国产卫星传感器在轨 MTF检测方法的评价与研究

调制传递函数(MTF)是光学成像系统成像性能的一种重要的评价指标,其值的高低可以直接反映成像系统成像质量的好坏。本文基于MTF检测的理论基础和通过遥感影像来测定MTF的原理,借鉴国内外的研究经验,讨论了刀刃法、脉冲法、点光源法,以及利用了周期性靶标(辐射状靶标)来在轨检测MTF的方法和流程。使用中巴资源一号02C卫星和中国资源3号卫星的实际数据进行了测试,对上述的几种MTF检测方法进行比较和分析,进而得到卫星传感器在轨MTF检测在不同情况下的最优化方法。     

卫星光学相机MTF在轨检测方法研究

调制传递函数是反映卫星光学相机成像性能的重要参数,针对调制传递函数多种在轨检测方法,本文在分析了可利用地面景物的基础上,结合目前卫星光学相机分辨率不断提高的现状,着重从原理和方法上介绍了利用不同亮度地块接壤的地面靶标进行检验的刃边法,同时依据实验研究成果,介绍了对原始刃边数据拟合和调制传递函数的频谱增密技术,这些技术对提高调制传递函数获取精度具有重要的作用。     

总体最小二乘用于线阵卫星遥感影像光束法平差解算

顾及像点观测方程的系数矩阵中存在随机误差,提出了基于总体最小二乘的线阵卫星遥感影像光束法平差模型。在假定像点观测误差和系数矩阵误差均为独立、等精度分布的基础上,利用拉格朗日条件极值法推导了包含外方位元素虚拟观测方程和控制点误差方程的总体最小二乘光束法平差算法的具体公式和计算方法。该方法利用方差分量估计确定各类虚拟观测值的方差,可求解包含多类虚拟观测量的平差问题,并可用先验信息或岭迹法确定系数矩阵观测值的权比例系数,从而克服了现有总体最小二乘虚拟观测方法不能处理多类虚拟观测值的不足,确保了光束法平差可正确有效求解。分别利用模拟算例与两组真实影像进行了试验验证。结果表明,相比于常规最小二乘虚拟观测法以及现有总体最小二乘虚拟观测方法,本文方法具有更高的求解精度与适应性。相较于传统线阵卫星遥感影像光束法平差方法,本文方法可以获得更高的平差计算精度。     

TDI-CCD在轨成像质量MTF数值模拟

在研究卫星总体参数对TDICCD推扫成像调制传输函数MTF（Modula Transfer Function, MTF）影响关系的基础上,提出了一套模拟卫星在轨成像MTF下降的技术方法。通过这套模拟方法,建立了卫星总体参数与在轨成像质量MTF下降之间的关系,为用户根据对遥感图像质量MTF指标的需求来确立对卫星主要总体参数的要求提供了分析手段。     

GF-2星全色相机在轨MTF测量和图像复原研究

调制传递函数(modulation transfer function,MTF)不仅是监测遥感卫星光学相机在轨运行情况和性能的有效手段,也是对卫星图像进行复原处理的重要参数。利用刀刃法对高分二号(GF-2)卫星全色相机进行MTF在轨测量。在计算MTF的过程中,使用汉明窗对截取后的线扩展函数(line spread function,LSF)曲线进行处理,以抑制截取过程所造成的频谱泄露。此外,还对截取后LSF曲线的两端补0,扩展LSF曲线的长度,以提高傅里叶变换时的采样频率。实验结果表明,使用本文刀刃法计算所得的MTF采样密度比传统方法提高了5倍,使得MTF曲线更为平滑,提高了MTF的数值精度,有利于后续的图像复原处理。基于传统刀刃法和本文刀刃法计算所得的MTF测量结果,采用维纳滤波法分别对GF-2全色图像进行复原处理研究。结果表明,对2种方法得到的MTF测量结果的维纳滤波均可明显提高图像的清晰度和边缘细节信息;但使用本文方法得到的MTF结果可使复原后的图像在对比度、边缘能量和平均梯度等关键指标上均优于使用传统方法得到的MTF结果。     

总体最小二乘平差理论及其在测绘数据处理中的应用

最小二乘法是测量数据处理的最基本、应用最广泛的方法,对于经典的最小二乘法是只考虑观测向量的误差,假设系数阵没有误差或不考虑系数阵的误差。然而系数矩阵包含误差的情况在测量数据实践中是存在的。总体最小二乘法旨在解决顾及系数矩阵误差的一种数据     

任意形状曲线刃边的点扩散函数估计方法

遥感图像的点扩散函数估计是降低光学模糊、提高质量的必要前提。倾斜直线刃边法受到靶标极大的限制。现有的曲线刃边估计法虽然克服了倾斜刃边法只能适用于直线刃边的缺点,但是会因坐标拉伸导致估计值误差偏大。利用移动窗口的思想,提出了一种基于投影法的任意形状曲线刃边法,并在理论上说明了可行性。试验验证过程中先进行线性拟合刀刃边缘点,再对选定窗口内一定行数或列数的灰度值运用投影法采样,并对不同采样窗口的采样中心进行对齐处理,剔除不适合的样本点后插值和重采样,最终得到估计的点扩散函数。对于曲率在0.001～0.01的刃边,在较强模糊下,峰值信噪比依旧能保持在35 dB以上,测得点扩散函数峰值的误差可以控制在20%以内。相比传统刃边法和曲线拟合法,峰值信噪比平均能提高10 dB以上,且具有一定的抗噪性。     

融合罗德里格矩阵和整体最小二乘的双目机器人手眼标定算法

针对传统双目式机器人手眼标定方法中未知量多、计算复杂的特点,研究并提出了一种基于罗德里格矩阵和整体最小二乘相融合的改进算法。其中罗德里格矩阵实现了对未知量的降维;整体最小二乘顾及了系数矩阵的误差。通过大量数据分析表明,改进后的手眼标定算法较传统方法在稳定性和精度上均有大幅提高,满足了机器人视觉系统在工业检测和制造领域中的高精度需求。     

高分辨率TDI-CCD成像数据的自适应MTF图像复原处理研究

调制传递函数(MTF)是光学成像系统性能的一个重要的综合评价指标,也是图像退化模型中最重要的部分。针对TDI-CCD成像数据的特点,从遥感图像中获取刀刃边缘来计算成像系统的MTF,采用维纳滤波法及修正的逆滤波器法(MIF)对退化图像进行MTF补偿处理。实验结果表明,高分辨率TDI-CCD成像数据经自适应MTF复原处理后,可以有效地改善图像质量。目前,该算法已成功地应用到我国国产地面卫星预处理系统中。     

改进的迭代EKF算法在伪卫星定位中的应用

首先,针对伪卫星导航系统距离用户较近的特点,对伪卫星定位系统非线性观测方程的线性化进行了误差分析,指出伪卫星数据处理顾及线性化误差影响的必要性。其次,针对迭代EKF(IEKF)算法受观测信息影响较大的问题,基于观测信息等价协方差矩阵原理给出了一种改进的IEKF算法。最后,利用仿真数据验证了改进的迭代EKF算法能够较好地抑制观测信息异常对滤波解的影响。     

总体最小二乘法在坐标转换中的应用

在测量数据处理中,最为经典的处理方法是最小二乘法,认为误差只是包含在观测向量当中,系数矩阵中不包含误差。实际上由于模型等因素,系数矩阵中经常存在着误差。为了平差的严密性和精确性,采用一种可以同时顾及观测向量误差和系数矩阵误差的总体最小二乘方法,应用于测量数据处理和坐标转换中,得到更符合实际的平差处理,获得更准确的坐标转换参数。     

GM＋AR组合模型的TLS解算方法及其应用

变形体的变形量通常是一个非平稳时间序列,常常包含有趋势项和随机部分,因此,可以考虑建立GM＋AR模型。使用GM模型提取趋势项,提取了趋势项的剩余部分建立AR模型。然而,在进行模型参数的估计时,由于GM模型和AR模型的系数矩阵都含有误差,传统的最小二乘（LS）法并未顾及到这一点,因而,采用LS法得到的结果并不是最优的。为了顾及系数矩阵的误差,将整体最小二乘（TLS）法引入到GM和AR两种模型的参数求解中。AR模型系数矩阵中的每个元素都是含有误差的,可以直接采用TLS法对每个元素进行改正;然而,GM模型有一列元素是固定的,并不需要改正,直接使用TLS法进行求解是不严密的,采用LS法和TLS法相结合的方法对GM模型进行参数的求解。通过具体的变形监测实例,验证了采用组合模型的LS—TLS解法具有比LS法更高的建模和预测精度。     

资源三号02星激光测高仪足印位置预报方法

激光测高仪在轨几何检校是提高激光点平面和高程精度的必要途径,而激光足印地准确捕获是成功开展激光测高仪在轨几何检校的前提。本文针对资源三号02星搭载的我国首台激光测高仪的在轨几何检校试验需要,在参考光学遥感卫星成像几何模型的基础上,提出并构建了一套严密的激光足印位置预报模型。该模型充分顾及卫星平台在轨运行规律及激光与卫星相对几何关系,建立了激光发射点到地面足印的严密几何定位预报模型,通过金字塔地形匹配、基于加速度轨道预测以及频率域姿态分析分别获取预估的激光指向、轨道位置和姿态信息,实现地面激光足印的位置预报。该模型已应用于资源三号02星激光测高仪在轨几何检校试验中,预报的激光足印位置与探测器捕获到的实际位置的最大误差小于150m,充分验证了预报模型的正确性,实现了我国遥感卫星从天上到地面点对点的精确预报,为国产激光测高仪在轨几何检校提供了有力的技术支撑。     

灰色模型参数估计改进及其在变形预报中应用

经典的灰色模型在建模过程中,参数估计是依据最小二乘准则得到的。当观测数据中存在着较大随机波动时,导致系数矩阵中存在较大误差,这种估计方法可能影响参数的可靠性,进而影响该模型应用。针对这一问题,本文提出运用整体最小二乘法改进估计参数,该方法在解算法方程时,顾及了系数阵和观测向量同时存在的误差,因而可以改善参数的估计精度,提高模型预报精度。最后,结合矿山测量工程实际,证实了这种参数估计方法能提高老采空区残余沉降的预测精度。     

顾及系数矩阵结构性的加权总体最小二乘解算

针对加权总体最小二乘平差模型中系数矩阵具有结构性的问题,该文设计了一种顾及系数矩阵结构性的加权总体最小二乘迭代解法:首先,利用非线性最小二乘平差方法将总体最小二乘模型线性化;然后,采用结构矩阵的方法顾及系数矩阵的重复元素和常数项,通过间接平差的原理推导了顾及系数矩阵结构性的加权总体最小二乘迭代公式,可适用于加权总体最小二乘的参数估计;最后,通过算例分析并与其他算法进行比较,验证了该算法的有效性和可行性。     

勒让德多项式拟合IGS精密星历的算法改进

国际GNSS服务(IGS)精密星历每隔15 min提供一次卫星坐标,为了提高定位精度,往往需要获取任意时刻的卫星位置.对IGS精密星历进行插值和拟合是获得连续历元卫星坐标常用的方法.运用改进的勒让德多项式算法拟合卫星轨道坐标,并与常规算法进行比较,结果表明:常规算法仅在拟合阶数较低时能保持较高的精度.在拟合时段为6 h时,LU分解(LU Decomposition)法与奇异值分解(SVD)法对奇异矩阵求解时均能保持较高的精度,而在拟合时段为12 h时,SVD分解法是对条件数较低的矩阵B进行分解求得多项式系数矩阵C,从而避免了病态矩阵产生的误差,因此仍能保持较高的精度.在高阶拟合时,SVD分解法无论是在精度还是稳定性方面均优于LU分解法和常规算法,优势明显.     

海洋目标的HY-2A卫星微波散射计在轨辐射定标研究

HY-2A卫星微波散射计主要用于测量海表面的风速和风向,为了满足其风速和风向的测量精度要求,必须对其进行在轨辐射定标。本文基于散射计在开阔大洋的观测数据,利用经过定标的seawinds散射计后向散射系数数据,分析了海洋目标定标法的定标精度,结果表明定标精度可以达到0.15 dB,且模式函数对定标结果的影响为系统偏差,说明海洋目标定标法需要选用高精度的模式函数。然后,采用相同的海洋目标定标算法,实现了HY-2A卫星微波散射计的在轨辐射定标,获得HY-2A卫星微波散射计VV极化的定标系数为-1.79 dB,HH极化的定标系数为-1.73 dB。最后,利用NDBC浮标观测数据,检验HY-2A卫星微波散射计反演的风矢量精度,证明获得的定标系数可以明显提高HY-2A卫星微波散射计反演风矢量的精度。     

北斗卫星导航系统空间信号误差统计分析

针对我国北斗卫星导航系统的在轨卫星,通过一定的事后定轨策略得到精密轨道数据,用以对广播星历空间信号误差进行分析。不仅对用户测距误差进行估计,还进行了相关分析和正态性检验。通过分析2012年10月份的观测数据发现,所有卫星SISURE的平均值为1.45m;其径向-钟差和切向-法向为低度相关,其他分量之间为微相关;在正态性分析中发现,所有的空间信号误差分量都不符合正态分布,且峰度异常值可以检测偏离较大的误差,偏度异常值可以检测系统偏差。     

顾及高级点误差低级网点位误差椭圆及相对误差椭圆的计算

本文详细推导了,在顾及高级点误差的影响时,高级点与低级点参数协方差矩阵的计算公式。由该矩阵可以计算出低级网点的误差椭圆及高级点与低级网点间的相对误差椭圆。文中给出了一个实例来说明它的应用。     

面向星载CMOS相机的超时相工作方式研究

随着星载面阵CMOS探测器的广泛使用,使得获取超时相数据成为可能,这为新型对地遥感工作模式带来新的发展机遇。本文不再局限于采用单一技术解决单一技术指标的传统解决问题的方式,系统性地提出一种面向星载面阵CMOS相机的新型成像方式,利用面阵CMOS相机连续快速曝光在极短的时间内获取同一观测区域的超时相序列数据,通过图像重建的方式,实现一揽子的图像质量提升,即同时实现虚拟数字时间延迟积分TDI（Time Delay Integration）、调制传输函数MTF（Modulation Transfer Function）补偿和空间分辨率GSD（Ground Sampling Distance）提升。这种新型成像方式的优点是,可以改善星载光学相机是探测器受限系统的窘境,进而在不改变光学系统的情况下,通过求解一个病态方程,实现对地遥感图像空间分辨率与成像质量的综合提升。基于实验室的靶标仿真实验数据、基于低轨光学遥感卫星OVS-1A、吉林一号视频03卫星和高分四号卫星的真实数据实验结果表明,无论是信噪比,图像清晰度还是空间分辨率都有明显提升。这种新型成像方式已被中国后续某地球同步轨道光学成像卫星所采用,可以预见的是,这种成像方式不仅可以使得在轨卫星发布更高分辨率与更好图像质量的产品,盘活在轨卫星的探测资源;在实现同样空间分辨率与图像质量的前提下,可以有效降低光学相机载荷的体积与重量,进而可以有效降低未来光学卫星的研制成本。