一種星載激光高度計外場檢校方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于遙感對地觀測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種星載激光高度計外場檢校方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了提高立體測圖衛(wèi)星的精度，亟需研究和解決其測距修正、定位修正、波形應用 過程中的一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，其中最為重要的內(nèi)容就是使用外場檢校的手段，在衛(wèi)星入 軌運行后在地面測量/捕獲激光的位置和形態(tài)、進而對測距、測姿過程中的一系列誤差項進 行檢校。
[0003] 星載激光高度計的檢校工作只有美國GLAS團隊做過專門的研究，采用的是單純依 靠格網(wǎng)型接收器的方式。該方法一次只能接收一個光斑的信號，造價高昂、體積巨大，鋪設(shè) 費時費力。受限于格網(wǎng)的面積，如果激光足印點的預測誤差較大時該方法很大可能會出現(xiàn) 光斑不在格網(wǎng)區(qū)的情況，浪費大量人力物力。
[0004] 最后，立體測圖衛(wèi)星一般需要在入軌后的2-3個月內(nèi)完成儀器的檢校工作，而采用 格網(wǎng)型接收器的方式的激光光斑測量技術(shù)在2-3個月內(nèi)最多只能獲取6個點，遠遠不能滿足 儀器的檢校和精度驗證需求。因此，提供一種高效、高魯棒性的、無地形限制的激光光斑測 量技術(shù)成為立體測圖衛(wèi)星激光高度計能否投入使用的必要技術(shù)手段。
[0005] 本發(fā)明設(shè)計了一種高分影像和地面探測格網(wǎng)相結(jié)合的外場檢校方法，該方法只需 要使用格網(wǎng)獲取一兩次數(shù)據(jù)即可完成時間誤差和波形的檢校。而通過高分影像可一次性獲 取較多足印點，并用之進行測距的檢校。該方法可在較短的時間內(nèi)完成星載激光高度計的 高精度檢校，有效修復激光器在發(fā)射之前無法修復的測距誤差、定位誤差、波形分解誤差。 為立體測圖衛(wèi)星的激光高度計的測距、測姿數(shù)據(jù)提供精確的改正參量。這對于提升衛(wèi)星數(shù) 據(jù)幾何處理精度和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的問題是:提供一種夜間工作模式的國產(chǎn)激光高度計外場檢校方 法。
[0007] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案采用如下步驟：
[0008] 1.星載激光高度計外場精密檢校方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0009] (1)地面準備工作，鋪設(shè)靶標及采集測區(qū)地形數(shù)據(jù)，詳細步驟如下：
[0010] (1-1)在衛(wèi)星過境前3-7天預測衛(wèi)星夜間過境的時間、激光光斑大概的位置，根據(jù) 光斑位置與所需地形地貌選擇靶區(qū)；
[0011] (1-2)在靶區(qū)布設(shè)特殊設(shè)計的藍綠色發(fā)光靶標；
[0012 ](卜3)采用高精度GPS測量靶標的空間位置；
[0013] (卜4)采用機載LiDAR獲取靶區(qū)的地形數(shù)據(jù)；
[0014] (2)夜間在衛(wèi)星過頂時在航空平臺上拍攝近紅外高分影像數(shù)據(jù)、地面探測器捕獲 光斑、測量大氣參數(shù);具體步驟如下：
[0015] (2-1)在衛(wèi)星過境前將靶區(qū)內(nèi)的各個靶標點亮；
[0016] (2-2)將高分相機搭載于特制的穩(wěn)定平臺上，隨載體一起升空至設(shè)計的高度。按照 靶場的設(shè)計，調(diào)整相機的拍攝角度，使其能夠拍攝到地面靶場區(qū)域；
[0017] (2-3)控制相機的曝光。相機在衛(wèi)星過境前3s開始曝光，衛(wèi)星過境耗時2.5s，在過 境后繼續(xù)拍攝3s，總共曝光8.5s。衛(wèi)星過境時間提前計算得到，曝光時間的控制由高分相機 控制點自主進行控制。
[0018] 2.通過地面探測陣列數(shù)據(jù)獲取發(fā)射波形、改正星上測時誤差，并對激光接收器進 行標定。包括以下步驟：
[0019] (1)使用地面探測陣列獲取波形，具體步驟如下：
[0020] (1-1)找到地面探測陣列中接收的能量最強的一個探測器，認為這個探測器為激 光光斑的中心，
[0021 ] (1-2)將探測陣列內(nèi)的各個探測器獲取的波形進行坐標歸0處理，即對任意一個探 測器獲取的波形數(shù)據(jù)，將波峰位置平移到坐標軸〇的位置
[0022] (1-3)對平移后的各個探測器獲取的波形數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均，權(quán)重由各探測器到 中心的位置的距離計算，得到星載激光器的發(fā)射波形數(shù)據(jù)。
[0023] (2)使用地面探測陣列獲取波形的時間和星上記錄的數(shù)據(jù)，檢校測時誤差，具體步 驟如下：
[0024] (2-1)以中心點的地理坐標和星上GPS記錄的激光發(fā)射時刻的坐標計算星地距離 L，計算激光傳輸時間ttrans = L/c;
[0025] (2-2)根據(jù)實測大氣參數(shù)，計算激光延遲時間tdelay;
[0026] (2-3)以地面探測陣列記錄的接收波形時刻的實際T，減去ttrans和t delay，得到衛(wèi)星 發(fā)射激光時的準確時間traai;
[0027] (2-4)用星上記錄的波峰發(fā)射時刻減去實測的時間trea，得到星上測時系統(tǒng)的延 遲；
[0028] (3)對激光接收器的能量進行標定，具體步驟如下：
[0029] (3-1)以地面探測陣列各個位置探測器測得的激光能量強度和分布，擬合出高斯 形的激光空間能量分布；
[0030] (3-2)對整個光斑范圍內(nèi)的能量較小積分，計算激光光斑內(nèi)的整體能量；
[0031] (3-3)基于多組地面靶標測量數(shù)據(jù)，使用大氣參數(shù)消除激光下行過程中大氣對激 光能量的衰減效應，得到激光出射能量與星上記錄的發(fā)射能量DN值擬合出發(fā)射能量DN值與 實際發(fā)射能量的轉(zhuǎn)化系數(shù)；
[0032] (3-3)基于多組地面靶標測量數(shù)據(jù)，使用大氣透過率乘以地面反射能量，得到激光 入瞳能量，與星上記錄的入射能量DN值擬合出入射能量DN值與實際入瞳能量的轉(zhuǎn)化系數(shù)； [0033] 3.根據(jù)航空圖像獲取的多個光斑的位置，檢校測距誤差。包括以下步驟：
[0034] (1)使用航空高分影像上和DEM獲取每一個激光光斑中心的空間位置，具體步驟如 下：
[0035] (1-1)識別航空高分圖像上各個靶標的位置，以及其圖像坐標，獲得多組像控制點 數(shù)據(jù)；
[0036] (1-2)根據(jù)靶標控制點，計算航空高分圖像外方位元素；
[0037] (1-3)根據(jù)航空高分圖像內(nèi)、外方位元素，在DEM數(shù)據(jù)的輔助下，使用快速精定位法 對航空高分圖像進行幾何校正；
[0038] (1-5)使用質(zhì)心提取算法，提取出高分影像上各個激光光斑的中心的像元位置；
[0039] (1-6)根據(jù)高分圖像的地理坐標，計算每一個激光中心的地理坐標位置〈X，Y>，并 根據(jù)平面位置在DEM上找到對應的高程校正Ζ，得到點的空間坐標〈X，Υ，Ζ>;
[0040] (2)使用地面光斑點的位置和衛(wèi)星激光出射時的位置，計算星地之間的距離，具體 步驟如下：
[0041] (2-1)由激光出射點與星上GPS的偏心矢量、衛(wèi)星的姿態(tài)，計算得到激光出射點的 空間位置〈Xq，Yq，Z0> ;
[0042] (2-2)激光出射點的空間位置〈Xo，Yo，Zo>和激光光斑地面點的空間坐標〈X，Y，Z>， 計算激光的實際傳輸路徑L real;
[0043] (3)使用測量的大氣數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星記錄的測距值進行大氣改正，并消除地球固體潮 效應，得到精確改正的實際測距值L recOTd，具體步驟如下：
[0044] (3-1)使用實測大氣壓力、水汽含量等參數(shù)，計算整層大氣延遲量，并根據(jù)大氣延 遲量對星載激光高度計的測距值進行改正；
[0045] (3-2)使用激光發(fā)射時刻的地球形狀參數(shù)，對大氣校正后的星載高度計測距值進 行固體潮改正；
[0046] (4)建立(2)和(3)得到的測距值之間的相關(guān)系數(shù)，得到星載激光高度計測距值的 改正系數(shù)。
【附圖說明】
[0047] 圖1是高分影像和格網(wǎng)探測器結(jié)合的激光高度計外場檢校方法示意圖。
[0048] 圖2是使用地面探測陣列檢校激光波形、測時誤差、能量定標的流程圖。
[0049] 圖3是從高分影像上獲取激光光斑位置的流程圖。
[0050] 圖4是激光星上測距值和實際測距值進行測距誤差聯(lián)合檢校的流程圖。
【具體實施方式】
[0051] 為更好地闡述本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施過程做 進一步的描述。圖1是整個檢校方法的流程圖，通過地面實測數(shù)據(jù)，分別對
[0052]本發(fā)明的第一步需要獲取星載激光高度計的地面觀測數(shù)據(jù)。首先在衛(wèi)星過境前3-7天預測衛(wèi)星夜間過境的時間、激光光斑大概的位置，根據(jù)光斑位置與所需地形地貌選擇靶 區(qū)。在靶區(qū)布設(shè)特殊設(shè)計的藍綠色發(fā)光靶標，并采用高精度GPS測量靶標的空間位置、采用 機載LiDAR獲取靶區(qū)的地形數(shù)據(jù)。
[0053]然后夜間在衛(wèi)星過頂時在在衛(wèi)星過境前將靶區(qū)內(nèi)的各個靶標點亮。將高分相機搭 載于特制的穩(wěn)定平臺上，隨載體一起升空至設(shè)計的高度。按照靶場的設(shè)計，調(diào)整相機的拍攝 角度，使其能夠拍攝到地面靶場區(qū)域?？刂葡鄼C的曝光。相機在衛(wèi)星過境前3s開始曝光，衛(wèi) 星過境耗時2.5s，在過境后繼續(xù)拍攝3s，總共曝光8.5s。衛(wèi)星過境時間提前計算得到，曝光 時間的控制由高分相機控制點自主進行控制。
[0054]本發(fā)明的第二步為通過地面探測陣列數(shù)據(jù)獲取發(fā)射波形、改正星上測時誤差，并 對激光接收器進行標定，圖2所示為波形與能量的標定流程。
[0055]首先使用地面探測陣列獲取波形，將地面探測陣列中接收的能量最強的一個探測 器認為這個探測器為激光光斑的中心，并將探測陣列內(nèi)的各個探測器獲取的波形進行坐標 歸0處理，即