选择a(0,N)、b(0,0)、c(L,0)、d(L,N)、e(L/2,N/2)共5个像点,利用地球平均高程面上对应的地面点A、B、C、D、E坐标,建立变换关系式(2),解算系数c0、c1、c2、c3。
lm=c0+c1×lat+c2×lon+c3×lat×lon (2)
①当给定激光点物方坐标M(P,L,H)时,代入公式(2)计算搜索窗口[lm-δ,lm+δ],δ由立体相机基高比确定;
②搜索窗口内取初始扫描行序号i=lm-δ;
③根据扫描行序号i,获取对应行的外方位元素,计算立体相机焦平面坐标(xi,yi);
④计算扫描行增量Δi=(xi-x0)/ps,更新扫描行序号i=i+Δi(x0表示CCD线阵在焦平面上的横坐标,ps表示CCD像素大小);
⑤若Δi<δ(0.2-0.5像素)迭代终止,否则返回步骤③.
步骤(4)步骤(4)依据有理多项式构建误差方程式和对应的权矩阵,这里构建误差方程式用到加密点物方坐标和像方坐标、激光点物方坐标和激光点像方坐标,具体如下:
①对于通过单线阵影像立体构像产生的连接点,按照有理多项式建立像点观测方程:
由有理多项式公式(1)可得到:
则像点观测方程为:
简写成矩阵形式如下:
V1=A1t+B1X-L1 P1 (5)
式中:
V1=[VX VY]T
t=[Δai Δbi Δci Δdi]T i=1…20
X=[Δdi ΔP ΔL ΔH]T
②影像外方位元素的虚拟观测方程
在计算过程中,由于外方位元素解算参数过多,为了避免各未知数的相关性,每个影像的外方位元素均视为加权“观测值”,建立“虚拟误差方程”进行平差解算:
V2=Et-L2 P2 (6)
式中,E为单位矩阵,权值P2,通常依照卫星初始外方位元素确定。
③对于落在激光光斑范围内的连接点,建立高程约束观测方程
V3=B3Δh-L3 P3 (7)
式中,Δh为高程改正数,权值P3根据激光测距精度进行设定
综上所述:误差方程式为:
其中:
第一组方程是基于有理多项式的像点观测方程:A1和B1为像点计算值对未知数(影像外方位元素和加密点物方坐标)的偏导数,t为影像外方位元素的改正数,X为加密点物方坐标的改正数,L1为观测方程的常数项,P1为权阵,V1为残差。
第二组方程是影像外方位元素的虚拟观测方程,权值取决于卫星初始外方位元素的精度。
第三组方程是高程约束方程,对落入激光光斑范围内的连接点,其高程值应与激光测量值保持一致,权值取决于激光测高精度。
步骤(5)根据所建立的误差方程式和对应的权矩阵,建立法方程,并答解影像外方位元素和加密点物方坐标的改正数,并修正影像外方位元素和加密点物方坐标。
本步骤利用法化答解外方位元素和加密点物方坐标,具体如下:
根据最小二乘原理,误差方程式的法方程如下:
把法方程中的系数矩阵和常数项用新的符号代替,写成如下形式:
用消元法消去加密点物方坐标改正数得到改化法方程式,即:
则求解得到定向参数和加密点地面坐标改正数如下所示:
步骤(6)首先,求解得到未知数t和X,则可得到总的误差方程式V=At+BX-L.按照公式(8)计算中误差。根据所述修正的影像外方位元素和加密点物方坐标计算中误差,计算中误差采用公式:
式中,RMS表示中误差,r表示多余观测;V表示误差方程式。
然后,判断两次中误差之差是否小于给定限差,及根据判断结果进行迭代,并输出计算出的影像外方位元素和加密点物方坐标。若大于限差则返回(4)步,利用修正后的影像外方位元素和加密点物方坐标作为初始值重新组误差方程式计算其改正量,继续迭代使得下次迭代过程中的初始值取上次迭代完成修正后的值;若小于限差,则停止迭代,并输出计算出的影像外方位元素和加密点物方坐标。
为了验证本发明能够实现高程定位精度和保证高分辨率成像和遥感信息的实时性,特列举一验证例进行说明。
为了验证本发明联合定位的精度指标,仿真激光测高数据,并运用到单线阵卫星XM的区域网平差中,表1为仿真激光测高数据所用到的技术指标:
表1
激光脉冲频率 | 激光光斑直径 | 激光发射数量 | 激光脉冲夹角 | 激光测距精度 | 侧摆角 |
40HZ | 20m | 3 | 0.7° | 0.5m | 0~42° |
根据表1中技术指标参数仿真得到3束在单线阵卫星影像上分布均匀的激光条带数据,然后将得到的激光数据作为高程约束加入到区域网平差中,其平面和高程中误差的变化如图3(a)和图3(b)所示:
综上可以看出:激光测高数据可以显著提高立体影像平差结果中的高程精度。根据当前设备技术指标,测高数据辅助的无控平差高程精度可以保持在2-3米的平均水平。但测高数据的约束对提升平面精度没有帮助。星载激光测高仪在卫星侧摆角较大的情况下会产生显著的测高误差。在侧摆角小于25度时,联合平差可以使高程精度提升30%以上;但是当侧摆角大于25度,高程精度的提升幅度大大下降,仅有15%-20%的水平。
综上,本发明通过激光测高数据约束线阵影像,优化影像的外方位元素,提高高程定位精度,从而达到无控条件下的精度要求。既能够提高高程定位精度,实现1:1万无控测图要求;也能够充分发挥单线阵相机的优势。保证了遥感信息的实时性,增强了数据获取能力,同时降低了成本。单线阵卫星激光联合高精度定位处理技术,将单线阵卫星影像数据和激光测高数据联合处理,在提高定位精度的同时,也能增强数据获取能力,保证遥感信息实时性。
需要说明的是,以上说明仅是本发明的优选实施方式,应当理解,对于本领域技术人员来说,在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进,这些都包括在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.单线阵卫星激光联合高精度定位处理方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤(1)利用单线阵卫星沿轨道前后摆动,以设定交会角获取地面目标的立体影像,及通过立体影像配准获得同名像坐标,用于步骤(2)中计算加密点初始物方坐标;
步骤(2)根据卫星初始参数得到单线阵对应的初始外方位元素,利用初始外方位元素和单线阵影像同名像坐标计算加密点初始物方坐标;
步骤(3)将激光点物方坐标反投影到单线阵影像得到激光点像方坐标,用于步骤(4)中构建误差方程式;
步骤(4)依据有理多项式构建误差方程式和对应的权矩阵,这里构建误差方程式用到加密点物方坐标和像方坐标、激光点物方坐标和激光点像方坐标;
步骤(5)根据所建立的误差方程式和对应的权矩阵,建立法方程,并答解影像外方位元素和加密点物方坐标改正数,并修正影像外方位元素和加密点物方坐标;
步骤(6)所述修正的影像外方位元素和加密点地面坐标计算中误差,判断两次中误差之差是否小于给定限差,及根据判断结果进行迭代,并输出计算出的影像外方位元素和加密点物方坐标。
2.根据权利要求1所述单线阵卫星激光联合高精度定位处理方法,其特征在于,所述步骤(4)构建误差方程式和对应的权矩阵包括:
对于通过单线阵影像立体构像产生的连接点,按照有理多项式建立像点观测方程;
对于落在激光光斑范围内的连接点,建立高程约束观测方程。
3.根据权利要求1所述单线阵卫星激光联合高精度定位处理方法,其特征在于,所述步骤(6)计算中误差采用公式:
式中,RMS表示中误差,r表示多余观测;V表示误差方程式。
4.根据权利要求1所述单线阵卫星激光联合高精度定位处理方法,其特征在于,所述步骤(6)根据判断结果进行迭代,包括:
若判断两次中误差之差大于给定限差,则利用修正后的影像外方位元素和加密点物方坐标作为初始值重新组误差方程式计算其改正量;
若判断两次中误差之差小于给定限差,则停止迭代。
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