《ISPRS JOURNAL OF PHOTOGRAMMETRY AND REMOTE SENSING》：Theoretical Methods and Practical Applications of Control-Free High-Precision Positioning for Satellite Imagery Aided by Optical Axis Measurement Data
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在轨几何检校是卫星影像实现高精度定位的关键环节。为确保全球定位精度，通常需利用多个检校场对相机摄影测量参数进行定期检校。然而，受地面检校场数量及成像时云雾等天气条件影响，高频次获取高质量检校场影像通常较为困难，因而难以频繁开展在轨几何检校。从卫星工程实践角度看
在轨几何检校是卫星影像实现高精度定位的关键环节。为确保全球定位精度，通常需利用多个检校场对相机摄影测量参数进行定期检校。然而，受地面检校场数量及成像时云雾等天气条件影响，高频次获取高质量检校场影像通常较为困难，因而难以频繁开展在轨几何检校。从卫星工程实践角度看，单次检校仅能标定相机摄影测量参数在轨检校时刻与实验室标定值之间的差异，难以检测随时间变化的低频误差（low-frequency error, LFE）并在定位中加以补偿，从而影响卫星长期定位精度的稳定性。针对该问题，研究人员开发了相机光学轴漂移的全光路实时监测方法，并将其应用于高分十四号（Gaofen-14, GF-14）卫星工程实践。基于双线阵相机（dual-line array cameras, DLC）的在轨几何检校，建立了光学轴测量数据辅助的卫星影像定位模型。卫星发射后，通过分析测量数据明确了单景光学轴测量数据的使用策略。随后，利用长周期获取的立体影像及全球多地分布的检查点开展实验，评估了双线阵影像补偿前后的定位精度。实验结果表明，光学轴测量数据的应用能够优异保障立体卫星影像的高精度定位性能，使得即使在十六个月的时间内，GF-14卫星影像在无控制定位（control-free positioning, CFP，即无地面控制点）条件下的直接前方交会（direct forward intersection, DFI）精度仍保持平面2.03米（均方根误差，root mean square error, RMSE）、高程1.54米（RMSE）。
该研究聚焦于高精度测绘卫星无控制定位（control-free positioning, CFP）精度的长期稳定性问题，旨在解决在轨几何检校受地面检校场数量有限及天气条件制约而难以高频次实施的瓶颈。卫星入轨后，发射过程振动及在轨温度变化导致相机摄影测量参数（如内方位元素、星敏感器与测绘相机夹角）相较实验室标定值发生显著变化，直接影响影像定位精度。现有低频误差（low-frequency error, LFE）检测方法多集中于星敏感器，且依赖低精度开源数字高程模型（digital elevation model, DEM）和数字正射影像图（digital orthophoto map, DOM），数据周期较短，难以满足高精度测绘卫星的长期全球适用需求。
研究人员基于光电自准直原理（角测量精度优于0.1角秒），设计了相机光学轴漂移的全光路实时监测方法，首次应用于GF-14卫星的双线阵相机（dual-line array cameras, DLC）和星相机（star cameras, SCs）系统，以3赫兹采样频率实现相机光学轴指向漂移及焦距变化的实时监测。在此基础上，构建了光学轴测量数据辅助的DLC高精度定位完整模型，包含基于SCs光学轴漂移的卫星姿态校正模块，以及基于DLC光学轴漂移和焦距变化的DLC参数校正模块，实现了多相机光学轴漂移引起LFE的直接量化与补偿。通过对GF-14卫星典型单景光学轴测量数据的统计对比分析，明确了单景数据使用策略：忽略可忽略的焦距变化及SC航向角漂移，以测量均值表征其余光学轴角漂移，平衡了定位模型的精度与稳健性。最终，利用十六个月内获取的17景GF-14立体影像，结合全球分布的高精度检查点（平面及高程精度均优于0.1米），开展了长期、全球尺度的CFP精度评估实验，系统分析了四种光学轴测量数据使用策略的误差补偿效果。
在结果部分，研究首先阐述了光学轴监测原理与方法，基于光电自准直技术，通过自准直仪发射平行光经全反射棱镜反射后返回，监测光学轴微小角度变化；随后建立了包含姿态校正与参数校正的完整定位模型。在单景光学轴测量数据分析中，研究明确了数据使用策略的理论依据。在定位精度验证实验部分，通过长期全球数据验证了模型及策略的有效性，结果表明GF-14卫星在十六个月内CFP条件下DFI精度稳定保持平面2.03米（RMSE）、高程1.54米（RMSE）。
研究结论指出，该文针对高精度测绘卫星CFP精度的长期稳定性问题，提出了基于光学轴测量数据的LFE补偿方法，并以GF-14卫星为工程载体进行了理论验证与实践应用。研究首次将全光路实时监测技术应用于DLC系统与SCs系统，通过构建光学轴测量数据辅助定位模型，实现了多相机光学轴漂移引起LFE的直接量化补偿；通过单景数据使用策略的明确，解决了工程化数据处理中的精度与稳健性平衡问题；长期全球实验验证了该方法可有效保障卫星高精度定位精度的长期稳定性，为有限地面检校场条件下的高精度测绘卫星全球应用提供了新的技术途径。
