一种星载激光高度计外场检校方法技术

本发明专利技术公开了一种星载激光高度计外场检校方法，该方法的基本步骤为：(1)夜间在地面铺设发光靶标作为控制点、在光斑预测位置铺设地面探测阵列，卫星过境时在航空平台上拍摄近红外高分影像数据、使用地面探测器捕获光斑、测量大气数据；(2)通过地面探测阵列数据，获取发射波形、改正星上测时误差、对激光接收器进行标定；(3)根据航空图像获取光斑位置，检校测距误差、激光器与足印相机的安置角。本发明专利技术避免了单独依靠地面探测阵列进行检校的方法成功率低下的缺陷，能够检校星载激光高度计测距、测姿误差，且具有较高的效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于遥感对地观测
，涉及一种星载激光高度计外场检校方法。
技术介绍
为了提高立体测图卫星的精度，亟需研究和解决其测距修正、定位修正、波形应用过程中的一系列关键技术问题，其中最为重要的内容就是使用外场检校的手段，在卫星入轨运行后在地面测量/捕获激光的位置和形态、进而对测距、测姿过程中的一系列误差项进行检校。星载激光高度计的检校工作只有美国GLAS团队做过专门的研究，采用的是单纯依靠格网型接收器的方式。该方法一次只能接收一个光斑的信号，造价高昂、体积巨大，铺设费时费力。受限于格网的面积，如果激光足印点的预测误差较大时该方法很大可能会出现光斑不在格网区的情况，浪费大量人力物力。最后，立体测图卫星一般需要在入轨后的2-3个月内完成仪器的检校工作，而采用格网型接收器的方式的激光光斑测量技术在2-3个月内最多只能获取6个点，远远不能满足仪器的检校和精度验证需求。因此，提供一种高效、高鲁棒性的、无地形限制的激光光斑测量技术成为立体测图卫星激光高度计能否投入使用的必要技术手段。本专利技术设计了一种高分影像和地面探测格网相结合的外场检校方法，该方法只需要使用格网获取一两次数据即可完成时间误差和波形的检校。而通过高分影像可一次性获取较多足印点，并用之进行测距的检校。该方法可在较短的时间内完成星载激光高度计的高精度检校，有效修复激光器在发射之前无法修复的测距误差、定位误差、波形分解误差。为立体测图卫星的激光高度计的测距、测姿数据提供精确的改正参量。这对于提升卫星数据几何处理精度和产品质量具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是：提供一种夜间工作模式的国产激光高度计外场检校方法。本专利技术提供的技术方案采用如下步骤：1.星载激光高度计外场精密检校方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)地面准备工作，铺设靶标及采集测区地形数据，详细步骤如下：(1-1)在卫星过境前3-7天预测卫星夜间过境的时间、激光光斑大概的位置，根据光斑位置与所需地形地貌选择靶区；(1-2)在靶区布设特殊设计的蓝绿色发光靶标；(1-3)采用高精度GPS测量靶标的空间位置；(1-4)采用机载LiDAR获取靶区的地形数据；(2)夜间在卫星过顶时在航空平台上拍摄近红外高分影像数据、地面探测器捕获光斑、测量大气参数；具体步骤如下：(2-1)在卫星过境前将靶区内的各个靶标点亮；(2-2)将高分相机搭载于特制的稳定平台上，随载体一起升空至设计的高度。按照靶场的设计，调整相机的拍摄角度，使其能够拍摄到地面靶场区域；(2-3)控制相机的曝光。相机在卫星过境前3s开始曝光，卫星过境耗时2.5s，在过境后继续拍摄3s，总共曝光8.5s。卫星过境时间提前计算得到，曝光时间的控制由高分相机控制点自主进行控制。2.通过地面探测阵列数据获取发射波形、改正星上测时误差，并对激光接收器进行标定。包括以下步骤：(1)使用地面探测阵列获取波形，具体步骤如下：(1-1)找到地面探测阵列中接收的能量最强的一个探测器，认为这个探测器为激光光斑的中心，(1-2)将探测阵列内的各个探测器获取的波形进行坐标归0处理，即对任意一个探测器获取的波形数据，将波峰位置平移到坐标轴0的位置(1-3)对平移后的各个探测器获取的波形数据进行加权平均，权重由各探测器到中心的位置的距离计算，得到星载激光器的发射波形数据。(2)使用地面探测阵列获取波形的时间和星上记录的数据，检校测时误差，具体步骤如下：(2-1)以中心点的地理坐标和星上GPS记录的激光发射时刻的坐标计算星地距离L，计算激光传输时间ttrans＝L/c；(2-2)根据实测大气参数，计算激光延迟时间tdelay；(2-3)以地面探测阵列记录的接收波形时刻的实际T，减去ttrans和tdelay，得到卫星发射激光时的准确时间treal；(2-4)用星上记录的波峰发射时刻减去实测的时间trea，得到星上测时系统的延迟；(3)对激光接收器的能量进行标定，具体步骤如下：(3-1)以地面探测阵列各个位置探测器测得的激光能量强度和分布，拟合出高斯形的激光空间能量分布；(3-2)对整个光斑范围内的能量较小积分，计算激光光斑内的整体能量；(3-3)基于多组地面靶标测量数据，使用大气参数消除激光下行过程中大气对激光能量的衰减效应，得到激光出射能量与星上记录的发射能量DN值拟合出发射能量DN值与实际发射能量的转化系数；(3-3)基于多组地面靶标测量数据，使用大气透过率乘以地面反射能量，得到激光入瞳能量，与星上记录的入射能量DN值拟合出入射能量DN值与实际入瞳能量的转化系数；3.根据航空图像获取的多个光斑的位置，检校测距误差。包括以下步骤：(1)使用航空高分影像上和DEM获取每一个激光光斑中心的空间位置，具体步骤如下：(1-1)识别航空高分图像上各个靶标的位置，以及其图像坐标，获得多组像控制点数据；(1-2)根据靶标控制点，计算航空高分图像外方位元素；(1-3)根据航空高分图像内、外方位元素，在DEM数据的辅助下，使用快速精定位法对航空高分图像进行几何校正；(1-5)使用质心提取算法，提取出高分影像上各个激光光斑的中心的像元位置；(1-6)根据高分图像的地理坐标，计算每一个激光中心的地理坐标位置<X,Y>，并根据平面位置在DEM上找到对应的高程校正Z，得到点的空间坐标<X,Y,Z>；(2)使用地面光斑点的位置和卫星激光出射时的位置，计算星地之间的距离，具体步骤如下：(2-1)由激光出射点与星上GPS的偏心矢量、卫星的姿态，计算得到激光出射点的空间位置<X0,Y0,Z0>；(2-2)激光出射点的空间位置<X0,Y0,Z0>和激光光斑地面点的空间坐标<X,Y,Z>，计算激光的实际传输路径Lreal；(3)使用测量的大气数据，对卫星记录的测距值进行大气改正，并消除地球固体潮效应，得到精确改正的实际测距值Lrecord，具体步骤如下：(3-1)使用实测大气压力、水汽含量等参数，计算整层大气延迟量，并根据大气延迟量对星载激光高度计的测距值进行改正；(3-2)使用激光发射时刻的地球形状参数，对大气校正后的星载高度计测距值进行固体潮改正；(4)建立(2)和(3)得到的测距值之间的相关系数，得到星载激光高度计测距值的改正系数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种星载激光高度计外场检校方法，其特征在于包括以下步骤：[1]地面准备工作，铺设靶标及采集测区地形数据，详细步骤如下：(1)在卫星过境前3‑7天预测卫星夜间过境的时间、激光光斑大概的位置，根据光斑位置与所需地形地貌选择靶区；(2)在靶区布设特殊设计的蓝绿色发光靶标；(3)采用高精度GPS测量靶标的空间位置；(4)采用机载LiDAR获取靶区的地形数据；[2]夜间在卫星过顶时在航空平台上拍摄近红外高分影像数据、地面探测器捕获光斑、测量大气参数；具体步骤如下：(1)在卫星过境前将靶区内的各个靶标点亮；(2)将高分相机搭载于特制的稳定平台上，随载体一起升空至设计的高度。按照靶场的设计，调整相机的拍摄角度，使其能够拍摄到地面靶场区域；(3)控制相机的曝光。相机在卫星过境前3s开始曝光，卫星过境耗时2.5s，在过境后继续拍摄3s，总共曝光8.5s；卫星过境时间提前计算得到，曝光时间的控制由高分相机控制点自主进行控制；[3]通过地面探测阵列数据获取发射波形、改正星上测时误差，并对激光接收器进行标定；包括以下步骤：(1)使用地面探测阵列获取波形，具体步骤如下：(1‑1)找到地面探测阵列中接收的能量最强的一个探测器，认为这个探测器为激光光斑的中心，(1‑2)将探测阵列内的各个探测器获取的波形进行坐标归0处理，即对任意一个探测器获取的波形数据，将波峰位置平移到坐标轴0的位置；(1‑3)对平移后的各个探测器获取的波形数据进行加权平均，权重由各探测器到中心的位置的距离计算，得到星载激光器的发射波形数据。(2)使用地面探测阵列获取波形的时间和星上记录的数据，检校测时误差，具体步骤如下：(2‑1)以中心点的地理坐标和星上GPS记录的激光发射时刻的坐标计算星地距离L，计算激光传输时间ttrans＝L/c；(2‑2)根据实测大气参数，计算激光延迟时间tdelay；(2‑3)以地面探测阵列记录的接收波形时刻的实际T，减去ttrans和tdelay，得到卫星发射激光时的准确时间treal；(2‑4)用星上记录的波峰发射时刻减去实测的时间trea，得到星上测时系统的延迟；(3)对激光接收器的能量进行标定，具体步骤如下：(3‑1)以地面探测阵列各个位置探测器测得的激光能量强度和分布，拟合出高斯形的激光空间能量分布；(3‑2)对整个光斑范围内的能量较小积分，计算激光光斑内的整体能量；(3‑3)基于多组地面靶标测量数据，使用大气参数消除激光下行过程中大气对激光能量的衰减效应，得到激光出射能量与星上记录的发射能量DN值拟合出发射能量DN值与实际发射能量的转化系数；(3‑3)基于多组地面靶标测量数据，使用大气透过率乘以地面反射能量，得到激光入瞳能量，与星上记录的入射能量DN值拟合出入射能量DN值与实际入瞳能量的转化系数；[4].根据航空图像获取的多个光斑的位置，检校测距误差。包括以下步骤：(1)使用航空高分影像上和DEM获取每一个激光光斑中心的空间位置，具体步骤如下：(1‑1)识别航空高分图像上各个靶标的位置，以及其图像坐标，获得多组像控制点数据；(1‑2)根据靶标控制点，计算航空高分图像外方位元素；(1‑3)根据航空高分图像内、外方位元素，在DEM数据的辅助下，使用快速精定位法对航空高分图像进行几何校正；(1‑4)使用质心提取算法，提取出高分影像上各个激光光斑的中心的像元位置；(1‑5)根据高分图像的地理坐标，计算每一个激光中心的地理坐标位置<X,Y>，并根据平面位置在DEM上找到对应的高程校正Z，得到点的空间坐标<X,Y,Z>；(2)使用地面光斑点的位置和卫星激光出射时的位置，计算星地之间的距离，具体步骤如下：(2‑1)由激光出射点与星上GPS的偏心矢量、卫星的姿态，计算得到激光出射点的空间位置<X0,Y0,Z0>；(2‑2)激光出射点的空间位置<X0,Y0,Z0>和激光光斑地面点的空间坐标<X,Y,Z>，计算激光的实际传输路径Lreal；(3)使用测量的大气数据，对卫星记录的测距值进行大气改正，并消除地球固体潮效应，得到精确改正的实际测距值Lrecord，具体步骤如下：(3‑1)使用实测大气压力、水汽含量等参数，计算整层大气延迟量，并根据大气延迟量对星载激光高度计的测距值进行改正；(3‑2)使用激光发射时刻的地球形状参数，对大气校正后的星载高度计测距值进行固体潮改正；(4)建立步骤(2)和(3)得到的测距值之间的相关系数，得到星载激光高度计测距值的改正系数。...

【技术特征摘要】
2015.12.01 CN 201510866345X1.一种星载激光高度计外场检校方法，其特征在于包括以下步骤：
[1]地面准备工作，铺设靶标及采集测区地形数据，详细步骤如下：
(1)在卫星过境前3-7天预测卫星夜间过境的时间、激光光斑大概的位置，
根据光斑位置与所需地形地貌选择靶区；
(2)在靶区布设特殊设计的蓝绿色发光靶标；
(3)采用高精度GPS测量靶标的空间位置；
(4)采用机载LiDAR获取靶区的地形数据；
[2]夜间在卫星过顶时在航空平台上拍摄近红外高分影像数据、地面探测器
捕获光斑、测量大气参数；具体步骤如下：
(1)在卫星过境前将靶区内的各个靶标点亮；
(2)将高分相机搭载于特制的稳定平台上，随载体一起升空至设计的高度。
按照靶场的设计，调整相机的拍摄角度，使其能够拍摄到地面靶场区域；
(3)控制相机的曝光。相机在卫星过境前3s开始曝光，卫星过境耗时2.5s，
在过境后继续拍摄3s，总共曝光8.5s；卫星过境时间提前计算得到，曝光时间
的控制由高分相机控制点自主进行控制；
[3]通过地面探测阵列数据获取发射波形、改正星上测时误差，并对激光接
收器进行标定；包括以下步骤：
(1)使用地面探测阵列获取波形，具体步骤如下：
(1-1)找到地面探测阵列中接收的能量最强的一个探测器，认为这个探测
器为激光光斑的中心，
(1-2)将探测阵列内的各个探测器获取的波形进行坐标归0处理，即对任
意一个探测器获取的波形数据，将波峰位置平移到坐标轴0的位置；
(1-3)对平移后的各个探测器获取的波形数据进行加权平均，权重由各探
测器到中心的位置的距离计算，得到星载激光器的发射波形数据。
(2)使用地面探测阵列获取波形的时间和星上记录的数据，检校测时误差，
具体步骤如下：
(2-1)以中心点的地理坐标和星上GPS记录的激光发射时刻的坐标计算星
地距离L，计算激光传输时间ttrans＝L/c；
(2-2)根据实测大气参数，计算激光延迟时间tdelay；
(2-3)以地面探测阵列记录的接收波形时刻的实际T，减去ttrans和tdelay，得
到卫星发射激光时的准确时间treal；
(2-4)用星上记录的波峰发射时刻减去实测的时间trea，得到星上测时系统
的延迟；
(3)对激光接收器的能量进行标定，具体步骤如下：
(3-1)以地面...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒嵘，杨贵，谢锋，王海伟，王建宇，黄庚华，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31