一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法，包括步骤：1、根据高轨遥感卫星成像几何特性，构建考虑温变特性误差的在轨几何定标模型；2、将相机安装角误差分解为低频长周期误差模型和高频短周期误差模型，求解低频长周期误差模型的参数和高频短周期误差模型的参数，拟合出与温度相关的相机安装角误差表达式；3、将拟合出的相机安装角误差表达式代入步骤1构建的高轨卫星在轨几何定标模型；4、将成像时间D和温度T，代入步骤3的高轨卫星在轨几何定标模型，得到待定标序列图像上任意成像时间和温度下各个位置的精确坐标数据。本发明专利技术可以从模型本身消除温变特性误差对高轨卫星定位精度的影响，实现高轨卫星高精度几何定位。何定位。何定位。

【技术实现步骤摘要】
一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法


[0001]本专利技术属于光学遥感卫星数据几何处理
，特别涉及一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法。

技术介绍

[0002]遥感卫星成像机理方面的定位误差源主要指的是，由卫星成像参数的标称值或测量值与其真实值之间的差异引起的定位误差源，具体包括：相机主点误差、相机主距误差、相机畸变误差、相机安装误差、星敏感器安装误差、时间测量误差、卫星定轨误差、卫星定姿误差等。在上述误差中，相机主点和主距误差、相机畸变误差、相机和星敏感器安装误差通常为系统误差。利用在轨几何定标方法，可以有效消除系统误差对定位精度的影响。
[0003]相比于低轨遥感卫星所在的太阳同步轨道，高轨卫星所在地球静止轨道的光照条件更为复杂，卫星本体受热的剧烈变化往往会导致卫星定位系统误差随着温度的变化而变化，呈现出低频长周期和高频短周期相结合的温变误差特性。这需要根据高轨卫星的器件结构与温控策略，分析其温变误差的变化规律，并构建相应的温变误差模型，才能够有效消除该类误差的影响，现有光学遥感卫星定位与定标模型忽略几何定标周期内温度变化对定位精度的影响，难以实现高轨卫星高精度几何定位。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法，在常规光学遥感卫星定位与定标模型的基础上，将高轨卫星温变特性定位误差分解为低频长周期误差和高频短周期误差，据此构建在轨几何定标与修正模型，实现高轨卫星高精度几何定标和定位。
>[0005]本专利技术解决技术的方案是：一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1、根据卫星姿态参数、轨道参数、相机参数和待定标序列图像上控制点的三维坐标，构建考虑温变特性误差的高轨卫星在轨几何定标模型；所述高轨卫星在轨几何定标模型为关于相机安装角误差的函数；相机安装角误差与温度相关；
[0007]步骤2、将相机安装角误差分解为低频长周期误差模型和高频短周期误差模型，求解低频长周期误差模型的参数和高频短周期误差模型的参数，并由低频长周期误差模型和高频短周期误差模型拟合出与成像时间D和温度T相关的相机安装角误差表达式；
[0008]步骤3，将步骤2拟合出的相机安装角误差表达式代入步骤1构建的高轨卫星在轨几何定标模型；
[0009]步骤4，将成像时间D和温度T，代入步骤3的高轨卫星在轨几何定标模型，得到待定标序列图像上任意成像时间和温度下各个位置的精确坐标数据。
[0010]进一步的，步骤1所述的高轨卫星在轨几何定标模型为：
[0011][0012]上式中：(X Y Z)
TWGS
‑
84
为控制点在WGS
‑
84坐标系下的三维坐标，[X
GPS Y
GPS Z
GPS
]T
为高轨卫星在WGS
‑
84坐标系下的空间坐标，通过高轨卫星星上GNSS测量设备得到；m为比例尺因子；为J2000坐标系至WGS
‑
84坐标系的旋转矩阵，为卫星姿态测量坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵，为相机在卫星姿态测量坐标系下的安装矩阵；为相机成像探元在卫星姿态测量坐标系下沿轨方向的指向角，为相机成像探元在卫星姿态测量坐标系下垂轨方向的指向角；
[0013]所述卫星姿态测量坐标系的原点位于卫星上姿态测量设备的质心，X轴为卫星飞行方向，Z轴指向地心，Y轴垂直于Z轴和X轴构成右手系；
[0014]在转序为先偏航方向再俯仰方向最后滚动方向的情况下，的表达形式为：
[0015][0016]其中：A＝y
cs
+Δy
cs,T
，B＝p
cs
+Δp
cs,T
，C＝r
cs
+Δr
cs,T
；y
cs
为相机在卫星姿态测量坐标系下偏航方向的安装角；p
cs
为相机在卫星姿态测量坐标系下俯仰方向的安装角，r
cs
为相机在卫星姿态测量坐标系下滚动方向的安装角，Δy
cs,T
,Δp
cs,T
,Δr
cs,T
分别为相机温度为T时，相机在偏航、俯仰、滚动方向的安装角误差。
[0017]进一步的，所述比例尺因子m根据以下椭球方程计算得到：
[0018][0019]上式中，上式中，为Δy
cs,T
,Δp
cs,T
,Δr
cs,T
均设置为0时的A
a
＝a
e
+h，B
b
＝b
e
+h，a
e
＝6378137.0m，b
e
＝6356752.3m，h为椭球高。
[0020]进一步的，步骤2所述的相机安装角误差分解为低频长周期误差模型和高频短周期误差模型形式如下：
[0021][0022]上式中，Δp
cs1,D
,Δr
cs1,D
,Δy
cs1,D
分别为以成像时间D为单位，相机安装角在俯仰、滚动、偏航方向的低频长周期误差模型；Δp
cs2,T
,Δr
cs2,T
,Δy
cs2,T
分别为以相机温度T为单
位，相机安装角在俯仰、滚动、偏航方向的高频短周期误差模型；为由低频长周期误差模型和高频短周期误差模型拟合出的与温度相关的相机安装角误差表达式。
[0023]进一步的，所述低频长周期误差模型是以成像时间D作为自变量的线性模型，形式如下：
[0024][0025]上式中，a0、b0、c0分别为低频长周期误差模型在俯仰、滚动、偏航方向的常数项系数，a1、b1、c1分别为低频长周期误差模型在俯仰、滚动、偏航方向的一次项系数；D为成像时间，D＝1，2，
…
，N，N≥2，单位为天；
[0026]进一步的，所述高频短周期误差模型以相机温度T作为自变量，形式如下：
[0027][0028]上式中，p
A
,r
A
,y
A
分别为相机安装误差在温度为T时谐波在俯仰、滚动和偏航方向的振幅；f
p
,f
r
,f
y
分别为相机安装误差在温度为T时谐波在俯仰、滚动和偏航方向的频率；p0,r0,y0分别为相机安装误差在温度为T时谐波在俯仰、滚动和偏航方向的初始相位。
[0029]进一步的，所述低频长周期误差模型的参数求解方法为：
[0030]T1、根据一天内不同时刻的相机安装底板温度的变化，求得不同温度下的相机安装角误差，分别统计每一天内Δp
cs
、Δr
cs
和Δy
cs
的误差均值，得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据卫星姿态参数、轨道参数、相机参数和待定标序列图像上控制点的三维坐标，构建考虑温变特性误差的高轨卫星在轨几何定标模型；所述高轨卫星在轨几何定标模型为关于相机安装角误差的函数；相机安装角误差与温度相关；步骤2、将相机安装角误差分解为低频长周期误差模型和高频短周期误差模型，求解低频长周期误差模型的参数和高频短周期误差模型的参数，并由低频长周期误差模型和高频短周期误差模型拟合出与成像时间D和温度T相关的相机安装角误差表达式；步骤3，将步骤2拟合出的相机安装角误差表达式代入步骤1构建的高轨卫星在轨几何定标模型；步骤4，将成像时间D和温度T，代入步骤3的高轨卫星在轨几何定标模型，得到待定标序列图像上任意成像时间和温度下各个位置的精确坐标数据。2.根据权利要求1所述的一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法，其特征在于，步骤1所述的高轨卫星在轨几何定标模型为：上式中：(X Y Z)
TWGS
‑
84
为控制点在WGS
‑
84坐标系下的三维坐标，[X
GPS Y
GPS Z
GPS
]
T
为高轨卫星在WGS
‑
84坐标系下的空间坐标，通过高轨卫星星上GNSS测量设备得到；m为比例尺因子；为J2000坐标系至WGS
‑
84坐标系的旋转矩阵，为卫星姿态测量坐标系至J2000坐标系的旋转矩阵，为相机在卫星姿态测量坐标系下的安装矩阵；为相机成像探元在卫星姿态测量坐标系下沿轨方向的指向角，为相机成像探元在卫星姿态测量坐标系下垂轨方向的指向角；所述卫星姿态测量坐标系的原点位于卫星上姿态测量设备的质心，X轴为卫星飞行方向，Z轴指向地心，Y轴垂直于Z轴和X轴构成右手系；在转序为先偏航方向再俯仰方向最后滚动方向的情况下，的表达形式为：其中：A＝y
cs
+Δy
cs,T
，B＝p
cs
+Δp
cs,T
，C＝r
cs
+Δr
cs,T
；y
cs
为相机在卫星姿态测量坐标系下偏航方向的安装角；p
cs
为相机在卫星姿态测量坐标系下俯仰方向的安装角，r
cs
为相机在卫星姿态测量坐标系下滚动方向的安装角，Δy
cs,T
,Δp
cs,T
,Δr
cs,T
分别为相机温度为T时，相机在偏航、俯仰、滚动方向的安装角误差。3.根据权利要求2所述的一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法，其特征在于，所述比例尺因子m根据以下椭球方程计算得到：
上式中，上式中，为Δy
cs,T
,Δp
cs,T
,Δr
cs,T
均设置为0时的A
a
＝a
e
+h，B
b
＝b
e
+h，a
e
＝6378137.0m，b
e
＝6356752.3m，h为椭球高。4.根据权利要求1所述的一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法，其特征在于，步骤2所述的相机安装角误差分解为低频长周期误差模型和高频短周期误差模型形式如下：上式中，Δp
cs1,D
,Δr
cs1,D
,Δy
cs1,D
分别为以成像时间D为单位，相机安装角在俯仰、滚动、偏航方向的低频长周期误差模型；Δp
cs2,T
,Δr
cs2,T
,Δy
cs2,T
分别为以相机温度T为单位，相机安装角在俯仰、滚动、偏航方向的高频短周期误差模型；为由低频长周期误差模型和高频短周期误差模型拟合出的与温度相关的相机安装角误差表达式。5.根据权利要求4所述的一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法，其特征在于，所述低频长周期误差模型是以成像时间D作为自变量的线性模型，形式如下：上式中，a0、b0、c0分别为低频长周期误差模型在俯仰、滚动、偏航方向的常数项系数，a1、b1、c1分别为低频长周期误差模型在俯仰、滚动、偏航方向的一次项系数；D为成像时间，D＝1，2，
…
，N，N≥2，单位为天。6.根据权利要求4所述的一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法，其特征在于，所述高频短周期误差模型以相机温度T作为自变量，形式如下：上式中，p
A
,r
A
,y
A
分别为相机安装误差在温度为T时谐波在俯仰、滚动和偏航方向的振幅；f
p
,f
r
,f
y
分别为相机安装误差在温度为T时谐波在俯仰、滚动和偏航方向的频率；p0,r0,y0分别为相机安装误差在温度为T时谐波在俯仰、滚动和偏航方向的初始相位。7.根据权利要求5所述的一种高轨卫星温变特性定位误差建模与补偿方法，其特征在于，所述低频长周期误差模型的参数求解方法为：T1、根据一天内不同时刻的相机安装底板温度的变化，求得不同温度下的相机安装角误差，分别统计每一天内Δp
cs
、Δr
cs
和Δy
cs
的误差均值，得到每一天的低频长周期误差Δp
cs1,D
、Δr
cs1,D
、Δy
cs1,D
,D＝1,2,
…
,N，建立权利要求5所述的低频长周期误差模型；
T2、根据低频长周期误差模型，构建低频长周期误差在俯仰、滚动、偏航方向的残差函数模型F
p,D
，F
r,D
，F
y,D
：T3、针对N，N≥2天的低频长周期误差Δp
cs1,D
、Δr
cs1,D
、Δy
cs1,D
,D＝1,2,
…
,N，构建标准误差方程：V
D
＝A
D
X
D
‑
L
D
上式中：为低频长周期误差项的残差向量；A
D
为未知数偏导数构成的3N
×
6维设计矩阵,...

【专利技术属性】
技术研发人员：周楠，李春梅，曹东晶，鲁之君，曹世翔，杨天远，王洁，雷宁，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：