光学卫星几何精度论证

1、光学卫星几何精度论证光学卫星几何精度论证张张 过过 2理论精度分析轨道、姿态、内方位元素对定位精度影响的分析控制点数量及分布、DEM精度对定位精度影响正反算验证和外星验证仿真精度分析考虑控制点数量及分布、考虑DEM精度对比 验证对比 验证轨道模型姿态模型内方位元素模型STK仿真、国产卫星辅助数据轨道仿真姿态仿真对比 验证 对比 验证误差数据制作标称数据制作成像几何模型构建误差几何定位标称几何定位-地面处理在轨相机几何标定无控处理定位精度对比 验证带控处理定位精度对比 验证3星载光学卫星几何精度预估星载光学卫星几何精度预估n定位精度需求定位精度需求 系统定位精度系统定位精度-无控制点达到多高水平

2、无控制点达到多高水平 内精度内精度 -减少控制点需求减少控制点需求 定位精度稳定性需求定位精度稳定性需求4几何定位指标论证平台几何定位指标论证平台n仿真精度仿真精度-平面和高程精度：平面和高程精度： 轨道指标轨道指标-轨道仿真轨道仿真 姿态指标姿态指标-姿态仿真姿态仿真 内方位元素指标内方位元素指标-内方位元素表达方式内方位元素表达方式 积分时间仿真积分时间仿真n理论精度和仿真精度对比分析理论精度和仿真精度对比分析n数据处理验证数据处理验证5几何指标论证平台几何指标论证平台6轨道仿真轨道仿真该模块主要包含以下四个方面的内容：n轨道主要摄动因素分析 n轨道积分n卫星轨道初值的计算 n轨道误差模拟

3、 7轨道仿真轨道仿真-轨道主要摄动因素分析轨道主要摄动因素分析低轨卫星的动力学模型 enedrrrr地球中心引力的加速度rrGMren3 地球非球形摄动力的加速度1)()()(tWtRtPNRUrRRUrUre 大气阻力产生的加速度 ),()(21thrrrrmSCraaDd 8轨道仿真轨道仿真-卫星轨道初值的计算卫星轨道初值的计算基于定位点基于定位点(lat，lon，H)9轨道仿真轨道仿真-轨道误差模拟轨道误差模拟n系统误差：系统误差：按定轨可能出现的最大误差叠加；按定轨可能出现的最大误差叠加；n随机误差：随机误差：高斯白噪声高斯白噪声 硬件硬件 真正的随机数据流真正的随机数据流 （昂贵）（

4、昂贵） 软件软件 伪随机数发生器伪随机数发生器 乘同余法乘同余法 0，1分布的伪随机数分布的伪随机数 标准化标准化- 正态分布正态分布 均值为零均值为零 方差符合条件方差符合条件n量化误差：量化误差：（影响很小）（影响很小）10姿态仿真姿态仿真n星历姿态星历姿态 姿态稳定度姿态稳定度 高频可测部分高频可测部分n实际在轨姿态实际在轨姿态 设备安装误差（相机、测姿设备）设备安装误差（相机、测姿设备） 测姿误差（多种测姿方式）测姿误差（多种测姿方式） 高频不可测部分高频不可测部分 量化误差（影响很小）量化误差（影响很小）11姿态仿真姿态仿真-姿态稳定度姿态稳定度姿态角长周期变化量，姿态角速率统姿态角

5、长周期变化量，姿态角速率统计量，即姿态漂移，单位为计量，即姿态漂移，单位为/s，利，利用随机统计原理模拟成像时间段内的用随机统计原理模拟成像时间段内的姿态角速率，进行叠加姿态角速率，进行叠加12姿态仿真姿态仿真-高频颤振高频颤振sin()2122sin(2)yAtTfTfyAftsin(2)iiiyAf t高频颤振模型：13姿态仿真姿态仿真-星历姿态的制作星历姿态的制作1.设定初始姿态（星敏设定初始姿态（星敏轨道轨道）2.叠加叠加姿态稳定度姿态稳定度3.星敏星敏轨道姿态转换为星敏轨道姿态转换为星敏J20004.根据测姿输出频率，叠加根据测姿输出频率，叠加高频颤振高频颤振可测部分可测部分（J20

6、00系下）；系下）；5.叠加星敏安装、相机安装，制作出相机叠加星敏安装、相机安装，制作出相机J2000姿态。姿态。6.按姿态量化指标输出星历按姿态量化指标输出星历14姿态仿真姿态仿真-实际在轨姿态误差实际在轨姿态误差n设备安装误差（定姿、传感器设备）设备安装误差（定姿、传感器设备）n测不准（定姿误差）测不准（定姿误差）n测不出（高频颤振、设备敏感性限制）测不出（高频颤振、设备敏感性限制）n输不出（量化误差）输不出（量化误差）n系统误差系统误差15n相机、测姿仪器等安装角由于上天相机、测姿仪器等安装角由于上天后环境改变而发生变化，造成安装后环境改变而发生变化，造成安装误差；误差；n安装误差在设备

7、坐标系安装误差在设备坐标系本体坐标本体坐标系下叠加系下叠加姿态仿真姿态仿真-安装误差安装误差16姿态仿真姿态仿真-测不准（定姿误差）测不准（定姿误差）n星敏定姿误差星敏定姿误差 叠加在星敏叠加在星敏J2000坐标系下，考虑设备坐标系下，考虑设备安装误差安装误差n陀螺定姿误差陀螺定姿误差 叠加在星敏叠加在星敏轨道坐标系下，考虑设备安轨道坐标系下，考虑设备安装误差装误差n星敏陀螺联合定姿误差星敏陀螺联合定姿误差 叠加在星敏叠加在星敏轨道坐标系下，不考虑设备轨道坐标系下，不考虑设备安装误差安装误差17姿态仿真姿态仿真-测不出误差测不出误差n测姿仪器敏感程度，低于敏感点的姿态测姿仪器敏感程度，低于敏感

8、点的姿态角无法测出（影响较小）；角无法测出（影响较小）；n高频颤振高频颤振 影响相机主光轴高频颤振部分，测姿设备影响相机主光轴高频颤振部分，测姿设备无法测量，均为误差；无法测量，均为误差； 整星体现在测姿设备上的高频颤振，由于整星体现在测姿设备上的高频颤振，由于频率过高，而测姿输出频率有限，造成误频率过高，而测姿输出频率有限，造成误差；按高频颤振的差；按高频颤振的2倍频率离散化后，加倍频率离散化后，加入姿态；入姿态；18姿态仿真姿态仿真-输不出（量化误差）输不出（量化误差）n星上存储设备具有一定存储瓶颈，对姿星上存储设备具有一定存储瓶颈，对姿态测量数据的量化位数有限。态测量数据的量化位数有限。

9、 如如6号星当量为号星当量为0.005519姿态仿真姿态仿真-输不出（量化误差）输不出（量化误差）n星上存储设备具有一定存储瓶颈，对姿星上存储设备具有一定存储瓶颈，对姿态测量数据的量化位数有限。态测量数据的量化位数有限。 如如6号星当量为号星当量为0.005520姿态仿真姿态仿真-系统误差系统误差n系统误差：按定姿中可能出现的最大误差叠加系统误差：按定姿中可能出现的最大误差叠加相机安装系统误差：直接叠加到相机安装角上相机安装系统误差：直接叠加到相机安装角上 (相机相机本体本体)定姿设备安装系统误差：直接叠加到定姿设备定姿设备安装系统误差：直接叠加到定姿设备 安装角上面安装角上面(定姿设备定姿设

10、备本体本体)定姿系统误差：定姿系统误差：21相机仿真相机仿真n内方位元素的表示内方位元素的表示n相机畸变模拟相机畸变模拟22相机仿真相机仿真-内方位元素的表示内方位元素的表示n主点主点(x0,y0)，主距，主距f11tantan00fyyfxxYX23相机仿真相机仿真-相机畸变模拟相机畸变模拟n镜头畸变镜头畸变 径向畸变径向畸变 偏心畸变偏心畸变 主点偏移、主距变化主点偏移、主距变化nCCD平面不平引起的畸变平面不平引起的畸变nCCD排列等随机性误差排列等随机性误差24相机仿真相机仿真-径向畸变径向畸变n是由镜头形状引起的，它使像点沿径向产生偏差是由镜头形状引起的，它使像点沿径向产生偏差n径向

11、畸变是对称的，对称中心与主点并不完全重合，但通径向畸变是对称的，对称中心与主点并不完全重合，但通常将主点视为对称中心常将主点视为对称中心246123246123.rrxk xrk xrk xryk yrk yrk yr00222()()xxxyyyrxy735231rkrkrkr25相机仿真相机仿真-偏心畸变偏心畸变n主要是由光学系统光心与几何中心不一致造主要是由光学系统光心与几何中心不一致造成的，即镜头器件的光学中心不能严格共线成的，即镜头器件的光学中心不能严格共线22122221(2)2(2)2ddxP rxP x yyP ryPx y00222()()xxxyyyrxy26相机仿真相机仿

12、真-主点偏移、主距变化主点偏移、主距变化)()(pfpfyyffdxxxffdx27相机仿真相机仿真-CCD不平引起的畸变不平引起的畸变120mmxb xb yy00222()()xxxyyyrxy像平面内的平面畸变可表示为仿射变形和正交变形。摄影测量学者认为正交变形部分是由主光轴与CCD阵列不正交引起的，而仿射变形也是由CCD阵列不均匀造成的 28相机仿真相机仿真-系统误差叠加模型系统误差叠加模型242212121224221212()(2)2()2(2)lensplenspfxxxk rkrxp rxp xyb xb yffyyyk rkryp xyp ryf )();(;)()(222p

13、pppyyyxxxyyxxr29相机仿真相机仿真-随机和系统误差模拟随机和系统误差模拟n随机误差：按高斯白噪声规律加在随机误差：按高斯白噪声规律加在面阵上的每个面阵上的每个CCD探元的像素坐标探元的像素坐标上上n系统误差：按系统误差：按CCD探元坐标中中可探元坐标中中可能出现的最大误差叠加在每个能出现的最大误差叠加在每个CCD探元的像素坐标上面探元的像素坐标上面30几何精度分析几何精度分析n理论精度分析理论精度分析n仿真精度分析仿真精度分析n几何精度灵敏度分析几何精度灵敏度分析31理论精度分析理论精度分析cossinsincos,yxyyxxRtRtRzRtRtyRtRtx10tan0tan0

14、tancos0tancos0,222,2,rzyx32理论精度分析理论精度分析RtzQtyPtx)1 (22222coscos1tancoscostansintansincostancosMRrNNMMMtRRQRRP其中其中33理论精度分析理论精度分析RRPRRPRRRPtancoscostansintancoscostansincosseccos0seccoscossecsincostancossinsecsincossintancos222222RRRQRRQRRQtansincostancostansincostancoscossecsin0cossecsinseccoscossint

15、ansin222202112cossincos2112cossincos2222tNMMNMtNMMNMt34理论精度分析理论精度分析-姿态误差姿态误差滚动角滚动角)(,/tPPtroll)(tQQtrollq63俯仰角俯仰角)(/tPPtpitch)(,tQQtpitchq63旋偏角旋偏角)(/tPPtyaw)(,tPPtpitchq6335理论精度分析理论精度分析-轨道误差轨道误差22rlXHttr)tansincostan(cos其中其中Http)tancoscostan(sin其中其中22/plY36理论精度分析理论精度分析-相机误差相机误差)tan(tan1tan)tan()tan(

16、tan)tan(lenslenslenslenslensfxfxx)(arctan2lenslenslensxxxffxlenspitchtPPt)(/lenspitchtQQt)(37仿真精度分析仿真精度分析为无误差模拟影像定位的结果为无误差模拟影像定位的结果222()()()XXYYZZXXnYYnZZn控算控算控算TXYZ控控控，TXYZ算算算，为带测量误差的影像定位的结果。为带测量误差的影像定位的结果。38轨道仿真精度与实际轨道对比轨道仿真精度与实际轨道对比39行时积分仿真与实际行时对比行时积分仿真与实际行时对比40理论精度和仿真精度对比验证理论精度和仿真精度对比验证-轨道轨道41理论

17、精度和仿真精度对比验证理论精度和仿真精度对比验证-姿态姿态42资源三号精度对比资源三号精度对比轨道形式： 太阳同步圆轨道半长轴： 6876.984km高度： 505.984km倾角： 97.421回归周期： 59天周期飞行圈数：897相邻轨迹间距：44.68km重访周期： 5天降交点地方时：10:30AM卫星轨道(标称值)：实时定位更新速率： 1Hz定位精度： 10m测速精度： 0.1m/s定时精度： 优于1s地面后处理定位精度：0.2m双频GPS测控：43资源三号精度对比资源三号精度对比三轴姿态指向精度：0.1 ( 3) 偏流角修正精度： 0.06 ( 3) 三轴姿态稳定度： 510-4/

18、S (3) 三轴姿态测量精度：0.01 ( 3) 帆板指向控制精度：4.5 姿态控制：地面像元分辨率: 前视、后视相机：4m 正视相机： 2.5m 多光谱相机： 10m相机每行积分时间 前视、后视：0.477ms0.666ms 正视相机： 0.281ms0.387ms 多光谱相机：0.782ms1.072ms 像元大小尺寸： 前视、后视：10m ,各4片，每片4096个像元 正视相机： 7 m ,共3片，每片8192个像元 多光谱相机：20m ,共4片，每片6000个像元相机：44资源三号几何指标论证资源三号几何指标论证轨道直接交会平差20.50.400.2810.830.

19、65姿态直接交会平差0.62.4062.920.93.623.3213.753.5245资源三号几何指标论证资源三号几何指标论证内方位直接交会平差60.62.422.3713.993.90稳定度直接交会平差110-40.990.15510-45.400.7946资源三号几何指标论证资源三号几何指标论证直接交会单点平差轨道 0.2姿态 0.6内方位0.3选点 0.3姿态稳定度 510-45.853.34直接交会单点平差轨道 1姿态 1内方位0.3选点 0.3姿态稳定度 510-47.314.6447资源三号实际几何精度资源三号实际几何精度n采用人工外业采用

20、人工外业GPS 测量的测量的400GPS点点，验证生产后的，验证生产后的DSM和和DOM48资源三号实际几何精度资源三号实际几何精度中误差： 1.46米中误差： 1.78米49定位精度稳定性定位精度稳定性n内部稳定性内部稳定性-主动温控的措施主动温控的措施“相机内部几何稳定性：在轨工作期间，相机内部几何稳定性：在轨工作期间，半年之内因相机畸变变化而引起的边缘视半年之内因相机畸变变化而引起的边缘视场像点偏移小于场像点偏移小于0.3像元（像元（1）”n外部稳定性外部稳定性-一体化安装的措施一体化安装的措施“要求针对要求针对相机内方位元素、相机畸变、相机内方位元素、相机畸变、相机之间夹角、相机和星敏

21、感器之间夹角相机之间夹角、相机和星敏感器之间夹角、GPS相位中心相位中心等进行等进行高稳定性高稳定性设计，设计，确保检确保检校结果的长期（半年）校结果的长期（半年）有效性。有效性。”50外部稳定性验证外部稳定性验证-资源三号资源三号地区成像时间平面精度(m)蒙古20098安徽省合肥市207185江西省进贤县2012.3.2418.58814宁波地区2012.3.259.261451四川凉山地区2012.3.267.061707银川市2012.4.1518.7204印度（北方邦）2012.5.1013.15191俄罗斯（秋明州）20127.2813.9599651内部稳定性内部稳定性-资源三号资源三号n2012-02-03 河南轨河南轨n2012-02-28 天津轨天津轨sample:MAXMINRMS 0.5170360.0000010.120802line:MAXMINRMS 0.1710860.0000010.05371152资源三号设计缺憾资源三号设计缺憾n多光谱波段问题多光谱波段问题