CN105842679A - 一种国产卫星激光高度计在轨几何标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种国产卫星激光高度计在轨几何标定方法及系统，所述方法通过卫星过顶前利用机载激光雷达或者GPS测量标定场的地形，采用激光雷达点云数据或者地面GPS测量数据拟合标定场地表面几何模型。将卫星激光高度计的激光点位于某一已知平面上作为约束条件，建立卫星激光高度计严密几何标定模型，利用最小二乘原理，求解卫星激光高度计的几何标定参数。本方法利用卫星过境时地面自然地形，可以很好地解决由于卫星激光高度计安装偏差以及激光测距误差造成的激光光斑定位精度不高这一问题，提高了国产卫星激光高度计的测量精度，具有较强的适用性和实用价值。

Description

一种国产卫星激光高度计在轨几何标定方法及系统

技术领域

本发明属于遥感对地观测技术领域，特别涉及一种国产卫星激光高度计在轨几何标定方法及系统。

背景技术

卫星激光高度计是在卫星平台上安装激光高度计以实现对地观测的一种主动遥感技术，作为深空探测最重要的载荷之一，具有激光脚印大小可控、激光光束指向精确以及高精度测量等优点，几乎所有的航天工程都搭载这种传感器。然而，激光高度计对地观测的测量精度受到很多因素影响，其中激光测距和激光光束指向会直接造成激光光斑位置产生偏移，激光高度计测距主要受到大气、测时等因素的影响，而安装误差会造成激光光束指向偏离天底点。

为了提高卫星激光高度计在轨测量精度，我们必须在过境时对卫星激光高度计进行在轨检校，以获取标定参数值，进而确定它的系统误差，恢复卫星激光高度计照射到地面激光光斑的正确位置。

目前国际上还没有为卫星激光高度计专门制定检校标准、方法和流程。卫星激光高度计目前主要检校方法是基于红外信号探测器，即在检校场布设一系列规则红外发射器，捕捉卫星过境时的激光信号，根据激光光斑和红外发射器的相对位置关系确定激光光斑的真实坐标，将真实坐标值与定位模型计算得到的坐标进行对比检核。激光高度计在轨几何标定不但人工成本非常高，其可靠性也低，卫星过境时检校失误造成的经济损失巨大。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术不足，提供一种国产卫星激光高度计在轨几何标定方法及系统，将卫星激光高度计照射到地表面的地形特征作为检校约束条件，采用最小二乘方法计算系统几何标定参数，克服了卫星激光高度计在轨检校成本较高等难题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种卫星激光高度计在轨几何标定方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1.1，针对检校场平面，利用机载激光雷达或者GPS测量，获取高精度激光点云或者GPS测量点，利用这些离散点构建数字表面模型，建立检校区域的平面方程。所述步骤1.1包括以下具体步骤：

步骤1.1.1，标定场地形数据采集。标定场地形数据采集可以采取机载激光雷达测量和GPS野外测量两种数据采集方式，选择较为晴朗的天气，在卫星过境前测量标定场地形，采集标定场地面数据。在进行地形数据采集时，需要保证点位分布均匀，且同一个平面至少包含三个以上的点；

步骤1.1.2，建立检校场内每个平面的平面方程，通过地面采集点平面拟合，计算各个平面方程的系数，标定场平面方程模型如下：

z＝a_ix+b_iy+c_i

其中，i代表检校场内的平面标号，a_i、b_i、c_i分别是第i个平面的平面方程系数，(x,y,z)代表第i个平面内所有的地面采集数据点集，具体形式为：

上式中，n代表某个平面内的所有点数量，将数据点集(x,y,z)代入标定场平面模型，计算标定场内各个平面方程的系数

步骤1.2，建立卫星激光高度计检校模型。在回波波形信号滤波处理后，根据激光高斯波形信号的峰值位置，确定激光发射点到地面光斑的起始距离。具体地说，激光测距模型可以表示为

式中为激光光斑在WGS-84坐标系下的地面坐标；是激光坐标系原点在WGS-84坐标系的坐标，可以从星上下传的轨道文件中获得；R为激光测距值；r为激光测距系统误差；T_body2WGS-84是卫星平台坐标系到WGS-84坐标系之间的转换矩阵，描述卫星运行时的姿态，由星上下传的姿态文件获得；T_laser2body是卫星激光高度计载荷在卫星本体平台下的安装矩阵，描述载荷与卫星平台的相对关系，其大小会在卫星发射前精确测量；θ_x和θ_y分别是激光光束沿X轴和Y轴的偏转参数；θ_x、θ_y和r是卫星激光高度计在轨几何标定的待定三个参数。

代入平面方程

z_{s ′}＝ax_{s ′}+by_{s ′}+c

其中，a、b、c可以从平面方程的系数P中确定；

步骤1.3，卫星激光高度计检校参数解算；将激光高度计测距模型代入平面方程展开后，得到

ax₀+by₀-z₀+c+(R+r)·T_body2WGS-84·T_laser2body·(cosθ_xcosθ_y-asinθ_y+bsinθ_xcosθ_y)＝0令

f(r,θ_x,θ_y)＝ax₀+by₀-z₀+c+(R+r)·T_body2WGS-84·T_laser2body·(cosθ_xcosθ_y-asinθ_y+bsinθ_xcosθ_y) 将f进行泰勒函数一阶展开后，得到

其中，f₀(r,θ_x,θ_y)是f函数的近似值，f函数用矩阵表示为

Ax+B＝0

其中，

采用迭代方式对未知数进行解算，即

式中分别为第k+1次和第k次参数估计值，为第k次解算的参数估计值的改正数，当满足相邻两次检校前后激光光斑之间的距离小于某一参考值时，迭代停止，用公式描述为

上式中τ为迭代停止的阈值，可以在系统检校前根据经验参数来确定。

相应地，本发明提供一种卫星激光高度计在轨几何标定系统，其特征在于，所述方法包括以下模块：数据采集模块、平面方程建模模块、激光高度计几何标定模块、数据误差纠正模块；其中

数据采集模块，采集激光测距数据、地面GPS数据以及激光雷达数据；

平面方程建模模块，利用GPS数据或者激光雷达数据生成各个平面方程，并获取每个平面的参数；

激光高度计几何标定模块，利用平面方程和激光测距模型联合解算，获取激光测距误差改正值和激光光束偏转角度；

数据误差纠正模块，将计算得到的激光标定参数代入激光测距方程，获取激光光斑纠正后的位置。

本方法利用卫星过境时地面自然地形，采用卫星激光高度计照射到地表面的地形特征作为检校约束条件，采用最小二乘方法计算系统几何标定参数，可以很好地解决由于卫星激光高度计安装偏差以及激光测距误差，提高了国产卫星激光高度计的测量精度，克服了卫星激光高度计在轨检校成本较高等难题，具有较强的适用性和实用价值。

附图说明

图1是根据本发明实施例的一种国产卫星激光高度计在轨几何标定流程图；

图2是根据本发明实施例的卫星激光高度计测量原理示意图；

图3是根据本发明实施例的国产卫星激光高度计在轨几何标定系统功能模块图。

具体实施方式

下面结合具体实施案例，参照附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种国产卫星激光高度计在轨几何标定方法，其包括以下步骤：

步骤1.1，针对检校场平面，利用机载激光雷达或者GPS测量，获取高精度激光点云或者GPS测量点，利用这些离散点构建数字表面模型，建立检校区域的平面方程。所述步骤1.1包括以具体下步骤：

步骤1.1.1，标定场地形数据采集。标定场地形数据采集可以采取机载激光雷达测量和GPS野外测量两种数据采集方式，选择较为晴朗的天气，在卫星过境前测量标定场地形，采集标定场地面数据。在进行地形数据采集时，需要保证点位分布均匀，且同一个平面至少包含三个以上的点；

步骤1.1.2，建立检校场内每个平面的平面方程，通过地面采集点平面拟合，计算各个平面方程的系数，标定场平面方程模型如下：

z＝a_ix+b_iy+c_i

其中，i代表检校场内的平面标号，a_i,b_i,c_i分别是第i个平面的平面方程系数，(x,y,z)代表第i个平面内所有的地面采集数据点集，具体形式为：

上式中，n代表某个平面内的所有点数量，将数据点集(x,y,z)代入标定场平面模型，计算标定场内各个平面方程的系数

步骤1.2，建立卫星激光高度计检校模型。在回波波形信号滤波处理后，根据激光高斯波形信号的峰值位置，确定激光发射点到地面光斑的起始距离。具体地说，激光测距模型可以表示为

式中为激光光斑在WGS-84坐标系下的地面位置坐标；是激光坐标系原点在WGS-84坐标系的坐标，可以从星上下传的轨道文件中获得；如图2所示，R为激光测距值；r为激光测距系统误差；T_body2WGS-84是卫星平台坐标系到WGS-84坐标系之间的转换矩阵，描述卫星运行时的姿态，由星上下传的姿态文件获得；T_laser2body是卫星激光高度计载荷在卫星本体平台下的安装矩阵，描述载荷与卫星平台的相对关系，其大小会在卫星发射前精确测量；θ_x和θ_y分别是激光光束沿X轴和Y轴的偏转参数；θ_x、θ_y和r是卫星激光高度计在轨几何标定的待定三个参数。

代入平面方程

z_{s ′}＝ax_{s ′}+by_{s ′}+c

其中，a、b、c可以从平面方程的系数P中确定；

步骤1.3，卫星激光高度计检校参数解算；将激光高度计测距模型代入平面方程展开后，得到

ax₀+by₀-z₀+c+(R+r)·T_body2WGS-84·T_laser2body·(cosθ_xcosθ_y-asinθ_y+bsinθ_xcosθ_y)＝0令

f(r,θ_x,θ_y)＝ax₀+by₀-z₀+c+(R+r)·T_body2WGS-84·T_laser2body·(cosθ_x cosθ_y-asinθ_y+bsinθ_xcosθ_y)将f进行泰勒函数一阶展开后，得到

其中，f₀(r,θ_x,θ_y)是f函数的近似值，f函数用矩阵表示为

Ax+B＝0

其中，

采用迭代方式对未知数进行解算，即

式中分别为第k+1次和第k次参数估计值，为第k次解算的参数估计值的改正数，当满足相邻两次检校前后激光光斑之间的距离小于某一参考值时，迭代停止，用公式描述为

上式中τ为迭代停止的阈值，可以在系统检校前根据经验参数来确定。

如图3所示，本发明提供一种卫星激光高度计在轨几何标定系统，包括以下模块：数据采集模块、平面方程建模模块、激光高度计几何标定模块、数据误差纠正模块。所述数据采集模块主要是采集激光测距数据、地面GPS数据或者激光雷达数据；所述平面方程建模模块主要是利用GPS数据或者激光雷达数据生成各个平面方程，并获取每个平面的参数；所述激光高度计几何标定模块主要是利用平面方程和激光测距模型联合解算，获取激光测距误差改正值和激光光束偏转角度；所述数据误差纠正模块主要是将计算得到的激光标定参数代入激光测距方程，获取激光光斑纠正后的位置。

Claims (2)

1.一种卫星激光高度计在轨几何标定方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，针对检校场平面，利用机载激光雷达或者GPS测量，获取高精度激光点云或者GPS测量点，利用这些离散点构建数字表面模型，建立检校区域的平面方程；所述步骤1包括以下具体步骤：

步骤1.1，标定场地形数据采集，标定场地形数据采集可以采取机载激光雷达测量和GPS野外测量两种数据采集方式，选择较为晴朗的天气，在卫星过境前测量标定场地形，采集标定场地面数据。在进行地形数据采集时，需要保证点位分布均匀，且同一个平面至少包含三个以上的点；

步骤1.2，建立检校场内每个平面的平面方程，采集地面点进行平面拟合，计算各个平面方程的系数，标定场平面方程模型如下：

z＝a_ix+b_iy+c_i

其中，i代表检校场内的平面标号，a_i,b_i,c_i分别是第i个平面的平面方程系数，(x,y,z)代表该平面内所有的地面采集数据点集，具体形式为：

$\left[\begin{array}{ccc}x& y& z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& y_1& z_1\\ x_2& y_2& z_2\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ x_n& y_n& z_n\end{array}\right]$

上式中，n代表某个平面内的所有点数量，将该数据点集代入标定场平面模型，计算标定场内各个平面方程的系数

$P=\left[\begin{array}{ccc}{a}_1& b_1& c_1\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ a_i& b_i& c_i\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\end{array}\right]$

步骤2，建立卫星激光高度计检校模型，在回波波形信号滤波处理后，根据激光高斯波形信号的峰值位置，确定激光发射点到地面光斑的起始距离；具体地说，激光测距模型可以表示为

${\left[\begin{array}{c}{x}_{S^{\′}}\\ y_{S^{\′}}\\ z_{S^{\′}}\end{array}\right]}_{WGS-84}={\left[\begin{array}{c}{x}_O\\ y_O\\ z_O\end{array}\right]}_{WGS-84}+(R+r)\·T_{body2WGS-84}\·T_{laser2body}\left[\begin{array}{c}-sin{\mathrm{\θ}}_y\\ {\mathrm{sin\θ}}_x{\mathrm{cos\θ}}_y\\ -{\mathrm{cos\θ}}_x{\mathrm{cos\θ}}_y\end{array}\right]$

式中为激光光斑在WGS-84坐标系下的地面位置坐标；

是激光坐标系原点在WGS-84坐标系的坐标，可以从星上下传的轨道文件中获得；R为激光测距值；r为激光测距系统误差；T_body2WGS-84是卫星平台坐标系到WGS-84坐标系之间的转换矩阵，描述卫星运行时的姿态，由星上下传的姿态文件获得；T_laser2body是卫星激光高度计载荷在卫星本体平台下的安装矩阵，描述载荷与卫星平台的相对关系，其大小会在卫星发射前精确测量；θ_x和θ_y分别是激光光束沿X轴和Y轴的偏转参数；θ_x、θ_y和r是卫星激光高度计在轨几何标定的待定三个参数；

将上式代入平面方程

z_s′＝ax_s′+by_s′+c

其中，a、b、c可以从平面方程的系数P中确定；

步骤3，卫星激光高度计检校参数解算；将激光高度计测距模型代入平面方程展开后，得到

ax₀+by₀-z₀+c+(R+r)·T_body2WGS-84·T_laser2body·(cosθ_xcosθ_y-asinθ_y+bsinθ_xcosθ_y)＝0令

f(r,θ_x,θ_y)＝ax₀+by₀-z₀+c+(R+r)·T_body2WGS-84·T_laser2body·(cosθ_xcosθ_y-asinθ_y+bsinθ_xcosθ_y)将f进行泰勒函数一阶展开后，得到

$f(r,{\mathrm{\θ}}_x,{\mathrm{\θ}}_y)=f_0(r,{\mathrm{\θ}}_x,{\mathrm{\θ}}_y)+\frac{\∂f}{\∂r}\·dr+\frac{\∂f}{\∂{\mathrm{\θ}}_x}\·{\mathrm{d\θ}}_x+\frac{\∂f}{\∂{\mathrm{\θ}}_y}\·{\mathrm{d\θ}}_y$

其中，f₀(r,θ_x,θ_y)是f函数的近似值，f函数用矩阵表示为

Ax+B＝0

其中，

$A=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\∂f^1}{\∂r}& \frac{\∂f^1}{\∂{\mathrm{\θ}}_x}& \frac{\∂f^1}{\∂{\mathrm{\θ}}_y}\\ \frac{\∂f^2}{\∂r}& \frac{\∂f^2}{\∂{\mathrm{\θ}}_x}& \frac{\∂f^2}{\∂{\mathrm{\θ}}_y}\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \frac{\∂f^n}{\∂r}& \frac{\∂f^n}{\∂{\mathrm{\θ}}_x}& \frac{\∂f^n}{\∂{\mathrm{\θ}}_y}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{f_0}^1(r,{\mathrm{\θ}}_x,{\mathrm{\θ}}_y)\\ {f_0}^2(r,{\mathrm{\θ}}_x,{\mathrm{\θ}}_y)\\ \·\\ \·\\ \·\\ {f_0}^n(r,{\mathrm{\θ}}_x,{\mathrm{\θ}}_y)\end{array}\right]$

$x=\left[\begin{array}{c}dr\\ d{\mathrm{\θ}}_x\\ {\mathrm{d\θ}}_y\end{array}\right]=-{\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^{T}B$

采用迭代方式对未知数进行解算，即

式中分别为第k+1次和第k次参数估计值，其中为第k次解算的参数估计值的改正数，当满足相邻两次检校前后激光光斑之间的距离小于某一参考值时，迭代停止，用公式描述为

上式中τ为迭代停止的阈值，可以在系统检校前根据经验参数来确定。

2.一种用于实现权利要求1所述的卫星激光高度计在轨几何标定方法的卫星激光高度计在轨几何标定系统，其特征在于，所述在轨几何标定系统包括数据采集模块、平面方程建模模块、激光高度计几何标定模块、数据误差纠正模块；

数据采集模块采集激光测距数据、地面GPS数据或者激光雷达数据；平面方程建模模块利用GPS数据或者激光雷达数据生成各个平面方程，并获取每个平面的参数；激光高度计几何标定模块利用平面方程和激光测距模型联合解算，获取激光测距误差改正值和激光光束偏转角度；数据误差纠正模块将计算得到的激光标定参数代入激光测距方程，获取激光光斑纠正后的位置。