一种基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定方法技术

本发明专利技术涉及一种基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定方法，以星载激光测高仪和卫星平台的观测参数及激光足印的先验坐标为输入，以激光指向矢量的天顶角和方位角以及激光测距值的系统误差为变量，构建激光足印的距离偏移量模型，并以多个距离偏移量的平方和最小化为原则，将距离偏移量平方和对各系统误差变量求一阶偏导数以建立误差方程组，通过对误差方程组的联立解算，实现激光指向天顶角和方位角以及激光测距值的系统误差的在轨标定。本方法不仅适用于不具备姿态机动能力的星载激光测高仪的在轨标定，而且能够同时实现激光指向和激光测距的系统误差的标定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定方法
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在轨标定方法，适用于在激光足印几何坐标已知的情况下，星载激光测高仪激光指向和距离的在轨标定。
技术介绍
星载激光测高仪是一种搭载在卫星平台上的新型对地观测设备，它可以准确获取卫星与地面目标之间的距离。结合卫星平台的位置、姿态和激光指向等信息，能够实现激光足印几何定位坐标的高精度解算。星载激光测高仪激光足印几何定位原理如图1所示，它是星载激光测高仪、卫星定位系统和卫星定姿系统三种传感器所采集数据的融合结果。根据矢量叠加原理，激光足印在国际地球坐标下的坐标矢量可以表示为：式中，代表卫星定位系统所获取的卫星平台位置矢量，代表卫星定位系统到激光测高仪的偏移矢量，代表由激光测高仪测距值和激光指向矢量确定的激光测距矢量，其中的激光指向矢量可以采用国际地球坐标系下的天顶角和方位角来表示。激光足印几何定位坐标的解算涉及多种坐标框架：1)激光测高仪载体坐标系是以激光发射参考点为原点，z轴朝下指向光学平台法线方向，x轴指向卫星飞行方向，y轴满足右手法则；2)卫星平台坐标系是以GPS或BDS的天线相位中心为原点，z轴指向地球质心(地心)，x轴指向卫星飞行方向，y轴满足右手法则；3)姿态平台坐标系是以其平台参考中心为原点，z轴朝下指向惯性平台法线方向，x轴指向卫星飞行方向，y轴满足右手法则；4)国际天球坐标系(ICRF)以地心为原点，z轴垂直于J2000.0历元的平均赤道面朝上，x轴指向J2000.0历元的动力学春分点，y轴满足右手法则；5)国际地球坐标系(ITRF)以地心为原点，z轴指向协议地球极(CTP)方向，x轴指向格林威治平均子午面与CTP赤道的交点，y轴满足右手法则。激光足印几何定位精度主要取决于卫星平台的定位精度、卫星定位系统到激光测高仪偏移量的测量精度以及激光测距矢量的测量精度。其中，采用高精度的卫星定轨技术可以提升卫星平台的定位精度，将卫星定位系统和激光测高仪安置进行刚性连接，能够减小卫星振动和温度变化所引起的偏移量误差，因此，影响激光足印几何定位精度的核心因素是激光测距矢量的测量精度，而激光测距矢量是由激光测距值和激光指向矢量综合确定的。星载激光测高仪在轨标定的目的就是消除激光测距和激光指向的系统误差，提高激光足印的几何定位精度。常见的星载激光测高仪在轨标定方式包括卫星姿态机动法、自然地表匹配法和地面足印探测器法。其中，地面足印探测器法是通过在地面布设若干足印探测器捕获激光足印中心坐标，并基于这些激光足印的先验坐标来反算激光测距值和激光指向信息。这种标定方法的成本较贵，但是其标定精度最高。截止目前，关于基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定方法的公开报道很少，已知的报道包括：1.基于地面探测器捕获的“真实激光足印坐标”和激光测高仪测得的“实际激光足印坐标”之间的差值实现激光指向角误差的在轨检校方法(Magruder,L.A.,Webb,C.E.,Urban,T.J.,etal.ICESataltimetrydataproductverificationatWhiteSandsSpaceHarbor[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,2007,45(1),147-155)，这种方法能够对激光指向角的在轨标定结果进行检校而无法提供激光指向矢量在特定空间坐标系下的角度系统误差；2.基于地面探测器获取的激光指向矢量和指向角残差模型实现激光指向角误差的在轨标定方法(易洪，李松，马跃，黄科等.基于足印探测的激光测高仪在轨标定[J].物理学报,2017,66(13),134206-134206)，这种方法能够获取激光指向矢量在特定空间坐标系下的方向余弦角的系统误差，但是要求卫星具有姿态机动能力，使得激光测高仪发射的激光在地面探测器的入射角能够持续改变。因而，对于没有姿态机动能力的卫星而言，该在轨标定方法不能适用。
技术实现思路
本专利技术主要是解决现有基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定方法所存在的问题：提出一种以星载激光测高仪和卫星平台的观测参数及激光足印的先验坐标为输入，以激光指向矢量的天顶角和方位角以及激光测距值的系统误差为变量，构建激光足印的距离偏移量模型，并以多个距离偏移量的平方和最小化为原则，将距离偏移量平方和对各系统误差变量求一阶偏导数以建立误差方程组，通过对误差方程组的联立解算，实现激光指向天顶角和方位角以及激光测距值的系统误差的在轨标定。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：一种基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定方法，包括以下过程：(1)首先根据星载激光测高仪在轨标定的初始参数，(2)计算激光指向矢量在国际天球坐标系下的天顶角和方位角；(3)然后解算星载激光测高仪测得的激光足印坐标与激光足印先验坐标之间的坐标偏差；(4)其次构建激光足印的距离偏移量方程；(5)再将距离偏移量平方和分别对系统误差变量求一阶偏导数以建立误差方程组；(6)最后解算误差方程组，获取激光指向矢量的天顶角和方位角以及激光测距值的系统误差。在上述的一种基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定方法，所述的星载激光测高仪在轨标定的初始参数包括：星载激光测高仪观测参数：激光测距值、激光指向矢量在激光测高仪载体坐标系下的天顶角和方位角。卫星平台传感器观测参数：卫星姿态系统的三个姿态角(侧滚角、俯仰角和航向角)和卫星定位系统在国际地球坐标系下的定位坐标。其他参数：在国际地球坐标系下的卫星定位系统到激光测高仪的偏移矢量、激光足印的先验坐标、国际天球和国际地球坐标系之间的转换矩阵。在上述的一种基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定方法，计算激光指向矢量在国际天球坐标系下的天顶角和方位角，包括以下子步骤：步骤2.1计算在国际天球坐标系下的激光指向矢量其中，表示测高仪载体坐标系下的激光指向，表示姿态转换矩阵。φk和εk分别表示激光矢量在测高仪载体坐标系下的天顶角和方位角，ωk、和θk分别表示三个姿态角，即侧滚角、俯仰角和航向角，下标k＝1，2，3，…N，N为测量的总次数。步骤2.2将激光指向矢量进行归一化处理得到激光指向矢量其中，表示激光指向矢量的模。步骤2.3计算激光指向矢量在国际天球坐标系下的天顶角αk和方位角βk：式中，和分别为矢量的第1和第3个元素。在上述的一种基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定方法，解算星载激光测高仪测得的激光足印坐标与激光足印先验坐标之间的坐标偏差，包括以下子步骤：3.1计算在国际地球坐标系下星载激光测高仪测得的激光足印坐标(xk，yk，zk)：式中，(xgk，ygk，zgk)是卫星定位系统在国际地球坐标系下的定位坐标，是在国际地球坐标系下的卫星定位系统到激光测高仪的偏移矢量，ρk是激光测高仪测得的激光测距值，Tt是国际天球坐标系到国际地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定方法，其特征在于，包括以下过程：/n步骤1，获取星载激光测高仪在轨标定的初始参数；/n步骤2，计算激光指向矢量在国际天球坐标系下的天顶角和方位角；/n步骤3，解算星载激光测高仪测得的激光足印坐标与激光足印先验坐标之间的坐标偏差；/n步骤4，构建激光足印的距离偏移量方程；/n步骤5，将距离偏移量平方和分别对系统误差变量求一阶偏导数以建立误差方程组；/n步骤6，解算误差方程组，获取激光指向矢量的天顶角和方位角以及激光测距值的系统误差。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定方法，其特征在于，包括以下过程：
步骤1，获取星载激光测高仪在轨标定的初始参数；
步骤2，计算激光指向矢量在国际天球坐标系下的天顶角和方位角；
步骤3，解算星载激光测高仪测得的激光足印坐标与激光足印先验坐标之间的坐标偏差；
步骤4，构建激光足印的距离偏移量方程；
步骤5，将距离偏移量平方和分别对系统误差变量求一阶偏导数以建立误差方程组；
步骤6，解算误差方程组，获取激光指向矢量的天顶角和方位角以及激光测距值的系统误差。


2.根据权利要求1所述的一种基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定方法，其特征在于：步骤1中所述的星载激光测高仪在轨标定的初始参数包括，
星载激光测高仪观测参数：激光测距值、激光指向矢量在激光测高仪载体坐标系下的天顶角和方位角；
卫星平台传感器观测参数：卫星姿态系统的三个姿态角，即侧滚角、俯仰角和航向角，卫星定位系统在国际地球坐标系下的定位坐标；
其他参数：在国际地球坐标系下的卫星定位系统到激光测高仪的偏移矢量、激光足印的先验坐标、国际天球和国际地球坐标系之间的转换矩阵。


3.根据权利要求1或2所述的一种基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定方法，其特征在于：步骤2中计算激光指向矢量在国际天球坐标系下的天顶角和方位角，包括以下子步骤：
步骤2.1，计算在国际天球坐标系下的激光指向矢量



其中，表示测高仪载体坐标系下的激光指向，表示姿态转换矩阵，φk和εk分别表示激光矢量在测高仪载体坐标系下的天顶角和方位角，ωk、和θk分别表示三个姿态角，即侧滚角、俯仰角和航向角，下标k＝1，2，3，…N，N为测量的总次数；
步骤2.2，将激光指向矢量进行归一化处理得到激光指向矢量其中，表示激光指向矢量的模；
步骤2.3，计算激光指向矢量在国际天球坐标系下的天顶角αk和方位角βk：



式中，和分别为矢量的第1和第3个元素。


4.根据权利要求3所述的一种基于激光足印先验坐标的星载激光测高仪在轨标定...

【专利技术属性】
技术研发人员：周辉，李松，马跃，田昕，杨晋陵，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42