基于地面激光光斑质心位置的星载激光在轨几何检校方法技术

本发明专利技术公开了一种基于地面激光光斑质心位置的星载激光在轨几何检校方法，给出几何检校的具体实施流程及解算过程，可以结合国内卫星的具体参数以及性能特点，通过最小二乘平差原理不断迭代解算测距、指向等待标定的参数，使光斑质心坐标三维方向的残差最小，从而获得标定参数结果，提高激光的几何定位精度。该方法可以实现高精度的激光在轨检校，可广泛应用于国产星载激光测高仪的几何检校中。

【技术实现步骤摘要】
基于地面激光光斑质心位置的星载激光在轨几何检校方法
本专利技术涉及星载激光在轨几何检校
，特别涉及一种基于地面激光光斑质心位置的星载激光在轨几何检校方法，应用于星载激光高精度几何定位。
技术介绍
几何定位精度是衡量国产测绘卫星性能最重要的指标，其中高程精度由于难以提升显得更为重要。激光雷达(LightDetectionAndRanging，简称LiDAR)因具有方向性好、测距精度高等特点，在深空探测和地球科学领域中体现了巨大的应用潜力，将星载激光测高技术应用于高分辨率光学立体测绘卫星，辅助航天摄影测量以提高卫星几何特别是高程方向的精度成为了一种重要的技术手段。我国在十三五期间即将发射的多颗测绘遥感卫星包括资源三号02星、高分七号、陆地生态系统碳监测卫星等均携带激光测高仪，这些卫星可以利用搭载的激光测高仪获取大量的全球高精度激光高程控制点，极大提高我国现有国产测绘遥感卫星的全球测图精度特别是高程精度，同时也为极地冰盖测绘、地理国情监测等应用提供重要的数据支撑。然而由于激光测高仪在测量过程中会产生测距、指向角、质心偏移、系统时钟同步等多项系统误差，可能会降低激光脚点作为测绘行业的高程控制的精度。以激光指向角误差影响为例，对于轨道高度为500km的测高系统，在地表入射角为1°时，30″的激光指向误差引起脚点定位水平误差75m，高度误差1.3m。目前全球唯一对地观测激光测高系统GLAS采用的在轨检校方法主要有地面探测器检校法、机载红外相机成像检校法、利用地形进行检校的方法。每种方法各有优缺点，地面探测器检校法成功率大，精度高，但需要较大的人力物力。机载红外相机成像检校法的精度较高，但因激光能量到达地表时衰减过低造成成像困难，同时卫星与飞机同步过境时间控制难度大，成功率低。利用地形进行检校的方法无需外业作业，需要依赖激光波形数据，但该方法精度较低。因此，分析星载激光测高仪几何定位的误差源及其对定位精度的影响，并在此基础上，针对国产星载激光测高仪的技术特点，研究并提出一种消除其测量过程中的系统误差的在轨几何检校方法，可用于我国星载激光测高仪在轨检校，对于提升我国测绘遥感卫星在全球测图应用潜力具有重要意义。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于地面激光光斑质心位置的星载激光在轨几何检校方法，该方法利用地面获取的激光光斑质心坐标，基于所构建的几何检校模型，标定激光测高仪存在的指向、测距等系统参数，具有精度高特点，同时可作为独立验证，可充分地消除由于现有技术的限制和缺陷导致的一个或多个问题。本专利技术提出一种本专利技术另外的优点、目的和特性，一部分将在下面的说明书中得到阐明，而另一部分对于本领域的普通技术人员通过对下面的说明的考察将是明显的或从本专利技术的实施中学到。通过在文字的说明书和权利要求书及附图中特别地指出的结构可实现和获得本专利技术目的和优点。本专利技术提供了一种基于地面激光光斑质心位置的星载激光在轨几何检校方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，利用地面探测器确定地面激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的大地坐标，并将激光光斑质心坐标从ITRF地固坐标系中的大地坐标形式转换到ITRF坐标系中的空间直角坐标形式，其中，优选的，所述激光光斑质心在ITRF坐标系中的空间直角坐标为所述表示利用地面探测器的实测值计算的ITRF地固坐标系下的激光光斑质心坐标；步骤2，构建星载激光测高仪几何检校模型；所述星载激光测高仪几何检校模型为：其中,为基于所述星载激光测高仪几何检校模型计算得到的地面激光光斑质心在ITRF坐标系下的坐标，为卫星平台质心在ITRF坐标系下的坐标，为卫星本体坐标系到ICRF惯性坐标系的旋转矩阵，为ICRF惯性坐标系到ITRF地固坐标系的转换矩阵，为卫星本体坐标系中激光发射参考点相对于卫星质心间的位置偏移量；为激光光斑质心在以激光发射参考点为中心的卫星本体坐标系下的三维坐标，其中，ρ0(t)为激光测距值，ρ0(t)＝c*Δt/2，c是光速，Δt是激光脉冲的飞行时间，α为激光出光轴在本体坐标系XOY面投影与X轴正方向的夹角，β为激光出光轴与其在XOY面的投影线的夹角；步骤3，基于步骤1获得的激光光斑质心在ITRF坐标系中的空间直角坐标和步骤2构建的星载激光测高仪几何检校模型，进行星载激光参数检校。优选的，步骤1具体包括以下步骤：步骤1.1，基于地面激光光斑范围内各个探测器响应的能量E和GPS测量的所述各个探测器在ITRF地固坐标系中的大地坐标,利用能量加权法计算激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的平面坐标(B0,L0)；具体的，根据下式计算激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的平面坐标(B0,L0)：其中，(B0,L0)为激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的平面坐标，Ei(i＝1,2,...n)为各个探测器响应的能量值，其中n为探测器的数量，Bi,Li分别为GPS测量的所述各个探测器在ITRF地固坐标系中的纬度和经度；步骤1.2，基于步骤1.1中的GPS测量的所述各个探测器在ITRF地固坐标系中的大地坐标(B,L,H)以及激光质心的平面坐标(B0,L0)，利用二次曲面拟合法来内插出激光质心的高程值H0；步骤1.3，将步骤1.1和步骤1.2计算得到激光光斑质心从ITRF坐标系中的大地坐标形式转换到ITRF坐标系中空间直角坐标形式。优选的，步骤2具体包括以下子步骤：步骤2.1，在卫星本体坐标系内将激光光斑质心坐标由激光发射参考点为中心转到以卫星质心为中心，得到激光光斑质心在以卫星质心为中心的本体坐标系中的三维坐标；具体的，在步骤2.1中，根据下式(2.1)在卫星本体坐标系内将激光光斑质心由激光发射参考点为中心转到以卫星质心为中心，并得到激光光斑质心在以卫星质心为中心的本体坐标系中三维坐标：其中，表示激光光斑质心在以卫星质心为中心的卫星本体坐标系中的三维坐标，为卫星本体坐标系中激光发射参考点相对于卫星质心间的位置偏移量；为激光光斑质心在以激光发射参考点为中心的卫星本体坐标系下的三维坐标，其中，ρ0(t)为激光测距值，ρ0(t)＝c*Δt/2，c是光速，Δt是激光脉冲的飞行时间，α为激光出光轴在本体坐标系XOY面投影与X轴正方向的夹角，β为激光出光轴与其在XOY面的投影线的夹角；步骤2.2，将通过步骤2.1得到的激光光斑质心在卫星本体坐标系中的三维坐标从卫星本体坐标系转到ICRF惯性坐标系，得到激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标；具体的，在步骤2.2中，根据下式(2.2)将激光光斑质心在卫星本体坐标系中的三维坐标从卫星本体(Body)坐标系转到ICRF惯性坐标系，得到激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标：其中，为激光光斑质心在以卫星质心为中心的本体坐标系中三维坐标，为卫星本体坐标系到ICRF惯性坐标系的旋转矩阵，为激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标；步骤2.3，将通过步骤2.2得到的激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标从ICRF惯性坐标系转到ITRF地固坐标系，得到激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的坐标；具体的，根据下式(2.3)将通过步骤2.2得到的激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标从ICRF惯性坐标系转到ITRF(TheInternationalTe本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于地面激光光斑质心位置的星载激光在轨几何检校方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，利用地面探测器确定地面激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的大地坐标，并将激光光斑质心坐标从ITRF地固坐标系中的大地坐标形式转换到ITRF坐标系中的空间直角坐标形式，其中，优选的，所述激光光斑质心在ITRF坐标系中的空间直角坐标为

【技术特征摘要】
1.一种基于地面激光光斑质心位置的星载激光在轨几何检校方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，利用地面探测器确定地面激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的大地坐标，并将激光光斑质心坐标从ITRF地固坐标系中的大地坐标形式转换到ITRF坐标系中的空间直角坐标形式，其中，优选的，所述激光光斑质心在ITRF坐标系中的空间直角坐标为所述表示利用地面探测器实测值计算的ITRF地固坐标系下的激光光斑质心坐标；步骤2，构建星载激光测高仪几何检校模型；所述星载激光测高仪几何检校模型为：其中,为基于所述星载激光测高仪几何检校模型计算得到的地面激光光斑质心在ITRF坐标系下的坐标，为卫星平台质心在ITRF坐标系下的坐标，为卫星本体坐标系到ICRF惯性坐标系的旋转矩阵，为ICRF惯性坐标系到ITRF地固坐标系的转换矩阵，为卫星本体坐标系中激光发射参考点相对于卫星质心的位置偏移量；为激光光斑质心在以激光发射参考点为中心的卫星本体坐标系下的三维坐标，其中，ρ0(t)为激光测距值，ρ0(t)＝c*Δt/2，c是光速，Δt是激光脉冲的飞行时间，α为激光出光轴在本体坐标系XOY面投影与X轴正方向的夹角，β为激光出光轴与其在XOY面的投影线的夹角；步骤3，基于步骤1获得的激光光斑质心在ITRF坐标系中的空间直角坐标和步骤2构建的星载激光测高仪几何检校模型，进行星载激光参数检校。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1具体包括以下步骤：步骤1.1，基于地面激光光斑范围内各个探测器响应的能量E和GPS测量的所述各个探测器在ITRF地固坐标系中的大地坐标,利用能量加权法计算激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的平面坐标(B0,L0)；具体的，根据下式计算激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的平面坐标(B0,L0)：其中，(B0,L0)为激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的平面坐标，Ei(i＝1,2,...n)为各个探测器响应的能量值，其中n为探测器的数量，Bi,Li分别为GPS测量的所述各个探测器在ITRF地固坐标系中的纬度和经度；步骤1.2，基于步骤1.1中的GPS测量的所述各个探测器在ITRF地固坐标系中的大地坐标(Bi,Li,Hi)(i＝1…n,n为探测器个数)以及激光质心的平面坐标(B0,L0)，利用二次曲面拟合法来内插出激光质心的高程值H0；步骤1.3，将步骤1.1和步骤1.2计算得到激光光斑质心从ITRF坐标系中的大地坐标形式转换到ITRF坐标系中空间直角坐标形式。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2具体包括以下子步骤：步骤2.1，在卫星本体坐标系内将激光光斑质心坐标由激光发射参考点为中心转到以卫星质心为中心，得到激光光斑质心在以卫星质心为中心的本体坐标系中的三维坐标；具体的，在步骤2.1中，根据下式(2.1)将激光光斑质心在卫星本体坐标系内从激光发射参考点为中心转到以卫星质心为中心，并得到激光光斑质心在以卫星质心为中心的卫星本体坐标系中三维坐标：其中，表示激光光斑质心在以卫星质心为中心的卫星本体坐标系中的三维坐标，为卫星本体坐标系中激光发射参考点相对于卫星质心间的位置偏移量；为激光光斑质心在以激光发射参考点为中心的卫星本体坐标系下的三维坐标，其中，ρ0(t)为激光测距值，ρ0(t)＝c*Δt/2，c是光速，Δt是激光脉冲的飞行时间，α为激光出光轴在本体坐标系XOY面投影与X轴正方向的夹角，β为激光出光轴与其在XOY面的投影线的夹角；步骤2.2，将通过步骤2.1得到的激光光斑质心在卫星本体坐标系中的三维坐标从卫星本体坐标系转到ICRF惯性坐标系，得到激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标；具体的，在步骤2.2中，根据下式(2.2)将激光光斑质心在卫星本体坐标系中的三维坐标从卫星本体(Body)坐标系转到ICRF惯性坐标系，得到激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标：其中，为激光光斑质心在以卫星质心为中心的本体坐标系中三维坐标，为卫星本体坐标系到ICRF惯性坐标系的旋转矩阵，为激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标；步骤2.3，将通过步骤2.2得到的激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标从ICRF惯性坐标系转到ITRF地固坐标系，得到激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的坐标；具体的，根据下式(2.3)将通过步骤2.2得到的激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标从ICRF惯性坐标系转到ITRF(TheInternationalTerrestrialReferenceFrame)地固坐标系，得到激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的坐标：其中，为激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标，为ICRF惯性坐标系到ITRF地固坐标系的转换矩阵，为激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的三维坐标；步骤2.4，基于通过步骤2.3得到的激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的三维坐标和卫星平台质心在ITRF坐标系下的坐标，构建星载激光测高仪几何检校模型；构建的星载激光测高仪几何检校模型如下式(2.4)所示：

【专利技术属性】
技术研发人员：谢俊峰，唐新明，付兴科，唐洪钊，田世强，莫凡，高小明，窦显辉，夏雪飞，
申请(专利权)人：国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心，
类型：发明
国别省市：北京,11