一種國產衛(wèi)星激光高度計在軌幾何標定方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種國產衛(wèi)星激光高度計在軌幾何標定方法及系統(tǒng)，所述方法通過衛(wèi)星過頂前利用機載激光雷達或者GPS測量標定場的地形，采用激光雷達點云數(shù)據(jù)或者地面GPS測量數(shù)據(jù)擬合標定場地表面幾何模型。將衛(wèi)星激光高度計的激光點位于某一已知平面上作為約束條件，建立衛(wèi)星激光高度計嚴密幾何標定模型，利用最小二乘原理，求解衛(wèi)星激光高度計的幾何標定參數(shù)。本方法利用衛(wèi)星過境時地面自然地形，可以很好地解決由于衛(wèi)星激光高度計安裝偏差以及激光測距誤差造成的激光光斑定位精度不高這一問題，提高了國產衛(wèi)星激光高度計的測量精度，具有較強的適用性和實用價值。
【專利說明】
一種國產衛(wèi)星激光高度計在軌幾何標定方法及系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于遙感對地觀測技術領域，特別涉及一種國產衛(wèi)星激光高度計在軌幾何 標定方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 衛(wèi)星激光高度計是在衛(wèi)星平臺上安裝激光高度計以實現(xiàn)對地觀測的一種主動遙 感技術，作為深空探測最重要的載荷之一，具有激光腳印大小可控、激光光束指向精確以及 高精度測量等優(yōu)點，幾乎所有的航天工程都搭載這種傳感器。然而，激光高度計對地觀測的 測量精度受到很多因素影響，其中激光測距和激光光束指向會直接造成激光光斑位置產生 偏移，激光高度計測距主要受到大氣、測時等因素的影響，而安裝誤差會造成激光光束指向 偏離天底點。
[0003] 為了提高衛(wèi)星激光高度計在軌測量精度，我們必須在過境時對衛(wèi)星激光高度計進 行在軌檢校，以獲取標定參數(shù)值，進而確定它的系統(tǒng)誤差，恢復衛(wèi)星激光高度計照射到地面 激光光斑的正確位置。
[0004] 目前國際上還沒有為衛(wèi)星激光高度計專門制定檢校標準、方法和流程。衛(wèi)星激光 高度計目前主要檢校方法是基于紅外信號探測器，即在檢校場布設一系列規(guī)則紅外發(fā)射 器，捕捉衛(wèi)星過境時的激光信號，根據(jù)激光光斑和紅外發(fā)射器的相對位置關系確定激光光 斑的真實坐標，將真實坐標值與定位模型計算得到的坐標進行對比檢核。激光高度計在軌 幾何標定不但人工成本非常高，其可靠性也低，衛(wèi)星過境時檢校失誤造成的經(jīng)濟損失巨大。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有技術不足，提供一種國產衛(wèi)星激光高度計在軌幾何標定 方法及系統(tǒng)，將衛(wèi)星激光高度計照射到地表面的地形特征作為檢校約束條件，采用最小二 乘方法計算系統(tǒng)幾何標定參數(shù)，克服了衛(wèi)星激光高度計在軌檢校成本較高等難題。
[0006] 本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：
[0007] -種衛(wèi)星激光高度計在軌幾何標定方法，所述方法包括以下步驟：
[0008] 步驟1.1，針對檢校場平面，利用機載激光雷達或者GPS測量，獲取高精度激光點云 或者GPS測量點，利用這些離散點構建數(shù)字表面模型，建立檢校區(qū)域的平面方程。所述步驟 1.1包括以下具體步驟：
[0009] 步驟1. 1.1，標定場地形數(shù)據(jù)采集。標定場地形數(shù)據(jù)采集可以采取機載激光雷達測 量和GPS野外測量兩種數(shù)據(jù)采集方式，選擇較為晴朗的天氣，在衛(wèi)星過境前測量標定場地 形，采集標定場地面數(shù)據(jù)。在進行地形數(shù)據(jù)采集時，需要保證點位分布均勻，且同一個平面 至少包含三個以上的點；
[0010] 步驟1.1.2,建立檢校場內每個平面的平面方程，通過地面采集點平面擬合，計算 各個平面方程的系數(shù)，標定場平面方程模型如下：
[0011] z = aiX+biy+Ci
[0012] 其中，i代表檢校場內的平面標號，&1、131、(31分別是第1個平面的平面方程系數(shù)，（^ y，Z)代表第i個平面內所有的地面采集數(shù)據(jù)點集，具體形式為：
[0013]
[0014] 上式中，η代表某個平面內的所有點數(shù)量，將數(shù)據(jù)點集(x，y，z)代入標定場平面模 型，計算標定場內各個平面方程的系數(shù)
[0015；

[0016]步驟1.2,建立衛(wèi)星激光高度計檢校模型。在回波波形信號濾波處理后，根據(jù)激光 高斯波形信號的峰值位置，確定激光發(fā)射點到地面光斑的起始距離。具體地說，激光測距模 型可P豐
[0017；
[0018] 式中內Λ. 為微光光圾在WGS-84坐稱糸卜的地囬坐稱；K九\]；^ 84是 激光坐標系原點在WGS-84坐標系的坐標，可以從星上下傳的軌道文件中獲得;R為激光測距 值;r為激光測距系統(tǒng)誤差;Tbcidy2TCS-84是衛(wèi)星平臺坐標系到WGS-84坐標系之間的轉換矩陣， 描述衛(wèi)星運行時的姿態(tài)，由星上下傳的姿態(tài)文件獲得;T laser2bcidy是衛(wèi)星激光高度計載荷在 衛(wèi)星本體平臺下的安裝矩陣，描述載荷與衛(wèi)星平臺的相對關系，其大小會在衛(wèi)星發(fā)射前精 確測量;θ χ和Gy分別是激光光束沿X軸和Y軸的偏轉參數(shù);θχ、Gy和r是衛(wèi)星激光高度計在軌幾 何標定的待定三個參數(shù)。
[0019] 代入平面方程
[0020] Zs7 =axs7 +bys7 +c
[0021] 其中，a、b、c可以從平面方程的系數(shù)P中確定；
[0022]步驟1.3,衛(wèi)星激光高度計檢校參數(shù)解算;將激光高度計測距模型代入平面方程展 開后，得到
[0026] 其中，fQ(r，0x，0y)是f函數(shù)的近似值，f函數(shù)用矩陣表示為
[0027] Αχ+Β = 0
[0028]其中，
[0034]式中p《4；[分別為第k + 1次和第k次參數(shù)估計值，
[>《6?,1=[0_. 0 0](_，[?/r叫：為第k次解算的參數(shù)估計值的改正數(shù)，當滿足相鄰 兩次檢校前后激光光斑之間的距離小于某一參考值時，迭代停止，用公式描述為
[0035:
[0036] 上式中τ為迭代停止的閾值，可以在系統(tǒng)檢校前根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)來確定。
[0037] 相應地，本發(fā)明提供一種衛(wèi)星激光高度計在軌幾何標定系統(tǒng)，其特征在于，所述方 法包括以下模塊:數(shù)據(jù)采集模塊、平面方程建模模塊、激光高度計幾何標定模塊、數(shù)據(jù)誤差 糾正模塊;其中
[0038]數(shù)據(jù)采集模塊，采集激光測距數(shù)據(jù)、地面GPS數(shù)據(jù)以及激光雷達數(shù)據(jù)；
[0039] 平面方程建模模塊，利用GPS數(shù)據(jù)或者激光雷達數(shù)據(jù)生成各個平面方程，并獲取每 個平面的參數(shù)；
[0040] 激光高度計幾何標定模塊，利用平面方程和激光測距模型聯(lián)合解算，獲取激光測 距誤差改正值和激光光束偏轉角度；
[0041] 數(shù)據(jù)誤差糾正模塊，將計算得到的激光標定參數(shù)代入激光測距方程，獲取激光光 斑糾正后的位置。
[0042]本方法利用衛(wèi)星過境時地面自然地形，采用衛(wèi)星激光高度計照射到地表面的地形 特征作為檢校約束條件，采用最小二乘方法計算系統(tǒng)幾何標定參數(shù)，可以很好地解決由于 衛(wèi)星激光高度計安裝偏差以及激光測距誤差，提高了國產衛(wèi)星激光高度計的測量精度，克 服了衛(wèi)星激光高度計在軌檢校成本較高等難題，具有較強的適用性和實用價值。
【附圖說明】
[0043]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的一種國產衛(wèi)星激光高度計在軌幾何標定流程圖；
[0044]圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的衛(wèi)星激光高度計測量原理示意圖；
[0045] 圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的國產衛(wèi)星激光高度計在軌幾何標定系統(tǒng)功能模塊圖。
【具體實施方式】
[0046] 下面結合具體實施案例，參照附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述。
[0047]如圖1所示，本發(fā)明提供一種國產衛(wèi)星激光高度計在軌幾何標定方法，其包括以下 步驟：
[0048]步驟1.1，針對檢校場平面，利用機載激光雷達或者GPS測量，獲取高精度激光點云 或者GPS測量點，利用這些離散點構建數(shù)字表面模型，建立檢校區(qū)域的平面方程。所述步驟 1.1包括以具體下步驟：
[0049] 步驟1. 1.1，標定場地形數(shù)據(jù)采集。標定場地形數(shù)據(jù)采集可以采取機載激光雷達測 量和GPS野外測量兩種數(shù)據(jù)采集方式，選擇較為晴朗的天氣，在衛(wèi)星過境前測量標定場地 形，采集標定場地面數(shù)據(jù)。在進行地形數(shù)據(jù)采集時，需要保證點位分布均勻，且同一個平面 至少包含三個以上的點；
[0050] 步驟1.1.2,建立檢校場內每個平面的平面方程，通過地面采集點平面擬合，計算 各個平面方程的系數(shù)，標定場平面方程模型如下：
[0051] z = aix+biy+ci
[0052] 其中，i代表檢校場內的平面標號，&1，131，(：1分別是第1個平面的平面方程系數(shù)，（^ y，z)代表第i個平而內所有的地而采集數(shù)據(jù)點集，具體形式為：
[0053]
[0054]上式中，η代表某個平面內的所有點數(shù)量，將數(shù)據(jù)點集(x，y，z)代入標定場平面模 型，計算標定場內各個平面方程的系數(shù)
[0055]
[0056]步驟1.2,建立衛(wèi)星激光高度計檢校模型。在回波波形信號濾波處理后，根據(jù)激光 高斯波形信號的峰值位置，確定激光發(fā)射點到地面光斑的起始距離。具體地說，激光測距模 型可以表示為
[0057]
[0058] 式中[.\ Λ. -??為激光光斑在W G S - 8 4坐標系下的地面位置坐標；
[Λ? 是激光坐標系原點在WGS-84坐標系的坐標，可以從星上下傳的軌道文件中 獲得；如圖2所示，R為激光測距值;r為激光測距系統(tǒng)誤差;TbcK^WGS-84是衛(wèi)星平臺坐標系到 WGS-84坐標系之間的轉換矩陣，描述衛(wèi)星運行時的姿態(tài)，由星上下傳的姿態(tài)文件獲得； Tlaser2bcidy是衛(wèi)星激光高度計載荷在衛(wèi)星本體平臺下的安裝矩陣，描述載荷與衛(wèi)星平臺的相 對關系，其大小會在衛(wèi)星發(fā)射前精確測量;Θ4ΡΘ Υ分別是激光光束沿X軸和Y軸的偏轉參數(shù)； 0x、0jpr是衛(wèi)星激光高度計在軌幾何標定的待定三個參數(shù)。
[0059] 代入平面方程
[0060] Zs7 =axs7 +bys7 +c
[0061] 其中，a、b、c可以從平面方程的系數(shù)P中確定；
[0062]步驟1.3,衛(wèi)星激光高度計檢校參數(shù)解算;將激光高度計測距模型代入平面方程展 開后，得到
[0066] 其中，fQ(r，0x，0y)是f函數(shù)的近似值，f函數(shù)用矩陣表示為
[0067] Ax+B = 0
[0068] 其中，
[0069]
[0070]
[0071]
[0072] 采用迭代方式對未知數(shù)進行解算，即
[0073]
[0074] 式中卩C 0,1 i、卩C (6, I分別為第k + 1次和第k次參數(shù)估計值， p_Q 〇f，[辦機化工為第k次解算的參數(shù)估計值的改正數(shù)，當滿足相鄰 兩次檢校前后激光光斑之間的距離小于某一參考值時，迭代停止，用公式描述為
[0075]
[0076] 上式中τ為迭代停止的閾值，可以在系統(tǒng)檢校前根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)來確定。
[0077]如圖3所示，本發(fā)明提供一種衛(wèi)星激光高度計在軌幾何標定系統(tǒng)，包括以下模塊： 數(shù)據(jù)采集模塊、平面方程建模模塊、激光高度計幾何標定模塊、數(shù)據(jù)誤差糾正模塊。所述數(shù) 據(jù)采集模塊主要是采集激光測距數(shù)據(jù)、地面GPS數(shù)據(jù)或者激光雷達數(shù)據(jù);所述平面方程建模 模塊主要是利用GPS數(shù)據(jù)或者激光雷達數(shù)據(jù)生成各個平面方程，并獲取每個平面的參數(shù);所 述激光高度計幾何標定模塊主要是利用平面方程和激光測距模型聯(lián)合解算，獲取激光測距 誤差改正值和激光光束偏轉角度;所述數(shù)據(jù)誤差糾正模塊主要是將計算得到的激光標定參 數(shù)代入激光測距方程，獲取激光光斑糾正后的位置。
【主權項】
1. 一種衛(wèi)星激光高度計在軌幾何標定方法，其特征在于包括W下步驟： 步驟1，針對檢校場平面，利用機載激光雷達或者GPS測量，獲取高精度激光點云或者 GPS測量點，利用運些離散點構建數(shù)字表面模型，建立檢校區(qū)域的平面方程;所述步驟1包括 W下具體步驟： 步驟1.1，標定場地形數(shù)據(jù)采集，標定場地形數(shù)據(jù)采集可W采取機載激光雷達測量和 GPS野外測量兩種數(shù)據(jù)采集方式，選擇較為晴朗的天氣，在衛(wèi)星過境前測量標定場地形，采 集標定場地面數(shù)據(jù)。在進行地形數(shù)據(jù)采集時，需要保證點位分布均勻，且同一個平面至少包 含Ξ個W上的點； 步驟1.2，建立檢校場內每個平面的平面方程，采集地面點進行平面擬合，計算各個平 面方程的系數(shù)，標定場平面方程模型如下： z =過ix+biy+ci 其中，i代表檢校場內的平面標號，ai，bi，ci分別是第i個平面的平面方程系數(shù)，（x，y，z) 代表該平面內所有的地面采集數(shù)據(jù)點集，具體形式為：上式中，η代表某個平面內的所有點數(shù)量，將該數(shù)據(jù)點集代入標定場平面模型，計算標 定場內各個平面方程的系數(shù)步驟2,建立衛(wèi)星激光高度計檢校模型，在回波波形信號濾波處理后，根據(jù)激光高斯波 形信號的峰值位置，確定激光發(fā)射點到地面光斑的起始距離;具體地說，激光測距模型可W 表示為式中[毛.杞與為激光光斑在WGS-84坐標系下的地面位置坐標； K Λ 是激光坐標系原點在WGS-84坐標系的坐標，可W從星上下傳的軌道文件 中獲得;R為激光測距值;r為激光測距系統(tǒng)誤差;Tbody2WGS-84是衛(wèi)星平臺坐標系到WGS-84坐標 系之間的轉換矩陣，描述衛(wèi)星運行時的姿態(tài)，由星上下傳的姿態(tài)文件獲得;Tlaser2bDdy是衛(wèi)星 激光高度計載荷在衛(wèi)星本體平臺下的安裝矩陣，描述載荷與衛(wèi)星平臺的相對關系，其大小 會在衛(wèi)星發(fā)射前精確測量;θχ和目y分別是激光光束沿X軸和Y軸的偏轉參數(shù);θχ、目y和r是衛(wèi)星 激光高度計在軌幾何標定的待定Ξ個參數(shù)； 將上式代入平面方程 Zs'=過 Xs' +bys' +c 其中，a、b、c可W從平面方程的系數(shù)P中確定； 步驟3，衛(wèi)星激光高度計檢校參數(shù)解算;將激光高度計測距模型代入平面方程展開后， 得到 aXO+by〇_ZO+C+(R+r) · Tbody2WGS_84 · Tlase:r2body · (cos白xCOS白y-asin白y+bsin白xCOS白y)=0·^· f(r,白 X,白 y)=aXO+by〇-ZO+C + (R+r) · Tbody2WGS-84 · Tlaser2body · (cos 白 xCOS 白 y-asin 白 y+bsin 0xCOS0y)將f進行泰勒函數(shù)一階展開后，得到其中，fo(r，0x，0y)是f函數(shù)的近似值，f函數(shù)用矩陣表示為 Ax+B = 0 其中，采用迭代方式對未知數(shù)進行解算，即式中P《叫r、「,；隻gyT分別為第k+i次和第k次參數(shù)估計值，其中 - 」占'+1 1- 」占 定6.了二[0 0沖，[如雌為第k次解算的參數(shù)估計值的改正數(shù)，當滿足相鄰 兩次檢校前后激光光斑之間的距離小于某一參考值時，迭代停止，用公式描述為上式中τ為迭代停止的闊值，可W在系統(tǒng)檢校前根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)來確定。2. -種用于實現(xiàn)權利要求1所述的衛(wèi)星激光高度計在軌幾何標定方法的衛(wèi)星激光高度 計在軌幾何標定系統(tǒng)，其特征在于，所述在軌幾何標定系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、平面方程建 模模塊、激光高度計幾何標定模塊、數(shù)據(jù)誤差糾正模塊； 數(shù)據(jù)采集模塊采集激光測距數(shù)據(jù)、地面GPS數(shù)據(jù)或者激光雷達數(shù)據(jù);平面方程建模模塊 利用GI^數(shù)據(jù)或者激光雷達數(shù)據(jù)生成各個平面方程，并獲取每個平面的參數(shù);激光高度計幾 何標定模塊利用平面方程和激光測距模型聯(lián)合解算，獲取激光測距誤差改正值和激光光束 偏轉角度;數(shù)據(jù)誤差糾正模塊將計算得到的激光標定參數(shù)代入激光測距方程，獲取激光光 斑糾正后的位置。
【文檔編號】G01S7/497GK105842679SQ201610255083
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】蔡銀橋, 邱振戈, 謝鋒, 舒嶸, 王建宇
【申請人】中國科學院上海技術物理研究所