光學(xué)衛(wèi)星幾何精度論證

1、光學(xué)衛(wèi)星幾何精度論證光學(xué)衛(wèi)星幾何精度論證張張 過過 2理論精度分析軌道、姿態(tài)、內(nèi)方位元素對(duì)定位精度影響的分析控制點(diǎn)數(shù)量及分布、DEM精度對(duì)定位精度影響正反算驗(yàn)證和外星驗(yàn)證仿真精度分析考慮控制點(diǎn)數(shù)量及分布、考慮DEM精度對(duì)比 驗(yàn)證對(duì)比 驗(yàn)證軌道模型姿態(tài)模型內(nèi)方位元素模型STK仿真、國產(chǎn)衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)軌道仿真姿態(tài)仿真對(duì)比 驗(yàn)證 對(duì)比 驗(yàn)證誤差數(shù)據(jù)制作標(biāo)稱數(shù)據(jù)制作成像幾何模型構(gòu)建誤差幾何定位標(biāo)稱幾何定位-地面處理在軌相機(jī)幾何標(biāo)定無控處理定位精度對(duì)比 驗(yàn)證帶控處理定位精度對(duì)比 驗(yàn)證3星載光學(xué)衛(wèi)星幾何精度預(yù)估星載光學(xué)衛(wèi)星幾何精度預(yù)估n定位精度需求定位精度需求 系統(tǒng)定位精度系統(tǒng)定位精度-無控制點(diǎn)達(dá)到多高水平

2、無控制點(diǎn)達(dá)到多高水平 內(nèi)精度內(nèi)精度 -減少控制點(diǎn)需求減少控制點(diǎn)需求 定位精度穩(wěn)定性需求定位精度穩(wěn)定性需求4幾何定位指標(biāo)論證平臺(tái)幾何定位指標(biāo)論證平臺(tái)n仿真精度仿真精度-平面和高程精度：平面和高程精度： 軌道指標(biāo)軌道指標(biāo)-軌道仿真軌道仿真 姿態(tài)指標(biāo)姿態(tài)指標(biāo)-姿態(tài)仿真姿態(tài)仿真 內(nèi)方位元素指標(biāo)內(nèi)方位元素指標(biāo)-內(nèi)方位元素表達(dá)方式內(nèi)方位元素表達(dá)方式 積分時(shí)間仿真積分時(shí)間仿真n理論精度和仿真精度對(duì)比分析理論精度和仿真精度對(duì)比分析n數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證5幾何指標(biāo)論證平臺(tái)幾何指標(biāo)論證平臺(tái)6軌道仿真軌道仿真該模塊主要包含以下四個(gè)方面的內(nèi)容：n軌道主要攝動(dòng)因素分析 n軌道積分n衛(wèi)星軌道初值的計(jì)算 n軌道誤差模擬

3、 7軌道仿真軌道仿真-軌道主要攝動(dòng)因素分析軌道主要攝動(dòng)因素分析低軌衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)模型 enedrrrr地球中心引力的加速度rrGMren3 地球非球形攝動(dòng)力的加速度1)()()(tWtRtPNRUrRRUrUre 大氣阻力產(chǎn)生的加速度 ),()(21thrrrrmSCraaDd 8軌道仿真軌道仿真-衛(wèi)星軌道初值的計(jì)算衛(wèi)星軌道初值的計(jì)算基于定位點(diǎn)基于定位點(diǎn)(lat，lon，H)9軌道仿真軌道仿真-軌道誤差模擬軌道誤差模擬n系統(tǒng)誤差：系統(tǒng)誤差：按定軌可能出現(xiàn)的最大誤差疊加；按定軌可能出現(xiàn)的最大誤差疊加；n隨機(jī)誤差：隨機(jī)誤差：高斯白噪聲高斯白噪聲 硬件硬件 真正的隨機(jī)數(shù)據(jù)流真正的隨機(jī)數(shù)據(jù)流 （昂貴）（

4、昂貴） 軟件軟件 偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 乘同余法乘同余法 0，1分布的偽隨機(jī)數(shù)分布的偽隨機(jī)數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化- 正態(tài)分布正態(tài)分布 均值為零均值為零 方差符合條件方差符合條件n量化誤差：量化誤差：（影響很小）（影響很?。?0姿態(tài)仿真姿態(tài)仿真n星歷姿態(tài)星歷姿態(tài) 姿態(tài)穩(wěn)定度姿態(tài)穩(wěn)定度 高頻可測部分高頻可測部分n實(shí)際在軌姿態(tài)實(shí)際在軌姿態(tài) 設(shè)備安裝誤差（相機(jī)、測姿設(shè)備）設(shè)備安裝誤差（相機(jī)、測姿設(shè)備） 測姿誤差（多種測姿方式）測姿誤差（多種測姿方式） 高頻不可測部分高頻不可測部分 量化誤差（影響很小）量化誤差（影響很?。?1姿態(tài)仿真姿態(tài)仿真-姿態(tài)穩(wěn)定度姿態(tài)穩(wěn)定度姿態(tài)角長周期變化量，姿態(tài)角速率統(tǒng)姿態(tài)角

5、長周期變化量，姿態(tài)角速率統(tǒng)計(jì)量，即姿態(tài)漂移，單位為計(jì)量，即姿態(tài)漂移，單位為/s，利，利用隨機(jī)統(tǒng)計(jì)原理模擬成像時(shí)間段內(nèi)的用隨機(jī)統(tǒng)計(jì)原理模擬成像時(shí)間段內(nèi)的姿態(tài)角速率，進(jìn)行疊加姿態(tài)角速率，進(jìn)行疊加12姿態(tài)仿真姿態(tài)仿真-高頻顫振高頻顫振sin()2122sin(2)yAtTfTfyAftsin(2)iiiyAf t高頻顫振模型：13姿態(tài)仿真姿態(tài)仿真-星歷姿態(tài)的制作星歷姿態(tài)的制作1.設(shè)定初始姿態(tài)（星敏設(shè)定初始姿態(tài)（星敏軌道軌道）2.疊加疊加姿態(tài)穩(wěn)定度姿態(tài)穩(wěn)定度3.星敏星敏軌道姿態(tài)轉(zhuǎn)換為星敏軌道姿態(tài)轉(zhuǎn)換為星敏J20004.根據(jù)測姿輸出頻率，疊加根據(jù)測姿輸出頻率，疊加高頻顫振高頻顫振可測部分可測部分（J20

6、00系下）；系下）；5.疊加星敏安裝、相機(jī)安裝，制作出相機(jī)疊加星敏安裝、相機(jī)安裝，制作出相機(jī)J2000姿態(tài)。姿態(tài)。6.按姿態(tài)量化指標(biāo)輸出星歷按姿態(tài)量化指標(biāo)輸出星歷14姿態(tài)仿真姿態(tài)仿真-實(shí)際在軌姿態(tài)誤差實(shí)際在軌姿態(tài)誤差n設(shè)備安裝誤差（定姿、傳感器設(shè)備）設(shè)備安裝誤差（定姿、傳感器設(shè)備）n測不準(zhǔn)（定姿誤差）測不準(zhǔn)（定姿誤差）n測不出（高頻顫振、設(shè)備敏感性限制）測不出（高頻顫振、設(shè)備敏感性限制）n輸不出（量化誤差）輸不出（量化誤差）n系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差15n相機(jī)、測姿儀器等安裝角由于上天相機(jī)、測姿儀器等安裝角由于上天后環(huán)境改變而發(fā)生變化，造成安裝后環(huán)境改變而發(fā)生變化，造成安裝誤差；誤差；n安裝誤差在設(shè)備

7、坐標(biāo)系安裝誤差在設(shè)備坐標(biāo)系本體坐標(biāo)本體坐標(biāo)系下疊加系下疊加姿態(tài)仿真姿態(tài)仿真-安裝誤差安裝誤差16姿態(tài)仿真姿態(tài)仿真-測不準(zhǔn)（定姿誤差）測不準(zhǔn)（定姿誤差）n星敏定姿誤差星敏定姿誤差 疊加在星敏疊加在星敏J2000坐標(biāo)系下，考慮設(shè)備坐標(biāo)系下，考慮設(shè)備安裝誤差安裝誤差n陀螺定姿誤差陀螺定姿誤差 疊加在星敏疊加在星敏軌道坐標(biāo)系下，考慮設(shè)備安軌道坐標(biāo)系下，考慮設(shè)備安裝誤差裝誤差n星敏陀螺聯(lián)合定姿誤差星敏陀螺聯(lián)合定姿誤差 疊加在星敏疊加在星敏軌道坐標(biāo)系下，不考慮設(shè)備軌道坐標(biāo)系下，不考慮設(shè)備安裝誤差安裝誤差17姿態(tài)仿真姿態(tài)仿真-測不出誤差測不出誤差n測姿儀器敏感程度，低于敏感點(diǎn)的姿態(tài)測姿儀器敏感程度，低于敏感

8、點(diǎn)的姿態(tài)角無法測出（影響較?。唤菬o法測出（影響較?。籲高頻顫振高頻顫振 影響相機(jī)主光軸高頻顫振部分，測姿設(shè)備影響相機(jī)主光軸高頻顫振部分，測姿設(shè)備無法測量，均為誤差；無法測量，均為誤差； 整星體現(xiàn)在測姿設(shè)備上的高頻顫振，由于整星體現(xiàn)在測姿設(shè)備上的高頻顫振，由于頻率過高，而測姿輸出頻率有限，造成誤頻率過高，而測姿輸出頻率有限，造成誤差；按高頻顫振的差；按高頻顫振的2倍頻率離散化后，加倍頻率離散化后，加入姿態(tài)；入姿態(tài)；18姿態(tài)仿真姿態(tài)仿真-輸不出（量化誤差）輸不出（量化誤差）n星上存儲(chǔ)設(shè)備具有一定存儲(chǔ)瓶頸，對(duì)姿星上存儲(chǔ)設(shè)備具有一定存儲(chǔ)瓶頸，對(duì)姿態(tài)測量數(shù)據(jù)的量化位數(shù)有限。態(tài)測量數(shù)據(jù)的量化位數(shù)有限。

9、 如如6號(hào)星當(dāng)量為號(hào)星當(dāng)量為0.005519姿態(tài)仿真姿態(tài)仿真-輸不出（量化誤差）輸不出（量化誤差）n星上存儲(chǔ)設(shè)備具有一定存儲(chǔ)瓶頸，對(duì)姿星上存儲(chǔ)設(shè)備具有一定存儲(chǔ)瓶頸，對(duì)姿態(tài)測量數(shù)據(jù)的量化位數(shù)有限。態(tài)測量數(shù)據(jù)的量化位數(shù)有限。 如如6號(hào)星當(dāng)量為號(hào)星當(dāng)量為0.005520姿態(tài)仿真姿態(tài)仿真-系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差n系統(tǒng)誤差：按定姿中可能出現(xiàn)的最大誤差疊加系統(tǒng)誤差：按定姿中可能出現(xiàn)的最大誤差疊加相機(jī)安裝系統(tǒng)誤差：直接疊加到相機(jī)安裝角上相機(jī)安裝系統(tǒng)誤差：直接疊加到相機(jī)安裝角上 (相機(jī)相機(jī)本體本體)定姿設(shè)備安裝系統(tǒng)誤差：直接疊加到定姿設(shè)備定姿設(shè)備安裝系統(tǒng)誤差：直接疊加到定姿設(shè)備 安裝角上面安裝角上面(定姿設(shè)備定姿設(shè)

10、備本體本體)定姿系統(tǒng)誤差：定姿系統(tǒng)誤差：21相機(jī)仿真相機(jī)仿真n內(nèi)方位元素的表示內(nèi)方位元素的表示n相機(jī)畸變模擬相機(jī)畸變模擬22相機(jī)仿真相機(jī)仿真-內(nèi)方位元素的表示內(nèi)方位元素的表示n主點(diǎn)主點(diǎn)(x0,y0)，主距，主距f11tantan00fyyfxxYX23相機(jī)仿真相機(jī)仿真-相機(jī)畸變模擬相機(jī)畸變模擬n鏡頭畸變鏡頭畸變 徑向畸變徑向畸變 偏心畸變偏心畸變 主點(diǎn)偏移、主距變化主點(diǎn)偏移、主距變化nCCD平面不平引起的畸變平面不平引起的畸變nCCD排列等隨機(jī)性誤差排列等隨機(jī)性誤差24相機(jī)仿真相機(jī)仿真-徑向畸變徑向畸變n是由鏡頭形狀引起的，它使像點(diǎn)沿徑向產(chǎn)生偏差是由鏡頭形狀引起的，它使像點(diǎn)沿徑向產(chǎn)生偏差n徑向

11、畸變是對(duì)稱的，對(duì)稱中心與主點(diǎn)并不完全重合，但通徑向畸變是對(duì)稱的，對(duì)稱中心與主點(diǎn)并不完全重合，但通常將主點(diǎn)視為對(duì)稱中心常將主點(diǎn)視為對(duì)稱中心246123246123.rrxk xrk xrk xryk yrk yrk yr00222()()xxxyyyrxy735231rkrkrkr25相機(jī)仿真相機(jī)仿真-偏心畸變偏心畸變n主要是由光學(xué)系統(tǒng)光心與幾何中心不一致造主要是由光學(xué)系統(tǒng)光心與幾何中心不一致造成的，即鏡頭器件的光學(xué)中心不能嚴(yán)格共線成的，即鏡頭器件的光學(xué)中心不能嚴(yán)格共線22122221(2)2(2)2ddxP rxP x yyP ryPx y00222()()xxxyyyrxy26相機(jī)仿真相機(jī)仿

12、真-主點(diǎn)偏移、主距變化主點(diǎn)偏移、主距變化)()(pfpfyyffdxxxffdx27相機(jī)仿真相機(jī)仿真-CCD不平引起的畸變不平引起的畸變120mmxb xb yy00222()()xxxyyyrxy像平面內(nèi)的平面畸變可表示為仿射變形和正交變形。攝影測量學(xué)者認(rèn)為正交變形部分是由主光軸與CCD陣列不正交引起的，而仿射變形也是由CCD陣列不均勻造成的 28相機(jī)仿真相機(jī)仿真-系統(tǒng)誤差疊加模型系統(tǒng)誤差疊加模型242212121224221212()(2)2()2(2)lensplenspfxxxk rkrxp rxp xyb xb yffyyyk rkryp xyp ryf )();(;)()(222p

13、pppyyyxxxyyxxr29相機(jī)仿真相機(jī)仿真-隨機(jī)和系統(tǒng)誤差模擬隨機(jī)和系統(tǒng)誤差模擬n隨機(jī)誤差：按高斯白噪聲規(guī)律加在隨機(jī)誤差：按高斯白噪聲規(guī)律加在面陣上的每個(gè)面陣上的每個(gè)CCD探元的像素坐標(biāo)探元的像素坐標(biāo)上上n系統(tǒng)誤差：按系統(tǒng)誤差：按CCD探元坐標(biāo)中中可探元坐標(biāo)中中可能出現(xiàn)的最大誤差疊加在每個(gè)能出現(xiàn)的最大誤差疊加在每個(gè)CCD探元的像素坐標(biāo)上面探元的像素坐標(biāo)上面30幾何精度分析幾何精度分析n理論精度分析理論精度分析n仿真精度分析仿真精度分析n幾何精度靈敏度分析幾何精度靈敏度分析31理論精度分析理論精度分析cossinsincos,yxyyxxRtRtRzRtRtyRtRtx10tan0tan0

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

15、ansin222202112cossincos2112cossincos2222tNMMNMtNMMNMt34理論精度分析理論精度分析-姿態(tài)誤差姿態(tài)誤差滾動(dòng)角滾動(dòng)角)(,/tPPtroll)(tQQtrollq63俯仰角俯仰角)(/tPPtpitch)(,tQQtpitchq63旋偏角旋偏角)(/tPPtyaw)(,tPPtpitchq6335理論精度分析理論精度分析-軌道誤差軌道誤差22rlXHttr)tansincostan(cos其中其中Http)tancoscostan(sin其中其中22/plY36理論精度分析理論精度分析-相機(jī)誤差相機(jī)誤差)tan(tan1tan)tan()tan(

16、tan)tan(lenslenslenslenslensfxfxx)(arctan2lenslenslensxxxffxlenspitchtPPt)(/lenspitchtQQt)(37仿真精度分析仿真精度分析為無誤差模擬影像定位的結(jié)果為無誤差模擬影像定位的結(jié)果222()()()XXYYZZXXnYYnZZn控算控算控算TXYZ控控控，TXYZ算算算，為帶測量誤差的影像定位的結(jié)果。為帶測量誤差的影像定位的結(jié)果。38軌道仿真精度與實(shí)際軌道對(duì)比軌道仿真精度與實(shí)際軌道對(duì)比39行時(shí)積分仿真與實(shí)際行時(shí)對(duì)比行時(shí)積分仿真與實(shí)際行時(shí)對(duì)比40理論精度和仿真精度對(duì)比驗(yàn)證理論精度和仿真精度對(duì)比驗(yàn)證-軌道軌道41理論

17、精度和仿真精度對(duì)比驗(yàn)證理論精度和仿真精度對(duì)比驗(yàn)證-姿態(tài)姿態(tài)42資源三號(hào)精度對(duì)比資源三號(hào)精度對(duì)比軌道形式： 太陽同步圓軌道半長軸： 6876.984km高度： 505.984km傾角： 97.421回歸周期： 59天周期飛行圈數(shù)：897相鄰軌跡間距：44.68km重訪周期： 5天降交點(diǎn)地方時(shí)：10:30AM衛(wèi)星軌道(標(biāo)稱值)：實(shí)時(shí)定位更新速率： 1Hz定位精度： 10m測速精度： 0.1m/s定時(shí)精度： 優(yōu)于1s地面后處理定位精度：0.2m雙頻GPS測控：43資源三號(hào)精度對(duì)比資源三號(hào)精度對(duì)比三軸姿態(tài)指向精度：0.1 ( 3) 偏流角修正精度： 0.06 ( 3) 三軸姿態(tài)穩(wěn)定度： 510-4/

18、S (3) 三軸姿態(tài)測量精度：0.01 ( 3) 帆板指向控制精度：4.5 姿態(tài)控制：地面像元分辨率: 前視、后視相機(jī)：4m 正視相機(jī)： 2.5m 多光譜相機(jī)： 10m相機(jī)每行積分時(shí)間 前視、后視：0.477ms0.666ms 正視相機(jī)： 0.281ms0.387ms 多光譜相機(jī)：0.782ms1.072ms 像元大小尺寸： 前視、后視：10m ,各4片，每片4096個(gè)像元 正視相機(jī)： 7 m ,共3片，每片8192個(gè)像元 多光譜相機(jī)：20m ,共4片，每片6000個(gè)像元相機(jī)：44資源三號(hào)幾何指標(biāo)論證資源三號(hào)幾何指標(biāo)論證軌道直接交會(huì)平差20.50.400.2810.830.

19、65姿態(tài)直接交會(huì)平差0.62.4062.920.93.623.3213.753.5245資源三號(hào)幾何指標(biāo)論證資源三號(hào)幾何指標(biāo)論證內(nèi)方位直接交會(huì)平差60.62.422.3713.993.90穩(wěn)定度直接交會(huì)平差110-40.990.15510-45.400.7946資源三號(hào)幾何指標(biāo)論證資源三號(hào)幾何指標(biāo)論證直接交會(huì)單點(diǎn)平差軌道 0.2姿態(tài) 0.6內(nèi)方位0.3選點(diǎn) 0.3姿態(tài)穩(wěn)定度 510-45.853.34直接交會(huì)單點(diǎn)平差軌道 1姿態(tài) 1內(nèi)方位0.3選點(diǎn) 0.3姿態(tài)穩(wěn)定度 510-47.314.6447資源三號(hào)實(shí)際幾何精度資源三號(hào)實(shí)際幾何精度n采用人工外業(yè)采用

20、人工外業(yè)GPS 測量的測量的400GPS點(diǎn)點(diǎn)，驗(yàn)證生產(chǎn)后的，驗(yàn)證生產(chǎn)后的DSM和和DOM48資源三號(hào)實(shí)際幾何精度資源三號(hào)實(shí)際幾何精度中誤差： 1.46米中誤差： 1.78米49定位精度穩(wěn)定性定位精度穩(wěn)定性n內(nèi)部穩(wěn)定性內(nèi)部穩(wěn)定性-主動(dòng)溫控的措施主動(dòng)溫控的措施“相機(jī)內(nèi)部幾何穩(wěn)定性：在軌工作期間，相機(jī)內(nèi)部幾何穩(wěn)定性：在軌工作期間，半年之內(nèi)因相機(jī)畸變變化而引起的邊緣視半年之內(nèi)因相機(jī)畸變變化而引起的邊緣視場像點(diǎn)偏移小于場像點(diǎn)偏移小于0.3像元（像元（1）”n外部穩(wěn)定性外部穩(wěn)定性-一體化安裝的措施一體化安裝的措施“要求針對(duì)要求針對(duì)相機(jī)內(nèi)方位元素、相機(jī)畸變、相機(jī)內(nèi)方位元素、相機(jī)畸變、相機(jī)之間夾角、相機(jī)和星敏

21、感器之間夾角相機(jī)之間夾角、相機(jī)和星敏感器之間夾角、GPS相位中心相位中心等進(jìn)行等進(jìn)行高穩(wěn)定性高穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)，確保檢確保檢校結(jié)果的長期（半年）校結(jié)果的長期（半年）有效性。有效性。”50外部穩(wěn)定性驗(yàn)證外部穩(wěn)定性驗(yàn)證-資源三號(hào)資源三號(hào)地區(qū)成像時(shí)間平面精度(m)蒙古20098安徽省合肥市207185江西省進(jìn)賢縣2012.3.2418.58814寧波地區(qū)2012.3.259.261451四川涼山地區(qū)2012.3.267.061707銀川市2012.4.1518.7204印度（北方邦）2012.5.1013.15191俄羅斯（秋明州）20127.2813.9599651內(nèi)部穩(wěn)定性內(nèi)部穩(wěn)定性-資源三號(hào)資源三號(hào)n2012-02-03 河南軌河南軌n2012-02-28 天津軌天津軌sample:MAXMINRMS 0.5170360.0000010.120802line:MAXMINRMS 0.1710860.0000010.05371152資源三號(hào)設(shè)計(jì)缺憾資源三號(hào)設(shè)計(jì)缺憾n多光譜波段問題多光譜波段問題