[发明专利]星载激光测高仪无场几何定标方法及系统

说明书

本发明公开了星载激光测高仪无场几何定标方法及系统，包括：(1)基于严密几何定位模型求解激光测高的初始定位结果；(2)利用大气延迟改正模型，将星载激光的传播大气延迟时间补偿到激光测高的定位结果；(3)根据测高定位数据选择激光序列点，根据激光序列点中激光的足印点的高程信息与已知地形进行匹配，基于匹配结果标定激光出射方向。本发明旨在解决星载激光测高仪初始指向不准的问题，提出了一种全新的激光在轨几何定标方法，填补了国内在这方面的空白，为星载激光雷达测高数据的高精度几何处理提供基础。

技术领域

本发明属于航天摄影测量领域，特别涉及星载激光测高仪无场几何定标方法及系统。

背景技术

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激光回波数据，实现地表高程信息的测定。该技术起初主要应用于深空探测，如美国Clementine探月中的激光高度计、NASA火星探测器的MOLA、NEAR探测器上的NLR、以及我国嫦娥一号(CE-1)的LAM测高仪等。2003年美国发射的ICESat卫星搭载了地球科学激光测高系统(GLAS)，星载激光对地测高技术逐步成为研究热点。2016年5月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。卫星发射过程中激光器的安装发生变动，直接影响了激光雷达的定位精度和测距精度。

激光器在轨几何定标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，而地面控制数据的获取是卫星在轨几何定标的核心与关键。目前获取星载激光测高控制数据的方法主要分为两类：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。通常卫星在轨以后，激光器的几何指向与地面定标精度相差较大，以上两种定标方法均受到限制。

发明内容

本发明目的是提供基于地形匹配的星载激光测高仪无场几何定标方法及系统。

本发明基于地形匹配的激光束出射方向定标方法，利用激光的初始测高数据，并结合精度地形数据约束激光序列点，实现激光束出射方向的定标。

本发明星载激光测高仪无场几何定标方法，包括步骤：

(1)基于严密几何定位模型求解激光测高的初始定位结果，其中，是在地心地球直角坐标系下的地面点坐标；代表卫星在地心地球直角坐标系下的位置，R(t)为从本体坐标系到地心地球直角坐标系的旋转矩阵，X(t)、Y(t)、Z(t)、R(t)均为时间的函数；ρ是激光器测距得到的距离；代表激光光束在本体坐标系下的单位方向矢量；

(2)利用大气延迟改正模型，将星载激光的传播大气延迟时间补偿到激光测高的定位结果；

(3)根据测高定位数据选择激光序列点，根据激光序列点中激光的足印点的高程信息与已知地形进行匹配，基于匹配结果标定激光出射方向。

步骤(1)进一步包括：

步骤1.1根据高斯函数拟合激光入射波和回波的波形峰值，以此来解算激光信号从卫星的激光器出射到地表反射后到达接受口径的传播时延，获得激光测距延迟时间；

步骤1.2根据测量时刻前后的GPS测量数据，利用多项式内插激光测量时刻的轨道位置；

步骤1.3根据测量时刻前后的测姿数据，内插激光测量时刻的姿态旋转矩阵、四元数、欧拉角中的一种或多种；当采用星敏定姿，测姿坐标系即星敏坐标系；当采用陀螺定姿或星敏陀螺定姿，测姿坐标系即陀螺坐标系；

步骤1.4解算激光器坐标系相对于卫星本体坐标系的旋转矩阵；

步骤1.5解算卫星本体坐标系相对于J2000坐标系的旋转矩阵；