光學衛(wèi)星幾何精度論證

1、光學衛(wèi)星幾何精度論證光學衛(wèi)星幾何精度論證張張 過過 2理論精度分析軌道、姿態(tài)、內方位元素對定位精度影響的分析控制點數量及分布、DEM精度對定位精度影響正反算驗證和外星驗證仿真精度分析考慮控制點數量及分布、考慮DEM精度對比 驗證對比 驗證軌道模型姿態(tài)模型內方位元素模型STK仿真、國產衛(wèi)星輔助數據軌道仿真姿態(tài)仿真對比 驗證 對比 驗證誤差數據制作標稱數據制作成像幾何模型構建誤差幾何定位標稱幾何定位-地面處理在軌相機幾何標定無控處理定位精度對比 驗證帶控處理定位精度對比 驗證3星載光學衛(wèi)星幾何精度預估星載光學衛(wèi)星幾何精度預估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-無控制點達到多高水平

2、無控制點達到多高水平 內精度內精度 -減少控制點需求減少控制點需求 定位精度穩(wěn)定性需求定位精度穩(wěn)定性需求4幾何定位指標論證平臺幾何定位指標論證平臺n仿真精度仿真精度-平面和高程精度：平面和高程精度： 軌道指標軌道指標-軌道仿真軌道仿真 姿態(tài)指標姿態(tài)指標-姿態(tài)仿真姿態(tài)仿真 內方位元素指標內方位元素指標-內方位元素表達方式內方位元素表達方式 積分時間仿真積分時間仿真n理論精度和仿真精度對比分析理論精度和仿真精度對比分析n數據處理驗證數據處理驗證5幾何指標論證平臺幾何指標論證平臺6軌道仿真軌道仿真該模塊主要包含以下四個方面的內容：n軌道主要攝動因素分析 n軌道積分n衛(wèi)星軌道初值的計算 n軌道誤差模擬

3、 7軌道仿真軌道仿真-軌道主要攝動因素分析軌道主要攝動因素分析低軌衛(wèi)星的動力學模型 enedrrrr地球中心引力的加速度rrGMren3 地球非球形攝動力的加速度1)()()(tWtRtPNRUrRRUrUre 大氣阻力產生的加速度 ),()(21thrrrrmSCraaDd 8軌道仿真軌道仿真-衛(wèi)星軌道初值的計算衛(wèi)星軌道初值的計算基于定位點基于定位點(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：按定軌可能出現的最大誤差疊加；按定軌可能出現的最大誤差疊加；n隨機誤差：隨機誤差：高斯白噪聲高斯白噪聲 硬件硬件 真正的隨機數據流真正的隨機數據流 （昂貴）（

4、昂貴） 軟件軟件 偽隨機數發(fā)生器偽隨機數發(fā)生器 乘同余法乘同余法 0，1分布的偽隨機數分布的偽隨機數 標準化標準化- 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?。ㄓ绊懞苄。?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實際在軌姿態(tài)實際在軌姿態(tài) 設備安裝誤差（相機、測姿設備）設備安裝誤差（相機、測姿設備） 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?。┝炕`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)計量，即姿態(tài)漂移，單位為計量，即姿態(tài)漂移，單位為/s，利，利用隨機統(tǒng)計原理模擬成像時間段內的用隨機統(tǒng)計原理模擬成像時間段內的姿態(tài)角速率，進行疊加姿態(tài)角速率，進行疊加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.設定初始姿態(tài)（星敏設定初始姿態(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)轉換為星敏軌道姿態(tài)轉換為星敏J20004.根據測姿輸出頻率，疊加根據測姿輸出頻率，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、相機安裝，制作出相機疊加星敏安裝、相機安裝，制作出相機J2000姿態(tài)。姿態(tài)。6.按姿態(tài)量化指標輸出星歷按姿態(tài)量化指標輸出星歷14姿態(tài)仿真姿態(tài)仿真-實際在軌姿態(tài)誤差實際在軌姿態(tài)誤差n設備安裝誤差（定姿、傳感器設備）設備安裝誤差（定姿、傳感器設備）n測不準（定姿誤差）測不準（定姿誤差）n測不出（高頻顫振、設備敏感性限制）測不出（高頻顫振、設備敏感性限制）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、測姿儀器等安裝角由于上天相機、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安裝誤差在設備

7、坐標系安裝誤差在設備坐標系本體坐標本體坐標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（定姿誤差）測不準（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坐標系下，考慮設備坐標系下，考慮設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系下，考慮設備安軌道坐標系下，考慮設備安裝誤差裝誤差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系下，不考慮設備軌道坐標系下，不考慮設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，低于敏感點的姿態(tài)測姿儀器敏感程度，低于敏感

8、點的姿態(tài)角無法測出（影響較?。?；角無法測出（影響較?。?；n高頻顫振高頻顫振 影響相機主光軸高頻顫振部分，測姿設備影響相機主光軸高頻顫振部分，測姿設備無法測量，均為誤差；無法測量，均為誤差； 整星體現在測姿設備上的高頻顫振，由于整星體現在測姿設備上的高頻顫振，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星上存儲設備具有一定存儲瓶頸，對姿星上存儲設備具有一定存儲瓶頸，對姿態(tài)測量數據的量化位數有限。態(tài)測量數據的量化位數有限。

9、 如如6號星當量為號星當量為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星上存儲設備具有一定存儲瓶頸，對姿星上存儲設備具有一定存儲瓶頸，對姿態(tài)測量數據的量化位數有限。態(tài)測量數據的量化位數有限。 如如6號星當量為號星當量為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：按定姿中可能出現的最大誤差疊加系統(tǒng)誤差：按定姿中可能出現的最大誤差疊加相機安裝系統(tǒng)誤差：直接疊加到相機安裝角上相機安裝系統(tǒng)誤差：直接疊加到相機安裝角上 (相機相機本體本體)定姿設備安裝系統(tǒng)誤差：直接疊加到定姿設備定姿設備安裝系統(tǒng)誤差：直接疊加到定姿設備 安裝角上面安裝角上面(定姿設備定姿設

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

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

12、真-主點偏移、主距變化主點偏移、主距變化)()(pfpfyyffdxxxffdx27相機仿真相機仿真-CCD不平引起的畸變不平引起的畸變120mmxb xb yy00222()()xxxyyyrxy像平面內的平面畸變可表示為仿射變形和正交變形。攝影測量學者認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相機仿真相機仿真-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相機仿真相機仿真-隨機和系統(tǒng)誤差模擬隨機和系統(tǒng)誤差模擬n隨機誤差：按高斯白噪聲規(guī)律加在隨機誤差：按高斯白噪聲規(guī)律加在面陣上的每個面陣上的每個CCD探元的像素坐標探元的像素坐標上上n系統(tǒng)誤差：按系統(tǒng)誤差：按CCD探元坐標中中可探元坐標中中可能出現的最大誤差疊加在每個能出現的最大誤差疊加在每個CCD探元的像素坐標上面探元的像素坐標上面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)誤差滾動角滾動角)(,/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-相機誤差相機誤差)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果為無誤差模擬影像定位的結果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果。為帶測量誤差的影像定位的結果。38軌道仿真精度與實際軌道對比軌道仿真精度與實際軌道對比39行時積分仿真與實際行時對比行時積分仿真與實際行時對比40理論精度和仿真精度對比驗證理論精度和仿真精度對比驗證-軌道軌道41理論

17、精度和仿真精度對比驗證理論精度和仿真精度對比驗證-姿態(tài)姿態(tài)42資源三號精度對比資源三號精度對比軌道形式： 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：897相鄰軌跡間距：44.68km重訪周期： 5天降交點地方時：10:30AM衛(wèi)星軌道(標稱值)：實時定位更新速率： 1Hz定位精度： 10m測速精度： 0.1m/s定時精度： 優(yōu)于1s地面后處理定位精度：0.2m雙頻GPS測控：43資源三號精度對比資源三號精度對比三軸姿態(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：4m 正視相機： 2.5m 多光譜相機： 10m相機每行積分時間 前視、后視：0.477ms0.666ms 正視相機： 0.281ms0.387ms 多光譜相機：0.782ms1.072ms 像元大小尺寸： 前視、后視：10m ,各4片，每片4096個像元 正視相機： 7 m ,共3片，每片8192個像元 多光譜相機：20m ,共4片，每片6000個像元相機：44資源三號幾何指標論證資源三號幾何指標論證軌道直接交會平差20.50.400.2810.830.

19、65姿態(tài)直接交會平差0.62.4062.920.93.623.3213.753.5245資源三號幾何指標論證資源三號幾何指標論證內方位直接交會平差60.62.422.3713.993.90穩(wěn)定度直接交會平差110-40.990.15510-45.400.7946資源三號幾何指標論證資源三號幾何指標論證直接交會單點平差軌道 0.2姿態(tài) 0.6內方位0.3選點 0.3姿態(tài)穩(wěn)定度 510-45.853.34直接交會單點平差軌道 1姿態(tài) 1內方位0.3選點 0.3姿態(tài)穩(wěn)定度 510-47.314.6447資源三號實際幾何精度資源三號實際幾何精度n采用人工外業(yè)采用

20、人工外業(yè)GPS 測量的測量的400GPS點點，驗證生產后的，驗證生產后的DSM和和DOM48資源三號實際幾何精度資源三號實際幾何精度中誤差： 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內部穩(wěn)定性內部穩(wěn)定性-主動溫控的措施主動溫控的措施“相機內部幾何穩(wěn)定性：在軌工作期間，相機內部幾何穩(wěn)定性：在軌工作期間，半年之內因相機畸變變化而引起的邊緣視半年之內因相機畸變變化而引起的邊緣視場像點偏移小于場像點偏移小于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“要求針對要求針對相機內方位元素、相機畸變、相機內方位元素、相機畸變、相機之間夾角、相機和星敏

21、感器之間夾角相機之間夾角、相機和星敏感器之間夾角、GPS相位中心相位中心等進行等進行高穩(wěn)定性高穩(wěn)定性設計，設計，確保檢確保檢校結果的長期（半年）校結果的長期（半年）有效性。有效性?！?0外部穩(wěn)定性驗證外部穩(wěn)定性驗證-資源三號資源三號地區(qū)成像時間平面精度(m)蒙古20098安徽省合肥市207185江西省進賢縣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內部穩(wěn)定性內部穩(wěn)定性-資源三號資源三號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資源三號設計缺憾資源三號設計缺憾n多光譜波段問題多光譜波段問題