多相機(jī)光學(xué)推掃衛(wèi)星在軌幾何定標(biāo)方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于遙感影像幾何處理領(lǐng)域，涉及一種多相機(jī)光學(xué)推掃衛(wèi)星在軌幾何定標(biāo) 方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星在軌幾何定標(biāo)是高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)高精度幾何定位的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直 接影響衛(wèi)星影像的幾何質(zhì)量。雖然衛(wèi)星在發(fā)射前都會(huì)進(jìn)行嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，但是由于發(fā) 射過(guò)程中的震動(dòng)、在軌運(yùn)行時(shí)成像條件的改變以及器件的老化等因素的影響，使得衛(wèi)星幾 何成像參數(shù)發(fā)生改變，地面的標(biāo)定值不能滿足高精度幾何處理的需要，因此需要對(duì)衛(wèi)星進(jìn) 行在軌標(biāo)定。
[0003] 目前，針對(duì)近景相機(jī)、航空相機(jī)、以及光學(xué)線陣推掃式衛(wèi)星的幾何定標(biāo)已經(jīng)開(kāi)展了 大量的研宄與實(shí)踐工作，但是對(duì)于多相機(jī)光學(xué)線陣推掃式衛(wèi)星進(jìn)行聯(lián)合幾何定標(biāo)的研宄則 較少，尚未形成成熟的理論與方法。為了讓衛(wèi)星具備更強(qiáng)的立體測(cè)繪能力，常采用多線陣相 機(jī)進(jìn)行多視成像。多臺(tái)相機(jī)采用固連安裝結(jié)構(gòu)，能夠近乎同時(shí)地獲取滿足一定基高比的多 視同軌立體影像，以滿足立體測(cè)繪的要求。對(duì)于每個(gè)線陣推掃相機(jī)具有高軌、窄視場(chǎng)角等成 像特點(diǎn)，使得成像參數(shù)之間具有高度的相關(guān)性，同時(shí)多個(gè)線陣推掃相機(jī)是一個(gè)剛性固連的 整體，若分別按照單相機(jī)的模式單獨(dú)進(jìn)行幾何定標(biāo)，而不顧及相互之間的相對(duì)安裝關(guān)系，顯 然對(duì)后續(xù)多視立體影像的相對(duì)幾何精度帶來(lái)系統(tǒng)誤差，理論上缺乏嚴(yán)密性。因此必須針對(duì) 多線陣推掃相機(jī)的結(jié)構(gòu)以及成像特點(diǎn)，構(gòu)建合適的聯(lián)合幾何定標(biāo)模型與方法，但本領(lǐng)域缺 乏相關(guān)研宄成果出現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是，針對(duì)光學(xué)多相機(jī)推掃式衛(wèi)星，提供一種有效的在軌幾 何定標(biāo)技術(shù)方案。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種多相機(jī)光學(xué)推掃衛(wèi)星在軌幾何定標(biāo)方法，包括以下步 驟：
[0006] 步驟1，對(duì)各個(gè)相機(jī)進(jìn)行分步內(nèi)外定標(biāo)，獲取各個(gè)相機(jī)的內(nèi)外定標(biāo)參數(shù)，包括以下 子步驟，
[0007] 步驟1. 1，在待定標(biāo)影像上量測(cè)得到定標(biāo)場(chǎng)量測(cè)控制點(diǎn)；
[0008] 步驟1. 2,構(gòu)建光學(xué)線陣推掃式衛(wèi)星基于探元指向角的幾何定標(biāo)模型；
[0009] 步驟1. 3,利用步驟1. 1所得定標(biāo)場(chǎng)量測(cè)控制點(diǎn)作為定向點(diǎn)，對(duì)各相機(jī)分別求解得 到相應(yīng)的內(nèi)外定標(biāo)參數(shù)，包括首先基于最小二乘平差解算外定標(biāo)參數(shù)，恢復(fù)相機(jī)坐標(biāo)系在 空間中的姿態(tài)；然后在此基礎(chǔ)上，基于最小二乘平差解算內(nèi)定標(biāo)參數(shù)，確定各探元在相機(jī)坐 標(biāo)系下的指向角；
[0010] 步驟2，利用多線陣相機(jī)同時(shí)拍攝的多視定標(biāo)區(qū)域內(nèi)布設(shè)的外業(yè)控制點(diǎn)作為定向 點(diǎn)，基于步驟1中所得內(nèi)定標(biāo)參數(shù)求解結(jié)果，重新對(duì)各個(gè)相機(jī)基于最小二乘平差解算外定 標(biāo)參數(shù)，確定多載荷的相對(duì)安裝角關(guān)系；
[0011] 步驟3,對(duì)作為主載荷的相機(jī)，基于步驟1中所得內(nèi)定標(biāo)參數(shù)求解結(jié)果，利用全球 多個(gè)定標(biāo)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為定向點(diǎn)，基于最小二乘平差重新求解外定標(biāo)參數(shù)，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)最終 的安裝矩陣；以作為主載荷的相機(jī)相應(yīng)最終的安裝矩陣為基準(zhǔn)，根據(jù)步驟2所得多載荷的 相對(duì)安裝角關(guān)系求取其他非主載荷最終的安裝矩陣，得到各相機(jī)最終的外定標(biāo)參數(shù)，完成 多相機(jī)光學(xué)推掃衛(wèi)星在軌幾何定標(biāo)。
[0012] 而且，步驟1.2中，構(gòu)建光學(xué)線陣推掃式衛(wèi)星基于探元指向角的幾何定標(biāo)模型如 式⑴，
[0015] 式中，（Xg，Yg，Zg)與（X^，Y^，Zgps)分別表示像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物方點(diǎn)及GPS天 線相位中心在WGS84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，（t)表示相應(yīng)參數(shù)是一個(gè)隨時(shí)間變化的量；
分別代表WGS84坐標(biāo)系到J2000坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣、J2000坐標(biāo)系到 衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣、衛(wèi)星本體坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；(Bx,BY, 表從傳感器投影中心到GPS天線相位中心的偏心矢量在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；A為像 方矢量和物方矢量的比例系數(shù)；Ux(s),ity(s))代表探元s在相機(jī)坐標(biāo)系下的指向角，s代 表探元號(hào)；
[0016] 外定標(biāo)參數(shù).
，pitch、roll、yaw分別為俯仰、翻 滾以及偏航方向夾角，內(nèi)定標(biāo)參數(shù)X!= (axmaxuax^ax^ay^ay^ay^ays)，ax0,ax1;ax2,ax3,ay0,ay1;ay2,ay3為多項(xiàng)式系數(shù)。
[0017]而且，步驟1. 3的實(shí)現(xiàn)方式為對(duì)各相機(jī)分別執(zhí)行以下子步驟，
[0018]步驟1. 3. 1，設(shè)在待定標(biāo)影像上量測(cè)了K個(gè)均勻分布的地面控制點(diǎn)作為定向點(diǎn)，輸 入各定向點(diǎn)的CTS坐標(biāo)系地心直角坐標(biāo)和像點(diǎn)坐標(biāo)；
[0019]步驟1. 3. 2,根據(jù)步驟1. 2中構(gòu)建的幾何定標(biāo)模型，令式⑴中：
[0021] 式⑴轉(zhuǎn)化為式（2)，
[0023] 式中，矢量
為物方矢量U，代表從相機(jī)投影中心到物方點(diǎn)的矢量在本體坐 標(biāo)系下的坐標(biāo)；a。bp〇盧2,b2,c2a3,b3, 〇3分別代表相機(jī)安裝矩陣的9個(gè)元素；F(XE,X:)、 分別為沿軌指向角殘差與垂軌指向角殘差；
[0024] 步驟1. 3. 3,對(duì)外定標(biāo)參數(shù)XE和內(nèi)定標(biāo)參數(shù)賦初值，具體實(shí)施時(shí)均可采 用實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)值；
[0025] 步驟1. 3. 4,基于最小二乘平差解算外定標(biāo)參數(shù)，包括以下子步驟，
[0026] 步驟1. 3. 4. 1，將當(dāng)前內(nèi)定標(biāo)參數(shù)&視為"真值"，將外定標(biāo)參數(shù)XE視為待求的未 知參數(shù)；將外定標(biāo)參數(shù)XE和內(nèi)定標(biāo)參數(shù)乂，的當(dāng)前值代入公式（2)，對(duì)每個(gè)定向點(diǎn) i，對(duì)上式進(jìn)行線性化處理，建立誤差方程式：
[0027] Vi=AjX-LiPj(3)
[0028] 其中，
[0029] 式中，Q是利用內(nèi)外定標(biāo)參數(shù)當(dāng)前值（<，$) '代入公式⑵計(jì)算得到的誤差向 量；Ai是誤差方程式的系數(shù)矩陣；X代表外定標(biāo)參數(shù)改正數(shù)（dpitch,droll,dyaw);Pi是當(dāng) 前定向點(diǎn)的像點(diǎn)量測(cè)精度對(duì)應(yīng)的權(quán)，F(xiàn)JPG 別為沿軌指向角殘差F(XE，&)、垂軌指向角 殘差GU)的函數(shù)模型，微分后得到相應(yīng)誤差方程；
[0030] 計(jì)算法方程系數(shù)矩陣如下，
[0032] 上式中，矩陣
[0033] 利用最小二乘平差計(jì)算X，如下式，
[0034] X= (AtPA) (AtPL) (5)
[0035]步驟1.3. 4. 2,利用公式（6)更新外定標(biāo)參數(shù)&的當(dāng)前值，然后返回執(zhí)行步驟 1. 3. 4. 1進(jìn)行迭代計(jì)算，迭代停止后進(jìn)入步驟1. 3. 5，
[0037] 步驟1. 3. 5,基于最小二乘平差解算內(nèi)定標(biāo)參數(shù)，包括以下子步驟，
[0038] 步驟1. 3. 5. 1，將步驟1. 3. 4所得外定標(biāo)參數(shù)&的當(dāng)前值視為"真值"，內(nèi)定標(biāo)參數(shù) &視為待求的未知參數(shù)，將內(nèi)定標(biāo)參數(shù)和外定標(biāo)參數(shù)XE的當(dāng)前值帶入公式（2)中對(duì)每個(gè) 定向點(diǎn)構(gòu)建誤差方程式，
[0039]Vj=BjY-LjPi(7)
[0040] 其中
[0041] 其中
[0042] 式中，Q是利用內(nèi)外定標(biāo)參數(shù)當(dāng)前值（&，；〇代入公式⑵計(jì)算得到的誤差向量， Bi是誤差方程式的系數(shù)矩陣，Y代表外定標(biāo)參數(shù)改正數(shù)dXpd代表改正數(shù)符號(hào)，卩1是觀測(cè)值 的權(quán)；
[0043] 計(jì)算法方程系數(shù)矩陣，
[0045] 上式中：
[0046] 利用最小二乘平差計(jì)算Y，如下式；
[0047]Y= (BtPB) (BtPL) (9)
[0048] 步驟1.3. 5. 2,利用公式（10)更新內(nèi)定標(biāo)參數(shù)&的當(dāng)前值，然后返回執(zhí)行步驟 1. 3. 5. 1，迭代計(jì)算，迭代停止后進(jìn)入步驟1. 3.6，
[0050]步驟1. 3.6,根據(jù)步驟1. 3. 4和步驟1. 3. 5先后所得外定標(biāo)參數(shù)XE的當(dāng)前值和內(nèi) 定標(biāo)參數(shù)&的當(dāng)前值，作為步驟1的內(nèi)外定標(biāo)參數(shù)求解結(jié)果。
[0051] 而且，步驟2的實(shí)現(xiàn)方式包括以下子步驟，
[0052] 步驟2. 1，輸入各定向點(diǎn)的CTS坐標(biāo)系地心直角坐標(biāo)和像點(diǎn)坐標(biāo)；
[0053] 對(duì)各相機(jī)分別以步驟1中所得內(nèi)定標(biāo)參數(shù)&為"真值"，以步驟1所得外定標(biāo)參數(shù) 作為初值X〗，將外定標(biāo)參數(shù)XE視為待求的未知參數(shù)，采用步驟1. 3. 4的方式重新求解外定 標(biāo)參數(shù)；
[0054] 步驟2. 2,設(shè)相機(jī)Cm為主載荷，計(jì)算相機(jī)Cm與其他相機(jī)C"的相對(duì)安裝矩陣Rmn如 下，
[0056] 其中，Rn為相機(jī)Cn對(duì)應(yīng)的安裝矩陣，Rm為相機(jī)Cm對(duì)應(yīng)的安裝矩陣。
[0057] 而且，步驟3的實(shí)現(xiàn)方式包括以下子步驟，
[0058] 步驟3. 1，對(duì)作為主載荷的相機(jī)，以步驟1中所得內(nèi)定標(biāo)參數(shù)求解結(jié)果為"真值"， 將外定標(biāo)參數(shù)視為待求的未知參數(shù)，利用全球多個(gè)定標(biāo)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為定向點(diǎn)，輸入各定向點(diǎn) 的CTS坐標(biāo)系地心直角坐標(biāo)和像點(diǎn)坐標(biāo)，采用步驟1. 3. 4的方式重新求解外定標(biāo)參數(shù)，并轉(zhuǎn) 化為相應(yīng)安裝矩陣R/ ;
[0059] 步驟3. 2,以安裝矩陣Rm'為基準(zhǔn)，求取其他非主載荷最終的安裝矩陣Rn'如下，
[0060]Rn，=1^1?