CN112014828B - 利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法，通过星载激光测高仪和地面激光测距站的同时双向测距，减小大气以及地面测试设备误差对测距值的影响，实现星载激光测高仪测距值的在轨标校和相对测距精度测试。

Description

利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法

技术领域

本发明属于民用航天技术领域，尤其涉及一种利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法。

背景技术

激光测高仪在轨检校目前主要有两种方式：

第一种是基于地面探测器靶标。星载激光测高仪记录其激光发射时刻，地面探测器靶标记录激光到达地面靶标的时间。根据激光发射时刻星上激光发射点坐标和地面探测器靶标坐标，计算星地距离以及激光传输时间，为光速。利用实测大气参数计算大气延迟时间。星载激光测高仪测距值的系统差为。

第二种是利用地表先验模型，建立星载激光测高仪的测距模型基于测距模型，建立系统误差与测距残差的关系；利用实测距离值与测距模型计算距离值生成测距残差，利用测距残差实现对测高系统系统误差中的装配误差及测距误差的标校。

第一种方法需要预先在地面铺设靶标，要求靶标配备光电探测计时模块和定位装置，并且需要实时测量大气参数计算大气延迟，缺陷是地面靶标数量大、成本高，且需要计算大气延迟，引入了新的误差源；第二种方法需要地表先验模型以及多次激光测距数据，缺陷是受到地表先验模型区域和激光测量次数的限制。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法，通过星载激光测高仪和地面激光测距站的同时双向测距，减小大气以及地面测试设备误差对测距值的影响，实现星载激光测高仪测距值的在轨标校和相对测距精度测试。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：根据卫星发射前的预设地面标定结果得到卫星过地面卫星激光测距站时星载激光测高仪在地面的激光足印位置；步骤二：在地面激光足印位置内铺设用于反射星上激光的n个地面角反射器；步骤三：得到n个地面角反射器在WGS84坐标系中的位置：R_{gr_loc_1}、R_{gr_loc_2}、…R_{gr_loc_n}；其中，R_{gr_loc_1}为第1个地面角反射器在WGS84坐标系中的位置，R_{gr_loc_2}为第2个地面角反射器在WGS84坐标系中的位置，R_{gr_loc_n}为第n个地面角反射器在WGS84坐标系中的位置；步骤四：在卫星过地面卫星激光测距站时，地面卫星激光测距站发射激光跟踪卫星，记录地面卫星激光测距站发射激光出光时刻T_{glt_1}、T_{glt_2}…T_{glt_m}，以及对应的WGS84坐标系中每个出光时刻对应的地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量R_{glt_1}、R_{glt_2}…R_{glt_m}和地面卫星激光测距站到卫星的测距测量值r_{glt_1}、r_{glt_2}…r_{glt_m}；设置于卫星上的星载激光测高仪在预设时刻T_slt，以预设激光指向单位矢量R_slt对n个地面角反射器进行测距，得到预设时刻T_slt的n个地面角反射器测距值的测量值r_{slt_1}、r_{slt_2}…r_{slt_n}；步骤五：对地面卫星激光测距站发射激光出光时刻T_{glt_1}、T_{glt_2}…T_{glt_m}，以及对应WGS84坐标系中每个出光时刻对应的地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量R_{glt_1}、R_{glt_2}…R_{glt_m}和地面卫星激光测距站到卫星的测距测量值r_{glt_1}、r_{glt_2}…r_{glt_m}进行差值，得到T_slt时刻地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量R_{glt_itp}和地面卫星激光测距站到卫星的测距值r_{glt_itp}；步骤六：根据T_slt时刻地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量R_{glt_itp}和地面卫星激光测距站到卫星的测距值r_{glt_itp}得到T_slt时刻星载激光测高仪对n个地面角反射器的测距计算值；步骤七：根据步骤四中的预设时刻T_slt的n个地面角反射器测距值的测量值r_{slt_1}、r_{slt_2}…r_{slt_n}和步骤六中的T_slt时刻星载激光测高仪对n个地面角反射器的测距计算值得到星载激光测高仪的测距系统差r_{ost_ave}和星载激光测高仪的标定误差σ；步骤八：根据步骤四中的预设时刻T_slt的n个地面角反射器测距值的测量值r_{slt_1}、r_{slt_2}…r_{slt_n}得到星载激光测高仪测距精度；步骤九：根据相邻地面角反射器的预设高度差Δh和预设距离差Δl和步骤七中的星载激光测高仪的测距系统差r_{ost_ave}得到星载激光测高仪激光指向单位矢量R_slt与n个地面角反射器高度方向单位矢量的夹角均值根据星载激光测高仪激光指向单位矢量R_slt与n个地面角反射器高度方向单位矢量的夹角均值/>得到星载激光测高仪激光指向单位矢量R_slt的偏差。

上述利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法中，在步骤二中，沿卫星飞行轨迹方向间距相等和垂直卫星飞行轨迹方向间距相等在地面激光足印位置内铺设用于反射星上激光的n个地面角反射器。

上述利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法中，在步骤四中，WGS84坐标系中地面卫星激光测距站发射激光出光时刻T_{glt_1}对应的地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量为R_{glt_1}和地面卫星激光测距站到卫星的测距测量值r_{glt_1}；WGS84坐标系中地面卫星激光测距站发射激光出光时刻T_{glt_2}对应的地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量为R_{glt_2}和地面卫星激光测距站到卫星的测距测量值r_{glt_2}；WGS84坐标系中地面卫星激光测距站发射激光出光时刻T_{glt_m}对应的地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量为R_{glt_m}和地面卫星激光测距站到卫星的测距测量值r_{glt_m}。

上述利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法中，在步骤六中，T_slt时刻星载激光测高仪对n个地面角反射器的测距计算值为：

其中，R_{sl_loc_cal}＝R_{gl_loc}+r_{glt_itp}R_{glt_itp}+R_{sr_sl_tran}，R_{gl_loc}为WGS84坐标系中地面卫星激光测距站的位置；R_{sr_sl_tran}为WGS84坐标系中星载角反射器到星载激光测高仪的矢量；R_{sl_loc_cal}为WGS84坐标系中星载激光测高仪位置；R_{gr_loc_i}为第i个地面角反射器在WGS84坐标系中的位置；r_{sl_i_loc}为星载激光测高仪对第i个地面角反射器的测距计算值，i为地面角反射器编号，n为地面角反射器的个数。

上述利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法中，在步骤七中，星载激光测高仪的测距系统差r_{ost_ave}为：

其中，r_{ost_ave}为星载激光测高仪的测距系统差；r_{slt_i}为预设时刻T_slt的第i个地面角反射器测距值的测量值。

上述利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法中，在步骤七中，星载激光测高仪的标定误差σ为：

其中，r_{ost_ave}为星载激光测高仪的测距系统差；r_{slt_i}为预设时刻T_slt的第i个地面角反射器测距值的测量值，σ为星载激光测高仪的标定误差。

上述利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法中，在步骤八中，星载激光测高仪测距精度为：

其中，r_{slt_i}＝r_{slt_j}-r_{slt_i},j＝i+1,i＝1...n-1，r_{slt_i}为星载激光测高仪对第j个地面角反射器和第i个地面角反射器的测距值之差，i和j均为地面角反射器编号；r_{slt_ave}为n-1个r_slt的均值；σ_slt为n-1个r_slt的标准差，代表星载激光测高仪测距精度。

上述利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法中，在步骤九中，星载激光测高仪激光指向单位矢量R_slt与n个地面角反射器高度方向单位矢量的夹角均值为：/>

上述利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法中，在步骤九中，星载激光测高仪激光指向单位矢量R_slt的偏差为：

其中，为R_slt与第i个地面角反射器高度方向单位矢量R_{gr_i}的夹角。

上述利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法中，相邻地面角反射器的预设高度差Δh大于星载激光测高仪的测距分辨率。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明通过星载激光测高仪和地面激光测距站的同时双向测距，减小大气以及地面测试设备误差对测距值的影响，实现星载激光测高仪测距值的在轨标校和相对测距精度测试。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的双向激光测距标校示意图；

图2是本发明实施例提供的激光测距原理图；

图3是本发明实施例提供的激光指向角度误差测量原理图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例提供了一种利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法，结合图1，包括如下步骤：

步骤一：根据卫星发射前的地面预设结果，计算卫星过地面卫星激光测距站(Satellite Laser Ranging，SLR)时星载激光测高仪在地面的激光足印位置，必要时可进行卫星姿态或星载激光测高仪指向调整。

步骤二：在地面激光足印位置内铺设n个用于反射星上激光的地面角反射器。地面角反射器铺设范围应小于星载激光测高仪在地面的激光足印位置，且在沿卫星飞行轨迹方向和垂直卫星飞行轨迹方向间距相等。第1个角反射器的高度为h₁，第2个角反射器的高度为h₂＝h₁+Δh，第i个角反射器高度为h_i＝h₁+(i-1)Δh，Δh需大于星载激光测高仪的测距分辨率。

步骤三：对n个地面角反射器进行定位，得到WGS84坐标系中每个地面角反射器的位置：R_{gr_loc_1}、R_{gr_loc_2}，…R_{gr_loc_n}。其中，R_{gr_loc_1}为第1个地面角反射器在WGS84坐标系中的位置，R_{gr_loc_2}为第2个地面角反射器在WGS84坐标系中的位置，R_{gr_loc_n}为第n个地面角反射器在WGS84坐标系中的位置。

步骤四：在卫星过SLR时，SLR激光跟踪卫星，测量SLR和星载角反射之间的距离，记录SLR激光出光时刻T_{glt_1}、T_{glt_2}…T_{glt_m}，以及对应的WGS84坐标系中SLR到卫星的激光指向单位矢量R_{glt_1}、R_{glt_2}…R_{glt_m}和测距测量值r_{glt_1}、r_{glt_2}…r_{glt_m}。同时，星载激光测高仪在预设时刻T_slt，以预设激光指向单位矢量R_slt对n个地面角反射器进行测距，得到地面角反射器测距值的测量值r_{slt_1}、r_{slt_2}…r_{slt_n}。如图2所示。其中，WGS84坐标系中地面卫星激光测距站发射激光出光时刻T_{glt_1}对应的地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量为R_{glt_1}和地面卫星激光测距站到卫星的测距测量值r_{glt_1}；WGS84坐标系中地面卫星激光测距站发射激光出光时刻T_{glt_2}对应的地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量为R_{glt_2}和地面卫星激光测距站到卫星的测距测量值r_{glt_2}；WGS84坐标系中地面卫星激光测距站发射激光出光时刻T_{glt_m}对应的地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量为R_{glt_m}和地面卫星激光测距站到卫星的测距测量值r_{glt_m}。

步骤五：对地面卫星激光测距站发射激光出光时刻T_{glt_1}、T_{glt_2}…T_{glt_m}，以及对应WGS84坐标系中每个出光时刻对应的地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量R_{glt_1}、R_{glt_2}…R_{glt_m}和地面卫星激光测距站到卫星的测距测量值r_{glt_1}、r_{glt_2}…r_{glt_m}进行差值，得到T_slt时刻地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量R_{glt_itp}和地面卫星激光测距站到卫星的测距值r_{glt_itp}。

步骤六：根据T_slt时刻地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量R_{glt_itp}和地面卫星激光测距站到卫星的测距值r_{glt_itp}得到T_slt时刻星载激光测高仪对n个地面角反射器的测距计算值：

R_{sl_loc_cal}＝R_{gl_loc}+r_{glt_itp}R_{glt_itp}+R_{sr_sl_tran}

式中，R_{gl_loc}为WGS84坐标系中SLR的位置；R_{sr_sl_tran}为WGS84坐标系中星载角反射器到星载激光测高仪的矢量；R_{sl_loc_cal}为WGS84坐标系中星载激光测高仪位置；r_{sl_i_loc}为星载激光测高仪对第i个地面角反射器的测距值的计算值，i为地面角反射器编号。

步骤七：根据步骤四中的预设时刻T_slt的n个地面角反射器测距值的测量值r_{slt_1}、r_{slt_2}…r_{slt_n}和步骤六中的T_slt时刻星载激光测高仪对n个地面角反射器的测距计算值得到星载激光测高仪的测距系统差r_{ost_ave}和星载激光测高仪的标定误差σ：

式中，r_{ost_ave}为星载激光测高仪的测距系统差；σ为星载激光测高仪的的标定误差。

步骤八：根据r_{slt_1}、r_{slt_2}…r_{slt_n}，对星载激光测高仪测距精度进行计算，如图3所示：

r_{slt_i}＝r_{slt_j}-r_{slt_i},j＝i+1,i＝1...n-1

式中，r_{slt_i}为星载激光测高仪对第j个地面角反射器和第i个地面角反射器的测距值之差，i和j均为地面角反射器编号；r_{slt_ave}为n-1个r_slt的均值；σ_slt为n-1个r_slt的标准差，代表星载激光测高仪测距精度。

步骤九：星载激光测高仪激光指向单位矢量R_slt的偏差计算：

(1)地面角反射器高度方向在WGS84坐标系中的单位矢量为R_{gr_1}、R_{gr_2}…R_{gr_n}，相邻编号地面角反射器高度差为Δh、距离差为Δl。

(2)根据r_{slt_ave}、Δh和Δl，得到星载激光测高仪激光指向单位矢量R_slt与地面角反射器高度方向单位矢量的夹角均值的测量值：

(3)计算星载激光测高仪激光指向单位矢量R_slt的偏差：

式中，为R_slt与第i个地面角反射器高度方向单位矢量R_{gr_i}的夹角，/>为星载激光测高仪激光指向单位矢量R_slt的偏差。

按照表1进行误差分配，确保满足标定和测距精度评估要求。

表1星上激光测距计算值的误差分解

本实施例不需要铺设探测器靶标，节省了研制和铺设探测器靶标的时间和经费；不需要计算大气延迟时间，减小了误差项；只需单次有效数据就可实现测距系统差标定；只需单次有效数据就可实现测距精度和激光指向角偏差评估；地面激光测距站点多，可在多个区域开展定标。

本实施例通过星载激光测高仪和地面激光测距站的同时双向测距，减小大气以及地面测试设备误差对测距值的影响，实现星载激光测高仪测距值的在轨标校和相对测距精度测试。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一：根据卫星发射前的预设地面标定结果得到卫星过地面卫星激光测距站时星载激光测高仪在地面的激光足印位置；

步骤二：在地面激光足印位置内铺设用于反射星上激光的n个地面角反射器；

步骤三：得到n个地面角反射器在WGS84坐标系中的位置：R_{gr_loc_1}、R_{gr_loc_2}、…R_{gr_loc_n}；其中，R_{gr_loc_1}为第1个地面角反射器在WGS84坐标系中的位置，R_{gr_loc_2}为第2个地面角反射器在WGS84坐标系中的位置，R_{gr_loc_n}为第n个地面角反射器在WGS84坐标系中的位置；

步骤四：在卫星过地面卫星激光测距站时，地面卫星激光测距站发射激光跟踪卫星，记录地面卫星激光测距站发射激光出光时刻T_{glt_1}、T_{glt_2}…T_{glt_m}，以及对应的WGS84坐标系中每个出光时刻对应的地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量R_{glt_1}、R_{glt_2}…R_{glt_m}和地面卫星激光测距站到卫星的测距测量值r_{glt_1}、r_{glt_2}…r_{glt_m}；设置于卫星上的星载激光测高仪在预设时刻T_slt，以预设激光指向单位矢量R_slt对n个地面角反射器进行测距，得到预设时刻T_slt的n个地面角反射器测距值的测量值r_{slt_1}、r_{slt_2}…r_{slt_n}；

步骤五：对地面卫星激光测距站发射激光出光时刻T_{glt_1}、T_{glt_2}…T_{glt_m}，以及对应WGS84坐标系中每个出光时刻对应的地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量R_{glt_1}、R_{glt_2}…R_{glt_m}和地面卫星激光测距站到卫星的测距测量值r_{glt_1}、r_{glt_2}…r_{glt_m}进行差值，得到T_slt时刻地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量R_{glt_itp}和地面卫星激光测距站到卫星的测距值r_{glt_itp}；

步骤六：根据T_slt时刻地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量R_{glt_itp}和地面卫星激光测距站到卫星的测距值r_{glt_itp}得到T_slt时刻星载激光测高仪对n个地面角反射器的测距计算值；

步骤七：根据步骤四中的预设时刻T_slt的n个地面角反射器测距值的测量值r_{slt_1}、r_{slt_2}…r_{slt_n}和步骤六中的T_slt时刻星载激光测高仪对n个地面角反射器的测距计算值得到星载激光测高仪的测距系统差r_{ost_ave}和星载激光测高仪的标定误差σ；

步骤八：根据步骤四中的预设时刻T_slt的n个地面角反射器测距值的测量值r_{slt_1}、r_{slt_2}…r_{slt_n}得到星载激光测高仪测距精度；

步骤九：根据相邻地面角反射器的预设高度差Δh和预设距离差Δl和步骤七中的星载激光测高仪的测距系统差r_{ost_ave}得到星载激光测高仪激光指向单位矢量R_slt与n个地面角反射器高度方向单位矢量的夹角均值

根据星载激光测高仪激光指向单位矢量R_slt与n个地面角反射器高度方向单位矢量的夹角均值得到星载激光测高仪激光指向单位矢量R_slt的偏差。

2.根据权利要求1所述的利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法，其特征在于：在步骤二中，沿卫星飞行轨迹方向间距相等和垂直卫星飞行轨迹方向间距相等在地面激光足印位置内铺设用于反射星上激光的n个地面角反射器。

3.根据权利要求1所述的利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法，其特征在于：在步骤四中，WGS84坐标系中地面卫星激光测距站发射激光出光时刻T_{glt_1}对应的地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量为R_{glt_1}和地面卫星激光测距站到卫星的测距测量值r_{glt_1}；WGS84坐标系中地面卫星激光测距站发射激光出光时刻T_{glt_2}对应的地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量为R_{glt_2}和地面卫星激光测距站到卫星的测距测量值r_{glt_2}；WGS84坐标系中地面卫星激光测距站发射激光出光时刻T_{glt_m}对应的地面卫星激光测距站到卫星的激光指向单位矢量为R_{glt_m}和地面卫星激光测距站到卫星的测距测量值r_{glt_m}。

4.根据权利要求1所述的利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法，其特征在于：在步骤六中，T_slt时刻星载激光测高仪对n个地面角反射器的测距计算值为：

其中，R_{sl_loc_cal}＝R_{gl_loc}+r_{glt_itp}R_{glt_itp}+R_{sr_sl_tran}，R_{gl_loc}为WGS84坐标系中地面卫星激光测距站的位置；R_{sr_sl_tran}为WGS84坐标系中星载角反射器到星载激光测高仪的矢量；R_{sl_loc_cal}为WGS84坐标系中星载激光测高仪位置；R_{gr_loc_i}为第i个地面角反射器在WGS84坐标系中的位置；r_{sl_i_loc}为星载激光测高仪对第i个地面角反射器的测距计算值，i为地面角反射器编号，n为地面角反射器的个数。

5.根据权利要求4所述的利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法，其特征在于：在步骤七中，星载激光测高仪的测距系统差r_{ost_ave}为：

其中，r_{ost_ave}为星载激光测高仪的测距系统差；r_{slt_i}为预设时刻T_slt的第i个地面角反射器测距值的测量值。

6.根据权利要求5所述的利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法，其特征在于：在步骤七中，星载激光测高仪的标定误差σ为：

其中，r_{ost_ave}为星载激光测高仪的测距系统差；r_{slt_i}为预设时刻T_slt的第i个地面角反射器测距值的测量值，σ为星载激光测高仪的标定误差。

7.根据权利要求6所述的利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法，其特征在于：在步骤八中，星载激光测高仪测距精度为：

其中，r_{slt_i}＝r_{slt_j}-r_{slt_i},j＝i+1,i＝1...n-1，r_{slt_i}为星载激光测高仪对第j个地面角反射器和第i个地面角反射器的测距值之差，i和j均为地面角反射器编号；r_{slt_ave}为n-1个r_slt的均值；σ_slt为n-1个r_slt的标准差，代表星载激光测高仪测距精度。

8.根据权利要求7所述的利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法，其特征在于：在步骤九中，星载激光测高仪激光指向单位矢量R_slt与n个地面角反射器高度方向单位矢量的夹角均值为：

9.根据权利要求8所述的利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法，其特征在于：在步骤九中，星载激光测高仪激光指向单位矢量R_slt的偏差为：

其中，为R_slt与第i个地面角反射器高度方向单位矢量R_{gr_i}的夹角。

10.根据权利要求8所述的利用双向激光测距进行星载激光测高仪在轨标校的方法，其特征在于：相邻地面角反射器的预设高度差Δh大于星载激光测高仪的测距分辨率。