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资源三号02星对地激光测高系统几何检校及验证

张过 李少宁 黄文超 李德仁

张过, 李少宁, 黄文超, 李德仁. 资源三号02星对地激光测高系统几何检校及验证[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(11): 1589-1596. doi: 10.13203/j.whugis20160514
引用本文: 张过, 李少宁, 黄文超, 李德仁. 资源三号02星对地激光测高系统几何检校及验证[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(11): 1589-1596. doi: 10.13203/j.whugis20160514
ZHANG Guo, LI Shaoning, HUANG Wenchao, LI Deren. Geometric Calibration and Validation of ZY3-02 Satellite Laser Altimeter System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(11): 1589-1596. doi: 10.13203/j.whugis20160514
Citation: ZHANG Guo, LI Shaoning, HUANG Wenchao, LI Deren. Geometric Calibration and Validation of ZY3-02 Satellite Laser Altimeter System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(11): 1589-1596. doi: 10.13203/j.whugis20160514

资源三号02星对地激光测高系统几何检校及验证

doi: 10.13203/j.whugis20160514
基金项目: 

国家重点研发计划 2016YFB0500801

国家自然科学基金 91538106

国家自然科学基金 41501503

国家自然科学基金 41501383

国家自然科学基金 41601490

湖北省自然科学基金 2015CFB330

测绘遥感信息工程国家重点实验室开放基金 15E02

地理信息工程国家重点实验室开放基金 SKLGIE2015-Z-3-1

中央高校基本科研业务费专项资金 2042016kf0163

详细信息

Geometric Calibration and Validation of ZY3-02 Satellite Laser Altimeter System

Funds: 

Key Research and Development Program of Ministry of Science and Technology 2016YFB0500801

the National Natural Science Foundation of China 91538106

the National Natural Science Foundation of China 41501503

the National Natural Science Foundation of China 41501383

the National Natural Science Foundation of China 41601490

Hubei Provincial Natural Science Foundation of China 2015CFB330

Open Research Fund of State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing 15E02

Open Research Fund of State Key Laboratory of Geo-information Engineering SKLGIE2015-Z-3-1

Fundamental Research Funds for the Central University 2042016kf0163

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出版历程
  • 收稿日期:  2016-11-18
  • 刊出日期:  2017-11-05

资源三号02星对地激光测高系统几何检校及验证

doi: 10.13203/j.whugis20160514
    基金项目:

    国家重点研发计划 2016YFB0500801

    国家自然科学基金 91538106

    国家自然科学基金 41501503

    国家自然科学基金 41501383

    国家自然科学基金 41601490

    湖北省自然科学基金 2015CFB330

    测绘遥感信息工程国家重点实验室开放基金 15E02

    地理信息工程国家重点实验室开放基金 SKLGIE2015-Z-3-1

    中央高校基本科研业务费专项资金 2042016kf0163

    作者简介:

    张过, 博士, 教授, 从事航天摄影测量方面的理论与应用研究。guozhang@whu.edu.cn

    通讯作者: 李少宁, 博士。shaoningli@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P236

摘要: 星载激光测高仪安装误差、激光指向和激光测距误差等导致最终激光测高精度不高,对激光器进行在轨几何检校可以有效提升激光测高精度。针对资源三号02星(ZY3-02)激光测高仪的工作模式,以裸露地表的航天飞机雷达地形测绘任务(shuttle radar topography mission,SRTM)数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据约束同轨激光测距值,通过逼近地形起伏趋势线实现了卫星激光器出射方向的初始检校,实验证明不同轨激光指向的相对检校精度在20 m以内。利用地面铺设激光靶标的方法对星载激光测高系统进行几何精检校,并通过外业测量验证了ZY3-02激光器在平坦区域的测高精度优于0.5 m。

English Abstract

张过, 李少宁, 黄文超, 李德仁. 资源三号02星对地激光测高系统几何检校及验证[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(11): 1589-1596. doi: 10.13203/j.whugis20160514
引用本文: 张过, 李少宁, 黄文超, 李德仁. 资源三号02星对地激光测高系统几何检校及验证[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(11): 1589-1596. doi: 10.13203/j.whugis20160514
ZHANG Guo, LI Shaoning, HUANG Wenchao, LI Deren. Geometric Calibration and Validation of ZY3-02 Satellite Laser Altimeter System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(11): 1589-1596. doi: 10.13203/j.whugis20160514
Citation: ZHANG Guo, LI Shaoning, HUANG Wenchao, LI Deren. Geometric Calibration and Validation of ZY3-02 Satellite Laser Altimeter System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(11): 1589-1596. doi: 10.13203/j.whugis20160514
  • 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回波数据,实现地表高程信息的测定[1-3]。该技术起初主要应用于深空探测,如美国克莱门汀(Clementine)探月中的激光高度计、美国国家航空航天局火星探测器上的火星轨道雷射测高仪(Mars orbiter laser altimeter,MOLA)、近地小行星交会(near Earth asteroid rendezvous,NEAR)探测器上的激光测高仪(NEAR laser rangefinder,NLR)以及我国嫦娥一号(Chang′E-1)的激光高度计(laser altimeter,LAM)等[4-7]。2003年美国发射的冰、云和陆地高程卫星(ice, cloud and elevation satellite,ICESat)搭载了地球科学激光测高系统(geoscience laser altimeter system, GLAS),星载激光对地测高技术逐步成为研究热点[8-13]。2016年5月中国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。卫星发射过程中由于激光器的安装发生变化,直接影响了激光器的定位精度和测距精度。激光器在轨几何检校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。

    地面控制数据的获取是卫星在轨几何检校的核心与关键。目前,星载激光控制数据的获取方法主要分为两类[10, 12-13]: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。由于ZY3-02激光数据没有记录回波波形信息,且星上无专门标校激光出射方向的设备,以上两种检校方法均受到限制。本文针对ZY3-02激光测高模式下的激光器几何检校方法开展研究,通过补偿激光器安装和姿轨测量等系统性误差影响,提升激光测高数据的精度。

    • ZY3-02激光器的主要技术性能参数如表 1所示。

      表 1  ZY3-02激光测高仪主要技术参数

      Table 1.  Performance Parameters of ZY3-02 Laser Altimeter

      参数 数值
      有效测距范围/km 大于520±20
      激光地面光斑直径/m 不大于75
      激光波长/nm 1 064
      激光出射能量/mJ 200
      测距频率/Hz 2
      脉冲宽度/ns ≤7
      激光发散角/mrad 0.1
      接收望远镜口径/mm 200
      测高精度/m 1 (平坦)

      ZY3-02星激光器的测距方式采用阈值法,测距原理如图 1所示。当激光波形的瞬时能量大于出射波阈值EN1时,则记录时刻t1;回波能量超过阈值EN2时,则记录激光的回波时刻t2。由于激光波形记录时刻与GPS时钟相关联,两次时间记录值均为整数时刻(ns),激光发射脉冲与接收到回波信号所经历时间间隔ttran=[t2]-[t1]。

      图  1  资源三号02星激光测距示意图

      Figure 1.  Diagram of ZY3-02 Laser Ranging

    • 星载激光测高定位模型[14-15]为:

      $$ \left[\begin{array}{l} X\\ Y\\ Z \end{array} \right] = \left[\begin{array}{l} {X_S}\\ {Y_S}\\ {Z_S} \end{array} \right] + c \cdot \left( {\frac{{{t_{{\rm{tran}}}}}}{2} + {t_{{\rm{trop}}}} + \Delta t} \right) \cdot \mathit{\boldsymbol{R}}_{{\rm{J2000}}}^{{\rm{WGS84}}} \cdot \mathit{\boldsymbol{R}}_{{\rm{body}}}^{{\rm{J2000}}} \cdot \mathit{\boldsymbol{R}}_{{\rm{laser}}}^{{\rm{body}}} \cdot \left[\begin{array}{l} 0\\ 0\\ 1 \end{array} \right] $$ (1)

      式中, [X Y Z]T为激光足印点在WGS84坐标系下的三维坐标矢量; [XS YS ZS]T为激光器发射脉冲时刻卫星GPS测量的位置坐标矢量;c是真空中激光传播的速度;ttrop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;RJ2000WGS84为J2000坐标系相对WGS84坐标系的转换矩阵;RbodyJ2000是本体坐标系与J2000坐标系转换矩阵;Rlaserbody是激光器在卫星平台本体坐标系下的安装矩阵。

    • 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[16-17],为减少测距延迟对后续激光几何检校的影响,首先需要补偿激光测距误差中的时变量。由于地球大气时空变化的复杂性,现阶段解决该问题的主要方法是构建精确的大气延迟改正模型[17-18]

      电磁波信号在大气中传播遵循Fermat定律,即信号在空间任意两点之间传播时间取最小值。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,由此可推得在大气中激光出射到地面Z点的传播时延为:

      $$ {t_{{\rm{trop}}}} = \frac{1}{c}\int_Z^\infty {\left( {n-1} \right){\rm{d}}z} $$ (2)

      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,式(2)中(n-1)通常由大气折射率N替代为N=106(n-1)。

      文献[19]综合干大气、湿大气、云雾及游离态电子对大气折射率的影响,得到模型为:

      $$ N = {k_1}\frac{{{P_d}}}{T} + {k_2}\frac{{{P_w}}}{T} + {k_3}\frac{{{P_w}}}{{{T^2}}} + {k_4}{W_{{\rm{cloud}}}} + {k_5}\frac{{{n_e}}}{{{f^2}}} $$ (3)

      式中, Pd是干大气压强值(Pa);Pw为湿大气压强值(Pa);T为激光足印点的温度(K);Wcloud是水汽含量(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);k1k2k3k4k5为模型参数。

      激光信号的频率约为1015 Hz,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,通常大气延迟改正模型仅针对式(3)中前3项进行激光测距的补偿。

    • ZY3-02激光器测距频率为2 Hz,地面足印点之间距离约为3.5 km,在不确定激光初始指向的情况下,直接布设大量激光靶标进行激光器检校可能收效甚微。通常情况下,为保证激光回波数据的信噪比,激光光束入射方向与地表近似垂直,这样就使得激光足印点的水平误差和高程误差相关性较低。为了确定激光检校场的布设位置,首先对激光的出射方向进行初检校。本文提出利用激光序列点与已知地形构建相关关系的方法,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,如图 2(a)中黑色虚线表示利用定位模型解算得到的激光足印轨迹,用Pspot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进行匹配处理,地形匹配模型见式(4),以获得激光足印点在地面的位置坐标Pground(见图 2(b)2(c))。

      图  2  激光出射指向检校方法示意图

      Figure 2.  Diagram of Laser Pointing Calibration

      $$ r\left( {B, L} \right) = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{x_i}-\bar x} \right)\left( {{y_i}-\bar y} \right)} }}{{\sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{x_i}-\bar x} \right)}^2}} \cdot \sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{y_i} - \bar y} \right)}^2}} } }} $$ (4)

      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;n为激光序列点个数;xiyi分别为激光测高值和与其对应DEM的高程值;xy分别为xiyi均值。

      在遍历区域范围内,相关系数最大值对应DEM数据的地理坐标初步确定为激光光斑的坐标(即Pground),如图 2(c)中黑色实线即为经检校后的激光点坐标。

      在激光出射方向的检校过程中,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,利用式(5)求解激光出射方向的检校参数。

      $$ \cos \left( {\varphi, \omega } \right) = \frac{{{{\overrightarrow {SP} }_{{\rm{spot}}}} \cdot {{\overrightarrow {SP} }_{{\rm{ground}}}}}}{{\left| {S{P_{{\rm{spot}}}}} \right| \cdot \left| {S{P_{{\rm{ground}}}}} \right|}} $$ (5)

      式中,φω为激光出射方向的检校参数;点S表示激光发射时刻的卫星位置;Pspot表示利用定位模型解算得到的激光点坐标;Pground表示通过地形匹配方法获得激光足印点在地面的位置坐标,如图 2(d)所示。

    • 在初步确定了激光出射指向后,便可以缩小地面检校场的范围。与星载光学几何检校方法类似[20],激光测高仪几何检校的基本原理如图 3所示,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足印点高程存在误差。

      图  3  激光载荷几何检校原理图

      Figure 3.  Diagram of Laser Geometric Calibration

      由于星载激光定位几何模型式(1)主要用于解算激光足印点的初始位置坐标,模型中并未考虑在轨检校的系统误差量补偿参数,本文在星载激光定位模型基础之上构建了激光的几何检校模型:

      $$ \left[\begin{array}{l} X\\ Y\\ Z \end{array} \right] = \left[\begin{array}{l} {X_S}\\ {Y_S}\\ {Z_S} \end{array} \right] + c \cdot \left( {T + t} \right) \cdot \mathit{\boldsymbol{R}} \cdot \mathit{\boldsymbol{R}}\left( {\varphi, \omega } \right)\left[\begin{array}{l} 0\\ 0\\ 1 \end{array} \right] $$ (6)

      式中,$T = \frac{{{t_{{\rm{tran}}}}}}{2} + {t_{{\rm{trop}}}} + \mathit{\Delta} t;\mathit{\boldsymbol{R = R}}_{J2000}^{WGS84}\mathit{\boldsymbol{R}}_{{\rm{body}}}^{J2000}\mathit{\boldsymbol{R}}_{{\rm{laser}}}^{{\rm{body}}} $;t是激光测距时间的检校量;R(φ, ω)是与激光束出射角度(φ, ω)相关的检校矩阵。已知c为光在真空中的速度,设

      $$ \mathit{\boldsymbol{R}}\left( {\varphi, \omega } \right) = \left[{\begin{array}{*{20}{c}} {{a_1}}&{{a_2}}&{{a_3}}\\ {{b_1}}&{{b_2}}&{{b_3}}\\ {{c_1}}&{{c_2}}&{{c_3}} \end{array}} \right], {\mathit{\boldsymbol{R}}^{\rm{T}}}\left[\begin{array}{l} X-{X_S}\\ Y-{Y_S}\\ Z-{Z_S} \end{array} \right] = \left[\begin{array}{l} {\bar X}\\ {\bar Y}\\ {\bar Z} \end{array} \right]。 $$

      激光几何检校模型式(6)转化为式(7):

      $$ \left\{ \begin{array}{l} c \cdot \left( {T + t} \right) \cdot {a_3} = \bar X\\ c \cdot \left( {T + t} \right) \cdot {b_3} = \bar Y\\ c \cdot \left( {T + t} \right) \cdot {c_3} = \bar Z \end{array} \right. $$ (7)

      激光几何检校模型中的误差补偿参数包括tφω,通过求取偏导数便可以得到基于地面控制点的星载激光测高几何补偿结果(VXVYVZ):

      $$ \left\{ \begin{array}{l} {V_{\bar X}} = c \cdot {a_3} \cdot {\rm{d}}t + \frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{R}}\left( {\varphi, \omega } \right)}}{{\partial \varphi }}d\varphi + \frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{R}}\left( {\varphi, \omega } \right)}}{{\partial \omega }}d\omega- \left[{\bar X-c\left( {T + t} \right) \cdot {a_3}} \right]\\ {V_{\bar Y}} = c \cdot {b_3} \cdot {\rm{d}}t + \frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{R}}\left( {\varphi, \omega } \right)}}{{\partial \varphi }}d\varphi + \frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{R}}\left( {\varphi, \omega } \right)}}{{\partial \omega }}d\omega - \left[{\bar Y-c\left( {T + t} \right) \cdot {b_3}} \right]\\ {V_{\bar Z}} = c \cdot {c_3} \cdot {\rm{d}}t + \frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{R}}\left( {\varphi, \omega } \right)}}{{\partial \varphi }}d\varphi + \frac{{\partial \mathit{\boldsymbol{R}}\left( {\varphi, \omega } \right)}}{{\partial \omega }}d\omega - \left[{\bar Z-c\left( {T + t} \right) \cdot {c_3}} \right] \end{array} \right. $$ (8)
    • 2016年6月24日ZY3-02星激光器首次开机测试,成功获取第一轨激光对地观测数据,3个月的时间激光器共开机工作44次,拍摄激光数据3.5万组。利用ZY3-02星激光数据共进行了两组实验:一组实验用于验证激光光束出射方向检校方法,另外一组则是针对ZY3-02星激光器在轨几何检校及结果的验证。

    • 采用ZY3-02星首轨激光测距数据进行实验,拍摄区域为我国的内蒙古地区和蒙古国境内,如图 4所示。由于激光信号被云层遮挡、地表反射回波能量较低等因素,激光测距数据出现部分无效值,经过滤波处理之后共获取有效激光测距数据318组。

      图  4  ZY3-02星激光器几何检校区域

      Figure 4.  Calibration Field of ZY3-02 Laser Altimeter

      经过初始定位处理得到激光点的高程曲线如图 5所示。激光出射方向检校区选择地势起伏较为明显且相邻激光点高程差异较小的区域,图 5中红框区域内有15个激光点。

      图  5  激光测量高程曲线

      Figure 5.  Laser Spots and Elevation Curve of Terrain

      利用SRTM DEM地形起伏的趋势线约束激光束的指向,首先利用SRTM 90 m地形数据进行匹配处理,得到激光的大致指向范围,再利用SRTM 30 m地形数据进一步约束激光的出射方向,结果如图 6所示。通过地形匹配方法获取相关系数最大值对应的地面坐标,以此作为激光出射方向检校的地面控制数据,对卫星平台激光光束的出射误差进行检校。

      图  6  地形匹配相关系数图

      Figure 6.  Correlation of Terrain Matching

    • 将检校结果应用到激光测高定位模型中,得到整轨激光测高误差分布图(见图 7)。激光器检校前后测高值与SRTM DEM高程偏差的中误差由97.2 m下降至8.8 m,超过90%激光点的高程误差在(-10, 10) m之间。

      图  7  激光器检校前后激光点与SRTM-DEM之间的高程差值

      Figure 7.  Elevation Difference Between Laser Spots and SRTM-DEM

      利用ZY3-02星后续拍摄的多轨激光数据对检校结果进行稳定性验证。首先利用SRTM DEM数据对每一轨激光数据作检校处理,由此得到激光器检校结果与首轨结果之间的指向偏差Δφ和Δω,统计结果见表 2。激光出射方向滚动角相对误差最大为6.5″,俯仰角相对误差最大达到7.2″,由此引起的激光点水平定位误差在20 m以内。

      表 2  ZY3-02星激光检校参数验证结果

      Table 2.  Results of ZY3-02 Laser Calibration Parameters

      拍摄日期 拍摄区域 激光点数 定向误差/(″) 高程误差/m(均值±中误差)
      Δφ Δω
      2016-07-29 蒙古国 55 0.6 -7.2 -0.05±2.99
      2016-07-30 内蒙古 58 1.6 -3.2 1.01±5.83
      2016-07-31 河北 56 0.6 2.8 -0.06±4.66
      2016-08-01 安徽 32 6.5 -1.2 -0.51±7.59
      2016-08-02 新疆 75 -5.4 -1.1 1.12±8.42
      2016-08-03 新疆 74 -0.4 3.9 0.78±5.26
    • 通过激光器几何检校的最终结果可以获取激光测距以及激光束指向的补偿量,目前,已利用地形匹配方法实现了激光出射方向的初始检校,能够比较准确地确定激光足印点的位置坐标,进一步则是利用建立检校场对ZY3-02星激光进行在轨几何检校。由于激光器的拍摄频率低,地面相邻激光光斑间隔较远,因此激光探测器的布设位置需要结合轨道预测数据,提前在激光拍摄位置区域范围内布设探测器。本文实验利用检校场内探测器的测量数据,基于本文激光几何检校模型解算参数补偿激光测高数据,并通过外业实测数据验证激光检校结果的精度。

    • ZY3-02星激光测高仪的检校方法借鉴了美国ICESat/GLAS的经验,通过地面布设近红外靶标器,探测卫星发射的激光束准确位置和能量分布。另外ZY3-02星激光测高数据无波形信息,其回波信号受到云层遮挡、地表反射能量较弱时,极易出现激光测距数据为无效值的情况。因此激光靶标检校场地的选择需要综合考虑天气、地表地物、地势起伏、交通可达性等因素。分布于中国内蒙古地区的戈壁滩是星载激光检校场的较好选择,其地表是多以粗砂、砾石覆盖的硬土层荒漠地形,地表缺水植物稀少,而且地势起伏较缓。

      2016年8月,国家测绘地理信息局测绘卫星应用中心、武汉大学、中国科学院安徽光学精密机械研究所等多家单位协同开展并完成了ZY3-02星激光器在轨几何检校任务。检校场选定在内蒙古锡林郭勒盟西南的戈壁滩,场地周边的环境如图 8所示。

      图  8  激光靶标检校场的环境

      Figure 8.  Environment of Calibration Field and Laser Detectors

      激光检校场根据预测激光点的拍摄位置分为多个足印光斑捕捉区,每一个激光足印点捕捉区内激光靶标按照均匀格网布设,激光靶标的接收能量分为1~8级,0级表示无信号响应。ZY3-02星激光足印光斑的设计直径大约在50~70 m之间,由于大气的散射效应,激光光斑的能量分布范围将被拓宽。为了能够更好地捕捉到激光足印光斑位置,而且较为详细地探测光斑能量分布,不同激光足印点捕捉区内靶标间的间隔设在10~20 m之间。图 9是其中一个捕捉区内探测到的激光足印点能量分布和光斑高斯拟合结果图。

      图  9  靶标探测到激光足印光斑能量分布及拟合结果

      Figure 9.  Designing of Laser Detectors and Laser Detection Results

      图 9可以看出,由于激光长距离传播,并且受到大气散射和折射的影响,激光足印光斑的能量分布相对主波能量的高斯分布已发生较大变化。在提取激光光斑质心时首先将图中噪声点剔除,再针对中心区域的靶标响应情况建立激光足印光斑的能量分布矩阵,结合激光靶标辐射能量等级对应的能量值,进行二维高斯拟合得到激光足印光斑的质心位置坐标。由解算的激光光斑质心坐标作为控制点,利用激光几何检校模型便可以求解卫星激光器的检校参数,见表 3

      表 3  ZY3-02星激光几何检校参数

      Table 3.  Calibration Parameters of ZY3-02 Laser Altimeter

      激光出射指向误差/(″) 激光测距误差/ns
      Δφ Δω t
      -18.8 5.2 15.3
    • 基于激光靶标的场地几何检校过程中不仅存在外业测量误差和数据处理误差,还有卫星测姿误差及激光器出射随机误差,这些误差都会影响激光几何检校的精度。为了进一步验证激光数据的测高精度,外业测量了平坦地势区域(坡度1°以内)拍摄的激光点真实高程,并与经过几何检校补偿的激光测量值对比,得到结果见表 4

      表 4  ZY3-02星激光测高精度验证结果

      Table 4.  Accuracy Verification Results of ZY3-02 Laser Altimeter

      激光点号 激光初始测高值/m 大气延迟改正量/m 外业测量值/m 高程差/m
      1 898.969 -2.085 901.379 -0.325
      2 904.070 -2.084 906.211 -0.057
      3 961.940 -2.064 964.327 -0.323
      4 944.520 -2.071 946.884 -0.293
      5 917.310 -2.081 918.395 0.996
      6 907.388 -2.082 909.666 -0.196
      7 895.759 -2.086 897.520 0.325
      8 889.897 -2.087 891.281 0.703
      9 1 068.403 -2.061 1 070.691 -0.227
      10 1 046.567 -2.066 1 041.168 7.465
      11 969.677 -2.09 972.239 -0.472

      表 4中激光点1~7和参与场地检校的激光点属于同一轨,而激光点8~11属于不同轨拍摄的数据。由表 4中结果发现激光点10的高程值与外业测量高程差达到7.5 m,属于测量粗差点。当剔除激光点10之后,激光测高值与外业测量高程差均在-1~1 m以内,其测量中误差为0.495 m。

    • 针对ZY3-02星激光测量数据无全波形信息等特性,本文提出利用地形匹配的方法对激光出射指向进行几何检校。在此基础之上,利用地面铺设激光靶标的方法对ZY3-02星激光器进行在轨几何检校。通过实验验证了该方法的可行性,并得到如下结论:

      1) 基于地形匹配的激光指向检校方法可用于确定星载激光测高仪的初始指向,为建立激光几何检校场提供依据。

      2) 利用SRTM-DEM数据对ZY3-02星激光器指向进行检校,不同轨检校误差在20 m以内。

      3) 经过激光几何检校参数补偿后,平坦地区ZY3-02星激光测高精度优于0.5 m。

      本文提出的星载激光几何检校方法可支撑后续光学卫星立体测绘精度的提升。但是激光检校场地的建设要求苛刻,对于星载激光测高仪高精度无场检校方法的研究需进一步讨论。

参考文献 (20)

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