CN111999737B - 一种多波束星载激光测高仪在轨联合检校的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波束星载激光测高仪在轨联合检校方法，该方法通过设定基准波束构建基准波束与其他各波束间相对几何关系，从而建立多波束激光联合几何检校模型，所述方法包括以下步骤：设立多波束星载激光测高仪基准波束，并构建多波束星载激光测高仪在轨联合几何检校模型；将多波束星载激光测高仪几何检校模型联立，并对多波束星载激光测高仪几何检校误差方程进行解算；多波束星载激光测高仪各波束激光指向与测距结算。本发明技术方案致力于解决多波束星载激光测高仪在轨检校，为当前已经在轨以及即将发射的多波束星载激光测高仪提供一种可靠在轨检校的方法。

Description

一种多波束星载激光测高仪在轨联合检校的方法

技术领域

本发明涉及星载多波束激光测高仪在轨几何检校技术领域，尤其涉及一种应用于多波束星载激光测高仪各波束高精度几何定位的多波束星载激光测高仪在轨联合检校方法。

背景技术

几何定位精度是衡量测绘卫星性能最重要的指标，其中高程精度由于难以提升显得更为重要。激光雷达(Light Detection And Ranging，简称LiDAR)因具有方向性好、相干性高、单色性好，测距精度高等特点，在深空探测和地球科学领域中体现了巨大的应用潜力，将星载激光测高技术应用于高分辨率光学立体测绘卫星，辅助航天摄影测量以提高卫星影像几何特别是高程方向的精度成为了一种重要的技术手段。

随着星载激光技术的不断发展，星载激光测高仪已经由单波束激光发展为了多波束星载激光测高仪。如：2016年发射的资源三号02星激光测高仪为单波束激光测高仪，2019年发射的高分七号02星为双波束激光测高仪，未来即将发射的陆地生态系统碳监测卫星、高分七号02星等卫星均搭载了多波束激光测高仪。每波束代表一台独立激光测高仪,相对单波束激光测高仪，多波束激光测高仪可同时获取更为密集的高精度激光地面高程控制点，将有助于提高测绘遥感卫星的全球测图精度特别是高程精度，同时也为极地冰盖测绘、地理国情监测、全国乃至全球森林普查等应用提供更加充足的数据。然而由于激光测高仪在测量过程中会产生指向角、质心偏移、系统时钟同步等多项系统误差，尤其是指向角误差，可能会降低激光脚点作为测绘行业的高程控制的精度。以激光指向角误差影响为例，对于轨道高度为500km的测高系统，在地表入射角为1°时，30″的激光指向误差引起脚点定位水平误差75m，高度误差1.3m，而对于多波束星载激光测高仪，当某个波束指向存在误差，将可能导致整个系统所有波束均存在一定系统误差。

目前针对对地观测的星载激光测高仪检校方法主要为单波束星载激光测高仪，尚无多波束星载激光测高仪在轨检校方法的介绍。因此，在分析星载多波束激光测高仪几何定位的误差源及其对定位精度的影响基础上，针对多波束星载激光测高仪波束间几何安装关系的特点，研究并提出一种多波束星载激光测高仪在轨联合检校方法，用于我国高分七号系列卫星，陆地生态碳卫星等多波束星载激光测高仪在轨检校，提高星载多波束激光测高仪所有波束激光几何定位精度，最终对于提升我国测绘遥感卫星在全球测图应用潜力具有重要意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种多波束星载激光测高仪在轨联合检校方法，在选定基准波束的接触上，通过构建多波束激光测高仪联合检校模型，依赖已知的星载激光测高仪各个波束激光地面脚点坐标，计算出基准波束1指向以及基准波束1与各个波束间参数，依据基准波束1指向与波束间参数进而解算出多波束星载激光测高仪各个波束指向角与测距。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种多波束星载激光测高仪在轨联合检校方法，该方法通过设定基准波束构建基准波束与其他各波束间相对几何关系，从而建立多波束激光联合几何检校模型，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤A设立多波束星载激光测高仪基准波束，并构建多波束星载激光测高仪在轨联合几何检校模型；

步骤B将多波束星载激光测高仪几何检校模型联立，并对多波束星载激光测高仪几何检校误差方程进行解算；

步骤C多波束星载激光测高仪各波束激光指向与测距结算。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

构建波束1与其他波束间几何关系，利用各波束地面控制点依据多波束星载激光测高仪在轨几何检校模型，解算出波束1激光指向及其与其他波束间转换参数，从而实现多波束星载激光测高仪各个波束同时检校的目的，从而一次性提高多波束激光测高仪各个波束的几何定位精度。该方法可广泛应用于未来多波束星载激光测高仪的在轨检校中。

附图说明

图1是多波束星载激光测高仪在轨联合检校的流程图；

图2a、2b和2c是多波束星载激光测高仪基准波束1到波束N的指向旋转关系图；

图3是本实施例提供的高分七激光波束1与波束2试验点地面分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

本实施例提供了一种多波束星载激光测高仪在轨联合检校的方法，在设立基准波束的基础上，将在事先获取各个波束激光光斑地面三维坐标作为已知数据带入构建的多波束星载激光测高仪在轨检校模型之中，从而进行基准波束1至波束N的各个波束指向与测距检校。具体实施时可通过计算机软件技术实现自动运行处理。

如图1所示，为多波束星载激光测高仪在轨联合检校的流程，包括如下步骤：

步骤10设立多波束星载激光测高仪基准波束，并构建多波束星载激光测高仪在轨联合几何检校模型；

(1)激光测高仪基准波束设立及其几何检校模型：

通常情况下选用离卫星平台天底方向最近的波束作为基准波束，设基准波束为波束1，根据星载激光测高仪波束1出光、卫星质心、GPS天线中心在平台坐标系下的位置，首先构建波束1相对于卫星平台间几何关系，结合地球椭球的相对位置偏移以及旋转几何关系，构建多波形星载激光测高仪波束1在轨几何检校模型，其矩阵形式如下式所示：

其中，

为WGS84坐标系下激光波束1足印光斑质心地面坐标；

为卫星GPS天线中心在WGS84坐标系下坐标；

为激光波束1相对于GPS天线中心的偏移量；

为卫星本体系到J2000坐标系下的旋转矩阵；

为J2000坐标系到WGS84坐标系下的旋转矩阵；ρ₁为激光测距值；ρ_atm为大气延迟引起的测距误差；Δρ_tides为地球潮汐引起的测距误差；Δρ₁为波束1待求的测距系统误差；α₁，β₁分别为激光波束1指向角在卫星本体系中与X轴，Y轴的夹角。

(2)外推至激光测高仪N波束几何检校模型：

同理，根据基准波束，将步骤方法推广至波束N，其中找到波束N与基准波束1间几何关系，即可构建N波束在轨几何检校模型，如下所示：

其中，

为WGS84坐标系下激光波束i足印光斑质心地面坐标；

为激光波束i相对于GPS天线中心的偏移量；ρ_i为激光波束i测距值；Δρ_i为波束i待求的测距系统误差；ΔR(r_i-1，a_i-1，b_i-1)为激光波束i相对于波束1的指向旋转矩阵；上述中i＝2，3，4......N。

(3)波束i相对于基准波束1的指向旋转矩阵ΔR(r_N-1，a_N-1，b_N-1)构建。

如图2a、2b和2c所示，以波束1激光光轴为基准，先后分别按照X轴，Y轴和Z轴进行旋转，得到波束i光轴，基准波束1和波束N之间旋转矩阵如下：

其中，r_i-1为波束1到波束i在X轴方向的旋转角；a_i-1为波束1到波束i在Y轴方向的旋转角；b_i-1为波束1到波束i在Z轴方向的旋转角；上述中i＝2,3,4......N。

步骤20将多波束星载激光测高仪几何检校模型联立，并对多波束星载激光测高仪几何检校误差方程进行解算；

(1)多波束星载激光测高仪几何检校模型联立：

假设多波束星载激光测高仪共有N条波束，可将步骤10中在轨几何检校模型左侧分量移至右侧构建单个新方程式，并将基准波束1至波束N的单个方程式联合，得到如下矩阵公式：

其中，

为第N波束的地面坐标误差项；dρ_N＝ρ_N-Δρ_atm-Δρ_tides-Δρ_N，

(2)多波束星载激光测高仪几何检校误差方程构建；

根据(1)联立的多波束星载激光测高仪几何检校模型，结合代求的未知数，根据误差理论，分别对基准波束1至波束N各个分量求偏导数，得到方程式如下：

(3)多波束星载激光测高仪几何检校误差方程解算；

令(2)中构建的误差方程式为AK-L＝0，以各个波束激光到地面光斑质心的地面距离残差最小为原则，根据最小二乘原理求解得到各个波束参数分量，结果如下式所示：

K＝K⁰+(A^TPA)^-1A^TPL

其中，K⁰为K的初始值；P为权矩阵；K＝[α₁ β₁ ρ₁ ... r_N-1 a_N-1 b_N-1 ρ_N]；

步骤30多波束星载激光测高仪各波束激光指向与测距结算。

(1)多波束星载激光测高仪基准波束1指向与测距解算；

根据步骤20可直接解算出多波束星载激光测高仪基准波束1指向角的α₁,β₁和测距ρ₁，根据它们可求出基准波束1指向角在卫星本体系中与Z轴的夹角γ₁，如下式所示：

γ₁＝sqrt(1-α₁ ²-β₁ ²)

(2)第2～N波束星载激光测高仪的指向角解算；

由步骤20可以得到基准波束1到波束i的指向三轴旋转角(r_i,a_i,b_i)与波束i测距ρ_i，同时根据上述步骤(1)获取的基准波束1指向角的三轴夹角，计算得到波束i的指向角在三轴夹角为：

其中，(r_i,a_i,b_i)分别为激光第i个波束指向角在卫星本体系中与X轴，Y轴和Z轴的夹角，且i＝2,3,4......N。

下面给出具体实施例，以发射的高分七号星载双波束激光测高仪为例，选取高分七号卫星于2019年11月13日获取的第154轨激光数据进行试验，其中波束1试验点时间码为：185108871.333597，波束2试验点时间码为：185108872.004763，实施例激光点地面分布图如图3所示，以下分别介绍波束1与波束2：

波束1试验点姿态数据为：(0，-0.198730311650031，0.916813669371063，0.153312208925464)；轨道数据为：(-2220733.88367841，3883616.87164315，5217174.81903316，-1202.92239466429，5834.98546168983，-4857.12835679829)；激光测距值为：506262.292962116；大气改正值为：2.1768；潮汐改正值为：-0.0433；波束1试验点由本体到WGS84坐标系旋转矩阵为：

波束1激光光斑地面坐标为：

波束2试验点姿态数据为：(0，-0.19866128640813，0.916699517089581，0.153405902349773)；轨道数据为：(-2221540.80989299，3887532.56690286，5213914.12987535，-1200.5330436945，5831.91828068733，-4861.43048324585)；激光测距值为：506241.389687452；大气改正值为：2.1780；潮汐改正值为：-0.0431；波束2试验点由本体到WGS84坐标系旋转矩阵为：

波束1激光光斑地面坐标为：

根据上述的实施例数据，由步骤10-30给出的几何检校模型以及几何检校模型解算方法，计算得到检校后高分七星载激光波束1指向偏差(检校后指向与检校前指向差值)为：Δα₁＝0.09177，Δβ₁＝0.02651，测距误差为：-0.013m；波束2指向偏差为：Δα₂＝-0.09058，Δβ₂＝-0.02887，测距误差为：-0.012m。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种多波束星载激光测高仪在轨联合检校的方法，该方法通过设定基准波束构建基准波束与其他各波束间相对几何关系，从而建立多波束激光联合几何检校模型，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤A设立多波束星载激光测高仪基准波束，并构建多波束星载激光测高仪在轨联合几何检校模型；

步骤B将多波束星载激光测高仪几何检校模型联立，并对多波束星载激光测高仪几何检校误差方程进行解算；

步骤C多波束星载激光测高仪各波束激光指向与测距解算；

所述步骤A中构建多波束星载激光测高仪在轨联合几何检校模型具体包括：

根据基准波束，找到波束N与基准波束1间几何关系，构建N波束在轨几何检校模型，如下式：

其中，

为WGS84坐标系下激光波束i足印光斑质心地面坐标；

为卫星GPS天线中心在WGS84坐标系下坐标；

为卫星本体系到J2000坐标系下的旋转矩阵；

为J2000坐标系到WGS84坐标系下的旋转矩阵；Δρ_atm为大气延迟引起的测距误差，Δρ_tides为地球潮汐引起的测距误差；α₁，β₁分别为基准波束1指向角在卫星本体系中与X轴，Y轴的夹角；

为激光波束i相对于GPS天线中心的偏移量；ρ_i为激光波束i测距值；Δρ_i为波束i待求的测距系统误差；ΔR(r_i-1，a_i-1，b_i-1)为激光波束i相对于基准波束1的指向旋转矩阵；上述中i＝2，3，4......N；

激光波束i相对于基准波束1的指向旋转矩阵ΔR(r_i-1，a_i-1，b_i-1)构建包括：以基准波束1激光光轴为基准，先后分别按照X轴，Y轴和Z轴进行旋转，得到波束i光轴，基准波束1和波束i之间旋转矩阵如下：

其中，r_i-1为波束1到波束i在X轴方向的旋转角；a_i-1为波束1到波束i在Y轴方向的旋转角；b_i-1为波束1到波束i在Z轴方向的旋转角；上述中i＝2.3.4......N。

2.如权利要求1所述的多波束星载激光测高仪在轨联合检校的方法，其特征在于，所述步骤A中，所述基准波束选用离卫星平台天底方向最近的波束，设为基准波束1，根据基准波束1出光、卫星质心、GPS天线中心在平台坐标系下的位置，构建基准波束1相对于卫星平台的几何关系，并结合地球椭球的相对位置偏移以及旋转几何关系，构建多波束星载激光测高仪基准波束1在轨几何检校模型，其矩阵形式如下式：

其中，

为WGS84坐标系下基准波束1足印光斑质心地面坐标；

为卫星GPS天线中心在WGS84坐标系下坐标；

为基准波束1相对于GPS天线中心的偏移量；

为卫星本体系到J2000坐标系下的旋转矩阵；

为J2000坐标系到WGS84坐标系下的旋转矩阵；ρ₁为激光测距值；Δρ_atm为大气延迟引起的测距误差；Δρ_tides为地球潮汐引起的测距误差；Δρ₁为基准波束1待求的测距系统误差；α₁，β₁分别为基准波束1指向角在卫星本体系中与X轴，Y轴的夹角。

3.如权利要求1所述的多波束星载激光测高仪在轨联合检校的方法，其特征在于，步骤B中：将多波束星载激光测高仪几何检校模型联立具体包括：设多波束星载激光测高仪共有N条波束，将在轨几何检校模型左侧分量移至右侧构建单个新方程式，并将基准波束1至波束N的单个方程式联合，得到如下矩阵公式：

其中，

为第N波束的地面坐标误差项；dρ_N＝ρ_N-Δρ_atm-Δρ_tides-Δρ_N，

其中，

为卫星GPS天线中心在WGS84坐标系下坐标；Δρ_atm为大气延迟引起的测距误差，Δρ_tides为地球潮汐引起的测距误差；

为卫星本体系到J2000坐标系下的旋转矩阵；

为J2000坐标系到WGS84坐标系下的旋转矩阵；f₁(X)为第1波束的地面X坐标误差；f₁(Y)为第1波束的地面Y坐标误差；f₁(Z)为第1波束的地面Z坐标误差；

为基准波束1相对于GPS天线中心的偏移量；其中，

为WGS84坐标系下激光波束1足印光斑质心地面坐标。

4.如权利要求1所述的多波束星载激光测高仪在轨联合检校的方法，其特征在于，所述步骤B中：多波束星载激光测高仪几何检校误差方程的构建过程包括：根据联立的多波束星载激光测高仪几何检校模型，结合代求的未知数，根据误差理论，分别对基准波束1至波束N各个分量求偏导数，得到方程式如下：

多波束星载激光测高仪几何检校误差方程解算具体包括：

将构建的误差方程式为AK-L＝0，以各个波束激光到地面光斑质心的地面距离残差最小为原则，根据最小二乘原理求解得到各个波束参数分量，结果如下式所示：

K＝K⁰+(A^TPA)^-1A^TPL

其中，K⁰为K的初始值；P为权矩阵；K＝[α₁ β₁ ρ₁ ... r_N-1 a_N-1 b_N-1 ρ_N]；

其中，α₁，β₁分别为基准波束1指向角在卫星本体系中与X轴，Y轴的夹角，ρ₁激光波束1激光测距值；r_N-1为波束1到波束N在X轴方向的旋转角；a_N-1为波束1到波束N在Y轴方向的旋转角；b_N-1为波束1到波束N在Z轴方向的旋转角；ρ_N激光波束N测距值；f₁(X)为第1波束的地面X坐标误差；f₁(Y)为第1波束的地面Y坐标误差；f₁(Z)为第1波束的地面Z坐标误差；f_N(X)为第N波束的地面X坐标误差；f_N(Y)为第N波束的地面Y坐标误差；f_N(Z)为第N波束的地面Z坐标误差。

5.如权利要求1所述的多波束星载激光测高仪在轨联合检校的方法，其特征在于，所述步骤C具体包括如下步骤：

步骤C1多波束星载激光测高仪基准波束1指向与测距解算；

根据步骤B可直接解算出多波束星载激光测高仪基准波束1指向角的α₁，β₁和测距ρ₁，并根据指向角的α₁，β₁和测距ρ₁求出基准波束1指向角在卫星本体系中与Z轴的夹角γ₁，如下式所示：

步骤C2第2～N波束星载激光测高仪的指向角解算；

由步骤B可得到基准波束1到波束i的指向三轴旋转角(r_i，a_i，b_i)与波束i测距ρ_i，同时根据获取的基准波束1指向角的三轴夹角，计算得到波束i的指向角在三轴夹角为：

其中，i＝2，3，4......N；ΔR(r_i-1，a_i-1，b_i-1)为激光波束i相对于基准波束1的指向旋转矩阵；r_i-1为波束1到波束i在X轴方向的旋转角；a_i-1为波束1到波束i在Y轴方向的旋转角；b_i-1为波束1到波束i在Z轴方向的旋转角。

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