院士论坛|王任享：天绘一号03星定位精度初步评估

天绘一号03星定位精度初步评估

王任享^1,2, 王建荣^1,2, 胡莘^1,2     

1. 地理信息工程国家重点实验室, 陕西 西安 710054 ;
2. 西安测绘研究所, 陕西 西安 710054

收稿日期：2016-07-25； 修回日期：2016-09-05

第一作者简介：王任享(1933-),男,研究员,中国工程院院士,从事卫星摄影测量的理论和应用研究

通信作者： 王建荣

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摘要：天绘一号卫星是我国第一颗传输型立体测绘卫星，主要用于无地面控制点条件下高精度定位及1∶5万比例尺地形图测绘。01、02星分别于2010年8月24日及2012年5月6日成功发射，03星于2015年11月26日发射，目前3颗星在轨正常运行。01星定位精度经过系统检测后，定位精度为10.3 m/5.7 m（平面/高程），02星定位精度与01星精度相当。本文首先简要介绍了天绘一号卫星的总体概况及其地面处理系统中的关键技术，重点对03星的无控定位精度进行初步试验评估。通过国内外3条航线的试验发现，03星较02星精度有较大提高，在无地面控制点条件下可实现平面7.2 m、高程2.6 m的定位精度。

关键词： 卫星摄影测量     相机参数标定     光束法平差     定位精度     全球连续覆盖    

Preliminary Location Accuracy Assessments of 3rd Satellite of TH-1

WANG Renxiang^1,2, WANG Jianrong^1,2, HU Xin^1,2     

Abstract: The TH-1 satellite is the first stereo mapping transmission satellite in China, and the primary mission goal of the satellite is for topographic mapping at 1:50 000 scale and high-accuracy location without Ground Control Points (GCPs). 1^st, 2^nd satellites of TH-1 were launched on August 24, 2010, May 6, 2012, and 3^rd satellite was launched on October 26, 2015. Now, three satellites of TH-1 are well operating on its orbit. After evaluation, the location accuracy of 1^st satellite without GCPs is 10.3 m/5.7 m (horizontal accuracy/vertical elevation accuracy), and the location accuracy of 2^nd is equivalent with 1^st satellite. In this paper, the system overview of TH-1 and the key technical in ground image processing are introduced. Then, the preliminary location accuracy of 3^rd is assessed. The results are shown using three routes images:the location accuracy of 3^rd is higher than 2^nd, and can realize high accuracy location without GCPs, in which the horizontal accuracy is 7.2 m, and the vertical elevation accuracy is 2.6 m.

Key words: satellite photogrammetry     camera parameters calibration     bundle adjustment     location accuracy     global coverage on a continuous basis    

天绘一号卫星是我国第一颗传输型立体测绘卫星，其工程目标是在无地面控制点条件下，实现目标高精度定位及1∶5万比例尺地形图测绘。01星于2010年8月24日发射，02星于2012年5月6日发射，03星于2015年11月26日发射，目前3颗星在轨正常运行。01星发射后，为了系统评估其定位精度，在国内外选定多个精度检测场，检测场分布于不同纬度，包含平地、山地及高山地等多种地形。相关单位组织进行精度检测，检测后其定位精度为平面10.3m，高程5.7m^[]。02星与01星所有载荷基本相同，其定位精度与01星相当。随着部分有效载荷工程实践及成功应用，在01、02星技术状态基础上，天绘一号03星作了如下改进：①采用双频GPS进行精密定轨，提高事后定轨精度；②地面影像处理中对光束法平差软件加以优化，可以实现单景三线阵影像的光束法平差；③像点量测软件不断完善，量测更加规范、可靠。

为了较全面了解天绘一号卫星进展，本文介绍了天绘一号卫星的总体情况，对相机参数在轨标定和多功能EFP光束法平差等摄影测量处理中的关键技术进行阐述。最后，利用国内外3条航带影像和地面已知控制点数据，对03星的改进性能进行了验证与分析。

1 天绘一号卫星基本情况

天绘一号卫星基于小卫星平台，实现了多种载荷的一体化^[]。卫星平台上不仅搭载GPS、星敏感器等设备，还搭载了多种分辨率、多种用途的成像传感器(如所示)，包括5m分辨率的LMCCD相机、2m分辨率的高分辨率相机和10m分辨率的多光谱相机，其幅宽均为60km。LMCCD相机采用三线阵相机加4个小面阵相机配置方式^[]，三线阵CCD相机由具有一定交会角的前视、正视和后视CCD构成，获取地面影像的多视角立体影像，其摄影方式如所示。高分辨率相机采用TDICCD推扫成像，主要用于目标判读、地形图修测及2m正射影像制作。多光谱相机主要用于获取地物4个谱段的影像，确定地物的物理属性。同时，可与三线阵或高分辨率影像进行融合，生成各类彩色正射影像。

图 1 天绘一号卫星有效载荷示意图Fig. 1 The main payloads of TH-1 satellite

2 天绘一号卫星无控定位实现的关键技术

无控定位的技术本身就是一个系统工程，涉及卫星平台、有效载荷及地面处理等多个环节。传统摄影测量中单一功能的“光束法平差软件”，不能解决全球连续覆盖模式光学摄影测量卫星无控定位问题^[]。天绘一号工程研发了特殊的光束法平差软件，软件包括LMCCD影像相机参数在轨标定和EFP多功能光束法平差软件。

图 2 立体影像获取过程^[]Fig. 2 Stereoscopic images acquisition process^[]

2.1 相机参数在轨标定技术

天绘一号相机参数标定是基于LMCCD影像的EFP光束法平差理论^[]，数学模型采用后方交会与前方交会迭代计算的方式^[]，将相机参数作为未知参数代入后方交会模型中。在具体实现中，以三线阵立体影像为基础，以小面阵影像为框架，采用等效框幅式影像构网的思想，建立了LMCCD影像EFP光束法平差技术，按反解空中三角测量原理进行三线阵相机的参数重组，实现对摄影测量参数的在轨可靠标定，如所示。标定参数包括3个主点坐标、3个相机主距以及星地相机3个角元素转换参数的附加改正值，共12个参数。重组中以正视相机为基准，实际解算中有11个独立待解参数^[]。

图 3 相机参数在轨标定流程Fig. 3 Process of camera parameters on-orbit calibration

2.2 EFP多功能光束法平差技术

三线阵影像空中三角测量通常采用定向片法或EFP法光束法平差，精确解算定向时刻或EFP时刻的外方位元素^[-]，相邻定向时刻的外方位元素则采用多项式拟合获得。经过工程实践，定向片法和EFP法均无法解决航线模型的系统变形难题^[-]。因此，为实现天绘一号卫星无控定位的工程目标，在EFP法基础上开发集全三线交会平差、角元素低频误差补偿及偏流角效应改正为一体的EFP多功能光束法平差^[]，其流程如所示。该光束法平差，不仅能处理两线交会或三线交会的三线阵影像^[]，而且能够自动检测并补偿姿态测定系统存在的低频误差^[-]，同时实现对偏流角余差效应的自动改正^[]。

3 初步精度试验及验证

03星发射后，成功获取了国内试验场满足相机参数标定要求的长条带无云影像，地面进行了相机参数在轨标定。在此基础上，对国内外3条地区影像进行了无地面控制点条件下EFP多功能光束法平差，最后利用已知地面控制点作为检查点对03星影像的定位精度进行评估。其统计结果如所示。

图 4 EFP多功能光束法平差流程Fig. 4 Process of EFP multi-functional bundle adjustment

表 1 无地面控制点定位精度误差统计Tab. 1 Statistics of location accuracy without ground control points

检测场名	直接前方交会/m (相机参数在轨标定前)		EFP多功能平差/m (相机参数在轨标定后)	检查点 数量	影像大小 /km
μX	μY	μh	μp	μX	μY	μh	μp
国内场	192.0	4.3	36.2	192.0		5.8	4.9	2.6	7.6	5	340×60
国外场1	187.0	3.2	33.5	187.0	4.9	5.0	2.5	7.0	26	420×60
国外场2	188.3	8.1	36.7	188.5	1.4	7.2	2.7	7.3	6	120×60
平均值	189.1	5.6	35.5	189.2	4.4	5.8	2.6	7.2	37

中精度统计是基于检查点平差后的坐标，与将GPS实地测量值转换至高斯平面(B、L、H)坐标系间的均方根误差^[]，其中μ_X 为高斯6°分带平面X坐标均方根误差；μ_Y 为高斯6°分带平面Y坐标均方根误差；μ_h为大地高均方根误差，μ_p为水平位置均方根误差。

从看出，利用实验室标定参数进行直接前方交会时，3个场平面精度约在190m左右，高程精度约36m左右；利用在轨标定参数进行EFP多功能光束法平差后，定位精度大幅提高，平面精度从190m提高至7.3m，高程精度从36m提高到2.6m。同时表明，天绘一号相机参数经国内检测场标定后，可以用于全球范围的无控定位，并有效保证无控定位精度的一致性。另外，相机参数在轨标定前后，星地相机夹角改正数横滚方向变化较小(约1.5″)，因此，直接前方交会和EFP多功能平差中，μ_Y分别为5.2m、5.7m，无明显变化。

为了分析每个点的误差分布情况，选择国外场1区域为例，平差影像长420km，利用均匀分布的26个地面检查点进行精度统计，平面精度从187m提高至7m，高程精度从33.5m提高至2.5m，平差后无明显的系统误差，如、所示。

图 5 平面精度变化Fig. 5 The changes of horizontal accuracy

图 6 高程精度变化Fig. 6 The changes of vertical elevation accuracy

4 结 论

天绘一号卫星采用全球连续覆盖模式获取全球南北纬80°范围内立体影像，实现了无地面控制点条件下高精度定位的工程目标^[]。01、02星定位精度达到平面10.3m、高程5.7m，满足测制1∶5万比例尺地形图(20m等高距)的精度要求。03星采用双频GPS接收机后，光束法平差软件也进行了适应性改造，同时地面检测中像点量测也更加规范。经过国内外3条航线的初步定位精度检测，平面精度为7.2m，高程精度为2.6m。得出结论是03星影像可以满足测制10m等高距的地形图产品。

从天绘一号01、02和03星定位精度评估后得出：天绘一号卫星采用“光束法平差途径”是有效的^[]，能实现无地面控制点高精度定位，同时使全球连续覆盖模式的光学摄影测量卫星在无控定位方面又迈向了一个新的台阶。

【引文格式】：王任享，王建荣，胡莘。天绘一号03星定位精度初步评估[J]. 测绘学报，2016，45(10)：1135-1139.DOI: 10.11947/j.AGCS.2016.20160373

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