线阵卫星遥感影像外方位元素对偶四元数求解法

基于对偶四元数可统一描述位置与姿态的特点,提出了利用对偶四元数求解线阵卫星遥感影像外方位元素的方法。该方法使用对偶四元数的实部描述传感器的姿态,并利用对偶部和实部共同描述成像传感器的位置。通过对位置和姿态的内插建立了基于对偶四元数的外方位元素模型。为减少运算,将球面线性插值进行化简,进而建立了基于线性插值的成像几何模型。为求解外方位元素,首先对共线条件方程进行了线性化,然后通过矩阵微分运算推导了线元素的虚拟观测方程,并根据误差传播定律确定其权值,最终采用具有约束条件的参数平差法求解外方位元素。试验结果表明本文方法正确可靠,与采用欧拉角和单位四元数的外方位元素求解方法相比,有更高的参数解算精度,同时也表明了准确的初值和虚拟观测方程对外方位元素求解的必要性。     

Milne-Hamming线性多步法在求解姿态四元数微分方程中的应用

姿态微分方程的求解是SINS(Strap-down Inertial Navigation System)导航解算中一项重要的内容,对算法的稳定性、精度和计算量有较高的要求。引入了一种求解姿态四元数微分方程的新方法——Milne-Hamming线性多步预测校正方法,详细推导了应用此方法求解姿态四元数微分方程的过程。应用仿真数据和实测数据对此算法和四阶龙格-库塔算法进行了对比验证,结果表明Milne-Hamming线性多步预测校正方法是一种求解姿态四元数微分方程的有效方法,其稳定度明显优于四阶龙格-库塔算法并且计算量小。     

Milne-Hamming线性多步法在求解姿态四元数微分方程中的应用

姿态微分方程的求解是SINS（Strap—down Inertial Navigation System）导航解算中一项重要的内容,对算法的稳定性、精度和计算量有较高的要求。引入了一种求解姿态四元数微分方程的新方法——Milne—Hamming线性多步预测校正方法,详细推导了应用此方法求解姿态四元数微分方程的过程。应用仿真数据和实测数据对此算法和四阶龙格-库塔算法进行了对比验证,结果表明Milne—Hamming线性多步预测校正方法是一种求解姿态四元数微分方程的有效方法,其稳定度明显优于四阶龙格-库塔算法并且计算量小。     

利用单位对偶四元数进行航空影像区域网平差解算

将对偶四元数应用于摄影测量中,提出了一种基于单位对偶四元数的航空影像区域网平差解算方法。相比于常规的平差方法和四元数方法,该算法的最大特点是将影像的摄站位置和姿态以一个单位对偶四元数整体表示,从而构建基于对偶四元数的区域网平差模型,并采用具有约束条件的参数平差进行解算。利用两个地区不同比例尺的实际航空影像数据进行实验,结果表明,该算法的平差精度与常规的区域网平差方法相当,对影像比例尺及控制点的数量与分布的需求也与常规的平差方法基本相同,为对当前轻小平台获取航空影像进行摄影测量处理提供了一条新的技术思路。     

对偶四元数用于航天线阵遥感影像光束法平差解算

利用对偶四元数可以同时描述位置与姿态的特性,在简化四元数球面线性插值算法的基础上,建立了基于对偶四元数的航天线阵遥感影像的外方位元素模型,且利用该模型设计并实现了光束法平差解算方法。该方法可使用具有约束条件的参数平差法进行迭代求解。利用两个地区的SPOT-5 HRS立体影像进行了对比试验分析,结果表明,提出的基于对偶四元数的光束法平差算法正确可靠,相比于基于欧拉角的平差算法和基于单位四元数的平差算法,有更高的平差计算精度。     

基于LM方法的大姿态角影像空间后方交会

针对低空遥感影像存在大姿态角度的特点,提出采用Levenberg-Marquardt(LM)方法实现影像空间后方交会模型的收敛解算。基于仿真数据对该方法进行了验证,并与基于单位四元数的无初值依赖算法比较。结果表明,LM方法具有与单位四元数法相当的可靠性;通过选择合适的阻尼因子,LM法迭代效率更高。     

资源三号卫星姿态四元数系统误差检验方法

根据资源三号卫星严格成像模型,建立姿态四元数系统误差检验模型,通过对登封地区2景影像进行试验,利用不同控制点数量求解姿态四元数系统误差,将姿态进行系统误差改正后,可以使卫星直接定位精度大幅提高,验证了姿态四元数系统误差检验方法的正确性和有效性。     

ZY-3卫星姿态插值与拟合方法研究

卫星姿态作为构建ZY-3卫星高分辨率遥感影像严密几何成像模型的必要参数,其精度对卫星影像几何定位精度有直接影响,因此研究如何获取卫星成像时刻的三线阵影像扫描行精确姿态具有重要意义。本文分别基于多项式插值方法、多项式拟合方法及球面线性插值方法对ZY-3卫星星上直传精密姿态进行了拟合与平滑,进一步与基于高精度几何定标场反演的对地相机精密姿态进行了比较。研究结果表明,基于欧拉角姿态参数的插值拟合方法同样适用于四元数姿态参数,两者精度相当,且姿态拟合精度可以达到1~2角秒级,为遥感影像高精度几何处理提供精确可靠的外方位角元素。     

GPS/INS紧组合导航姿态计算方法选取分析

基于GPS/INS紧组合模式, 研究了方向余弦算法和四元数算法的解算过程, 并通过模拟数据试验, 分析了它们在姿态解算过程中对姿态漂移误差的影响。通过对比可以得出, 四元数法在相同模拟环境和相同解算阶数下, 其姿态解算精度要优于方向余弦算法, 且所用参数和约束方程均少于方向余弦算法。     

对偶四元数近景影像空中三角测量法

提出了一种对偶四元数近景影像空中三角测量方法,利用对偶四元数统一表示光线束在空间中的螺旋运动,近景区域网内所有光线束的角元素用对偶四元数的实部表示,所有线元素以对偶四元数的实部和对偶部分共同表示,最终建立对偶四元数空中三角测量平差模型,实现内、外方位元素和模型点物方坐标的解算。选用真实影像和大姿态角模拟影像开展了空中三角测量试验,试验结果证明对偶四元数近景影像空中三角测量方法能获得较高的精度。     

利用四元数描述线阵CCD影像的空间后方交会

将四元数理论引入高分辨率线阵CCD影像的空间后方交会解算中,提出了一种利用四元数描述线阵CCD影像的单片空间后方交会方法。该方法利用四元数描述角度旋转矩阵,对严格的共线条件方程进行线性化,并采用正则化的数学方法克服线阵CCD影像外方位元素的相关性。试验证明了本算法的正确性和可靠性。     

资源一号02C卫星全色相机在轨几何定标方法

为提高资源一号02C卫星全色影像几何精度,首先从其严格几何成像模型出发,对成像过程中的几何误差来源及其特性进行分析,在此基础上构建资源一号02C卫星全色相机的在轨几何定标模型;然后,将待定标参数分为内外定标参数,采用分步迭代策略进行解算;最后,基于本文的定标模型及解算方法,利用嵩山定标场提供的高精度参考数据对其进行了在轨几何定标实验。实验结果表明,本文的定标模型及解算方法合理有效,能显著提高资源一号02C卫星全色影像的无控定位精度和有控定位精度;同时,内定标精度优于0.3个像元。     

基于单位四元数的无初值依赖空间后方交会

为解决基于欧拉角的传统空间后方交会算法对初值强烈依赖的问题,提出一种利用四元数描述姿态的解算方法。本算法采用单位四元数描述旋转矩阵,然后对严格的共线条件方程进行线性化,并按照带有约束条件的间接平差进行迭代解算。试验表明本算法的可靠性和稳定性不依赖于像片位置和姿态的初值,并具有迭代次数少和解算时间短等优点。     

一种基于实践九号卫星的快速系统误差补偿技术

直接利用光学遥感卫星的严格成像模型对地面点进行定位,定位误差与卫星姿态测量误差有关,其中包括地球自转引起的偏流角误差和姿态角常差。偏流角误差可以根据星历数据予以有效消除,而姿态角常差一般要利用少量控制点进行消除。基于此,在消除偏流角的影响下,这里采用了一种改进的四元数算法——P-H算法用于快速计算姿态角常差,并对系统误差进行补偿。该技术较常用的欧拉角解算,具有原理简单,计算速度快和结果稳定的特点。通过实践九号卫星影像的实验表明,运用该技术能快速和大幅度提高卫星在稀少控制点情况下的定位精度。     

基于卫星参数约束条件的SPOT5影像纠正方法

讨论了SPOT5影像的成像模型和纠正方法,提出了成像模型和卫星参数约束条件联合解算的纠正方法,实现了某地区基于卫星参数约束条件的SPOT5影像的纠正。     

基于四元数的高分辨率卫星遥感影像定位理论与方法研究

高精度定位是遥感影像几何处理和地理空间信息获取的基础,是利用高分辨率卫星遥感影像测制各种比例尺地形图的基本保障.论文针对当前高分辨率卫星遥感影像几何处理中还存在的问题,在深入分析高分辨率卫星遥感影像成像机理的基础上,引入四元数作为描述成像传感器姿态的数学工具,对基于四元数的高分辨率卫星遥感影像定位理论与方法所涉及的外方位元素建模、成像几何模型的构建、多传感器的区域网平差等多个关键问题进行了较为深入的研究,论文完成的主要工作和创新点如下:     

利用稀少控制点的线阵推扫式光学卫星在轨几何定标方法

针对线阵推扫式光学遥感卫星,提出了一种基于稀少控制点的在轨几何定标方法。本文方法利用沿CCD方向的两景重叠影像对及影像覆盖区域的稀少控制点数据即可实现内外系统误差参数的高精度解算,进而有效恢复视场内每个CCD探元的光线指向,摆脱了传统方法对昂贵的高精度地面定标场数据的依赖。本文首先在推扫式光学遥感卫星成像机理的基础上建立相应的严格几何成像模型,并对影响卫星影像几何精度的系统误差进行了分析,在此基础上采用一种基于指向角的内参数优化模型构建了适用于本方法的几何定标模型。然后,结合本方法的特点,采用一种分步解算的方法分别对外参数和内参数分别进行了标定。最后,通过一组ZY-3卫星下视相机的真实数据试验对本文方法的有效性及精度进行了对比验证。     

基于四元数法的航向修正算法分析

目前载体的姿态解算已成为捷联式惯性导航系统精确导航的研究热点。为了减少由于陀螺仪漂移带来的航向误差,提出了一种基于启发式漂移消除算法(HDE)的改进航向修正方法。该方法采用四元数法解算载体航向,利用行人在室内环境下,行走直线时航向角偏差直接对行人航向进行修正,然后推算行人航向轨迹。实验采用低成本的智能手机,对比分析了不同采样频率以及二阶龙格-库塔法与四阶龙格-库塔法更新四元数解算航向角的精度,试验结果表明,提高采样频率能减小航向解算误差,提高定位精度。该算法对导航定位研究有一定的参考价值。      

基于压缩感知的遥感影像弹性配准方法

针对遥感影像由于载荷类型、观测角度、地形起伏等内外部因素造成的影像局部几何畸变,而基于全局配准方法制约着影像配准精度的提高,基于像元的弹性配准方法可大幅提升遥感影像的配准精度,但是存在运算效率这一瓶颈等问题,该文利用像元弹性配准参数的稀疏性,提出一种基于压缩感知的弹性配准方法。通过对遥感影像像元梯度幅值响应较强的点进行随机抽样,形成观测样本点集,采用弹性配准局部参数解算模型求解样本点平移参数;通过压缩感知稀疏重构算法重构影像各像元平移参数。实验表明,在配准精度差异较小和一定的参数设置条件下,该方法可显著提高弹性配准运算速度。     

利用有理函数模型的几何定位仿射变换方法

针对高分辨率遥感影像在应用严密成像模型处理时存在求解参数众多、数值解算精度不高的问题,该文提出了基于有理函数模型(RFM)对几何定位进行仿射变换的方法。首先采用高分辨率遥感影像基于有理函数模型系数进行无控制点直接定位;然后利用控制点变化趋势制定控制点布设方案,并选取最优控制方案进行仿射变换;最后基于像方仿射变换进行误差补偿,从而实现减小高分辨率遥感影像存在的系统误差。以IKONOS遥感数据进行几何定位实验,结果表明:本文方法可以有效地提高高分辨率遥感影像的几何定位精度。