星载激光测高仪指向角误差为非常数时的在轨标定方法技术

一种星载激光测高仪指向角误差为非常数时的在轨标定方法，包括确定星载激光测高仪的激光指向角系统误差在俯仰和横滚方向的表达形式，构建待估计向量；建立角度系统误差是非常数时的激光脚点观测方程，利用线性最小二乘法估计初始值，利用非线性最小二乘LM算法迭代收敛估计，计算得出当前时刻的激光指向角在俯仰和横滚方向误差分量；进而计算当前次测量时刻的标定补偿指向角系统误差之后的激光脚点精确坐标，完成星载激光测高仪的指向角误差的在轨标定工作。相对于现有的指向角系统误差标定方法，本方法能够在指向角系统误差为非常数时进行标定，这是现有方法所不能完成的；并且能够兼容现有认为指向角系统误差为常数的情况，具有更好的普适性。

【技术实现步骤摘要】
星载激光测高仪指向角误差为非常数时的在轨标定方法
本专利技术涉及星载激光测高仪在轨运行期间的指向角系统误差在轨标定方法，尤其是涉及一种当星载激光测高仪在轨运行期间的指向角系统误差为非常数时，在轨标定这种非常数指向角误差的方法，属于激光遥感

技术介绍
星载激光测高仪是目前卫星遥感方式获取地球表面三维坐标数据中高程精度最高的测量设备，可以达到分米量级。然而，由于受到环境因素、目标因素和器件因素的影响，其初始数据误差远远大于设计精度。例如，在环境因素影响中，由于激光光束传播过程中大气层产生的散射和折射影响，将导致约1至2.3m的测距误差，由章动、极移和岁差等影响的固体潮汐影响，将导致平面和高程方向约0.5m的定位误差；所有这些影响都会使星载激光测高仪产生测量误差，使其无法发挥高程精度分米量级的优势。影响星载激光测高仪数据精度的误差可以分为两类，一种属于随机误差，不具备周期性和规律性；另一种属于系统误差，在一定时间内呈现出周期性和规律性特征。对于随机误差，目前已经有较成熟的数据校正算法(如大气延迟、时间同步、固体潮汐等)进行误差剔除。然而，星载激光测高仪在轨运行期间的指向角系统误差严重影响其精度指标，对于如ICESat卫星搭载的GLAS系统，在其600km的轨道高度，1°综合入射角的条件下，30″指向角误差将导致激光脚点中心在地球表面产生87m的平面方向误差和1.5m的高程方向误差。虽然在卫星发射前，卫星上各个载荷传感器之间都进行过相对位置关系的精确标定；但是，在卫星发射过程以及在轨运行期间，由于震动和热量等原因会引起随时间周期变化的角度系统偏移，其具体表现为星载激光测高仪的指向角系统误差，对于搭载于低轨卫星平台的激光测高仪，此项误差通常在30″左右。星载激光测高仪的激光脚点数据若要达到分米量级，其在轨运行期间的指向角系统误差必须被准确标定补偿。目前的激光指向角系统误差的在轨标定方法，都认为在一定时间段内，指向角系统误差本身在航向角、俯仰角和横滚角方向分量为常数。事实上，指向角系统误差受温度影响最大，而星上温度主要取决于卫星与太阳、地球之间的相对位置关系，即与卫星轨道周期有关。根据NASA对GLAS、MBLA等激光测高仪的发射前模拟测试和发射后标定结果总结分析，其俯仰和横滚方向的角度系统误差通常抽象成一个常数项和具有不同振幅的正余弦函数的累加和表示，即指向角系统误差并不是常数项。因此，建立一种能够标定出星载激光测高仪指向角系统误差为非常数时的在轨标定方法，对保障星载激光测高仪的数据精度显得至关重要。
技术实现思路
本专利技术主要是利用新建立的当指向角系统误差为非常数时，星载激光测高仪指向角系统误差的在轨标定理论模型，提供了一种星载激光测高仪指向角系统误差为非常数时的轨运行标定方法。本专利技术的技术方案为一种星载激光测高仪指向角误差为非常数时的在轨标定方法，包括以下步骤：步骤1，确定星载激光测高仪的激光指向角系统误差在俯仰和横滚方向的表达形式，构建待估计向量Km×1，实现方式包括将俯仰和横滚方向角度误差表示如下：Δκ＝Cr+ArsinωgΔt+DrcosωgΔt其中，和Δκ分别为俯仰和横滚方向角度误差；Cp和Cr分别为俯仰和横滚方向的常数项角度系统误差；Ap和Dp分别是俯仰方向的三角函数正弦项和余弦项的振幅，Ar和Dr分别是横滚方向的三角函数正弦项和余弦项的振幅；Δt为从星载激光测高仪在轨标定从开始标定时刻起的累计时间；ωg为角频率；待估计向量Km×1＝[Cp,Ap,Dp,Cr,Ar,Dr]，m为待估计参数的个数；步骤2，建立角度系统误差是非常数时的激光脚点观测方程，构建已知量向量Ln×1和已知量矩阵Bn×m，实现如下：其中，星载激光测高仪的第i组观测量包含第i次测量的卫星位置[Xoi,Yoi,Zoi]、地表标定场的已知量[s1i,s2i,s3i,s4i]、激光参考点与卫星质心的固定偏移量ΔRef＝[ΔXSC,ΔYSC,ΔZSC]和卫星平台上GPS相位中心与卫星质心固定偏移量ΔG＝[ΔXO,ΔYO,ΔZO]、激光侧摆角βi、激光测距值Ri，i＝1,2,3,…,n，n为激光测高仪在轨标定时的测量次数；过渡向量[a1i,a2i,a3i]＝Si×Mi，Si＝[s1i,s2i,s3i]，为第i次测量所对应的地表标定场单位法向量，Mi表示第i次测量时从卫星平台坐标系到WGS84坐标系的转换矩阵；步骤3，根据步骤2中所构建的已知量向量Ln×1和已知量矩阵Bn×m，利用线性最小二乘法估计步骤1中所构建的待估计向量Km×1如下，其中，表示待估计向量的估计结果，Pn×n为权矩阵，取单位矩阵。步骤4，利用非线性最小二乘LM算法，以步骤3中所估计的结果和角频率ωg＝2π/卫星轨道周期为初始值，迭代收敛估计Km×1以及轨道角频率ωg；步骤5，将步骤4所得代入(1)式，计算得出当前时刻的激光指向角在俯仰和横滚方向误差分量；进而计算当前次测量时刻的标定补偿指向角系统误差之后的激光脚点精确坐标，完成星载激光测高仪的指向角误差的在轨标定工作。而且，步骤4中，收敛条件为所有待估计参数Cp,Ap,Dp,Cr,Ar,Dr在连续两次估计中结果相差小于1％。而且，设M表示从卫星平台坐标系到WGS84坐标系的转换矩阵，步骤5采用下式计算当前次测量时刻的标定补偿指向角系统误差之后的激光脚点精确坐标，其中，激光脚点坐标[X,Y,Z]T，向量[XO,YO,ZO]T为由GPS系统确定的卫星质心在WGS84坐标系中的位置坐标，R表示激光测高仪的激光参考点到地表目标的测量距离，β表示在卫星平台横滚方向的激光指向侧摆角度，Δω、和Δκ分别表示偏航、俯仰和横滚方向的指向角系统误差。因此，本方法主要有以下优点：1)相对于现有的星载激光测高仪指向角系统误差标定方法，能够在指向角系统误差为非常数时进行标定工作，这是现有标定方法所不能够完成的(现有标定方法只能标定指向角系统误差为常数的情况)；2)根据公式(1)所示，其中既包含了俯仰和横滚方向的常数项(bias)角度系统误差Cp和Cr，也包含了正弦和余弦的周期项分量Ap、Dp、Ar和Dr；本方法能够兼容现有认为指向角系统误差为常数的情况，即当Ap＝Dp＝Ar＝Dr＝0时，本方法与现有方法相同；因此，本方法具有更好的普适性。附图说明图1是本专利技术实施例的流程图。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。参见图1，本专利技术实施例提出的在轨标定非常数指向角误差的方法，包括以下步骤：步骤1，确定星载激光测高仪的激光指向角系统误差在俯仰和横滚方向的表达形式，构建待估计向量Km×1，实现方式包括将俯仰和横滚方向角度误差表示如下：公式(1)中，和Δκ分别为俯仰和横滚方向角度误差；Cp和Cr分别为俯仰和横滚方向的常数项(bias)角度系统误差；Ap和Dp分别是俯仰方向的三角函数正弦项和余弦项的振幅，Ar和Dr分别是横滚方向的三角函数正弦项和余弦项的振幅；Δt为从星载激光测高仪在轨标定从开始标定时刻起的累计时间；ωg为角频率，满足2π/轨道周期，轨道周期对于给定卫星平台是已知量，例如美国GLAS激光测高仪轨道周期为5520s。Cp、Cr、Ap、Dp、Ar和Dr是本专利技术需要估计的参数；因此，待估计向量Km×1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星载激光测高仪指向角误差为非常数时的在轨标定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定星载激光测高仪的激光指向角系统误差在俯仰和横滚方向的表达形式，构建待估计向量Km×1，实现方式包括将俯仰和横滚方向角度误差表示如下：

【技术特征摘要】
1.一种星载激光测高仪指向角误差为非常数时的在轨标定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定星载激光测高仪的激光指向角系统误差在俯仰和横滚方向的表达形式，构建待估计向量Km×1，实现方式包括将俯仰和横滚方向角度误差表示如下：Δκ＝Cr+ArsinωgΔt+DrcosωgΔt其中，和Δκ分别为俯仰和横滚方向角度误差；Cp和Cr分别为俯仰和横滚方向的常数项角度系统误差；Ap和Dp分别是俯仰方向的三角函数正弦项和余弦项的振幅，Ar和Dr分别是横滚方向的三角函数正弦项和余弦项的振幅；Δt为从星载激光测高仪在轨标定从开始标定时刻起的累计时间；ωg为角频率；待估计向量Km×1＝[Cp,Ap,Dp,Cr,Ar,Dr]，m为待估计参数的个数；步骤2，建立角度系统误差是非常数时的激光脚点观测方程，构建已知量向量Ln×1和已知量矩阵Bn×m，实现如下：其中，星载激光测高仪的第i组观测量包含第i次测量的卫星位置[Xoi,Yoi,Zoi]、地表标定场的已知量[s1i,s2i,s3i,s4i]、激光参考点与卫星质心的固定偏移量ΔRef＝[ΔXSC,ΔYSC,ΔZSC]和卫星平台上GPS相位中心与卫星质心固定偏移量ΔG＝[ΔXO,ΔYO,ΔZO]、激光侧摆角βi、激光测距值Ri，i＝1,2,3,…,n，n为激光测高仪在轨标定时的测量次数；过渡向量[a1i,a2i,a3i]＝Si×Mi，Si＝[s1i,s2i,s3i]，为第i次测量所对应的地表标定场单位法向量，Mi表示第i次...

【专利技术属性】
技术研发人员：马跃，李松，周辉，田昕，马昕，张文豪，伍煜，余诗哲，曾昊旻，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42