高分十四号卫星双线阵相机高精度在轨几何标定_卢学良.pdf

第5 2卷 第1期测 绘 学 报V o l.5 2,N o.1 2 0 2 3年1月A c t aG e o d a e t i c ae tC a r t o g r a p h i c aS i n i c aJ a n u a r y,2 0 2 3引文格式:卢学良,王建荣,杨秀策,等.高分十四号卫星双线阵相机高精度在轨几何标定J.测绘学报,2 0 2 3,5 2(1):1 5-2 1.D O I:1 0.1 1 9 4 7/j.AG C S.2 0 2 3.2 0 2 2 0 3 4 7.L UX u e l i a n g,WANGJ i a n r o n g,YANGX i u c e,e ta l.H i g h-p r e c i s i o no n-o r b i tg e o m e t r i cc a l i b r a t i o no f t h eG F-1 4s a t e l l i t ed u a l-l i n e-a r r a yc a m e r a sJ.A c t aG e o d a e t i c ae tC a r t o g r a p h i c aS i n i c a,2 0 2 3,5 2(1):1 5-2 1.D O I:1 0.1 1 9 4 7/j.AG C S.2 0 2 3.2 0 2 2 0 3 4 7.高分十四号卫星双线阵相机高精度在轨几何标定卢学良1,2,王建荣1,2,杨秀策1,2,吕 源1,2,胡 燕1,2,魏永强1,2,曹彬才1,21.地理信息工程国家重点实验室,陕西 西安7 1 0 0 5 4;2.西安测绘研究所,陕西 西安7 1 0 0 5 4H i g h-p r e c i s i o no n-o r b i tg e o m e t r i cc a l i b r a t i o no f t h eG F-1 4s a t e l l i t ed u a l-l i n e-a r r a yc a m e r a sL UX u e l i a n g1,2,WA N GJ i a n r o n g1,2,Y A N G X i u c e1,2,L Y u a n1,2,H UY a n1,2,W E IY o n g q i a n g1,2,C A OB i n c a i1,2H i g h-p r e c i s i o no n-o r b i tg e o m e t r i cc a l i b r a t i o no f t h eG F-1 4s a t e l l i t ed u a l-l i n e-a r r a yc a m e r a sL UX u e l i a n g1,2,WA N GJ i a n r o n g1,2,Y A N G X i u c e1,2,L Y u a n1,2,H UY a n1,2,W E IY o n g q i a n g1,2,C A OB i n c a i1,21.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG e o-i n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,X i a n7 1 0 0 5 4,C h i n a;2.X i a nR e s e a r c h I n s t i t u t eo fS u r v e ya n dM a p p i n g,X i a n7 1 0 0 5 4,C h i n aA b s t r a c tA b s t r a c t:O n-o r b i t g e o m e t r i cc a l i b r a t i o n i sak e y l i n k f o r s a t e l l i t e s t oa c h i e v eh i g h-p r e c i s i o np o s i t i o n i n g.I nt h i sp a p e r,b a s e do n t h e1 2 0 0 0d i g i t a l c a l i b r a t i o n t e s t f i e l d i nN i n g x i a,t h ec a l i b r a t i o np a r a m e t e r so f t h ed u a l-l i n e-a r r a yc a m e r a sa r ec a l c u l a t e da saw h o l eb yt h ea l t e r n a t ei t e r a t i o no f f o r w a r di n t e r s e c t i o na n db a c k w a r d i n t e r s e c t i o n,a n d t h eh i g h-p r e c i s i o no n-o r b i t g e o m e t r i cc a l i b r a t i o no f t h ed u a l-l i n e-a r r a yc a m e r a so f t h eG F-1 4s a t e l l i t e i sa c h i e v e d.T h ec a l i b r a t i o nr e s u l t sw e r et e s t e db yu s i n gm a n yt e s t i n gf i e l d sa r o u n dt h ew o r l d.T h e t e s t r e s u l t ss h o wt h a ta f t e rh i g h-p r e c i s i o ng e o m e t r i cc a l i b r a t i o n,t h ea c c u r a c yo f t h ed i r e c tf o r w a r d i n t e r s e c t i o no f t h eG F-1 4s a t e l l i t e i m a g ec a n r e a c h2.3 4mi np l a n ea n d1.9 7mi ne l e v a t i o nw i t h o u tg r o u n dc o n t r o l.K e yw o r d sK e yw o r d s:o n-o r b i tg e o m e t r i cc a l i b r a t i o n;c a l i b r a t i o n t e s t f i e l d;l o c a t i o na c c u r a c yw i t h o u t g r o u n dc o n t r o lp o i n t s;G F-1 4s a t e l l i t e摘 要:在轨几何标定是卫星实现高精度定位的关键环节。本文基于宁夏12 0 0 0数字化定标场采用前方交会与后方交会交替迭代的方式对双线阵相机标定参数进行整体解算,实现了高分十四号卫星双线阵相机高精度在轨几何标定,并利用全球多处检测场对标定结果进行了检测试验。试验结果表明,通过高精度在轨几何标定后,高分十四号卫星影像无地面控制条件下直接前方交会精度达到平面2.3 4m(R M S),高程1.9 7m(R M S)。关键词:在轨几何标定;定标场;无地面控制定位;高分十四号卫星中图分类号:P 2 2 7 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-1 5 9 5(2 0 2 3)0 1-0 0 1 5-0 7 高分十四号卫星于2 0 2 0年1 2月6日成功发射,同高分七号一样均是用于11万比例尺测图的亚米级高分辨率光学传输型立体测绘卫星1。通常,测绘卫星在发射之前,相机参数都要在实验室进行严格的几何标定,但受卫星发射振动和长时间在轨飞行中温度变化等因素的影响,各载荷之间的刚性结构和航天相机的几何参数会发生变化,影响卫星影像定位精度。因此测绘卫星需要在实验室标定参数的基础上通过在轨几何标定实现高精度定位2-3。国外卫星在轨几何标定开展得比较早,美国的I KONO S、G e o E y e、W o r l d V i e w,法 国 的S P OT、P l e i a d e s,日本的A L O S-1等卫星均采用地面几何检校场进行在轨几何标定。文献46采 用F AM(f i e l d a n g l e m a p)标 定 方 法,对I KONO S、G e o E y e-1、W o r l d V i e w-3等 卫 星 的 相机进行了在轨标定,其中W o r l d V i e w-3卫星还采用附加参数的自检校区域网平差对相机光学畸变参数进行了评估。文献7 分别对S P OT-5卫星HR G、HR S相机进行了在轨几何标定,在垂轨和J a n u a r y2 0 2 3V o l.5 2N o.1A G C Sh t t p:x b.c h i n a s m p.c o m沿轨方向分别用多项式补偿后,相机内部畸变误差优于1个像素。文献8 针对P l e i a d e s卫星开展了几何标定试验,其影像内部畸变随着控制点使用数量的增多有一定的改善。文献9 通过分析A L O S-1卫星系统成像特点,针对前、正、后3个线阵C C D相机设置了3 0个参数,采用附加参数的自检校区域网平差方法进行了标定。2 0 1 0年以来,随着天绘一号1 0、资源三号1 1等多颗光学传输型立体测绘卫星的成功发射,我国开始对测绘卫星在轨几何标定进行系统而深入的研究。关于相机参数在轨标定目前大致上有两种主流的方法,一种是天绘一号卫星工程中应用的整体标定方法,即采用三线阵相机重组的思路,将所有相机的参数作为未知参数在光束法平差中统一答解,通过该方法卫星的无控直接前方交会定位精度从2 0 0m左右提升至9m左右1 2-1 4;另一种是资源三号卫星工程中应用的基于指向角的内标定和基于旋转矩阵的外标定方法,通过该方法卫星的无控直接前方交会定位精度从1 0 0 0多m提升至1 5m以内1 5-2 0。总体来看,上述标定方法在卫星工程实践中都取得了比较好的效果。对于立体测绘卫星(双线阵或三线阵)而言,测绘相机之间的交会角是影响高程精度的重要因素,将测绘相机作为整体考虑,对相机标定参数进行整体解算,在高程定位精度上具备一定的优势1 2。本文针对高分十四号卫星载荷特点,以双线阵立体影像为基础(不含激光测距数据),利用等效框幅思想2 1-2 3将双线阵前后视相机统一等效变换为垂直摄影的框幅相机,在卫星成像严密几何模型中顾及星地相机夹角系统常差和线阵不平行性,构建了在轨几何标定严密成像模型;基于宁夏12 0 0 0数字化定标场,采用前方交会与后方交会交替迭代的方式对双线阵相机标定参数进行整体解算,实现了高分十四号卫星双线阵相机高精度在轨几何标定,并利用全球多处检测场对标定结果进行了检测试验。试验结果表明,经双线阵相机在轨几何标定后,高分十四号卫星无地面控制条件下直接前方交会精度达到平面2.3 4m(RM S),高程1.9 7m(RMS)。1 在轨几何标定流程本文在轨几何标定流程如图1所示,主要分为如下4个步骤:(1)利用精密定姿数据、精密定轨数据、初始标定参数和像点坐标,通过直接前方交会计算像点对应的物方坐标。(2)利用像点对应的物方坐标反算等效框幅像坐标。(3)基于在轨几何标定严密成像模型构建的误差方程,利用等效框幅像坐标、像点对应的地面点坐标通过后方交会的方式解算标定参数改正数。(4)如果改正数大于阈值则利用改正数更新标定参数,并重复步骤(1)步骤(3),如果改正数小于阈值则输出标定参数。图1 在轨几何标定流程F i g.1 O n-o