张 过 guozhang@whu.edu.cn zg@sasmac.cn 光学卫星几何精度论证 张 过 guozhang@whu.edu.cn zg@sasmac.cn

理论精度分析 - 对比 验证 对比 验证 仿真精度分析 考虑控制点数量及分 布、考虑DEM精度 对比 验证 无控处理定位精度 地面处理 STK仿真、国产卫星辅助数据 理论精度分析 轨道仿真 姿态仿真 轨道、姿态、内方位元素 对定位精度影响的分析 控制点数量及分布、DEM 精度对定位精度影响 对比 验证 对比 验证 轨道 模型 姿态 模型 内方位元 素模型 对比 验证 对比 验证 误差数 据制作 标称数 据制作 仿真精度分析 考虑控制点数量及分 布、考虑DEM精度 误差几何定位 - 标称几何定位 成像几何模型构建 对比 验证 正反算验证和外星验证 无控处理定位精度 地面处理 带控处理定位精度 在轨相机 几何标定 对比 验证

星载光学卫星几何精度预估 定位精度需求 系统定位精度-无控制点达到多高水平 内精度 -减少控制点需求 定位精度稳定性需求

几何定位指标论证平台 仿真精度-平面和高程精度： 理论精度和仿真精度对比分析 数据处理验证 轨道指标-轨道仿真 姿态指标-姿态仿真 内方位元素指标-内方位元素表达方式 积分时间仿真 理论精度和仿真精度对比分析 数据处理验证

几何指标论证平台

轨道仿真 该模块主要包含以下四个方面的内容： 轨道主要摄动因素分析 轨道积分 卫星轨道初值的计算 轨道误差模拟

轨道仿真-轨道主要摄动因素分析 低轨卫星的动力学模型 地球中心引力的加速度 地球非球形摄动力的加速度 大气阻力产生的加速度

轨道仿真-卫星轨道初值的计算 基于定位点 (lat，lon，H)

轨道仿真-轨道误差模拟 系统误差：按定轨可能出现的最大误差叠加； 随机误差：高斯白噪声 量化误差：（影响很小） 硬件 真正的随机数据流 （昂贵） 软件 伪随机数发生器 乘同余法 [0，1]分布的伪随机数 标准化--- 正态分布 均值为零 方差符合条件 量化误差：（影响很小）

姿态仿真 星历姿态 实际在轨姿态 姿态稳定度 高频可测部分 设备安装误差（相机、测姿设备） 测姿误差（多种测姿方式） 高频不可测部分 量化误差（影响很小）

姿态仿真-姿态稳定度 姿态角长周期变化量，姿态角速率统计量，即姿态漂移，单位为°/s，利用随机统计原理模拟成像时间段内的姿态角速率，进行叠加

姿态仿真-高频颤振 高频颤振模型：

姿态仿真-星历姿态的制作 设定初始姿态（星敏轨道） 叠加姿态稳定度 星敏轨道姿态转换为星敏J2000 按姿态量化指标输出星历

姿态仿真-实际在轨姿态误差 设备安装误差（定姿、传感器设备） 测不准（定姿误差） 测不出（高频颤振、设备敏感性限制） 输不出（量化误差） 系统误差

姿态仿真-安装误差 相机、测姿仪器等安装角由于上天后环境改变而发生变化，造成安装误差； 安装误差在设备坐标系本体坐标系下叠加

姿态仿真-测不准（定姿误差） 星敏定姿误差 陀螺定姿误差 星敏陀螺联合定姿误差 叠加在星敏J2000坐标系下，考虑设备安装误差 叠加在星敏轨道坐标系下，考虑设备安装误差 星敏陀螺联合定姿误差 叠加在星敏轨道坐标系下，不考虑设备安装误差

姿态仿真-测不出误差 测姿仪器敏感程度，低于敏感点的姿态角无法测出（影响较小）； 高频颤振 影响相机主光轴高频颤振部分，测姿设备无法测量，均为误差； 整星体现在测姿设备上的高频颤振，由于频率过高，而测姿输出频率有限，造成误差；按高频颤振的2倍频率离散化后，加入姿态；

姿态仿真-输不出（量化误差） 星上存储设备具有一定存储瓶颈，对姿态测量数据的量化位数有限。 如6号星当量为0.0055°

姿态仿真-输不出（量化误差） 星上存储设备具有一定存储瓶颈，对姿态测量数据的量化位数有限。 如6号星当量为0.0055°

姿态仿真-系统误差 系统误差：按定姿中可能出现的最大误差叠加 相机安装系统误差：直接叠加到相机安装角上 (相机本体) 定姿设备安装系统误差：直接叠加到定姿设备 安装角上面(定姿设备本体) 定姿系统误差：

相机仿真 内方位元素的表示 相机畸变模拟

相机仿真-内方位元素的表示 主点(x0,y0)，主距f

相机仿真-相机畸变模拟 镜头畸变 径向畸变 偏心畸变 主点偏移、主距变化 CCD平面不平引起的畸变 CCD排列等随机性误差

相机仿真-径向畸变 是由镜头形状引起的，它使像点沿径向产生偏差 径向畸变是对称的，对称中心与主点并不完全重合，但通常将主点视为对称中心

相机仿真-偏心畸变 主要是由光学系统光心与几何中心不一致造成的，即镜头器件的光学中心不能严格共线

相机仿真-主点偏移、主距变化

相机仿真-CCD不平引起的畸变 像平面内的平面畸变可表示为仿射变形和正交变形。摄影测量学者认为正交变形部分是由主光轴与CCD阵列不正交引起的，而仿射变形也是由CCD阵列不均匀造成的

相机仿真-系统误差叠加模型

相机仿真-随机和系统误差模拟 随机误差：按高斯白噪声规律加在面阵上的每个CCD探元的像素坐标上 系统误差：按CCD探元坐标中中可能出现的最大误差叠加在每个CCD探元的像素坐标上面

几何精度分析 理论精度分析 仿真精度分析 几何精度灵敏度分析

理论精度分析

理论精度分析 其中

理论精度分析

理论精度分析-姿态误差 滚动角 俯仰角 旋偏角

理论精度分析-轨道误差 其中 其中

理论精度分析-相机误差

仿真精度分析 为无误差模拟影像定位的结果 为带测量误差的影像定位的结果。

轨道仿真精度与实际轨道对比

行时积分仿真与实际行时对比

理论精度和仿真精度对比验证-轨道

理论精度和仿真精度对比验证-姿态

资源三号精度对比 卫星轨道(标称值)： 双频GPS测控： 轨道形式： 太阳同步圆轨道 半长轴： 6876.984km 轨道形式： 太阳同步圆轨道 半长轴： 6876.984km 高度： 505.984km 倾角： 97.421 回归周期： 59天 周期飞行圈数：897 相邻轨迹间距：44.68km 重访周期： 5天 降交点地方时：10:30AM 实时定位更新速率： 1Hz 定位精度： 10m 测速精度： 0.1m/s 定时精度： 优于1s 地面后处理定位精度：0.2m

资源三号精度对比 姿态控制： 相机： 三轴姿态指向精度：≤0.1 ( 3) 偏流角修正精度： ≤0.06 ( 3) 偏流角修正精度： ≤0.06 ( 3) 三轴姿态稳定度： ≤ 5×10-4/ S (3) 三轴姿态测量精度：≤0.01 ( 3) 帆板指向控制精度：≤4.5 地面像元分辨率: 前视、后视相机：4m 正视相机： 2.5m 多光谱相机： 10m 相机每行积分时间 前视、后视：0.477ms～0.666ms 正视相机： 0.281ms～0.387ms 多光谱相机：0.782ms～1.072ms 像元大小尺寸： 前视、后视：10μm ,各4片，每片4096个像元 正视相机： 7 μm ,共3片，每片8192个像元 多光谱相机：20μm ,共4片，每片6000个像元

资源三号几何指标论证 轨道 直接交会 平差 0.2 0.16 0.12 0.5 0.40 0.28 1 0.83 0.65 姿态 直接交会 2.40 2.24 0.8 3.16 2.92 0.9 3.62 3.32 1 3.75 3.52

资源三号几何指标论证 内方位 直接交会 平差 0.3 1.18 1.16 0.6 2.42 2.37 1 3.99 3.90 稳定度 1×10-4 0.99 0.15 5×10-4 5.40 0.79

资源三号几何指标论证 直接交会 单点平差 轨道 0.2 姿态 0.6 内方位0.3 选点 0.3 姿态稳定度 5×10-4 5.85 姿态稳定度 5×10-4 5.85 3.34 直接交会 单点平差 轨道 1 姿态 1 内方位0.3 选点 0.3 姿态稳定度 5×10-4 7.31 4.64

资源三号实际几何精度 采用人工外业GPS 测量的400GPS点，验证生产后的DSM和DOM

资源三号实际几何精度 中误差： 1.46米 中误差： 1.78米

定位精度稳定性 内部稳定性-主动温控的措施 外部稳定性-一体化安装的措施 “相机内部几何稳定性：在轨工作期间，半年之内因相机畸变变化而引起的边缘视场像点偏移小于0.3像元（1σ）” 外部稳定性-一体化安装的措施 “要求针对相机内方位元素、相机畸变、相机之间夹角、相机和星敏感器之间夹角、GPS相位中心等进行高稳定性设计，确保检校结果的长期（半年）有效性。”

外部稳定性验证-资源三号 地区 成像时间 平面精度(m) 蒙古 2012.2.2 14.1098 安徽省合肥市 2012.3.24 8.67185 江西省进贤县 18.58814 宁波地区 2012.3.25 9.261451 四川凉山地区 2012.3.26 7.061707 银川市 2012.4.15 18.7204 印度（北方邦） 2012.5.10 13.15191 俄罗斯（秋明州） 2012．7.28 13.95996

内部稳定性-资源三号 2012-02-03 河南轨 2012-02-28 天津轨 sample: MAX MIN RMS 0.517036 0.000001 0.120802 line: MAX MIN RMS 0.171086 0.000001 0.053711

资源三号设计缺憾 多光谱波段问题 多光谱和全色夹角问题

资源三号多光谱 夹角：多光谱相机存在6°的夹角，导致全色和多光谱影像间直接融合效果不太理想，特别在城区影响更加明显 下降沿：多光谱相机拼接像元问题 波段范围：多光谱和全色波段范围问题

多光谱和全色波段范围问题 载荷信息 全色相机(前视, 后视, 正视) 多光谱相机 光谱范围 0.5-0.8um 蓝: 0.45-0.52um 地面分辨率 正视: 2.1m 前后视: 3.5m 5.8m 焦距 1700mm 1750mm 像素大小 正视: 24576(8192×3)×7um; 前后视:16384(4096×4)×10um 9216(3072×3)×20um 幅宽 52km IKONOS Band pan Blue Green Red NIR Spectral Range( ) 0.45-0.9 0.45-0.53 0.52-0.61 0.64-0.72 0.77-0.88 Resolution(m) 1 4

待注意的几个问题 星上时间同步精度：≤50µs 陀螺数据输出频率：4Hz 星敏输出频率： 4Hz 行计数： 陀螺数据输出频率：4Hz 星敏输出频率： 4Hz 姿态稳定度： ≤ 5×10-4 / s (三轴，3) 数据完好率：截止高度角15°条件下的观测数据的完好率优于85%。