《高分光学遥感卫星在轨几何定标方法及应用》主要介绍髙分辨率光学遥感卫星系统在轨几何定标方法及应用，重点围绕卫星在轨几何定标（场地定标与自主定标）的理论基础、数学模型、技术方法和应用效果进行了梳理和介绍，《高分光学遥感卫星在轨几何定标方法及应用》共8章，综合介绍近20年来国内外高分辨率光学遥感卫星在轨几何定标的技术发展现状和发展趋势，围绕高分辨率光学遥感卫星成像链路系统性几何误差精确补偿的关键问题，重点介绍高分辨率光学遥感卫星在轨几何定标基础、高分辨率光学遥感卫星在轨几何定标模型构建、基于地面定标场的光学遥感卫星在轨几何定标方法、线阵成像卫星载荷在轨自主几何定标方法、面阵成像卫星载荷在轨自主几何定标方法、光学遥感卫星对天成像在轨几何定标方法，以及在轨几何定标软件系统及工程应用。

第1章绪论
　　近年来，随着世界航天科技的快速发展，髙分辨率光学遥感卫星已成为髙分辨率对地观测系统中*重要的组成部分。位置信息是高分辨率卫星遥感影像承载所有信息的空间基准，几何定位精度是衡量高分辨率光学遥感卫星系统先进性和应用效能的核心指标。然而，由于卫星发射和运行过程中不可避免的热学与力学等环境因素的改变以及卫星在轨运行后必要的相机镜头调焦等操作，使得卫星发射前地面标定的成像几何参数较在轨实际状态存在较大误差而无法适用。因此，利用在轨获取的遥感影像对光学遥感卫星进行几何定标，获取成像系统精确的成像参数，是高分辨率光学卫星影像高精度几何定位的关键。
　　结合卫星在轨几何定标背景与需求，本章将*先对髙分辨率光学遥感卫星及载荷的发展现状和趋势进行总结和分析；然后，在此基础上介绍近20年来国内外在高分辨率光学遥感卫星在轨几何定标技术的发展和应用情况，并展望未来的发展趋势；*后，概述本书的主要内容和组织结构。
　　1.1高分辨率光学遥感卫星系统的发展
　　1.1.1高分辨率光学遥感卫星
　　自1972年**颗陆地卫星Landsat-1发射至今，航天遥感技术取得了长足的进步，截至2020年9月，全球共有824颗遥感卫星在轨运行，其中，美国有462颗，中国有182颗，形成了面向不同需求、不同任务的多层次空间对地观测系统。美国已建设了以高分辨率对地观测卫星世界观测（WorldView）系列、中分辨率对地观测卫星Landsat系列等为代表的光学遥感卫星体系，其卫星影像*高空间分辨率优于0.3m，单天观测面积可达300万平方公里，并进一步利用PlanetScope、RapidEye、SkySat等小卫星星座实现全球实时监控服务；法国SPOT和普莱雅Pleiades系列组成卫星星座，实现了每天两次的重访能力；俄罗斯Resurs-P卫星、日本先进对地观测卫星（advance land observing satellite，ALOS）、印度CartoSat卫星相继发射，带来了巨大的军事与经济效益。从2010年高分辨率对地观测系统重大专项的启动实施起，经过十余年的发展，我国已形成了以天绘系列、资源系列和髙分系列等为代表的光学遥感卫星体系，其卫星影像*髙空间分辨率已优于0.5m，
　　光谱分辨率可达5/1Omn，通道数为330个，卫星机动能力显著提高，可实现敏捷动中成像，与国外先进卫星的差距正不断缩小。总体来说，全球光学遥感卫星正在不断向高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率、多观测模式、小型敏捷等方向发展，正越来越多地在国防、资源调查、应急响应等领域扮演愈加重要的角色。
　　1.国外高分辨率光学遥感卫星系统的研制
　　高分辨率光学遥感卫星的行业应用已成为国际潮流，美国、欧洲、以色列、印度、日本等主要航天大国（地区）纷纷推出了自己的高分辨率光学遥感卫星系统。美国和法国代表了当前高分辨率光学遥感卫星发展的*先进水平，引领光学遥感卫星不断向高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率、多角度、小型敏捷等方向发展。
　　1）美国
　　美国在高分辨观测领域一直处于世界**地位，其在轨卫星数量*多、技术*为先进，在军用、民用、商用领域都有着广泛的应用（图1-1）。1999年美国发射伊科诺斯（IKONOS）卫星，空间分辨率为lm，是世界上**颗高分辨率商业卫星，利用卫星平台姿态机动能力实现同轨和异轨多角度立体成像。2001年发射的快鸟（QuickBird）卫星采用三轴平台和载荷进行稳定一体化设计，搭载波尔（Ball）高分辨率相机，全色分辨率0.61m/多光谱分辨率2.44m，幅宽16.8km。2008年发射的GeoEye-1卫星由SA-200HP平台和新一代光学载荷组成，搭载有髙精度姿态控制器，指向角精度75"，姿态稳定度0.007°/s，具备敏捷的姿态机动能力，全色分辨率0.41m，多光谱分辨率1.65m，幅宽15.3km，平面定位精度2.5m（CE90），高程精度3m（LE90）。
　　美国数字地球公司发射的WorldView系列卫星是全球空间分辨率*高的对地观测商业遥感卫星，是美国NextView计划的重要组成部分。如图1-2所示，自2007年以来，WorldView系列卫星已先后成功发射了4颗。其中，WorldView-1能进行全色成像，无地面控制的定位精度为3.5m;WorldView-2将多光谱相机增加到了8个谱段；WorldView-3是迄今为止空间分辨率*高的商业遥感卫星，可提供0.31m分辨率的全色、1.24m分辨率的多光谱、3.7m分辨率的短波红外和30m分辨率的云、气溶胶、水气、冰和雪（cloud，aerosol，water vapor，ice and snow，CAVIS）影像，平均回访时间不到1天，开创了更高级别清晰度的卫星影像时代；WorldView-4可获取0.31m分辨率全色影像和1.24m分辨率多光谱影像，与WorldView-3卫星组成对地观测星座，实现协同对地观测。
　　WorldView军团卫星星座是下一代光学遥感卫星星座，如图1-3所示，该星座采用6星组网，具备置换和升级能力，运行在450km的低轨道上，沿极地和中倾角轨道飞行在需求*大的地球区域内采集更多影像，以每天高达15次的重访频率，提供0.29m高空间分辨率和优于1.5m高定位精度的卫星遥感影像。
　　星座将支持全天时的持续对地监测，并减少收集之间的窗口，从而实现更持
　　久的监控。这种覆盖增强了对紧急响应、海上监视、任务规划、基础设施和其他关键区域远程监控需求的支持，使我们能够前所未有地了解不断变化的地球。表1-1所示为WorldView军团卫星星座技术指标。
　　2）法国
　　自1986年法国发射*颗SPOT卫星以来，已经建成了SPOT、Pleiades等领
　　先全球的高分辨率光学遥感卫星观测系统。SPOT-1/2/3卫星可获取分辨率10m全色影像和分辨率20m多光谱影像，并可通过交向观测得到立体像对；SPOT-4在此基础上增加了短波红外波段和宽视场植被探测仪。2002年发射的SPOT-5卫星具备单线阵异轨立体成像和双线阵同轨立体成像能力。SPOT-6/7双子卫星分别发射于2012年9月和2014年6月，可采用同轨前、后视立体或前、下、后视三视立体成像，可获取1.5m空间分辨率全色影像和6m空间分辨率多光谱影像。SPOT系列卫星发展历程如图1-4所示。
　　Pleiades双星观测星座是继SPOT系列后，法国国家空间研究中心发展的全球*个可提供每日重访的高分辨率光学遥感卫星星座。Pleiades-IA卫星和Pleiades-1B卫星分别发射于2011年9月和2012年12月，可获取0.5m分辨率的全色影像和2.0m分辨率的多光谱影像，具备快速机动与稳定控制能力，可短时间调整观测角度实现对不同目标观测，主要用于大面积区域测绘，以及矿业、工业、军事区域及自然灾害的监测等。
　　Pleiades Neo星座（图1-5）是由法国空中客车卫星公司研制的新一代光学遥感商业卫星，由4颗卫星组成，*髙可实现每天2次重访拍摄，其中，Pleiades Neo-3/4分别发射于2021年4月和2021年8月=2022年12月21日，搭载PleiadesNeo-5/6等2颗遥感卫星的“织女星-C”运载火箭，从法属圭亚那库鲁航天发射场发射升空，但由于二级故障，无法提供足够的速度增量，发射任务失利。
　　Pleiades Neo星座可获取0.3m空间分辨率的全色影像和1.2m空间分辨率、6波段的多光谱影像，为各种测绘应用提供单视、两视和三视立体影像。Pleiades Neo星座有*快的反应速度和数据传输速度，可直接访问欧洲数据中继通信系统，即“太空数据髙速公路（space data highway）”，给卫星提供*快的反应速度、*低的响应延迟和*大量的数据传输，每天高达40TB的数据可以实时传输到地球，再不需要像其他常规卫星一样经历几小时的延迟。表1-2所示为Pleiades Neo星座技术指标。
　　2.国内高分辨率光学卫星遥感系统的发展
　　相对于美法等航天强国，我国髙分辨率光学遥感卫星系统的研制和应用起步较晚。目前，具有代表性的高分辨率光学遥感主要为天绘、资源、高分等系列卫星以及部分商业遥感卫星。表1-3列出我国近十余年发射的部分高分辨率光学遥感卫星基本参数。
　　1）天绘系列卫星
　　天绘一号系列卫星（图1-6）实现了中国传输型立体测绘卫星零的突破，其中，天绘一号01星、02星、03星、04星分别于2010年8月24日、2012年5月6日、2015年10月26日和2021年7月29日发射成功并组网运行，通过多星组网极大地提髙了卫星数据获取效率，实现无地面控制点条件下的1:50000高精度测图，并达到与美国SRTM（shuttle radar topography mission）同等的技术水平。
　　2）资源系列卫星
　　2007年发射的资源一号02B卫星具备高、中、低三种空间分辨率的对地观测能力，髙分相机分辨率为2.36m，使我国迈入了民用髙空间分辨率遥感时代；2012年发射的资源三号01星（02星于2016年发射，03星于2020年发射）是中国自主

目录
前言
第1章绪论1
1.1高分辨率光学遥感卫星系统的发展1
1.1.1高分辨率光学遥感卫星1
1.1.2高分辨率光学遥感卫星载荷8
1.1.3高分辨率光学遥感卫星系统的展望12
1.2光学遥感卫星在轨几何定标技术发展13
1.2.1场地定标方法研究现状14
1.2.2自主几何定标方法研究现状18
1.3本书的内容与组织结构22
参考文献23
第2章高分辨率光学遥感卫星在轨几何定标基础26
2.1引言26
2.2髙分辨率光学遥感卫星成像系统26
2.2.1高分辨率光学遥感卫星成像原理26
2.2.2卫星光学载荷成像系统27
2.2.3卫星姿轨测量系统29
2.3高分辨率光学遥感卫星的时空基准30
2.3.1光学卫星时间系统30
2.3.2光学卫星坐标系统31
2.4高分辨率光学遥感卫星几何成像模型33
2.4.1光学遥感卫星影像姿轨数学模型33
2.4.2严密几何成像模型构建39
2.4.3有理函数模型41
2.5本章小结42
参考文献42
第3章高分辨率光学遥感卫星在轨几何定标模型构建44
3.1引言44
3.2卫星成像链路误差及特性44
3.2.1系统性几何误差分析44
3.2.2随机性几何误差分析48
3.2.3成像环境误差50
3.3成像链路误差特性分析56
3.3.1误差影响特性分析56
3.3.2误差相关性分析58
3.4广义在轨几何定标模型62
3.4.1基于相机安装角的外定标模型62
3.4.2基于探元指向角的内定标模型63
3.5本章小结65
参考文献65
章基于地面定标场的光学遥感卫星在轨几何定标66
4.1引言66
4.2髙分辨率光学卫星地面几何定标场.66
4.2.1定标场建设内容67
4.2.2我国现有几何定标场68
4.2.3定标场控制点密集匹配.70
4.3基于严密几何成像模型在轨几何定标72
4.3.1定标参数稳健估计72
4.3.2谱段间相对几何定标75
4.3.3立体相机联合几何定标78
4.4基于有理函数模型的在轨几何定标80
4.4.1定标方法原理与流程81
4.4.2粗差观测值探测与剔除83
4.4.3相机绝对几何畸变标定84
4.4.4相机相对几何畸变标定86
4.5光学遥感卫星典型载荷几何定标实验与分析88
4.5.1高分六号宽幅相机在轨几何定标实验88
4.5.2高分四号面阵相机在轨几何定标实验95
4.5.3基于RPC的资源三号02星多光谱相机几何定标99
4.6本章小结105
参考文献105
第5章线阵成像卫星载荷在轨自主几何定标107
5.1引言107
5.2基于影像自约束的几何定标原理与模型108
5.2.1自主几何定标原理108
5.2.2成像角度自适应的自主几何定标模型108
5.2.3自主几何定标参数平差模型.111
5.3自主几何定标参数特性分析111
5.3.1自主几何定标参数可确定性分析112
5.3.2模型估计精度与影像重叠条件112
5.3.3影像相对残差与系统误差参数间的关系115
5.3.4高程误差与视轴指向关系分析118
5.4自主几何定标参数解算流程及策略120
5.4.1自主几何定标影像重叠关系120
5.4.2基于全局迭代优化的基准影像几何定标121
5.4.3基于整体光束法平差的非基准影像定标125
5.4.4立体测绘相机整体定标策略127
5.5线阵成像卫星载荷自主几何定标实验129
5.5.1资源三号下视相机自主几何定标实验129
5.5.2高分七号后视相机自主几何定标实验136
5.5.3资源三号立体相机整体自主几何定标实验140
5.6本章小结145
参考文献145
第6章面阵成像卫星载荷在轨自主几何定标147
6.1引言147
6.2面阵载荷自主几何定标成像规划147
6.2.1基于参数可确定性分析的影像重叠规则148
6.2.2基于方差估计的影像*佳重叠度确定150
6.3面阵载荷自主几何定标参数解算155
6.3.1面阵自主几何定标平差模型155
6.3.2附加高程约束的自主几何定标平差方程156
6.3.3定标参数稳健解算158
6.4面阵成像系统在轨自主几何定标实验分析159
6.4.1实验数据159
6.4.2定标结果分析与验证161
6.4.3精度验证与讨论164
6.5本章小结170
参考文献170
第7章光学遥感卫星对天成像在轨几何定标172
7.1引言172
7.2恒星星表172
7.2.1当前常见星表172
7.2.2星表信息处理175
7.2.3双星剔除177
7.2.4星表索引构建178
7.3对天星图处理179
7.3.1星点质心提取179
7.3.2星图匹配182
7.4光学遥感卫星对天几何定标方法185
7.4.1基于恒星观测值的星相机定标185
7.4.2基于恒星控制点的地相机定标187
7.5相机对天定标在轨实验189
7.5.1星点质心提取与匹配实验190
7.5.2星相机几何定标实验193
7.6本章小结195
参考文献195
第8章在轨几何定标软件系统及工程应用196
8.1引言196
8.2系统介绍196
8.2.1系统概述196
8.2.2系统组成197
8.2.3系统功能197
8.3工程应用208
8.3.1线阵推扫卫星几何定标208
8.3.2线阵摆扫卫星几何定标211
8.3.3面阵推帧卫星几何定标213
8.4本章小结215
彩图