一种星载激光测高仪脚点几何定位误差的判定方法技术

本发明专利技术涉及一种星载激光测高仪脚点几何定位误差的判定方法，属于激光遥感领域，解决现有脚点几何定位误差分析方法忽略激光测量系统与搭载平台传感器之间的位置与角度安置误差，在没有考虑被测目标高度起伏的前提下，仅提供激光脚点的部分瞬时几何定位误差模型，并未对激光脚点几何定位误差的极值进行分析的问题。本发明专利技术以星载激光测高仪激光脚点几何定位过程及误差的传播理论为基础，通过综合考虑多种误差源和平面目标起伏的影响，提出了全面判定星载激光测高仪激光脚点的几何定位误差的方法：瞬时几何定位误差与极值几何定位误差相结合的分析方法，能够实现在星载激光测高仪发射前后的性能指标的综合分析与评估。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光遥感领域，具体涉及一种星载激光测高仪脚点几何定位误差的判定方法，适用于星载激光测高仪观测成果的精度分析与评估。
技术介绍
星载激光测高仪是一种安置在卫星表面的激光遥感设备，它通过测量发射激光脉冲的渡越时间，可以准确获取激光测高仪与激光脚点之间的距离。结合卫星平台所提供的位置和姿态数据，从而实现激光脚点几何定位坐标的精确解算。在充分利用卫星自主飞行的情况下，星载激光测高仪能够观测得到覆盖全球的目标数字高程模型，因此，星载激光测高仪在测绘学、冰川学、地质学和海洋学等领域有着非常广泛的应用。星载激光测高仪脚点几何定位的基本原理见图1所示，其定位过程涉及激光测高仪、卫星平台位置和姿态传感器三者数据的融合。根据三角矢量法，激光脚点在被测星球表面的几何矢量可以表示为oF→=(AL→+LF→)+(oP→+PA→)]]>其中，表示激光测高仪的观测矢量，表示激光测高仪与姿态传感器之间的位置偏移矢量，表示位置传感器的观测矢量，表示姿态传感器与位置传感器之间的位置偏移矢量。考虑到星载激光测高仪激光脚点几何定位过程中，各个传感器的安置及其观测数据存在一定的误差，则激光脚点的几何定位坐标会受到多重误差源的影响，主要包括：星载激光测高仪的激光测距误差、卫星平台的姿态角误差、激光指向角误差、各传感器的安置角误差及其位置误差、卫星平台的定轨误差。同时，在星载激光测高仪实际工作时，其激光指向和卫星平台的姿态等测量状态会发生改变，则激光脚点几何定位误差会出现一定的波动，因此，合理分析激光脚点的几何定位误差，对于评估星载激光测高仪的技术指标及其成果的应用具有十分重要的作用。目前，已经有一些经典的关于激光脚点几何定位误差分析的文献，如基于差值模型的分析法(M,etal.Asimplifiedanalyticalmodelfora-priorilidarpoint-positioningerrorestimationandareviewoflidarerrorsources.PhotogrammetricEngineering&RemoteSensing,75(12):1425-1439,2009；DanJ,etal.RandomErrorModelingandAnalysisofAirborneLidarSystems.IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,52(7):3885-3894,2014)、基于中误差形式的分析法(刘少创,等.机载三维成像仪的定位原理与误差分析.测绘学报,28(2):121-127,1999；马跃,等.对地观测星载激光测高系统高程误差分析.红外与激光工程,44(3):1042-1047,2015)等。这些方法忽略了激光测量系统与搭载平台传感器之间的位置与角度安置误差，在没有考虑被测目标高度起伏的前提下，仅提供了激光脚点的部分瞬时几何定位误差模型，同时未对激光脚点几何定位误差的极值进行分析。因而，采用这些方法仅能针对水平面观测目标，分析部分误差因素对激光脚点瞬时定位误差的影响，无法实现星载激光测高仪激光脚点几何定位误差的全面评估。
技术实现思路
本专利技术主要是解决现有分析方法中所存在的技术问题；提供了一种在综合考虑各种误差源、测量状态和平面目标起伏的情况下，以中误差的传播理论为依据，实现星载激光测高仪激光脚点误差的瞬时分析与极值分析，从而全面地定量评估星载激光测高仪激光脚点几何定位误差。本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种星载激光测高仪脚点几何定位误差的判定方法，其特征在于，具体方法是：步骤1，根据星载激光测高仪脚点几何定位误差的初始参数，计算在姿态测量坐标系下，由角度误差、测距误差和位置误差所引起的脚点几何定位误差分量，其中，所述星载激光测高仪脚点几何定位误差的初始参数包括：参数一、激光测高仪的硬件误差参数：包括激光指向角误差和硬件测距误差、安置角误差和安置位置误差；参数二、卫星平台误差参数：包括卫星平台的姿态角误差(包括侧滚角误差、俯仰角误差和航向角误差)、卫星平台的定轨误差、姿态传感器与位置传感器的安置角误差和安置位置误差；参数三、在激光发射方向上的大气延迟改正误差参数；参数四、测量状态参数：包括星载激光测高仪激光指向角、卫星平台的姿态角、姿态测量坐标系与星球坐标系之间的旋转关系；参数五、平面目标参数：包括目标在沿轨和垂轨方向上的倾斜度；参数六、卫星的轨道高度；计算由角度误差、测距误差和位置误差所引起的脚点几何定位误差分量，包括以下子步骤：步骤1.1，计算星载激光测高仪激光测距的均方根误差dρi：dρi=dρs2+ρi2[tan2(φi+sx)dφx2+tan2sycos2sxcos2φicos2(φi+sx)dφy2]+dρa2]]>式中，dρs和dρa分别为激光测高仪硬件测距误差和大气延迟改正误差，(dФx,dФy)和(sx,sy)分别为沿轨和垂轨方向上的激光指向角误差和目标倾斜角，Фi为激光指向角，它是发射激光方向与天底方向的夹角，Фi＝ΔФ×(i-1)，i＝1、2、3.....、int(Фmax/ΔФ)+1，其中，函数int表示数值取整运算，ΔФ为激光指向角的角度间隔，0.01°≤ΔФ≤1°，Фmax为最大的激光指向角，0°≤Фmax≤30°，ρi为激光测距值，ρi≈H/cosФi，H为卫星的轨道高度；步骤1.2，计算在姿态测量坐标系下，激光脚点几何定位误差的分量dxij、dyij和dzij：dyij2=(a5ρicosφi)2dγx2+(a4ρicosφi-a6ρisinφi)2dγy2+(a5ρisinφi)2dγz2+(a1ρisinφi+a3ρicosφi)2dθ2+(a7ρisinφi+a9ρicosφi)2dω2+(a4sinφi+a6cosφi)2dρi2+(a42drx2+a52dry2+a62drz2)]]>式中，dγx、dγy和dγz为合成角度误差，它们可以表示为：dγ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种星载激光测高仪脚点几何定位误差的判定方法，其特征在于，具体方法是：步骤1，根据星载激光测高仪脚点几何定位误差的初始参数，计算在姿态测量坐标系下，由角度误差、测距误差和位置误差所引起的脚点几何定位误差分量，其中，所述星载激光测高仪脚点几何定位误差的初始参数包括：参数一、激光测高仪的硬件误差参数：包括激光指向角误差和硬件测距误差、安置角误差和安置位置误差；参数二、卫星平台误差参数：包括卫星平台的姿态角误差(包括侧滚角误差、俯仰角误差和航向角误差)、卫星平台的定轨误差、姿态传感器与位置传感器的安置角误差和安置位置误差；参数三、在激光发射方向上的大气延迟改正误差参数；参数四、测量状态参数：包括星载激光测高仪激光指向角、卫星平台的姿态角、姿态测量坐标系与星球坐标系之间的旋转关系；参数五、平面目标参数：包括目标在沿轨和垂轨方向上的倾斜度；参数六、卫星的轨道高度；计算由角度误差、测距误差和位置误差所引起的脚点几何定位误差分量，包括以下子步骤：步骤1.1，计算星载激光测高仪激光测距的均方根误差dρi：dρi=dρs2+ρi2[tan2(φi+sx)dφx2+tan2sycos2sxcos2φicos2(φi+sx)dφy2]+dρa2]]>式中，dρs和dρa分别为激光测高仪硬件测距误差和大气延迟改正误差，(dФx,dФy)和(sx,sy)分别为沿轨和垂轨方向上的激光指向角误差和目标倾斜角，Фi为激光指向角，它是发射激光方向与天底方向的夹角，Фi＝ΔФ×(i‑1)，i＝1、2、3.....、int(Фmax/ΔФ)+1，其中，函数int表示数值取整运算，ΔФ为激光指向角的角度间隔，0.01°≤ΔФ≤1°，Фmax为最大的激光指向角，0°≤Фmax≤30°，ρi为激光测距值，ρi≈H/cosФi，H为卫星的轨道高度；步骤1.2，计算在姿态测量坐标系下，激光脚点几何定位误差的分量dxij、dyij和dzij：dyij2=(a5ρicosφi)2dγx2+(a4ρicosφi-a6ρisinφi)2dγy2+(a5ρisinφi)2dγz2+(a1ρisinφi+a3ρicosφi)2dθ2+(a7ρisinφi+a9ρicosφi)2dω2+(a4sinφi+a6cosφi)2dρi2+(a42drx2+a52dry2+a62drz2)]]>式中，dγx、dγy和dγz为合成角度误差，它们可以表示为：dγx2=dφx2+dαx2+dβx2,dγy2=dφy2+dαy2+dβy2,dγz2=dφz2+dαz2+dβz2,]]>其中，dФz为激光指向角误差在天底方向上的分量，(dβx,dβy,dβz)为姿态传感器在卫星平台坐标系下的安置角误差，(dαx,dαy,dαz)和(drx,dry,drz)分别为星载激光测高仪在卫星本体坐标系下的安置角误差和安置位置误差；是卫星平台姿态角误差，ak(k＝1、2、3.....9)为姿态矩阵的元素，它们满足以下关系式：式中，是卫星平台姿态角，它们的取值相同，且均满足：σj＝Δσ×(j‑1)，j＝1、2、3.....、int(σmax/Δσ)+1，其中，Δσ为姿态角的角度间隔，0.01°≤Δσ≤1°，σmax为最大的姿态角，0°≤σmax≤90°；步骤2，根据姿态测量坐标系与星球坐标系之间的旋转关系，计算在星球坐标系下激光脚点的瞬时几何定位误差；步骤3，通过统计激光脚点几何定位的误差值或基于误差极值模型，计算脚点几何定位误差的最大值和最小值。...

【技术特征摘要】
1.一种星载激光测高仪脚点几何定位误差的判定方法，其特征在于，
具体方法是：
步骤1，根据星载激光测高仪脚点几何定位误差的初始参数，计算在姿
态测量坐标系下，由角度误差、测距误差和位置误差所引起的脚点几何定
位误差分量，其中，所述星载激光测高仪脚点几何定位误差的初始参数包
括：
参数一、激光测高仪的硬件误差参数：包括激光指向角误差和硬件测
距误差、安置角误差和安置位置误差；
参数二、卫星平台误差参数：包括卫星平台的姿态角误差(包括侧滚
角误差、俯仰角误差和航向角误差)、卫星平台的定轨误差、姿态传感器与
位置传感器的安置角误差和安置位置误差；
参数三、在激光发射方向上的大气延迟改正误差参数；
参数四、测量状态参数：包括星载激光测高仪激光指向角、卫星平台
的姿态角、姿态测量坐标系与星球坐标系之间的旋转关系；
参数五、平面目标参数：包括目标在沿轨和垂轨方向上的倾斜度；
参数六、卫星的轨道高度；
计算由角度误差、测距误差和位置误差所引起的脚点几何定位误差分
量，包括以下子步骤：
步骤1.1，计算星载激光测高仪激光测距的均方根误差dρi：
dρi=dρs2+ρi2[tan2(φi+sx)dφx2+tan2sycos2sxcos2φicos2(φi+sx)dφy2]+dρa2]]>式中，dρs和dρa分别为激光测高仪硬件测距误差和大气延迟改正误差，
(dФx,dФy)和(sx,sy)分别为沿轨和垂轨方向上的激光指向角误差和目标倾斜
角，Фi为激光指向角，它是发射激光方向与天底方向的夹角，Фi＝ΔФ×(i-1)，

\ti＝1、2、3.....、int(Фmax/ΔФ)+1，其中，函数int表示数值取整运算，ΔФ为
激光指向角的角度间隔，0.01°≤ΔФ≤1°，Фmax为最大的激光指向角，
0°≤Фmax≤30°，ρi为激光测距值，ρi≈H/cosФi，H为卫星的轨道高度；
步骤1.2，计算在姿态测量坐标系下，激光脚点几何定位误差的分量dxij、
dyij和dzij：
dyij2=(a5ρicosφi)2dγx2+(a4ρicosφi-a6ρisinφi)2dγy2+(a5ρisinφi)2dγz2+(a1ρisinφi+a3ρicosφi)2dθ2+(a7ρisinφi+a9ρicosφi)2dω2+(a4sinφi+a6cosφi)2dρi2+(a42drx2+a52dry2+a62drz2)]]>式中，dγx、dγy和dγz为合成角度误差，它们可以表示为：
dγx2=dφx2+dαx2+dβx2,dγy2=dφy2+dαy2+dβy2,dγz2=dφz2+dαz2+dβz2,]]>其中，dФz为激光指向角误差在天底方向上的分量，(dβx,d...

【专利技术属性】
技术研发人员：周辉，李松，金丽花，李少辉，郭高峰，
申请(专利权)人：武汉大学，北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：湖北;42