[发明专利]一种国产卫星激光高度计在轨几何标定方法及系统

摘要

本发明公开了一种国产卫星激光高度计在轨几何标定方法及系统，所述方法通过卫星过顶前利用机载激光雷达或者GPS测量标定场的地形，采用激光雷达点云数据或者地面GPS测量数据拟合标定场地表面几何模型。将卫星激光高度计的激光点位于某一已知平面上作为约束条件，建立卫星激光高度计严密几何标定模型，利用最小二乘原理，求解卫星激光高度计的几何标定参数。本方法利用卫星过境时地面自然地形，可以很好地解决由于卫星激光高度计安装偏差以及激光测距误差造成的激光光斑定位精度不高这一问题，提高了国产卫星激光高度计的测量精度，具有较强的适用性和实用价值。

主权项

一种卫星激光高度计在轨几何标定方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，针对检校场平面，利用机载激光雷达或者GPS测量，获取高精度激光点云或者GPS测量点，利用这些离散点构建数字表面模型，建立检校区域的平面方程；所述步骤1包括以下具体步骤：步骤1.1，标定场地形数据采集，标定场地形数据采集采取机载激光雷达测量和GPS野外测量两种数据采集方式，选择较为晴朗的天气，在卫星过境前测量标定场地形，采集标定场地面数据；在进行地形数据采集时，需要保证点位分布均匀，且同一个平面至少包含三个以上的点；步骤1.2，建立检校场内每个平面的平面方程，采集地面点进行平面拟合，计算各个平面方程的系数，标定场平面方程模型如下：z＝aix+biy+ci其中，i代表检校场内的平面标号，ai,bi,ci分别是第i个平面的平面方程系数，(x,y,z)代表该平面内所有的地面采集数据点集，具体形式为：[xyz]=x1y1z1x2y2z2.........xnynzn]]>上式中，n代表某个平面内的所有点数量，将该数据点集代入标定场平面模型，计算标定场内各个平面方程的系数P=a1b1c1.........aibici.........]]>步骤2，建立卫星激光高度计检校模型，在回波波形信号滤波处理后，根据激光高斯波形信号的峰值位置，确定激光发射点到地面光斑的起始距离；具体地说，激光测距模型表示为xS′yS′zS′WGS-84=xOyOzOWGS-84+(R+r)·Tbody2WGS-84·Tlaser2body-sinθysinθxcosθy-cosθxcosθy]]>式中为激光光斑在WGS‑84坐标系下的地面位置坐标；是激光坐标系原点在WGS‑84坐标系的坐标，从星上下传的轨道文件中获得；R为激光测距值；r为激光测距系统误差；Tbody2WGS‑84是卫星平台坐标系到WGS‑84坐标系之间的转换矩阵，描述卫星运行时的姿态，由星上下传的姿态文件获得；Tlaser2body是卫星激光高度计载荷在卫星本体平台下的安装矩阵，描述载荷与卫星平台的相对关系，其大小会在卫星发射前精确测量；θx和θy分别是激光光束沿X轴和Y轴的偏转参数；θx、θy和r是卫星激光高度计在轨几何标定的待定三个参数；将上式代入平面方程zs′＝axs′+bys′+c其中，a、b、c从平面方程的系数P中确定；步骤3，卫星激光高度计检校参数解算；将激光高度计测距模型代入平面方程展开后，得到ax0+by0‑z0+c+(R+r)·Tbody2WGS‑84·Tlaser2body·(cosθxcosθy‑asinθy+bsinθxcosθy)＝0令f(r,θx,θy)＝ax0+by0‑z0+c+(R+r)·Tbody2WGS‑84·Tlaser2body·(cosθxcosθy‑asinθy+bsinθxcosθy)将f进行泰勒函数一阶展开后，得到f(r,θx,θy)=f0(r,θx,θy)+∂f∂r·dr+∂f∂θx·dθx+∂f∂θy·dθy]]>其中，f0(r,θx,θy)是f函数的近似值，f函数用矩阵表示为Ax+B＝0其中，A=∂f1∂r∂f1∂θx∂f1∂θy∂f2∂r∂f2∂θx∂f2∂θy.........∂fn∂r∂fn∂θx∂fn∂θy]]>B=f01(r,θx,θy)f02(r,θx,θy)...f0n(r,θx,θy)]]>x=drdθxdθy=-(ATA)-1ATB]]>采用迭代方式对未知数进行解算，即r^θ^xθ^yk+1=r^θ^xθ^yk+drdθxdθyk+1]]>式中分别为第k+1次和第k次参数估计值，其中为第k次解算的参数估计值的改正数，当满足相邻两次检校前后激光光斑之间的距离小于某一参考值时，迭代停止，用公式描述为||-r^sinθ^yr^sinθ^xcosθ^y-r^cosθ^xcosθ^yk+1--r^sinθ^yr^sinθ^xcosθ^y-r^cosθ^xcosθ^yk||<τ]]>上式中τ为迭代停止的阈值，在系统检校前根据经验参数来确定。