CN111060139A - 星载激光测高仪无场几何定标方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了星载激光测高仪无场几何定标方法及系统，包括：(1)基于严密几何定位模型求解激光测高的初始定位结果；(2)利用大气延迟改正模型，将星载激光的传播大气延迟时间补偿到激光测高的定位结果；(3)根据测高定位数据选择激光序列点，根据激光序列点中激光的足印点的高程信息与已知地形进行匹配，基于匹配结果标定激光出射方向。本发明旨在解决星载激光测高仪初始指向不准的问题，提出了一种全新的激光在轨几何定标方法，填补了国内在这方面的空白，为星载激光雷达测高数据的高精度几何处理提供基础。

Description

星载激光测高仪无场几何定标方法及系统

技术领域

本发明属于航天摄影测量领域，特别涉及星载激光测高仪无场几何定标方法及系统。

背景技术

星载激光测高技术是利用卫星携带的激光测高仪发射脉冲信号，并记录经地表反射后的激光回波数据，实现地表高程信息的测定。该技术起初主要应用于深空探测，如美国Clementine探月中的激光高度计、NASA火星探测器的MOLA、NEAR探测器上的NLR、以及我国嫦娥一号(CE-1)的LAM测高仪等。2003年美国发射的ICESat卫星搭载了地球科学激光测高系统(GLAS)，星载激光对地测高技术逐步成为研究热点。2016年5月成功发射了资源三号02星(ZY3-02)，卫星搭载了国内研制的对地激光测试载荷，并成功获取了激光测高数据。卫星发射过程中激光器的安装发生变动，直接影响了激光雷达的定位精度和测距精度。

激光器在轨几何定标可有效控制卫星测高系统性误差的影响，提升其几何定位精度和测距精度，而地面控制数据的获取是卫星在轨几何定标的核心与关键。目前获取星载激光测高控制数据的方法主要分为两类：一种是通过布设地面激光靶标器来接收卫星发射的信号，以确定卫星拍摄的准确位置；另外一种方法则利用高精度地形数据仿真激光回波信号，并通过与真实激光回波之间匹配以获取激光在地表的地理坐标。通常卫星在轨以后，激光器的几何指向与地面定标精度相差较大，以上两种定标方法均受到限制。

发明内容

本发明目的是提供基于地形匹配的星载激光测高仪无场几何定标方法及系统。

本发明基于地形匹配的激光束出射方向定标方法，利用激光的初始测高数据，并结合精度地形数据约束激光序列点，实现激光束出射方向的定标。

本发明星载激光测高仪无场几何定标方法，包括步骤：

(1)基于严密几何定位模型

求解激光测高的初始定位结果，其中，

是在地心地球直角坐标系下的地面点坐标；

代表卫星在地心地球直角坐标系下的位置，R(t)为从本体坐标系到地心地球直角坐标系的旋转矩阵，X(t)、Y(t)、Z(t)、R(t)均为时间的函数；ρ是激光器测距得到的距离；

代表激光光束在本体坐标系下的单位方向矢量；

(2)利用大气延迟改正模型，将星载激光的传播大气延迟时间补偿到激光测高的定位结果；

(3)根据测高定位数据选择激光序列点，根据激光序列点中激光的足印点的高程信息与已知地形进行匹配，基于匹配结果标定激光出射方向。

步骤(1)进一步包括：

步骤1.1根据高斯函数拟合激光入射波和回波的波形峰值，以此来解算激光信号从卫星的激光器出射到地表反射后到达接受口径的传播时延，获得激光测距延迟时间；

步骤1.2根据测量时刻前后的GPS测量数据，利用多项式内插激光测量时刻的轨道位置；

步骤1.3根据测量时刻前后的测姿数据，内插激光测量时刻的姿态旋转矩阵、四元数、欧拉角中的一种或多种；当采用星敏定姿，测姿坐标系即星敏坐标系；当采用陀螺定姿或星敏陀螺定姿，测姿坐标系即陀螺坐标系；

步骤1.4解算激光器坐标系相对于卫星本体坐标系的旋转矩阵；

步骤1.5解算卫星本体坐标系相对于J2000坐标系的旋转矩阵；

步骤1.6解算J2000坐标系相对于WGS84坐标系的旋转矩阵；

步骤1.7根据严密几何定位模型求解激光测高初始定位结果。

步骤(2)进一步包括：

步骤2.1根据激光初始测高点的坐标，利用外部大气数据内插激光测高点的大气参数；

步骤2.2利用大气延迟改正模型，并结合激光测高点的大气参数，计算激光在地球大气中的传播天顶延迟；

步骤2.3由于激光入射方向并非完全垂直向下，利用映射函数将激光测高点的天顶方向延迟转化为激光传播路径的大气延迟，即激光大气传播延迟；

步骤2.4将激光大气传播延迟补偿到严密几何定位模型，重新解算激光测高的定位结果。

所述大气参数包括气压、温度、湿度、大气可降水量中的一种或多种。

步骤(3)进一步包括：

步骤3.1选择初始定标区域：

根据激光测高的定位数据，选择具有地势起伏的连续激光点10～20组，并保证相邻激光点的高差与水平间距比值不大于1：6；

步骤3.2利用激光足印点的高程信息与定标区域的地形数据做匹配处理；

步骤3.3激光光出射指向误差标定：

遍历初始定标区域地形，得到激光点与不同区域的匹配结果，以匹配结果最高点对应的激光指向作为激光的真是出射方向，并结合激光测量时刻的轨道信息解算激光出射误差；

步骤3.4激光点的高程误差标定：

将激光出射指向误差的定标参数补偿到严密几何定位模型，并以已知高精度地形数据为基准，标定经过指向补偿后的激光定位数据的高程误差；

步骤3.5将激光的标定结果补偿于激光的测高定位结果中，重新解算激光的测高结果。

子步骤3.2中，利用高程差的均方差最小准则和相关系数最大准则进行匹配；

其中相关系数最大准则如下：

式中，r为激光序列点与DEM数据的匹配相关系数，(B,L)是遍历区域内对应DEM数据的地理坐标，r(B,L)表示地理坐标(B,L)处的匹配相关系数；n为激光序列点个数，，i为激光序列点的序号，x_i与y_i分别为第i个激光序列点的激光测高值与其对应DEM的高程值。在遍历区域范围内，相关系数最大值对应DEM数据的地理坐标即认为是激光点真实坐标。

子步骤3.4中，激光出射方向的定标参数采用公式

求解，其中，(φ,ω)为激光出射方向的检校参数，分别为激光器出射指向的俯仰角和翻滚角修正值；S表示激光发射时刻的卫星位置坐标，P_spot表示利用定位模型解算得到的激光点坐标，P_ground表示通过地形匹配方法获得激光脚印点在地面的位置坐标。

本发明提供的星载激光测高仪无场几何定标系统，包括：

第一模块，用来基于严密几何定位模型

求解激光测高的初始定位结果，其中，

是在地心地球直角坐标系下的地面点坐标；

代表卫星在地心地球直角坐标系下的位置，R(t)为从本体坐标系到地心地球直角坐标系的旋转矩阵，X(t)、Y(t)、Z(t)、R(t)均为时间的函数；ρ是激光器测距得到的距离；

代表激光光束在本体坐标系下的单位方向矢量；

第二模块，用来利用大气延迟改正模型，将星载激光的传播大气延迟时间补偿到激光测高的定位结果；

第三模块，用来根据测高定位数据选择激光序列点，根据激光序列点中激光的足印点的高程信息与已知地形进行匹配，基于匹配结果标定激光出射方向。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

目前，由于卫星姿轨测量误差、激光测高仪安装误差及激光出射指向偏差等引起激光平面定位精度较差，无法直接采用地面布设激光探测器的方案进行几何定标。本发明针对这一问题，利用高精度地形数据约束激光指向，实现了星载激光雷达的几何定标。

本发明旨在解决星载激光测高仪初始指向不准的问题，提出了一种全新的激光在轨几何定标方法，填补了国内在这方面的空白，为星载激光雷达测高数据的高精度几何处理提供基础。

附图说明

图1是本发明实施例1的流程图；

图2是本发明实施例2的流程图；

图3是本发明实施例3的流程图。

具体实施方式

本发明针对星载激光的初始测量结果，利用大区域裸露地形约束激光器出射指向来实现激光器的几何定标，补偿激光器安装和姿轨测量等系统性误差影响，以提升激光测高数据的精度。

下面将对本发明所涉及理论进行描述。

(1)激光几何定位模型

星载激光测高严密几何定位模型如下式：

式(1)中，

为激光脚印点在WGS84坐标系下的三维矢量坐标；

为激光器发射脉冲时刻卫星GPS测量的位置坐标；c是真空中激光传播的速度；t_tran为激光测量目标的渡越时间；t_trop是激光信号经地球大气时发生测距延迟的补偿值；Δt是实验室测量的激光测距时延补偿量；

为J2000坐标系相对WGS84坐标系的转换矩阵；

是由定姿设备(星敏或陀螺)测量处理得到的本体坐标系与J2000坐标系转换矩阵；

是激光器在卫星平台本体坐标系下的安装矩阵，激光器坐标系相对于卫星本体坐标系的旋转矩阵。

该严密几何定位模型主要包含激光测距解算、距离改正和测高基准面改正，以及星载激光测高仪在轨几何定标等，具体包括：①以激光测高仪实际测量条件下的器件水平和环境参数为输入，基于激光测距改正模型，解算大气延迟和系统延迟数据，用于修正激光测距原始值；②根据潮汐改正算法和大地水准面改正算法，对激光脚点几何定位坐标进行修正；③利用星载激光严密几何模型，对于所选取的标定场地，获取激光脚点几何定位坐标。同时，根据标定场地的空间分布约束条件或影像辅助数据，实现激光测高仪的标定。

下面将对严密几何定位模型所设计的计算进行分别描述。

①激光测距误差补偿

大气折射效应引起的测距延迟是激光测高仪对地测量的主要误差源之一，这对后续激光几何定标影响不可忽视，首先需要补偿激光测距误差中的时变量。电磁波信号在大气中传播遵循Fermat定律，已知激光在大气中传播速度v、大气折射指数n与真空中的光速c的关系有n＝c/v，由此可推得在激光信号出射到地面Z点的传播时延t_trop为：

式(2)中，R表示激光信号传播路径。这样激光在大气中传播延迟的求解就转化为求解大气折射效应的积分过程，为了便于公式的推导，上式中(n-1)通常由大气折射率N替代为N＝10⁶(n-1)。

针对地球大气中干大气、湿大气、云雾及游离态电子对大气折射率的影响，构建大气延迟改正模型如下：

式(3)中，k_i为待定参数，i取1-5；P_d是干大气压强，P_w为湿大气压强值(Pa)，T为激光足印点的温度(K)，W_cloud水汽含量(kg/m³)，ne是电离层电子密度(m^-3)，f为通过大气层电磁波的频率(Hz)。激光信号的频率约为10¹⁵Hz，游离态电子对信号延迟可忽略不计；大气中云雾的分布规律性不显著，本发明中大气延迟改正模型仅针对公式中前三项进行激光测距的误差补偿。

②地形匹配

本发明利用星载激光器拍摄的连续序列点与已知地形构建相关关系，以获取激光点的地面控制数据来确定激光束的出射方向。当激光器不侧摆的情况下，利用激光定位模型解算的激光足印点和卫星轨道处于同一平面内，利用定位模型解算得到的激光足印轨迹，用P_spot表示。再利用激光足印点的初始测高值与相应区域的地形数据做匹配处理，地形匹配模型如下式：

式(4)中，r为激光序列点与DEM数据的匹配相关系数，(B,L)是遍历区域内对应DEM数据的地理坐标，r(B,L)则为地理坐标(B,L)处相应的匹配相关系数；n为激光序列点个数，x_i与y_i分别为第i个激光序列点的激光测高值与其对应DEM的高程值，

和

分别为激光光斑范围内行、列对应高程的平均值。

③激光指向几何定标

在遍历区域范围内，相关系数最大值对应DEM数据的地理坐标初步确定为激光光斑的坐标，用P_ground表示。在激光出射方向的定标过程中，激光指向误差被认为是系统量，那么激光初始出射方向矢量和激光真实出射方向矢量的相对关系是固定不变的。利用地形匹配的方法可以确定激光点的初始地理坐标，以此作为激光测量结果的控制数据，利用下式便可以求解激光出射方向的定标参数。

式(5)中，(φ,ω)为激光出射方向的定标参数，S表示激光发射时刻的卫星位置坐标。

下面将基于上述理论，提供本发明的一种具体实施方式，该具体实施方式可利用计算机程序完成，以下结合实施例和附图1～3提供详细说明本发明技术方案。

实施例1

本实施例将提供星载激光测高的几何定位方法，流程参见图1。

星载激光几何定位基本原理如下：

激光器位置坐标用S表示，地心坐标是R，距离地心的距离为RS，其发射一束激光信号到达地球表面的A点，测量距离值为ρ，激光测量点A距离地心的距离为RA。

由此得到星载激光测高的严密几何定位模型即距离方程，其物方形式可以描述成下式：

其中，

代表卫星在地心地球直角坐标系下的位置，R(t)为从本体坐标系到地心地球直角坐标系的旋转矩阵，其具体表达式为下式：

对于激光器来说，X(t)、Y(t)、Z(t)、R(t)都是时间的函数，需要通过姿轨内插得到。X(t)、Y(t)、Z(t)、R(t)称为外方位元素，其随时间变化。

代表激光光束在本体坐标系下的单位方向矢量，其满足x²+y²+z²＝1。

ρ是激光器测距得到的距离，是测量量。

是在地心地球直角坐标系下的地面点坐标，其可以通过下式转化到地理坐标系中：

[Lat,Lon,H]＝F(X,Y,Z) (7)

其中，F为地球椭球的笛卡尔坐标转大地坐标函数，Lat、Lon为经纬度，H为地球椭球的大地高。

实施例2

本实施例提供星载激光测距大气延迟改正方法，参见附图2。

激光在大气中传播的路径与真空中的直线传播存在差异，大气对激光测距的影响主要包括大气延迟和大气折射，而影响激光测距的最主要因素是大气延迟。激光在大气传播过程中，由于大气折射的影响很大程度上限制了激光测高系统的观测精度，因此在对激光器进行在轨定标之前必须修正激光测距大气延迟误差。

大气延迟改正主要是为了消除激光在对流层中传递的过程中由于大气的折射导致的测距延迟误差。设电磁波信号在大气中的传播速度v，折射率n与真空中光速c有v＝c/n的关系，由此可知信号的传播时间为：T＝1/c∫nds。那么信号经大气折射与真空中传播所产生的距离延迟值ΔL为：

式(8)中，

表示信号在大气中传播路径上的距离积分，

表示信号在真空中传播路径上的距离积分。

大气延迟改正模型用天顶延迟和与高度角有相关映射函数的乘积表示为:

式(9)中，m(ε)是与入射角ε相关的映射函数，n为天顶方向大气折射率。天顶方向大气改正就转化为求解大气折射率的积分。

按照以上大气成分的划分，大气折射率N计算模型如下：

设(n-1)＝10^-6N，

式(10)中，P_d是干大气压强，e为湿大气压强值，T为激光足印点的温度，W_cloud水汽含量(kg/m³)，ne是电离层电子密度，f为电磁波信号的发射频率。

本发明主要针对上式中前三项大气改正，即中性大气的干分量与湿分量的加以改正。

中性大气中干分量和湿分量的距离改正模型，如下式：

式(11)中，地表压强P_surf＝P_d+e，P_W为大气可降水量；M_d、M_W分别为干、湿大气分子量，M_d＝28.9644kg/kmol，M_W＝18.0152kg/kmol；R为摩尔气体常量，R＝8.31451J/(mol·K)。

k₁、k₂值与卫星载荷发射电磁波信号的频率λ相关，求解公式：

由中性大气中干分量和湿分量的距离改正模型可知，干大气和湿大气的延迟量求解还需要获取大气的地表压强和大气可降水量。

全球大气数据由NCEP提供的FNL数据。首先根据激光点的高程值得到FNL数据的两个等压面，利用双线性内插获取地面点天顶方向的大气数据；然后根据Runge-Kutta算法进行数值积分得出激光脚印点处的气象参数，再根据卫星行时数据在时间维上进行一次线性插值。

由于星载激光测高采用小倾角测量，那么对于激光测距大气延迟处理的映射函数采用简化形式：

实施例3

本实施例提供基于地形约束的星载激光几何定标方法，参见附图3。

激光测高仪几何定标的基本原理如下：假设卫星激光器的位置为S，激光发射信号到地表A点，SA为激光测距的实际指向及距离，由于卫星测姿误差和载荷安装误差导致的激光解算路径变为SA'，同时会引起激光测距方向的模型误差Δh，使得激光测高定位模型解算得到的脚印点高程存在误差。

那么基于星载激光严密几何定位模型就可以构建激光测高的几何定标模型，如下式：

式(13)中，

t是激光测距时间的误差补偿量，R(φ,ω)是与激光束出射角度(φ,ω)相关的偏置矩阵，其中φ,ω分别代表激光定标坐标系到激光器测量坐标系的俯仰角和翻滚角。

由于星载激光器为了保证测量回波数据的信噪比，激光光束出射方向与地面几乎保持垂直，本发明利用这一特性，将激光脚印点的水平误差和高程误差相互独立开进行定标，而这两项误差均可以通过偏置矩阵和测距定标参数进行补偿。

地形匹配方法的基本原理如下：已知有效序列激光脚印点的初始三维坐标(X,Y,H_L)，而激光脚印点平面位置对应的坐标为(X,Y,H_S)，通过遍历(X±Δx,Y±Δy)区域范围内的地形起伏，判定H_L和H_S的匹配程度以获取激光脚印点最可能的地面坐标位置。

本发明对激光测高数据与地形相匹配的策略方法有以下两种：一是高程差的均方差最小准则，另外一个是相关系数最大准则。

(1)均方差最小准则为：

式中，σ为激光序列点与DEM数据的高程差均方差，(S,L)是遍历区域内对应DEM数据的像素坐标，σ(S,L)表示像素坐标(S,L)处的高程差均方差；n为激光序列点个数，i为激光序列点的序号，x_i与y_i分别为第i个激光序列点的激光测高值与其对应DEM的高程值。在遍历区域范围内，均方差最小值对应DEM数据的像素坐标即认为最接近激光点真实位置。

(2)相关系数最大准则定义如下：

式中，r为激光序列点与DEM数据的匹配相关系数，(B,L)是遍历区域内对应DEM数据的地理坐标，r(B,L)表示地理坐标(B,L)处的匹配相关系数；n为激光序列点个数，，i为激光序列点的序号，x_i与y_i分别为第i个激光序列点的激光测高值与其对应DEM的高程值。在遍历区域范围内，相关系数最大值对应DEM数据的地理坐标即认为是激光点真实坐标。

在激光出射方向定标的过程中，激光器的初始出射方向矢量和激光真实出射方向矢量的相对关系是固定不变的。利用地形匹配的方法可以确定激光点的初始地理坐标，以此作为激光测量结果的控制数据，利用下式求解激光出射方向的定标参数。

式(16)中，(φ,ω)为激光出射方向的检校参数，分别为激光器出射指向的俯仰角和翻滚角修正值；S表示激光发射时刻的卫星位置坐标，P_spot表示利用定位模型解算得到的激光点坐标，P_ground表示通过地形匹配方法获得激光脚印点在地面的位置坐标。

激光器指向定标坐标系到激光器的测量坐标系之间的旋转矩阵R由下式求解得到：

激光器的测距误差定标流程是在激光指向定标之后，将指向定标的旋转矩阵补偿到激光严密几何定位模型中，重新解算得到激光脚印点的地理坐标(X_R，Y_R，H_RL)，那么此时激光脚印点平面坐标对应的高精度地形数据的高程坐标为(X_R，Y_R，H_RS)。由此求得激光测高误差的定标参数Δh求解方法如下式：

Δh＝Mean(H_RS-H_RL) (18)

H_RS和H_RL为高程值。重复以上激光指向定标和高程定标流程，直到激光的定位误差和高程误差基本不发生变化。

Claims (8)

1.星载激光测高仪无场几何定标方法，其特征是，包括：

(1)基于严密几何定位模型

求解激光测高的初始定位结果，其中，

是在地心地球直角坐标系下的地面点坐标；

代表卫星在地心地球直角坐标系下的位置，R(t)为从本体坐标系到地心地球直角坐标系的旋转矩阵，X(t)、Y(t)、Z(t)、R(t)均为时间的函数；ρ是激光器测距得到的距离；

代表激光光束在本体坐标系下的单位方向矢量；

(2)利用大气延迟改正模型，将星载激光的传播大气延迟时间补偿到激光测高的定位结果；

(3)根据测高定位数据选择激光序列点，根据激光序列点中激光的足印点的高程信息与已知地形进行匹配，基于匹配结果标定激光出射方向。

2.如权利要求1所述的星载激光测高仪无场几何定标方法，其特征是：

步骤(1)进一步包括：

步骤1.1根据高斯函数拟合激光入射波和回波的波形峰值，以此来解算激光信号从卫星的激光器出射到地表反射后到达接受口径的传播时延，获得激光测距延迟时间；

步骤1.2根据测量时刻前后的GPS测量数据，利用多项式内插激光测量时刻的轨道位置；

步骤1.3根据测量时刻前后的测姿数据，内插激光测量时刻的姿态旋转矩阵、四元数、欧拉角中的一种或多种；当采用星敏定姿，测姿坐标系即星敏坐标系；当采用陀螺定姿或星敏陀螺定姿，测姿坐标系即陀螺坐标系；

步骤1.4解算激光器坐标系相对于卫星本体坐标系的旋转矩阵；

步骤1.5解算卫星本体坐标系相对于J2000坐标系的旋转矩阵；

步骤1.6解算J2000坐标系相对于WGS84坐标系的旋转矩阵；

步骤1.7根据严密几何定位模型求解激光测高初始定位结果。

3.如权利要求1所述的星载激光测高仪无场几何定标方法，其特征是：

步骤(2)进一步包括：

步骤2.1根据激光初始测高点的坐标，利用外部大气数据内插激光测高点的大气参数；

步骤2.2利用大气延迟改正模型，并结合激光测高点的大气参数，计算激光在地球大气中的传播天顶延迟；

步骤2.3由于激光入射方向并非完全垂直向下，利用映射函数将激光测高点的天顶方向延迟转化为激光传播路径的大气延迟，即激光大气传播延迟；

步骤2.4将激光大气传播延迟补偿到严密几何定位模型，重新解算激光测高的定位结果。

4.如权利要求3所述的星载激光测高仪无场几何定标方法，其特征是：

所述大气参数包括气压、温度、湿度、大气可降水量中的一种或多种。

5.如权利要求1所述的星载激光测高仪无场几何定标方法，其特征是：

步骤(3)进一步包括：

步骤3.1选择初始定标区域：

根据激光测高的定位数据，选择具有地势起伏的连续激光点10～20组，并保证相邻激光点的高差与水平间距比值不大于1：6；

步骤3.2利用激光足印点的高程信息与定标区域的地形数据做匹配处理；

步骤3.3激光光出射指向误差标定：

遍历初始定标区域地形，得到激光点与不同区域的匹配结果，以匹配结果最高点对应的激光指向作为激光的真是出射方向，并结合激光测量时刻的轨道信息解算激光出射误差；

步骤3.4激光点的高程误差标定：

将激光出射指向误差的定标参数补偿到严密几何定位模型，并以已知高精度地形数据为基准，标定经过指向补偿后的激光定位数据的高程误差；

步骤3.5将激光的标定结果补偿于激光的测高定位结果中，重新解算激光的测高结果。

6.如权利要求5所述的星载激光测高仪无场几何定标方法，其特征是：

子步骤3.2中，利用高程差的均方差最小准则和相关系数最大准则进行匹配；

其中相关系数最大准则如下：

式中，r为激光序列点与DEM数据的匹配相关系数，(B,L)是遍历区域内对应DEM数据的地理坐标，r(B,L)表示地理坐标(B,L)处的匹配相关系数；n为激光序列点个数，i为激光序列点的序号，x_i与y_i分别为第i个激光序列点的激光测高值与其对应DEM的高程值。在遍历区域范围内，相关系数最大值对应DEM数据的地理坐标即认为是激光点真实坐标。

7.如权利要求5所述的星载激光测高仪无场几何定标方法，其特征是：

子步骤3.4中，激光出射方向的定标参数采用公式

求解，其中，(φ,ω)为激光出射方向的检校参数，分别为激光器出射指向的俯仰角和翻滚角修正值；S表示激光发射时刻的卫星位置坐标，P_spot表示利用定位模型解算得到的激光点坐标，P_ground表示通过地形匹配方法获得激光脚印点在地面的位置坐标。

8.星载激光测高仪无场几何定标系统，其特征是，包括：

第一模块，用来基于严密几何定位模型

求解激光测高的初始定位结果，其中，

是在地心地球直角坐标系下的地面点坐标；

代表卫星在地心地球直角坐标系下的位置，R(t)为从本体坐标系到地心地球直角坐标系的旋转矩阵，X(t)、Y(t)、Z(t)、R(t)均为时间的函数；ρ是激光器测距得到的距离；

代表激光光束在本体坐标系下的单位方向矢量；

第二模块，用来利用大气延迟改正模型，将星载激光的传播大气延迟时间补偿到激光测高的定位结果；

第三模块，用来根据测高定位数据选择激光序列点，根据激光序列点中激光的足印点的高程信息与已知地形进行匹配，基于匹配结果标定激光出射方向。

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