張宏偉 張炳先,2 侯作勛 彭呈祥

顧及光行差改正的遙感衛(wèi)星成像模型及驗證

張宏偉1張炳先1,2侯作勛1彭呈祥1

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）（2 先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京 100094）

結(jié)合光學遙感衛(wèi)星的幾何特性和成像機理，系統(tǒng)地分析了光行差效應對光學遙感衛(wèi)星對地觀測精度的影響。根據(jù)光行差效應影響的機理與特點，文章推導出了嚴格的光行差模型，并通過一個變換矩陣將該模型引入到傳統(tǒng)共線方程模型中，實現(xiàn)了模型中光線真方向向量與視方向向量之間的轉(zhuǎn)換。在實驗階段，通過兩組實驗對本模型的精度和有效性進行了對比驗證，首先基于不同側(cè)擺角的模擬影像對比分析了傳統(tǒng)模型和本模型的定位精度，然后，結(jié)合幾何定標的補償效應，對比分析了兩種初始模型及定標后的精化模型在不同側(cè)擺角下的定向精度，進而驗證各模型對光行差的改正效果。實驗結(jié)果表明，文中方法可以有效的補償衛(wèi)星影像由光行差引起的幾何誤差，提高敏捷光學衛(wèi)星大側(cè)擺成像時的定位精度。

光行差 嚴格成像模型 定位精度 幾何定標敏捷光學衛(wèi)星 航天遙感

0 引言

光行差[1-2]（Aberration of Light，AOL）通常指在同一瞬間，運動中的觀測者所觀測到的天體視方向與靜止的觀測者所觀測到的真方向之差，是一種普遍存在的物理現(xiàn)象。對于對地觀測的光學衛(wèi)星而言，可將其搭載的光學載荷作為觀測者，由于衛(wèi)星在軌時是按照其預定軌道不斷運動的，因此其視方向與真方向之間通常存在一定的夾角，即衛(wèi)星對地觀測的光行差（本文將其視為光行差誤差）。目前，一些國內(nèi)外學者對于光行差的影響機理進行了研究，然而主要集中在天文[3-6]和飛行器導航[7-9]等領域，在對地觀測領域[10-12]研究的文獻不多。

從光行差的定義可知，光行差對于定位精度的影響主要和衛(wèi)星運行速度（相對于地面的速度）和光信號從地面?zhèn)鞑サ叫l(wèi)星的時間有關，因此，對于一般的中低軌光學遙感衛(wèi)星，假設其軌道高度為500km，則在其星下點成像時光線傳播時間約為0.001 7s，若衛(wèi)星在WGS84坐標系下的飛行速度為7.9km/s，通過簡單的數(shù)學換算可知，由光行差引起的定位誤差為13.5m，而在衛(wèi)星側(cè)擺成像時，衛(wèi)星成像距離隨著側(cè)擺角增加而變大，因此該誤差同樣會相應的增大。然而，目前在軌運行的衛(wèi)星光學遙感衛(wèi)星如“資源三號”（ZY-3）、“天繪一號”（TH-1）等姿軌測量精度較穩(wěn)定的光學衛(wèi)星[13-16]，在不考慮光行差影響的情況下已經(jīng)可以達到優(yōu)于15m的定位精度，究其原因，主要是因為這些衛(wèi)星均是非敏捷的對地觀測衛(wèi)星，不會進行大側(cè)擺對地成像，因此衛(wèi)星成像過程中光線傳播距離基本不變，不同成像時刻光信號從地面?zhèn)鞑サ叫l(wèi)星的時間幾乎一致，此外由于衛(wèi)星運行速度相對穩(wěn)定，因此由光行差引起的定位誤差基本為一沿軌方向的系統(tǒng)性誤差。在進行衛(wèi)星在軌幾何標定時，該誤差將被作為外參數(shù)誤差的一部分一并補償，因此，對于這些衛(wèi)星即使不考慮光行差的影響，在完成在軌幾何定標后仍能達到較高的定位精度。

然而，隨著衛(wèi)星姿軌控制能力的不斷提高，越來越多的光學衛(wèi)星具備敏捷成像能力。在不同側(cè)擺角的情況下，光信號傳播的距離會發(fā)生變化，進而造成定標參數(shù)不能完全補償光行差誤差。針對該問題，本文從光行差的影響機理出發(fā)，建立基于嚴格成像模型的光行差改正模型，實現(xiàn)對于光行差誤差的有效補償。

1 光行差影響分析