本發(fā)明的技術(shù)方案屬于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種星地協(xié)同的光學(xué)衛(wèi)星星上幾何定位處理的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著影像分辨率的提高，光學(xué)遙感衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)量呈幾何級數(shù)增長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了數(shù)據(jù)壓縮傳輸能力的發(fā)展，導(dǎo)致星上實時獲取的數(shù)據(jù)無法及時下傳。以高分二號遙感衛(wèi)星為例，該衛(wèi)星原始獲取數(shù)據(jù)率達到7Gb/s，若采用常規(guī)壓縮傳輸方法，通過2*450Mbps數(shù)傳鏈路，也無法完成全部獲取數(shù)據(jù)的實時下傳，嚴(yán)重制約了用戶獲取遙感數(shù)據(jù)和信息的時效性。因此，面向高分辨率光學(xué)成像所獲取的實時海量遙感數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的星地數(shù)據(jù)處理模式、數(shù)據(jù)壓縮方法、數(shù)據(jù)處理方法無法滿足各類用戶及時準(zhǔn)確獲取信息的要求。從而迫切需要研究新的數(shù)據(jù)處理模式、自動化和高時效性的數(shù)據(jù)處理方法，提升海量遙感影像的實時數(shù)據(jù)處理能力和信息提取水平，充分發(fā)揮對地觀測系統(tǒng)的應(yīng)用效能。

光學(xué)遙感衛(wèi)星星上在軌實時處理打破傳統(tǒng)“星上成像-影像下傳-地面處理”的數(shù)據(jù)處理模式，可在星上從海量遙感影像數(shù)據(jù)中，針對興趣任務(wù)目標(biāo)進行提取，實時對目標(biāo)影像塊進行數(shù)據(jù)處理，進而轉(zhuǎn)化為有效信息快速分發(fā)至地面用戶，以任務(wù)驅(qū)動角度出發(fā)，大大提高了遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的時效性及自動化、智能化程度。其中，具有高精度、實時性的星上幾何定位技術(shù)是實現(xiàn)以任務(wù)驅(qū)動的光學(xué)遙感衛(wèi)星星上在軌實時處理的必要環(huán)節(jié)，精確、可靠的地理位置信息是衛(wèi)星獲取的空間數(shù)據(jù)得以實時提取、轉(zhuǎn)化為有效信息的基礎(chǔ)。

光學(xué)衛(wèi)星高精度幾何定位依賴于精確的成像幾何模型參數(shù)，受衛(wèi)星發(fā)射時應(yīng)力釋放、衛(wèi)星運行時空間熱環(huán)境及力學(xué)環(huán)境等因素的影響，地面實驗室對于光學(xué)相機內(nèi)部及平臺安裝參數(shù)的檢校無法滿足衛(wèi)星定位的精度需求。目前，地面系統(tǒng)處理一般采用基于地面定標(biāo)場的幾何定標(biāo)方法，以衛(wèi)星在軌運行時獲取的幾何定標(biāo)場影像數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)的精化解算，而星上幾何定位技術(shù)受制于存儲環(huán)境及處理環(huán)境的約束，無法在星上進行幾何定標(biāo)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對光學(xué)衛(wèi)星成像高精度在軌幾何定位問題，提出了一種星地協(xié)同的光學(xué)衛(wèi)星在軌實時幾何定位方法及系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案為一種星地協(xié)同的光學(xué)衛(wèi)星在軌實時幾何定位方法，包括以下步驟：

步驟1，定位模型構(gòu)建及算法固化，構(gòu)建適用于星上實時處理單元的光學(xué)衛(wèi)星成像定位模型，并將相應(yīng)定位求解方法固化于星上硬件環(huán)境，保留模型參數(shù)更新上注接口；

所述光學(xué)衛(wèi)星成像定位模型，是采用線陣CCD探元指向角的內(nèi)定向模型，建立基于嚴(yán)密共線方程模型與地球橢球面模型相交的在軌定位模型；

步驟2，初值確定，由地面實驗室對相機內(nèi)部及平臺安裝關(guān)系的檢校參數(shù)或設(shè)計參數(shù)獲取星上定位模型參數(shù)的初始值；

步驟3，定標(biāo)數(shù)據(jù)獲取，衛(wèi)星在軌運行后對地面定標(biāo)場進行成像，獲取適宜幾何定標(biāo)的影像數(shù)據(jù)并下傳至地面系統(tǒng)；

步驟4，地面系統(tǒng)幾何定標(biāo)，包括在地面處理系統(tǒng)中完成定標(biāo)控制點的密集匹配、定標(biāo)參數(shù)解算；

步驟5，定標(biāo)結(jié)果驗證與模型參數(shù)上注更新，對定標(biāo)精度評價，確定定標(biāo)結(jié)果的正確性后，更新星上定位的相應(yīng)參數(shù)。

而且，步驟1中，所述線陣CCD探元指向角的內(nèi)定向模型如下，

其中，(V_image)_cam為像元在像空間坐標(biāo)系下的指向矢量，x、y分別為像元在像平面坐標(biāo)系下垂軌和沿軌方向的坐標(biāo)，ψ_x(s)、ψ_y(s)為探元s指向矢量在沿軌和垂軌方向的角度分量，f為相機主距；

對于具有多片CCD拼接成像的相機，設(shè)有m片CCD，則對于m片CCD分別采用多組三次多項式(ψ_xj(s)ψ_yj(s))進行描述，

其中，s為探元號，ψ_xj(s)、ψ_yj(s)為各片上探元指向角在沿軌和垂軌方向的角度分量，j表示CCD的標(biāo)號，(ax0_j,ax1_j,ax2_j,ax3_j,ay0_j,ay1_j,ay2_j,ay3_j)為內(nèi)定標(biāo)參數(shù)。

而且，步驟1中，所述用基于嚴(yán)密共線方程模型與地球橢球面模型相交的在軌定位模型如下，

其中，為衛(wèi)星本體坐標(biāo)系到相機坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為J2000坐標(biāo)系到本體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為WGS84坐標(biāo)系到J2000坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，(X_s,Y_s,Z_s)為成像時刻的衛(wèi)星在WGS84坐標(biāo)系下的位置，(X,Y,Z)為目標(biāo)點在WGS84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，λ為比例因子，a_WGS84和b_WGS84分別為WGS84橢球的長半軸和短半軸，h為目標(biāo)定位點在物方的高程。

而且，步驟1中，所述定位求解方法采用基于DEM數(shù)據(jù)的高程迭代定位求解方法，實現(xiàn)方式如下，

以目標(biāo)點高程初值h₀＝0，在DEM數(shù)據(jù)的支持下，進行高程迭代求解，包括執(zhí)行以下步驟，

a.令i＝1，目標(biāo)點高程h＝h₀，即令h＝0，代入橢球面模型；

b.共線方程與橢球面方程聯(lián)立，求得目標(biāo)點物方坐標(biāo)，獲取光線與橢球高h(yuǎn)處的交點M_i；

c.若i＞1，則判斷此次獲得的交點M_i與上次計算坐標(biāo)M_i-1的修正量d(M_i-1,M_i)是否小于閾值d；

d.若修正量小于閾值，則輸出定位結(jié)果，若i＝1或修正量大于閾值，則由目標(biāo)點物方坐標(biāo)M_i在DEM上內(nèi)插更新高程值h＝h(M_i)，令i＝i+1，返回步驟b，重復(fù)b、c、d步驟直至收斂。

而且，步驟2中，確定星上模型參數(shù)的初值，實現(xiàn)方式如下，

對于相機在平臺上安裝關(guān)系的實驗室檢校，獲取三安裝角參數(shù)，與構(gòu)成的三個旋轉(zhuǎn)角一致，直接作為初值；

對于相機內(nèi)部參數(shù)的實驗室檢校，按照嚴(yán)格物理模型，測量相機主距f、各片CCD首像元在相機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x0_j,y0_j)，設(shè)定內(nèi)定向參數(shù)的初始值，如下式，

其中，pixelsize為CCD像元大小設(shè)計值。

而且，步驟4中構(gòu)建結(jié)合內(nèi)部探元指向角模型與外部安裝矩陣補償?shù)脑谲墡缀味?biāo)模型，實現(xiàn)方法如下：

作為外定標(biāo)參數(shù)，用于恢復(fù)相機坐標(biāo)系在空間中的位置和姿態(tài)；(ax0_j,ax1_j,ax2_j,ax3_j,ay0_j,ay1_j,ay2_j,ay3_j)(j＝1,2,...,m)作為內(nèi)定標(biāo)參數(shù)，用于確定相機內(nèi)部CCD各探元在相機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

而且，步驟4中，基于步驟1所得在軌定位模型，執(zhí)行以下步驟，

a.設(shè)在待定標(biāo)影像上量測了K個高精度地面控制點作為定向點，控制點的WGS84地心直角坐標(biāo)為(X_i Y_i Z_i)，像點坐標(biāo)為(s_i l_i)，i＝1,2,3...k；

b.令：

其中，為像點光線在本體坐標(biāo)系下的矢量，(pitch,roll,yaw)為相機在本體坐標(biāo)系上的三個安裝偏置角，為本體坐標(biāo)系到相機坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣

設(shè)外定標(biāo)參數(shù)X_E、內(nèi)定標(biāo)參數(shù)X_I為自變量，令F()、G()分別為像空間坐標(biāo)系下像點沿軌及垂軌方向的矢量殘差函數(shù)，則有：

c.對外定標(biāo)參數(shù)X_E、內(nèi)定標(biāo)參數(shù)X_I賦初值

d.將當(dāng)前的內(nèi)定標(biāo)參數(shù)X_I視為“真值”，將外定標(biāo)參數(shù)X_E視為待求的未知參數(shù)，將相應(yīng)的當(dāng)前值代入矢量殘差函數(shù)，對每個定向點，進行線性化處理，建立誤差方程式，利用最小二乘平差計算更新外定標(biāo)參數(shù)X_E的當(dāng)前值，

e.重復(fù)步驟d，迭代計算直至外定標(biāo)參數(shù)改正數(shù)均小于預(yù)設(shè)閾值時停止，進入步驟f；

f.將當(dāng)前的外定標(biāo)參數(shù)X_E視為“真值”，將內(nèi)定標(biāo)參數(shù)X_I視為待求的未知參數(shù)，將相應(yīng)的當(dāng)前值代入矢量殘差函數(shù)，對每個定向點，進行線性化處理，建立誤差方程式，利用最小二乘平差計算更新內(nèi)定標(biāo)參數(shù)X_I的當(dāng)前值，

g.重復(fù)步驟f，迭代計算直至內(nèi)定標(biāo)參數(shù)改正數(shù)均小于預(yù)設(shè)閾值時停止，完成幾何內(nèi)外定標(biāo)參數(shù)求解。

本發(fā)明相應(yīng)提供一種星地協(xié)同的光學(xué)衛(wèi)星在軌實時幾何定位系統(tǒng)，包括以下模塊：

定位模型構(gòu)建及算法固化模塊，用于構(gòu)建適用于星上實時處理單元的光學(xué)衛(wèi)星成像定位模型，并將相應(yīng)定位求解方法固化于星上硬件環(huán)境，保留模型參數(shù)更新上注接口；

所述光學(xué)衛(wèi)星成像定位模型，是采用線陣CCD探元指向角的內(nèi)定向模型，建立基于嚴(yán)密共線方程模型與地球橢球面模型相交的在軌定位模型；

初值確定模塊，用于由地面實驗室對相機內(nèi)部及平臺安裝關(guān)系的檢校參數(shù)或設(shè)計參數(shù)獲取星上定位模型參數(shù)的初始值；

定標(biāo)數(shù)據(jù)獲取模塊，用于衛(wèi)星在軌運行后對地面定標(biāo)場進行成像，獲取適宜幾何定標(biāo)的影像數(shù)據(jù)并下傳至地面系統(tǒng)；

地面系統(tǒng)幾何定標(biāo)模塊，用于在地面處理系統(tǒng)中完成定標(biāo)控制點的密集匹配、定標(biāo)參數(shù)解算；

定標(biāo)結(jié)果驗證與模型參數(shù)上注更新模塊，用于對定標(biāo)精度評價，確定定標(biāo)結(jié)果的正確性后，更新星上定位的相應(yīng)參數(shù)。

本發(fā)明提供一種以地面幾何定標(biāo)和星上實時幾何定位協(xié)同處理的星上高精度實時幾何定位技術(shù)方案，滿足了星上高精度實時幾何定位的需求，解決了光學(xué)衛(wèi)星在軌實時處理的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。該技術(shù)方案針對星上處理環(huán)境的局限性，結(jié)合地面處理系統(tǒng)，形成星地協(xié)同的處理模式，實現(xiàn)了光學(xué)遙感衛(wèi)星在軌高精度實時幾何定位，提高了對地觀測系統(tǒng)的應(yīng)用效能和時效性，為實現(xiàn)智能化、高效的遙感數(shù)據(jù)星上實時處理技術(shù)提供必要的基礎(chǔ)，具有重要的市場價值。

發(fā)明附圖

圖1為本發(fā)明的光學(xué)衛(wèi)星在軌幾何定位方法流程圖。

圖2為本發(fā)明的探元指向角模型示意圖。

圖3為本發(fā)明的基于DEM的單點定位迭代計算流程圖。

圖4為本發(fā)明的基于定標(biāo)場影像的地面系統(tǒng)在軌幾何定標(biāo)流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案。

本發(fā)明技術(shù)方案可采用計算機軟件方式支持自動運行流程。本發(fā)明實施例星地協(xié)同的光學(xué)衛(wèi)星在軌實時幾何定位方法如圖1所示，分以下步驟進行詳細(xì)描述。

(1)定位模型構(gòu)建及算法固化：構(gòu)建適用于星上實時處理單元的光學(xué)衛(wèi)星成像定位模型，并將算法固化于星上硬件環(huán)境，保留模型參數(shù)更新上注接口。

進一步地，步驟(1)中考慮成像過程中各種誤差的幾何特性、統(tǒng)計特性及變形規(guī)律，建立了優(yōu)化的光學(xué)衛(wèi)星星上在軌成像定位模型。其中采用探元指向角模型代替相機的嚴(yán)格內(nèi)檢校模型，避免模型的過度參數(shù)化，并可在同等精度水平下消除相機鏡頭畸變、CCD畸變及內(nèi)方位元素標(biāo)定誤差；相機外部誤差通過由相機與平臺間安裝角度構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)矩陣進行補償。將算法固化于星上硬件時，保留探元指向角模型參數(shù)及安裝角參數(shù)的更新接口。

對于光學(xué)衛(wèi)星相機，可以將影響幾何定位的因素分為兩類，一類是內(nèi)部誤差，包括鏡頭畸變、線陣CCD變形因素導(dǎo)致的相機內(nèi)部光軸指向的改變，另一類是外部誤差，包括相機的安裝誤差、熱變形導(dǎo)致的相機安裝相對關(guān)系的改變和外方位元素的觀測誤差。其中鏡頭畸變、線陣CCD的變形、相機的安裝誤差和熱變形屬于靜態(tài)誤差，具有很強的系統(tǒng)性，可以通過在軌幾何標(biāo)定的方式進行標(biāo)校和補償。

相機嚴(yán)格內(nèi)檢校模型中由于包含眾多的物理畸變參數(shù)，某些參數(shù)之間具有強相關(guān)性，因此存在過度參數(shù)化的問題，難以分別精確標(biāo)校，并不適合作為相機的內(nèi)定向模型。因此設(shè)計CCD探元指向角模型，如圖2，X₁、Y₁、Z₁為像空間坐標(biāo)系的三軸，O₁為投影中心，V_image為像元在像空間坐標(biāo)系下的指向矢量，ψ_x、ψ_y為V_image分別在沿軌和垂軌方向的角度分量。對各探元的指向角進行描述，其本質(zhì)上就是確定各探元的像方矢量在單位主距下相機焦平面上的投影平面坐標(biāo)，即對相機主距進行了歸一化處理，采用線陣CCD探元指向角的內(nèi)定向模型，如下式：

其中，(V_image)_cam為像元在像空間坐標(biāo)系下的指向矢量，x、y分別為像元在像平面坐標(biāo)系下垂軌和沿軌方向的坐標(biāo)，ψ_x(s)、ψ_y(s)為探元s指向矢量在沿軌和垂軌方向的角度分量，f為相機主距。

由于相機嚴(yán)格物理模型本質(zhì)上就是一個三次多項式模型，為了確定各探元的指向角，采用一個三次多項式對相機CCD上各探元在相機坐標(biāo)系下的指向角進行擬合，作為相機的內(nèi)定向模型，對于具有多片CCD拼接成像的相機，設(shè)有m片CCD，則對于m片CCD分別采用多組三次多項式(ψ_xj(s)ψ_yj(s))進行描述：

其中，s為探元號，ψ_xj(s)、ψ_yj(s)為各片上探元指向角在沿軌和垂軌方向的角度分量，j表示CCD的標(biāo)號，(ax0_j,ax1_j,ax2_j,ax3_j,ay0_j,ay1_j,ay2_j,ay3_j)為內(nèi)定標(biāo)參數(shù)。

則代入光學(xué)衛(wèi)星成像嚴(yán)密共線方程模型，與地球橢球面模型聯(lián)立，利用像點光束與地面物方高程面相交的幾何關(guān)系，建立的光學(xué)成像在軌幾何定位模型如下：

其中，為衛(wèi)星本體坐標(biāo)系到相機坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，由相機在平臺上的安裝角求得；為J2000坐標(biāo)系到本體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，由成像時刻的衛(wèi)星平臺三姿態(tài)角求得；為WGS84坐標(biāo)系到J2000坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，由成像時刻及國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)發(fā)布的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)求得；(X_s,Y_s,Z_s)為成像時刻的衛(wèi)星在WGS84坐標(biāo)系下的位置；(X,Y,Z)為目標(biāo)點在WGS84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；λ為比例因子；a_WGS84和b_WGS84分別為WGS84橢球的長半軸和短半軸；h為目標(biāo)定位點在物方的高程。

基于構(gòu)建的定位模型，在星上定位解算過程中，首先組成共線方程：輸入目標(biāo)點的像方坐標(biāo)，則可獲取其在相機坐標(biāo)系下的矢量；根據(jù)像點的成像時刻，可由GPS軌道測量星歷及星敏姿態(tài)測量星歷內(nèi)插出對應(yīng)的衛(wèi)星位置(WGS84坐標(biāo)系)及姿態(tài)(J2000坐標(biāo)系)；根據(jù)像點的成像時刻及地球自轉(zhuǎn)參數(shù)可求得WGS84坐標(biāo)系與J2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系；由相機安裝角計算本體坐標(biāo)系到相機坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。然后，將共線方程與地球橢球面方程聯(lián)立，以目標(biāo)點高程初值h₀＝0，在DEM數(shù)據(jù)的支持下，進行高程迭代求解，如圖3所示，具體步驟為：

a.令i＝1，目標(biāo)點高程h＝h₀，即令h＝0，代入橢球面模型；

b.共線方程與橢球面方程聯(lián)立，求得目標(biāo)點物方坐標(biāo)，即光線與橢球高h(yuǎn)處的交點M_i；

c.若i＞1，則判斷此次獲得的交點M_i與上次計算坐標(biāo)M_i-1的修正量d(M_i-1,M_i)是否小于閾值d；

d.若修正量小于閾值，則輸出定位結(jié)果，若i＝1或修正量大于閾值，則由目標(biāo)點物方坐標(biāo)M_i在DEM上內(nèi)插更新高程值h＝h(M_i)，令i＝i+1，返回步驟b，重復(fù)b、c、d步驟直至收斂。

在衛(wèi)星地面建設(shè)階段，完成該定位模型及算法在星上處理模塊(如DSP)上的固化以及DEM數(shù)據(jù)在星上存儲模塊的注入，并將模型中存在系統(tǒng)誤差、需在軌幾何標(biāo)定的參數(shù)(ax0_j,ax1_j,ax2_j,ax3_j,ay0_j,ay1_j,ay2_j,ay3_j)(j＝1,2,...,m)保留上注更新的接口。

(2)初值確定：由地面實驗室對相機內(nèi)部及平臺安裝關(guān)系的檢校參數(shù)或設(shè)計參數(shù)獲取星上定位模型參數(shù)初始值。

衛(wèi)星發(fā)射前，采用實驗室檢校的手段可獲取相機內(nèi)部參數(shù)及安裝矩陣的地面檢校值，作為在軌精確標(biāo)定前的模型初值。

對于相機在平臺上安裝關(guān)系相應(yīng)衛(wèi)星本體坐標(biāo)系到相機坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣的實驗室檢校，一般獲取三安裝角參數(shù)，與構(gòu)成的三個旋轉(zhuǎn)角一致，直接作為初值；

對于相機內(nèi)部參數(shù)的實驗室檢校，一般按照嚴(yán)格物理模型，測量其相機主距f、各片CCD首像元在相機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x0_j,y0_j)(j＝1,2,...,m)，此時可忽略相機高階畸變，結(jié)合CCD像元大小設(shè)計值pixelsize，設(shè)定內(nèi)定向參數(shù)的初始值，如下式。

(3)定標(biāo)數(shù)據(jù)獲?。盒l(wèi)星在軌運行后對地面定標(biāo)場進行成像，獲取適宜幾何定標(biāo)的影像數(shù)據(jù)并下傳至地面系統(tǒng)。

進一步地，步驟(3)中定標(biāo)影像數(shù)據(jù)應(yīng)該選擇地物清晰無云、成像角度較小、控制點在影像內(nèi)均勻分布的影像。

衛(wèi)星發(fā)射后在軌運行過程中，規(guī)劃成像任務(wù)時將定標(biāo)場目標(biāo)列為優(yōu)先，對定標(biāo)場進行較小成像角度的拍攝(星下點成像為最優(yōu)選方案)，并將成像數(shù)據(jù)下傳至地面處理系統(tǒng)，選取成像天氣晴朗無云、地面控制數(shù)據(jù)覆蓋均勻的影像數(shù)據(jù)作為待定標(biāo)影像數(shù)據(jù)。

(4)地面系統(tǒng)幾何定標(biāo)：包括在地面處理系統(tǒng)中完成定標(biāo)控制點的密集匹配、定標(biāo)參數(shù)解算。

基于定標(biāo)場影像的在軌幾何定標(biāo)，處理流程如圖4所示，基于實驗室標(biāo)定參數(shù)、軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)(由GPS和星敏觀測獲得)和待定標(biāo)影像數(shù)據(jù)進行。

在軌幾何定標(biāo)需要密集控制點匹配：獲取待定標(biāo)影像數(shù)據(jù)后，需一定數(shù)量、在影像上均勻分布的控制點作為控制信息。目前國內(nèi)衛(wèi)星地面幾何定標(biāo)場均提供了高精度數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)等參考數(shù)據(jù)，利用影像高精度匹配技術(shù)，將待定標(biāo)影像直接和定標(biāo)場的DOM和DEM參考數(shù)據(jù)進行影像匹配，從而實現(xiàn)控制點的自動量測，獲取大量同名像點，為后續(xù)的平差解算提供必要可靠的控制信息。

同步驟(1)，將采用探元指向角模型的嚴(yán)密共線方程作為在軌幾何定標(biāo)模型，作為外定標(biāo)參數(shù)，用于精確恢復(fù)相機坐標(biāo)系在本體坐標(biāo)系下的安裝偏置關(guān)系；(ax0_j,ax1_j,ax2_j,ax3_j,ay0_j,ay1_j,ay2_j,ay3_j)(j＝1,2,...,m)作為內(nèi)定標(biāo)參數(shù)，用于確定相機內(nèi)部CCD各探元在相機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

由控制點匹配結(jié)果，基于建立的內(nèi)外幾何定標(biāo)模型，進行在軌幾何內(nèi)外定標(biāo)參數(shù)求解，具體解算公式及流程如下：

a.假設(shè)在待定標(biāo)影像上量測了K個高精度地面控制點作為定向點，控制點的WGS84地心直角坐標(biāo)為(X_i Y_i Z_i)，像點坐標(biāo)為(s_i l_i)，i＝1,2,3...k；

b.令：

其中，為像點光線在本體坐標(biāo)系下的矢量，(pitch,roll,yaw)為相機在本體坐標(biāo)系上的三個安裝偏置角，為本體坐標(biāo)系到相機坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。

設(shè)外定標(biāo)參數(shù)X_E、內(nèi)定標(biāo)參數(shù)X_I為自變量，令F()、G()分別為像空間坐標(biāo)系下像點沿軌及垂軌方向的矢量殘差函數(shù)，則有：

c.對外定標(biāo)參數(shù)X_E、內(nèi)定標(biāo)參數(shù)X_I賦初值這里初值為實驗室檢校值或初始設(shè)計值。

d.將當(dāng)前內(nèi)定標(biāo)參數(shù)X_I視為“真值”，將外定標(biāo)參數(shù)X_E視為待求的未知參數(shù)。將它們的當(dāng)前值代入上式，對每個定向點，對其進行線性化處理，建立誤差方程式：

V_i＝A_iX-L_i P_i

其中

式中，L_i是利用內(nèi)外定標(biāo)參數(shù)當(dāng)前值代入公式計算得到的常數(shù)向量；A_i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)dX_E；P_i是觀測值的權(quán)；V_i是像點殘差向量；(dpitch,droll,dyaw)是相機平臺安裝角改正數(shù)；F_i、G_i與步驟b中公式一致，為各像點在像空間坐標(biāo)系下的矢量殘差函數(shù)。

計算法方程系數(shù)矩陣，

其中，L是常數(shù)向量，A是系數(shù)矩陣，P為權(quán)值向量。

利用最小二乘平差計算X，如下，

X＝(A^TPA)^-1(A^TPL)

更新外定標(biāo)參數(shù)X_E的當(dāng)前值：

e.重復(fù)步驟d，迭代計算直至外定標(biāo)參數(shù)改正數(shù)均小于閾值(本領(lǐng)域技術(shù)人員可自行預(yù)設(shè)，優(yōu)選地取10^-12)時停止，進入步驟f。

f.同樣，將當(dāng)前的外定標(biāo)參數(shù)X_E視為“真值”，將內(nèi)定標(biāo)參數(shù)X_I視為待求的未知參數(shù)，將相應(yīng)的當(dāng)前值代入矢量殘差函數(shù)，對每個定向點，進行線性化處理，建立誤差方程式，利用最小二乘平差計算更新內(nèi)定標(biāo)參數(shù)X_I的當(dāng)前值，具體實現(xiàn)如下，

將外定標(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)，代入公式對每個定向點構(gòu)建誤差方程式：

V_i＝B_iY-L_i P_i

其中，

式中，L_i是利用內(nèi)外定標(biāo)參數(shù)當(dāng)前值計算得到的常數(shù)向量；B_i是誤差方程式的系數(shù)矩陣；Y代表內(nèi)定標(biāo)參數(shù)改正數(shù)dX_I；P_i是觀測值的權(quán)；V_i是像點殘差向量；(dax₀,dax₁,dax₂,dax₃,day₀,day₁,day₂,day₃)是相機內(nèi)定標(biāo)參數(shù)改正數(shù)；F_i、G_i與步驟b中公式一致，為各像點在像空間坐標(biāo)系下的矢量殘差函數(shù)。

計算法方程系數(shù)矩陣；

其中，L是常數(shù)向量，B是系數(shù)矩陣，P為權(quán)值向量。

利用最小二乘平差計算Y，如下式；

Y＝(B^TPB)^-1(B^TPL)

更新內(nèi)定標(biāo)參數(shù)X_I的當(dāng)前值。

g.重復(fù)步驟f，迭代計算直至內(nèi)定標(biāo)參數(shù)改正數(shù)均小于閾值(本領(lǐng)域技術(shù)人員可自行預(yù)設(shè)，優(yōu)選地取10^-12)時停止，完成幾何內(nèi)外定標(biāo)參數(shù)求解。

(5)定標(biāo)結(jié)果驗證與模型參數(shù)上注更新：對定標(biāo)精度評價，確定定標(biāo)結(jié)果的正確性后，更新星上定位算法的相應(yīng)參數(shù)。

定標(biāo)完成后，需要對定標(biāo)效果進行評價驗證，一般通過對定標(biāo)后生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品幾何精度測試以驗證其正確性。

進一步地，步驟(5)中定標(biāo)結(jié)果的正確性評價是指對定標(biāo)后生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品幾何精度的評價，利用地面檢查點評價影像的絕對定位精度，對比定標(biāo)前后的定位精度指標(biāo)，評估參數(shù)精化效果。

針對星上單點定位，驗證定標(biāo)后產(chǎn)品的絕對幾何精度即可，通過利用地面檢查點參考信息，將檢查點的地面坐標(biāo)采用幾何檢校后的模型反算得到相應(yīng)的圖像坐標(biāo)，求出沿軌道/垂直軌道方向真實的圖像坐標(biāo)與計算的圖像坐標(biāo)之間的差值，并統(tǒng)計其數(shù)學(xué)期望，由影像的幾何分辨率可換算為物方精度。對比定標(biāo)前后產(chǎn)品的絕對幾何精度提升水平，評價定標(biāo)結(jié)果參數(shù)的正確性和可用性。

最后，將地面處理系統(tǒng)在軌定標(biāo)所獲取的精確參數(shù)，通過星上保留的參數(shù)上注接口，提供給固化在星上硬件環(huán)境中的實時幾何定位模型，更新不精確的實驗室檢校參數(shù)，從而實現(xiàn)星上高精度實時定位。

具體實施時，本發(fā)明所提供方法可基于軟件技術(shù)實現(xiàn)自動運行流程，也可采用模塊化方式實現(xiàn)相應(yīng)系統(tǒng)。

本發(fā)明實施例相應(yīng)提供一種星地協(xié)同的光學(xué)衛(wèi)星在軌實時幾何定位系統(tǒng)，包括以下模塊：

定位模型構(gòu)建及算法固化模塊，用于構(gòu)建適用于星上實時處理單元的光學(xué)衛(wèi)星成像定位模型，并將相應(yīng)定位求解方法固化于星上硬件環(huán)境，保留模型參數(shù)更新上注接口；

所述光學(xué)衛(wèi)星成像定位模型，是采用線陣CCD探元指向角的內(nèi)定向模型，建立基于嚴(yán)密共線方程模型與地球橢球面模型相交的在軌定位模型；

初值確定模塊，用于由地面實驗室對相機內(nèi)部及平臺安裝關(guān)系的檢校參數(shù)或設(shè)計參數(shù)獲取星上定位模型參數(shù)的初始值；

定標(biāo)數(shù)據(jù)獲取模塊，用于衛(wèi)星在軌運行后對地面定標(biāo)場進行成像，獲取適宜幾何定標(biāo)的影像數(shù)據(jù)并下傳至地面系統(tǒng)；

地面系統(tǒng)幾何定標(biāo)模塊，用于在地面處理系統(tǒng)中完成定標(biāo)控制點的密集匹配、定標(biāo)參數(shù)解算；

定標(biāo)結(jié)果驗證與模型參數(shù)上注更新模塊，用于對定標(biāo)精度評價，確定定標(biāo)結(jié)果的正確性后，更新星上定位的相應(yīng)參數(shù)。

各模塊具體實現(xiàn)可參見相應(yīng)步驟，本發(fā)明不予贅述。

本文中所描述的具體實例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。