面向高精度立体定位的高分线推扫式影像稳健姿态模型研究

Attitude model plays a vital role in high-accuracy geopositioning of high resolution satellite images, which provides the attitude of high-resolution push-broom camera at any moment. The present approximation models can not model the attitude oscillation, meanwhile interpolation models are easily influenced by the attitude noise, which makes them both unable to meet the demand for high-accuracy geopositioning. In this project, we propose a robust attitude model, named as penalized spline model, which uses the B splines as the base function to model the complex movement with its locality and the minimization of angular acceleration as the penalty to reduce the noise. Priori noise level of attitude data is used to estimate penalized parameter, which could generate a more robust attitude model to separate the oscillation from noise. The distribution of residuals will be studied using imaging simulation and the least squares matching. The effects of attitude errors and stereo geometry on the 3D geopositioning will be analyzed under the epipolar coordinate and the map projection coordinate. Then a weighted fusion method is proposed for multi-angle and multi-temporal stereos to achieve higher geopositioning accuracy. This project will contribute to revealing the motion pattern of high resolution pushbroom cameras. It will promote the development of high-accuracy geopositioning of the sub-meter resolution satellite images and provide a reference for the design of future navigation system.

姿态模型描述了高分线推扫式影像任意成像时刻的相机姿态，是影响影像立体定位精度的关键因素之一。当前主流的姿态拟合模型无法对姿态颤振建模，而姿态内插模型易受噪声的影响，均无法满足高精度立体定位的需求。本项目提出了基于惩罚样条函数的稳健姿态模型，具有局部性的B样条基函数可以对姿态颤振建模，而角加速度最小的惩罚约束项可以抑制噪声影响。项目拟基于姿态的先验噪声水平估计惩罚因子，提升姿态模型鲁棒性，实现姿态微小颤振与噪声的分离；通过成像仿真和最小二乘匹配，探明姿态残余高频误差的分布规律；在建立核面坐标与地图坐标框架的基础上，阐明姿态高频误差和立体几何对立体定位精度的作用机理，发展多角度、多时相立体的加权融合方法，进一步提高立体定位精度。项目的实施将有助于揭示高分线推扫式传感器运动模式的规律，推进我国亚米级高分辨率光学卫星高精度自主定位的发展，为后续高分卫星的定姿系统设计提供借鉴。

高分辨率对地观测系统已成为地球空间信息的主要数据源之一。姿态精度是决定高分辨率光学卫星影像高精度立体定位的关键因素，轻微的姿态角误差经过数百公里的放大，将“差之毫厘，失之千里”。经过星敏感器和陀螺仪在轨联合定姿后的下传姿态是离散的，且含有噪声。传统的拟合模型无法有效描述姿态颤振；而插值模型无法有效抵抗噪声影响。.项目拟采用B样条作为基函数以实现对姿态微小颤振建模，通过引入姿态角加速度最小的惩罚约束实现对噪声的抑制。由于平台的噪声水平并不固定，因此采用广义交叉验证进行噪声水平估计，通过与Akaike 信息准则、贝叶斯信息准则等对比，分析不同准则下姿态残余误差引起多光谱影像波段配准差大小，表明广义交叉验证法能较好针对不同长度、不同姿态噪声水平下的稳健姿态建模。.经过稳健姿态模型对姿态颤振建模和姿态噪声部分滤除后，姿态残余高频误差量级将大幅度减小。为进一步分析高分线推扫式相机的残余姿态，项目通过光束法平差，补偿姿态的低频误差。在此基础上，利用高精度DEM、DOM进行仿真。此时仿真影像与真实影像的配准误差主要由未建模误差所引起。项目采用了Micmac实现了两者的高精度匹配，在此基础上对姿态残余高频误差进行了滤波。实验结果表明，经过稳健姿态模型建模后，资源三号测绘卫星残余姿态高频误差在0.3个像元内。.在建立稳健姿态模型的基础上，本项目将其应用于资源三号01星传感器校正产品生产。将生成的三线阵影像进行光束法平差，消除姿态低频误差的影响。在此基础上，分别构建前-下、下-后视立体像对，分别生成DSM。通过对两者DSM的差值分析姿态误差的影响，实验表明稳健姿态模型相比于姿态线性插值模型，可以有效降低DSM差值中的颤振效应。在生成DSM过程中，提出基于改进SGM的DSM生成方法，可以有效提高DSM的完整性。项目为进一步抑制姿态高频误差的影响，针对Worldview-3数据展开实验分析，研究表明基于多视角影像的联合定位可以有效抑制姿态高频误差的影响，提高定位精度。