随着航天测控、光学技术的发展, 利用遥感测绘卫星实现对地精确测绘, 获取高精度地理空间信息得以实现。为保证航天测绘精度, 卫星在轨期间, 需定期或不定期对星载测量型相机进行有效几何定标。目前, 国内外遥感测绘卫星主要依托高精度地面几何定标场开展标定工作^{[1, 2]}, 法国SPOT卫星已积累40余年几何定标经验, 在全球建立了21个定标场, 经几何定标后, SPOT-5卫星实现单片无控定位平面50 m、高程15 m精度^[3]; 美国IKONOS卫星利用凤凰城、圣地亚哥、西德克萨斯和澳大利亚的定标场经过一系列几何定标, 最终实现无控定位平面12 m、高程10 m精度^[4]; 美国OrbView-3利用德克萨斯州定标场采用区域网平差方法进行几何定标, 实现无控立体像对平面7.1 m、高程9.1 m精度^[5]; 资源三号卫星利用嵩山遥感测绘综合实验场开展几何定标, 实现了无控立体像对平面10.2 m、高程6.3 m精度^{[6, 7]}; 天绘一号卫星作为我国首颗传输型立体测绘卫星, 现在东北、华北地区建立了两个数字化几何定标场, 采用线阵-面阵电荷耦合器件组合(LMCCD)影像数据和EFP光束法平差进行在轨几何定标, 天绘一号03星无控定位达到平面7.2 m、高程2.6 m精度, 使得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新台阶^[8]。

1 天绘一号卫星几何定标场建设

天绘一号01、02、03星分别于2010年、2012年、2015年成功发射, 均稳定运行。为满足立体测绘需求, 天绘一号卫星主要搭载了LMCCD立体测绘相机、测量型GPS接收机、星敏感器等有效载荷, 其中, LMCCD相机为王任享院士独创, 也是天绘一号卫星的一大亮点^[9]。其有效载荷采用铸钛合金测绘基座有机集成为整体, 并进行标定。在轨运行阶段, 因空间环境变化、器件老化、不可预测因素带来了新的误差源, 需要定期进行量化评估并予以补偿。国内外遥感测绘的长期经验为研究提供了有效借鉴, 综合航天科学规律, 建立相对稳定的几何定标场, 是确保航天测绘连续、有效、高质量地获取地理空间信息的重要保障。因此, 依托几何定标场对变化量进行精确标定是必不可少的配套工作。

1.1 地面定标

天绘一号相机参数标定基于LMCCD影像的EFP光束法平差理论, 采用前方交会和后方交会迭代计算方式, 将相机参数作为未知数带入交会模型进行平差解算。工程实践中, 选用两条短基线航线三线阵影像为基础, 以小面阵影像为框架, 采用等效框幅影像构网思想, 建立LMCCD影像EFP光束法平差方程, 按照反解空中三角测量原理进行三线阵相机参数重组, 重组以正视相机为基准, 由此实现对摄影参数的标定, 标定参数包括3个相机主点坐标、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。

1.2 建场要求

受卫星发射振动、长时间飞行温度变化、太阳照射角度变化等因素影响, 相机几何参数随卫星在轨经纬度的变化而不断发生变化, 根据SPOT等国外卫星经验应全球布设几何定标场, 但根据王任享院士提出的天绘一号无地面控制定位算法, 在基于EFP光束法平差几何定标时可有效修正偏流角上下视差主要量, 后续采用EFP全三线交会平差定位解算时又可进一步消除偏流角上下视差次要量和EO角元素误差, 可实现全卫星轨道摄影区域无地面控制点摄影测量精度保持一致, 故不需全球建设几何定标场^[10]。因此, 只需利用本土幅员辽阔、地形地貌丰富、气候多样的优势, 并综合考虑基础测绘精度、特征点判读等因素, 在我国东北、华北地区选址建设几何定标场, 以保证高质量光学遥感影像的有效获取。

高精度几何定标建设除满足几何定标体系、算法要求外, 还需从卫星任务匹配角度出发, 着重考虑几何定标场场地、精度、气候、地形地貌、地物波谱等方面的要求。其具体要求如下:

1) 场地要求。几何定标场面积应考虑卫星摄影有效幅宽、立体重叠度、卫星速度、地面轨道倾斜所造成的影响等因素。此外, 针对高分辨率立体测图卫星, 最好能够覆盖足够大区域, 使前后视相机能同时持续观测一段时间, 以便进行相机在轨检校和卫星精确姿态位置测量和解算。

2) 场地走向。天绘一号卫星采用太阳同步近圆形回归轨道, 轨道倾角97.40°, 每绕地球转一圈, 其星下点轨迹在赤道上就向西进动约23.6°, 其运行轨迹如图 1中的灰色条带, 降轨摄影区域如图 1中的曲线。由此, 为保证卫星摄影对几何定标场的有效覆盖, 特将几何定标场分布走向与卫星降轨区运行方向保持一致。

3) 精度要求。从测绘需求来看, 卫星空间分辨率是几何定标场精度的直接因素。定标场内控制点精度应优于拟制作地形图 1个等级以上。以天绘一号为例, 其三线阵相机分辨率为5 m, 其测绘目标是制作1:5万地形图, 在设计几何定标场时, 定标场精度应满足1:1万比例尺地形图制作指标要求。

4) 地形地貌要求。几何定标场区域内包含多种地物类别, 交通便利, 以便于点位观测和判读。一般以平地、丘陵地为佳。

5) 地物谱要求。影像上的灰度变化信息应足够丰富, 即地物波谱段应较宽, 地物丰富, 避免灰度过于单一; 另外定标场地物波谱随时间变化不大。

6) 气候要求。为便于拍摄获取定标场影像数据, 几何定标场地区年平均晴天天数应在200天以上, 以利于获取足够长度的无云影像。

1.3 场地建设 1.3.1 东北定标场

为了满足天绘一号卫星01星在轨测试要求, 2010年启动建设了东北数字几何定标场。该场主要在黑龙江省和吉林省境内(如图 1(a)), 沿轨方向690 km、垂轨方向150 km, 面积约11万km²。区域内海拔高度在50~2 000 m, 主要地貌类别齐全, 涵盖东北平原、丘陵地、山地等。该区域地物特征明显, 大中型城市较多, 铁路、高速公路、省道等线状地物丰富, 易于点位测量。该区域地处我国东北部, 寒带气候具有一定代表性, 尤其该地区秋季9月、10月天气晴好率高, 既能够满足获取无云影像要求, 又能保证获取高质量光学遥感图像的有效时间。

该几何定标场由1998~2001年航摄的25个测区14 000余片航空数据的空三成果组成, 卫星获取该区域影像后, 利用已有航空数据可以加密影像上任意像点空间坐标, 控制点精度较高, 满足1:1万地形图精度要求。

1.3.2 华北定标场

经过01星连续3年在轨检测实践, 发现东北几何定标场布局与卫星星下点轨迹方向有少量偏差, 影响了定标场的摄影效率, 以致定标检测周期延长, 不能及时检测加以修正。同时为了印证东北场的检测成果, 2015年启动建设了华北数字几何定标。

华北定标场位于河北、河南省境内(图 1(b)), 沿轨方向约900 km、垂轨方向180 km, 面积约13万km²。区域内海波高度在50~2 000 m, 该场既有河北坝上高原、燕山太行山地、丘陵, 还包括华北平原等多种地物地形。该地区交通便利, 包含京广高铁、京九铁路、G6、G7等多条铁路、高速、国道, 可判读地物信息丰富。该区域地处华北地区, 属温带气候, 除7月、8月份雨水较多以外, 天气晴好率较高, 有利于获取定标场卫星影像数据。

华北定标场由2011~2013年航摄的13 000余片航空数据的空三成果、数字高程模型(digital elevation model, DEM)、数字正射影像图(digital orthophoto map, DOM)数据组成, 现势性好, 可通过空三加密处理获取定标场内任何一点的精确平面和高程坐标, 点位精度满足1:5 000地形图精度要求。

天绘一号卫星的两个几何定标场, 基于航空影像空三加密建成的数字化几何定标场, 相比嵩山综合检校场控制点的建设以及常年复测校准, 其实现相对简单, 建设费用低且周期短。但相比嵩山综合检校场, 由于采用EFP光束法平差几何标定算法, 需获取500 km长度的有效影像, 对天气要求比较高, 几何定标效率相对较低。

2 实践应用

东北、华北几何定标场的建成运行, 在天绘一号卫星任务载荷运行稳定性监测与评价、摄影测量参数的整体性定量化验证分析、最终测绘成果的定量化验证评估等方面发挥了重要基础保障作用, 能够监测卫星运行状态, 及时检测修正卫星摄影测量参数, 保证提高卫星定位精度。

2.1 卫星状态监测

通过分析东北、华北几何定标场卫星影像数据, 可以监测卫星运转期间对地观测相机、星敏感器、GPS接收机等载荷在轨运行状态。以天绘一号01星为例, 01星入轨初期, 经对东北几何定标场影像数据长期排查分析, 纠正了由于星敏精密定姿坐标系设置和地面系统输入不一致导致的将近1 000 m的系统误差, 提高了卫星定位精度, 并为后续卫星提供了借鉴。2015年1月, 通过东北几何定标场对01星进行摄影测量参数检测发现, 卫星定位精度超限, 经排查发现01星陀螺出现故障, 仅能靠星敏感器进行姿态控制, 致使3轴姿态控制精度下降, 定位精度超限与偏置动量模式下的姿态控制精度下降评估结论吻合。为此根据几何定标检测结果, 决定01星产品不再用于1:5万地形图测图任务, 及时避免了因卫星载荷故障导致无效影像产品的生产投入。根据01星工程实践经验, 加强了对现有天绘一号3颗卫星载荷状态的监测, 利用每次几何定标场有效摄影数据进行卫星载荷状态的定期或不定期检测, 有效掌握了卫星载荷的健康状态。

2.2 摄影测量参数检测

通过对几何定标场的有效摄影, 可实现对各种可能影响卫星定位精度要素的整体性、定量化验证、分析与评估, 为中高级产品生产提供精确摄影参数。具体摄影测量参数解算流程为:首先, 在几何定标场有效摄影中选择不短于两条短基线影像, 采用EFP两条交会法平差计算相机标定参数; 再利用影像三线交会计算几何定标场地面控制点X、Y、Z坐标系统常差; 最后, 将系统常差代入重新修正计算相机标定参数, 直至地面控制点坐标无系统常差, 以此实现对摄影测量参数的检测。随着华北几何定标场的投入使用, 现已形成3星2场交叉定标模式, 经检测, 天绘一号卫星在轨定标参数变化相对平稳, 高程精度与前后视相机夹角变化量呈现明显趋势性规律变化。截至目前, 天绘一号卫星共完成26组摄影测量参数的检测应用, 及时标定了卫星相机参数变化, 有效消除了影响卫星定位的主要误差, 保证了卫星定位精度, 提高了测绘产品精度。

2.3 定位精度检测

东北、华北几何定标场兼做几何定标参数精度检测, 与现有西南、东南、西北、中部等国内精度检测场形成高、中、低不同纬度的精度检测场分布格局, 丰富了精度检测样本数据, 可更大范围地对卫星影像产品进行精度检测, 满足天绘一号卫星产品定位精度一致性检测要求。通过前期对卫星状态检测修正和一系列摄影测量参数检测, 经大量定位精度验证, 天绘一号01星、02星无控点位精度可达平面10 m、高程6 m, 尤其03星搭载双频GPS接收机后, 无控点位精度可达平面7.2 m、高程2.6 m, 使得天绘一号卫星影像用于测制10 m等高距的1:5万地形图成为可能。

3 结束语

经过6年的建设和应用, 天绘一号东北、华北几何定标场在保障卫星载荷运行状态监测与评价、摄影测量参数在轨定标、定位成果定量化验证与闭环评估方面发挥了重要作用, 有效保证了天绘一号卫星产品的定位精度。与此同时, 受经济发展和社会活动的影响, 现有几何定标场地物变化较大, 并且随着天绘后续1:1万、甚至1:5 000等更高精度、更高分辨率测绘卫星的立项发射, 对几何定标场的精度要求也越来越高, 从长远发展角度考虑, 有必要加强对现有几何定标场的维护管理和优化升级, 实现数字化摄影场地面控制点资料的定期更新和精度的有序提升, 以保证几何定标场对现有及后续卫星在轨定标的保障作用。此外, 在采用现有平差算法的前提下, 天绘一号卫星仅有国内东北、华北两个几何定标场, 无需全球建场亦能保证无地面控制条件下的定位精度, 但如果采用其他算法, 根据同类型卫星全球布场经验, 在全球建立多个不同纬度地区的几何定标场, 不仅可大幅提高卫星几何定标摄影的有效覆盖率, 而且可增强摄影参数解算地区的代表性, 有利于加强对全球不同地区在轨几何标定特征规律的分析研究, 为天绘系列卫星摄影参数的全球适应性验证提供更多基础支撑。