卫星激光测高严密几何模型研究.docx
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1、卫星激光测高严密几何模型研究采用星载激光测高仪辅助提高卫星立体影像几何定位精度十分是高程精度,已经得到了航天摄影测量界的重视,计划于2018年发射的高分七号卫星上将同时搭载光学立体相机和激光测高仪。固然,已有相关文献针对美国的ICESat卫星上搭载的地球科学激光测高系统GLAS的几何模型和产品精度做了相关介绍,但对其严密的几何定位模型和精度验证目前还没有系统性的阐述。本文较全面地对激光测高卫星的严密几何模型进行了构建与精度分析,并选择ICESat/GLAS的0级辅助文件,采用严密几何模型重现了2级产品的生产经过。将本文计算的结果与ICESat/GLAS的结果进行了比照分析,其中基于几何模型的高
2、程误差约11cm,平面误差在3cm以内,表明所提出的严密几何模型的正确性,同时采用新发射的资源三号02星的激光测高数据进行了初步处理和验证;相关结论可为国产高分后续卫星的激光测高数据处理提供参考。关键字:星载激光测高;严密几何模型;数据处理;精度验证1.引言激光雷达与成像光谱技术、合成孔径雷达技术一起被列为对地观测系统最核心的信息获取技术。美国NASA在1994和1997年两次将航天激光测高仪SLA安装在航天飞机上,以10Hz的频率、间隔750m和100m的脚印光斑采样方式获取并建立全球控制点库1。2003年,美国还发射了目前为止唯一的一颗对地观测激光测高卫星ICESat,该卫星上搭载了地球科
3、学激光测高系统GLAS,在极地冰盖监测、全球森林生物量估算、陆地高程测量等方面得到广泛应用2,3,而后续的ICESat-2和LIST卫星也正在研发之中4,5。计划中的国产高分七号以及陆地生态系统碳监测卫星上均搭载了激光测高仪,在2016年5月30日发射的资源三号02星上搭载了一个激光试验性载荷,唐新明7等建立了国产资源三号高分辨率光学测绘卫星的严密成像模型,而针对国产的激光测高卫星的定位模型研究基本处于空白。因而,对激光测高卫星的严密几何定位模型进行系统性的研究非常必要。在激光测高数据应用方面,朱长明7等从ICEsat/GLAS激光测高数据中反演出湖泊的动态水位高程,但前提是所选的激光测高足印
4、点要精度可靠;Li8等采用ICESat/GALS数据提出了一种基于机器学习的实时地形分类算法,并采用北京区域的数据开展了试验,且对数据的精度要求较高;胡文敏9等对我国的嫦娥一号激光测高数据开展了轨道穿插点分析和平差方法研究,Wu10、赵双明11等开展了嫦娥探月的激光测高数据与光学影像联合平差研究,但与对地观测还有一定差异;王任享12,李国元13等结合对地观测的卫星激光测高仪辅助光学立体影像平差和立体测图开展了相关研究,证实了激光测高数据辅助提高光学影像测图精度的可行性;李建成14、黄海兰15等曾采用ICESat/GLAS数据开展南极冰盖高程模型研究;Wang2等较系统地对ICESat/GLAS
5、在地学方面的应用作了梳理。而较高的数据精度是应用的前提。在精度分析方面,李鑫16等对激光测高卫星在不同地形条件下的探测能力进行了分析,但没有给出定量的结论;范春波17、朱剑锋18等对ICESat/GLAS脚点定位模型进行了介绍,但对于卫星运行速度引起的光行差改正没有提及,而在600km的轨道高度,激光单向传输约2ms的时间,光行差可达5角秒,对应地面距离约15m;马跃19等对星载激光测高系统高程误差进行了分析,但采用的是简化的定位模型,对硬件安装误差、测距误差等没有深化涉及;GLAS的ATBD20报告对GLAS脚点定位流程及误差做了较为具体的介绍,但该文档对一些细节并没有涉及。文章推导了激光测
6、高卫星严密几何定位模型,并对光行差、硬件安装误差做了分析,具体介绍了ICESat/GLAS的激光脚点定位原理和数据处理流程,利用GLAS数据重现了从0级到2级的生产经过,将计算结果与GLAS相应产品做了比照分析,同时利用资源三号02星的首轨激光测高数据的初步处理结果进行了验证。2.严密几何定位模型构建2.1严密几何定位模型激光测高卫星的基本原理是:通过卫星发射激光束经地面反射后由卫星接收,计算激光发射和接收的时间间隔t,光的传播速度为c,则激光单程传输距离p=c*t/2,结合卫星上搭载的GPS和星敏感器获得的卫星位置和姿态信息,即可获得激光脚印点的三维坐标。其严密几何模型如图1所示,其中las
7、erP为激光发射的参考点,GPSP为GPS天线相位中心,BodyO为卫星质心,GroundP为激光地面足印点。为描绘星载激光测高严密几何模型,定义卫星本体坐标系:卫星质心为原点,X轴指向卫星飞行方向,Z轴指向天顶方向,Y轴垂直于卫星轨道平面,与X、Z轴构成右手坐标系。激光发射时指向方向与卫星本体坐标系存在一定的夹角,假设激光指向与本体坐标系Z轴的负向夹角为,在XOY平面上的投影与X轴正向夹角为,如图2所示。若激光的测距值,激光参考点在本体坐标系中的坐标为:TLLxLyLz,则在激光脚点在卫星本体坐标系下的坐标为:sincossinsincosBodyLxLyL1卫星搭载的GPS定位系统能够测定
8、卫星的位置TGPSGPSGPSXYZ,但GPS的相位中心一般与卫星质心不完全重合,两者之间存在一定的偏差,假定GPS的相位中心在卫星本体坐标系下的坐标为:TPDxDyDz。卫星星敏感器相对于卫星本体坐标的安置矩阵为StarBodyR,而星敏感器测量的是星敏本体系到J2000坐标系下的旋转矩阵J2000StarR,所以还需要J2000坐标系到ITRF的坐标变换矩阵2000ITRFJR。2.2光行差引起的位置误差激光测高作为主动遥感方式,其传输途径为卫星到地面距离的两倍,假如卫星高度为600km,则往返一次所需时间约4ms,卫星前进距离约30m。以图3为例,卫星在A点发射一束激光,激光出射方向为A
9、G,卫星运行速度为v,光速为c,则当激光束在天球坐标系下的实际运动方向为AG,激光束到达地面的实际位置为G,此时卫星位置为B点,接收到激光回波时卫星位置为C。假如按发射时刻A点时的卫星姿态和位置计算地面点的位置,则与实际存在位置偏差GG。激光发射方向和实际传输方向的夹角为,由光速和卫星运行速度可得22:sinvc3其中为卫星运行速度与激光出射方向的夹角。为了尽量减少因激光高度角而引起的大气折射延迟,激光出射方向一般为天底点方向,即90。因而,5.2角秒,GG15m。此时,考虑因光行差对高程测量误差的影响,如图4所示,当激光指向角1时,此时因光行差而引起的高程误差为0.212m。当卫星轨道高度降
10、为500km时,因光行差而引起的高程误差虽略有下降,但随着指向角的变大会线性变大。为有效消除光行差引起的位置误差,ICESat卫星采用激光发射时刻的卫星姿态、激光到达地面时卫星的位置,即图3中卫星在A点的姿态和B的位置,解算激光足印在地面的实际位置G。2.3硬件安装误差引起的位置误差由公式2可知,硬件安装误差主要包括激光指向与卫星本体系的两个角度测量误差,卫星本体系与星敏本体系的轴向安装误差,以及激光参考点与卫星本体系原点、GPS天线相位中心与卫星本体系原点的偏心量测量误差。偏心量引起的位置误差基本是线性关系,而且目前偏心量的量测误差基本可达mm级。综合考虑,激光指向与卫星本体系以及卫星本体系
11、与星敏本体系的夹角关系,可简化为激光指向与星敏本体系存在两个夹角。3.ICESat/GLAS处理流程介绍ICESat/GLAS于2003年1月发射成功,2009年10月停止工作,分周期共工作了2465天,采集激光点约20亿个。GLAS数据产品分为0级、1级和2级,其中1级包括1A和1B,1级和2级产品又分为15类,即公开的GLA01GLA1523,24。ICESat/GLAS项目组公布了公式2所建立的严密几何定位模型的简化计算方法20,即采用ANC04惯性坐标系旋转矩阵、ANC08精细定轨数据(POD)25、ANC09精细定姿数据(PAD)22、ANC25时间转换数据以及激光测距值计算脚点三维
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- 关 键 词:
- 卫星 激光 测高 严密 几何 模型 研究
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