基于在轨交叉成像的敏捷光学卫星无场地几何定标方法

Cross imaging is an exclusive imaging mode of agile optical satellite. Using a “cross imaging” pair whose yaw angles have a difference of approximate 90 degrees, obtained by push broom imaging along track and whisk broom imaging across track of the same area, precise calibration of interior orientation elements can be accomplished based on intersection of corresponding image rays without any calibration site. This method will solve the problems of high cost, low efficiency and limited accuracy existed in current geometric calibration method based on calibration site. The project intends to study the model and method of such non-site geometric calibration, according to the characteristics of cross imaging pair. Aiming at the lack of accuracy of current geometric calibration model, which ignores the high frequent, non-linear error of attitude observation during whisk broom imaging, and the ill-conditioned problem of adjustment model caused by correlation of adjustment parameters, this project intends to do research on both crossing imaging geometric calibration model with attitude parameters correction and adjustment model of calibration parameters with additional constraints, and then studies the robust solution of adjustment model. Research of this project will provides a theoretical basis and core algorithm for geometric calibration method without calibration site for agile optical satellite, thus improving the theoretical system and methodology of optical satellite geometric calibration.

交叉成像是敏捷光学卫星特有的一种重要成像模式。利用对同一地区沿轨推扫和垂轨摆扫获取的两景偏航角相差接近90度的“交叉影像”，基于同名光线空间相交的几何关系，可在无定标场条件下实现相机内方位元素的精确标定，从而解决现有基于地面定标场方法成本高、时效性差以及精度受限等瓶颈问题。本项目拟根据敏捷光学卫星交叉成像特点，研究其几何定标模型及方法。针对现有几何定标模型因未顾及垂轨摆扫成像时存在的高频、非线性变化的行姿态误差，导致模型精度较低，以及无定标场条件下缺少地面控制点时，待平差参数相关引起的平差模型病态等问题，本项目拟研究顾及姿态修正的交叉成像几何定标模型以及附加约束条件的定标参数平差模型，并在此基础上研究稳健的模型求解方法。通过本项目的研究，可为敏捷光学卫星无场地几何定标方法提供理论基础和核心算法，完善我国光学卫星几何定标理论与方法体系。

近年来，随着我国光学遥感卫星技术的不断发展，具有超高分辨率和超高敏捷能力的卫星的研制已提上日程，是我国未来对地观测系统的重要组成部分。交叉成像是敏捷光学卫星特有的一种重要成像模式。利用对同一地区沿轨推扫和垂轨摆扫获取的两景偏航角相差接近90度的“交叉影像”，基于同名光线空间相交的几何关系，可在无定标场条件下实现相机内方位元素的精确标定，从而解决现有基于地面定标场方法成本高、时效性差以及精度受限等瓶颈问题。本项目根据敏捷光学卫星交叉成像特点，完成了基于在轨交叉成像的敏捷光学卫星无场地几何定标的关键问题和核心算法的研究工作，针对现有几何定标模型因未顾及垂轨摆扫成像时存在的高频、非线性变化的行姿态误差，导致模型精度较低，以及无定标场条件下缺少地面控制点时，待平差参数相关引起的平差模型病态等问题，实现了顾及姿态修正的交叉成像几何定标模型构建以及附加约束条件的定标参数平差模型的构建，并在此基础上采用局部迭代解算和整体迭代优化相结合的稳健算法实现了定标参数的精确求解。此外，我们将本项目研究的敏捷卫星在轨几何定标方法推广到非敏捷的一般卫星上，实现了利用交叉重叠影像自约束的非敏捷卫星在轨自主几何定标方法，并分别基于仿真数据实验和真实数据实验对定标方法的精度进行了验证。仿真实验的结果表明，在加入随机姿态和高程误差后，定标后的指向角残差的均值仍优于0.01角秒，最大的残差优于0.05个角秒，均方差优于0.04个角秒，对应于设计的成像参数换算后，可知理论定标精度可以达到了0.1个像素。同样利用ZY-3卫星真实的三线阵立体测绘卫星的交叉重叠影像进行了定标实验，实验结果表明，本方法定标后卫星影像的内部精度优于1个像素，可达到与基于地面定标场高精度参考数据的传统定标方法相当的精度。因此，理论精度与实际精度验证均表明本项目研究的自主定标方法是合理可行的，可以满足实际处理中高精度几何定标的精度要求。