【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种星载激光雷达距离窗星上实时解算方法，属于星载激光雷达。
技术介绍
1、星载激光雷达发射的激光经大气传输到达地表，经地表反射后再次经过大气传输后被接收光学系统接收并由光电探测器转换为电信号。由于卫星轨道通常距离地表数百公里，激光脉冲的飞行时间在数毫秒量级。线性体制激光雷达通常使用高速模数转换(analogue to digital,ad)实现对探测器输出电信号的采样和存储。如果对激光脉冲的整个飞行过程进行全采样，以1ghz的采样率和16bit的采样深度为例，一个激光脉冲的采样数据需要至少6mb的存储空间，而其中携带了大气散射信号和地表反射信号的有效数据只占一小部分。基于卫星与地面站通信的带宽制约，需要在星上对数据进行处理，将携带了有效信息的数据下传。
2、目前，在星上实现实时的有效数据提取主要有两种技术方案，一种是先对波形进行全采样，然后通过信号处理算法识别地表/海表位置，进而将地表/海表附件一定高程范围内的数据进行下传；另一种方法是在采样前，利用卫星携带的数字高程模型(digitalelevation model,dem)以及卫星的姿态和轨道信息，对激光在地面光斑的位置进行预测，并利用预测的位置计算距离窗的开窗时延，实现对目标附近一定高程范围内的信号采样。
3、第一种方法对星上的实时处理性能要求较高，且容易受到低云等复杂气象条件的干扰，导致地表定位错误；第二种方法可以有效避免低云等复杂气象的影响，并且对芯片算力要求较低，但其距离窗预测的精度会受到卫星姿态轨道精度的制约，并且受制于卫星携带
技术实现思路
1、本专利技术目的是提供一种星载激光雷达距离窗星上实时解算方法，基于卫星携带的数字高程底图和卫星的姿态位置数据，快速估计激光光斑的地面位置，满足星上实时距离窗时延计算的要求，并能够在精度、实时性和硬件资源开销三方面取得较好地平衡。
2、一种星载激光雷达距离窗星上实时解算方法，其特征是包括以下步骤：
3、步骤1，姿态和轨道数据预测：使用三阶埃尔米特插值法通过卫星轨道观测的前十秒内的姿态，对下一秒的姿态和轨道数据进行预测。
4、步骤2，ecef坐标系下的激光发射矢量解算以及拟摄影点pe坐标获取：利用预测的卫星姿态和轨道数据，结合激光光斑定位模型以及坐标系转换，求解出ecef坐标系下激光发射矢量的预测值，并将该激光发射矢量和卫星位置坐标构建直线方程，与wgs84椭球方程联立求解，取其中距离卫星较小的解作为拟摄影点pe的坐标。
5、步骤3，基于步骤2获取的拟摄影点pe坐标进行测距值修正：利用拟摄影点坐标pe(lat0,lon0,0)的经纬度，从星上gnss模块所携带的低分辨率的dem网格数据中读取该经纬度网格对应的椭球高h低替换到pe中得到点ps(lat0,lon0,h低)，利用三角函数即lg＝d-h低/cos(θ1)得到推算摄影点pc0与卫星的距离lg，式中θ1≈θzen，θzen为卫星的天底角，d为卫星到拟摄影点pe的距离。
6、步骤4，基于步骤3修正后的距离值进一步计算推算摄影点pc0坐标并进行椭球高查找获取地面位置：利用修正后的距离值结合激光光斑定位模型计算推算摄影点pc0，获取推算摄影点pc0坐标后进一步在星上存储模块内的较高分辨率的dem中搜索pc0点的椭球高h高，得到最终得到推算摄影点坐标pc。
7、步骤5，基于步骤4计算的推算摄影点pc坐标进行距离窗开设：
8、将pc(latc,lonc,h)转为空间直角坐标pc(x1,y1,z1)，利用两点间距离公式计算点pc与卫星之间的距离；之后对影响星上实时预测光斑坐标精度的因素进行分析，依据不同因素引起的偏差确定距离窗开设的最小宽度，以保证所需数据落于窗内并设置距离窗开设时延。
9、影响预测光斑坐标精度的因素包括：①实际激光光斑与推算激光光斑的偏差；②星上解算坐标使用的dem数据在激光光斑位置的偏差；③卫星姿态和位置预测带来的偏差引起的偏差；④星上解算坐标使用的dem数据每个网格内的椭球高落差(即网格内椭球高的最大值与最小值的差)，即地形的起伏程度；上述四种情况带来的偏差都可以转为距离窗上的偏差，因此在确定距离窗开设宽度δhwindow时应当考虑以上偏差；利用四种偏差，
10、最小距离窗的宽度表示为：
11、
12、式中，δhwindow为距离窗开设宽度，σhdem为星上解算坐标使用dem数据在激光光斑位置的偏差；σp为实际激光光斑与推算激光光斑的偏差；δh为dem数据中网格内的椭球高落差；σρ为卫星姿态和位置预测带来的偏差，其中包含激光光斑的水平偏差和椭球高偏差，表示为：
13、
14、式中，σx,y为卫星姿态和位置预测带来的激光光斑的水平偏差，σh为预测所带来的椭球高偏差；
15、依据上述计算所得距离窗最小宽度进行距离窗开设，并计算距离窗的开设时延。
16、步骤5所述计算距离窗的开设时延如下，将lg减去距离窗宽度的一半除以光速，得到距离窗的开设时延，公式为距离窗时延计算公式。
17、
18、式中，lg为pc与卫星之间的距离，δhwindow为距离窗的宽度。
19、所述步骤3中，利用拟摄影点坐标pe(lat0,lon0,0)的经纬度从星上gnss模块所携带的低分辨率dem网格数据中读取对应椭球高h低时，依据低分辨率的dem网格点的行列号和网格间距，快速计算出pe经纬度对应的网格点，计算公式如下：
20、
21、式中，lat0和lon0分别为拟摄影点pe的经纬度坐标值，latc和lonc分别为拟摄影点pe的经纬度所对应的dem数据中的栅格行列号，round表示四舍五入到最近的整数,n为dem网格间距(如0.5°,0.05°等)。
22、本专利技术针对星上距离窗开设问题，提供了一种距离窗星上实时解算方法，本方法原理简单易懂，且充分考虑了卫星算力以及硬件存储的问题，在只需要访问一次外部存储数据的情况下可以得到实时的激光光斑预测位置并提前开设距离窗，减少了多次读取存储模块带来的算力消耗。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种星载激光雷达距离窗星上实时解算方法，其特征是包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述星载激光雷达距离窗星上实时解算方法，其特征是步骤5所述计算距离窗的开设时延如下，将lg减去距离窗宽度的一半除以光速，得到距离窗的开设时延，公式为距离窗时延计算公式：
3.根据权利要求1所述星载激光雷达距离窗星上实时解算方法，其特征是步骤3中，
【技术特征摘要】
1.一种星载激光雷达距离窗星上实时解算方法，其特征是包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述星载激光雷达距离窗星上实时解算方法，其特征是步骤5所述计算距离窗的开设时延如...
【专利技术属性】
技术研发人员：张智宇，赵鸿志，吴松华，唐军武，王丽丽，张可立，宋小全，张永超，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。