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1、72中国空间科学技术2014年12月ChineseSpaceScienceandTechnology第6期敏捷卫星立体定位角元素影响分析孙峻赵鸿志杨芳赵键(航天东方红卫星有限公司,北京100094)摘要为精确开展敏捷卫星效能评估,合理制定机动能力及其测量部件指标,首先针对敏捷卫星利用平台大角度姿态机动,以单线阵CCD相机实现立体成像的特点,分析了单线阵与三线阵立体定位角元素影响差异。其次建立了敏捷卫星立体定位精度评估模型,进行了内、外方位元素与角元素相关性分析,给出了各误差近似解析算法。解析分析定量给出了满足定位精度要求时敏捷卫星立体成像角方位元素及其测
2、量精度指标的取值范围。关键词立体成像;单线阵电荷耦合相机;定位精度评估模型;敏捷卫星DOI:10·3780/·jissn·1000-758X·2014·06·0101引言随着航天遥感信息实时性与精确性需求的提高,采用敏捷卫星平台配置单台单线阵CCD相机的光学遥感小卫星成为近年来国际上发展十分迅速的一类高性能卫星。单线阵相机结构简单、体积小、质量轻,在实现高分辨率的同时,借助整星大范围、快速姿态机动能力,能通过沿轨道方向前[1]后摆动获取无明显时间差、无辐射差异的同轨立体像对,目前主流的高分辨率卫星,如美国的[2-4]WordView、GeoEye等和法国
3、的Pleiades卫星都采用高定位精度敏捷成像技术。文献[5]分析了影响推扫成像遥感卫星图像定位精度的各种误差源,以及侧摆成像条件下高程和目标斜距的不确定性对图像定位精度的影响,但未对立体成像定位精度误差源进行分析。文献[6]通过构建三线阵CCD影像的摄影测量估算模型,对三线阵CCD影像立体测绘精度主要误差源进行了分析,但该模型不适用于敏捷模式下单线阵相机立体成像定位精度分析。文献[7]研究了单线阵CCD相机立体测绘定位中相机几何误差对定位精度的影响,分析了相机几何标定和像点量测误差对定位结果的影响,文献[8]研究了如何提高姿态确定精度,减少外方位中角元
4、素误差对定位精度影响的方法,但未对敏捷模式下姿态机动、成像规划对定位精度的影响进行分析。针对上述问题,本文针对敏捷卫星采用单线阵相机利用卫星平台进行大角度姿态机动实现同轨[9]立体成像的特点,根据前方交会模型,推导敏捷卫星平台角元素及其误差在立体定位中的误差传播规律,研究了不同观测条件下角元素及其误差对平面和高程定位精度的影响,为敏捷卫星系统指标设计及其效能评估提供理论支持。2敏捷卫星立体定位的基本原理敏捷卫星单线阵CCD相机同轨立体成像是通过卫星在一定侧摆角的基础上,沿轨道方向前后摆动,以一定交会角获取地面目标的立体影像,并经摄影测量处理对目标进行高程
5、定位了单线阵立收稿日期:2014-04-02。收修改稿:2014-07-252014年12月中国空间科学技术73体定位的原理示意如图1所示。假设地面上任一点P(X,Y,Z),P1、P2分别为地面点P在立体影像上对应的像点。点P同时位于直线S1P1与S2P2上,若立体影像的位置与姿态已知,那么根据像点P1、P2坐标就可确定这两条空间直线,这样地面点P就是这两条直线的交点,即它的位置是唯一确定的。以上所述就是立体定位的基本原理(如图2所示),从中可以看出,立体定位的数学基础是空间前方交会公式。其中S1S2为空间摄影基线B。图1敏捷卫星同轨立体成像示意图2空间
6、前方交会示意Fig·1AgilitysatellitestereomappinginsingleorbitFig·2Spaceintersectiondiagram对于采用单线阵CCD相机的敏捷卫星,与三线阵或两线阵立体影像由两台前视、后视相机依靠严格的安装角构成固定交会角不同,是由卫星平台俯仰机动使一台相机前后两次成像构成立体像对。前者由于卫星平台轨道运动相对平稳,姿态角变化较小。因此角元素即卫星姿态误差引起的定位误差系数只与摄影比例尺、固定的交会角毬、相机焦距f有关。而对于敏捷卫星,大角度的姿态机动使得角元素成为定位精度评估模型中的主要影响因素,不仅
7、与姿态测量精度有图3俯仰角误差对定位结果的影响示意关,而且与敏捷机动的姿态大小有关,俯仰角误差对Fig·3Influencesofagilitysatelliteangleof定位精度影响原理如图3所示。pitcherroronpositionaccuracy3定位精度评估模型空间前方交会是根据立体像对前后影像的内、外方位元素和同名像点的影像坐标匹配来确定该点[10]的物方空间坐标的过程。同名摄影光线空间前方交会地面点坐标(XP,YP,ZP)的计算公式如下:XP=XS+NX1=XS+BX+N曚X2ü11êêê1YP=YS+NY1=YS+BY+N曚Y2=Y
8、S+(NY1+N曚Y2+BY)ý(1)1112êêêZP=ZS1+NZ1=ZS1
