星載激光測高儀檢校技術發展現狀淺析

韓玲田世強,謝俊峰

（1 長安大學，西安 710064）

（2 國家測繪地理信息局衛星測繪應用中心，北京 101300）

星載激光測高儀檢校技術發展現狀淺析

韓玲1田世強1,2謝俊峰2

（1 長安大學，西安 710064）

（2 國家測繪地理信息局衛星測繪應用中心，北京 101300）

星載激光測高儀是光學遙感衛星高精度復合測繪的重要載荷，其測量精度對提升衛星影像幾何定位精度至關重要。為更好地利用星載激光測高儀輔助航天攝影測量，需對激光測高儀進行在軌幾何檢校，對測高儀工作過程中存在的指向、測距等主要系統誤差進行標定。在軌幾何檢校的關鍵是檢校方法的選取，文章對當前的幾種檢校方法進行歸納總結，分析對比各種方法存在的優缺點；并在此基礎上，深入研究各種檢校方法原理和處理流程，根據星載激光測高儀的工作原理，構建了嚴密幾何模型，利用獲取的已知參數，通過最小二乘法可進行系統參數標定。通過分析得知，星載激光測高儀適合采用“基于地形法”和“地面靶標法”相結合的模式，其中“資源三號”衛星02星適合采用“地面探測器法”，“高分七號”衛星適合采用“傾斜地形檢校法”，“碳”衛星可采用兩種方法進行相互驗證。

星載激光測高儀 幾何檢校 發展現狀 遙感衛星

Key wordsspace-borne laser altimeter; geometric calibration; development status; remote sensing satellite

0 引言

星載激光測高儀采用衛星平臺，運行軌道高、觀測視野廣，為高程控制點和數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）的獲取提供了新的途徑[1-3]。

當前，星載激光測高系統主要有對月觀測Clementine系統和“嫦娥一號”系統、觀測空間小行星NRL系統、火星勘探MOLA-2系統以及美國于2003年發射的衛星ICESat搭載的全球唯一對地觀測激光測高系統（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS），GLAS的主要科研目的是監測兩極冰蓋地形隨時間變化情況，同時還可用于觀測陸地地貌、植被高度及云層和氣溶膠的分布特性[4]。

我國在2016年5月30日成功發射“資源三號”02星，在后續衛星計劃中將發射多顆遙感衛星，包括：“高分七號”衛星、“陸地生態碳”衛星等，它們均搭載激光測高儀，利用激光測高儀獲取大量的全球高精度高程控制點，極大提高現有國產測繪遙感衛星的全球測圖精度，特別是高程精度。同時也為極地冰蓋測繪、地理國情監測等應用提供重要的數據支撐。因此，對現有的星載激光測高儀幾何檢校方法進行深入研究，消除其測量過程中的系統誤差，對于提升我國測繪遙感衛星的應用潛力具有一定意義。

1 在軌幾何檢校

1.1 激光嚴密幾何模型構建

根據星載激光測高儀的工作原理，構建激光嚴密幾何模型，如下所示。

通過式（1）可知，激光測高儀工作過程中會存在指向、測距、姿態、軌道等誤差。其中，姿態、軌道等誤差是隨機誤差，指向與測距偏差中大部分包含系統誤差。測距偏差對高程誤差影響較大，對平面精度影響較少[5]。坡度是影響測距誤差的主要誤差源，在高山地區，高程誤差急劇增大。潮汐和大氣延遲也是影響測距誤差的因素，這部分誤差可以通過潮汐和大氣延遲改正加以消除。基于誤差傳播定律分析可知，姿態及指向誤差對平面精度影響較大，對高程精度影響較小。總體而言，激光測高的平面精度要低于高程精度[5]。

由于衛星發射過程中的振動等影響，α、β與實驗室的標定會存在差異，受時間同步、潮汐、大氣延遲的影響，測距值也會存在誤差，需要在軌檢校對其進行重新標定。針對GLAS系統，美國航空航天局Luthcke[6]、Martin[7]和Harding[8]等、德州奧斯汀分校Magruder等[9]、加州地球物理與行星物理研究所的Fricker等[10]分別使用位于全球范圍不同緯度的標定場地對其測距和指向等系統誤差進行在軌檢校。在剔除了絕大部分系統誤差后，GLAS系統實現了測距精度5cm，指向（包含橫滾和俯仰）1.5″（1σ）精度指標[11]。

1.2 激光檢校方法

根據激光測高儀檢校所需已知參數獲取方式不同，本文將目前國內外存在的檢校方法劃分為地面靶標法和基于地形法兩類。

1.2.1 地面靶標法

（1）地面探測器檢校法[12-14]

該方法是在檢校場內按一定規則布設一系列可捕獲衛星過頂時激光光斑紅外信號的探測器。探測器最小可探測的能量閾值根據激光探測器實測情況設定，能量響應閾值為1nJ/cm2左右。當衛星過頂時，探測到激光信號超過閾值則處于“開”狀態，否則狀態為“關”，由被觸發的探測器位置利用腳點坐標定位算法可以計算激光光斑質心的坐標，從而對激光測高儀誤差進行檢校，該方法的誤差方程為

式中spotX、spotY、spotZ為將各參數近似值帶入式（1）求得的坐標近似值；Δα、Δβ、Δρ為指向和測距的改正數，A矩陣為它們的偏導系數，P為權矩陣，X、Y、Z是利用探測器提取的激光光斑質心坐標，作為觀測值。

（2）機載紅外相機成像檢校法[15-16]

該方法示意圖如圖1所示，在檢校場內按一定規則布設一系列紅外發光二極管作為控制點，這些控制點陣列中心線平行于測高儀足印軌跡線，當夜間衛星飛過檢校場時，由飛機搭載紅外成像CCD相機進行同步飛行，通過航空攝影的方式對激光足印進行成像以捕獲若干個激光光斑。相機進行曝光成像時，由于飛機的運動，控制點在影像中呈條紋狀。根據獲取的航空紅外影像進行數據處理來獲取激光光斑與控制點的位置關系并利用控制點地面坐標即可精確計算激光光斑質心的真實坐標，從而對系統誤差進行標定。

（3）角棱鏡輔助法[17]

在布設地面探測器的基礎上，Magruder等人又使用了角棱鏡（Corner Cube Retroreflector，CCR）。CCR被放置在不同高度的桿子頂端，不同高度類似地形起伏，會在回波中產生時間差。通過在回波中產生的獨特信號，利用在數字波形中的時間信息和CCR回波強度信息，通過CCR信號分析程序來計算光斑質心位置。CCR返回信號相對于地面返回信號的強度信息可以反映CCR在光斑內的位置。

例如GLAS，所利用的CCR直徑為1.2cm，是為了使CCR和地面的能量密度相似，這樣便于進行波形比較。CCR回波和地面回波到達測高儀的時間差可在GLAS 01級數據中被發現。例如CCR桿子高為1.5m，則地面回波到達時間會比CCR回波到達時間晚10ns。如圖2所示，兩個峰值之間的時間差為10ns。反射信號由實線表示，發射脈沖的信號由點線表示。

圖1 機載紅外相機在軌檢校方法示意圖Fig.1 Airborne infrared camera on-orbit calibration method

圖2 CCR信號示意Fig.2 CCR signal sketch

地面靶標法的檢校流程，如圖3所示。

圖3 地面靶標法檢校流程Fig.3 Calibration flow of ground mark method

通過分析得知，地面靶標法有許多相似之處，對于檢校場的選擇，三種方法都要求地勢平坦、開闊且地表植被單一。在探測器布設間距方面，位置探測器要求較密，CCR較稀疏。為了擊中地面探測器，均要求衛星飛過目標區為天底指向。三種方法都需要利用差分GPS（±1m）測定探測器位置作為已知條件，并通過確定的激光光斑質心與激光測高儀發射前構建的模型解算的光斑質心作比較，利用最小二乘來對系統誤差進行檢校。從式（1）可得知，要解求3個未知參數，至少需要1個光斑質心。可以說地面探測器法是在機載紅外相機成像法基礎上的改進，地面探測器“模仿”紅外發光二極管，能夠自動被觸發并記錄能量強度，省去飛機與衛星同步飛過、相機在極短時間內曝光這些技術難題。而角棱鏡輔助法又在地面探測器的基礎上，加入了獨特的信號信息，通過對波形識別可以判斷是否擊中目標區。

1.2.2 基于地形法

（1）平坦地形檢校法[6]

該方法檢校流程如圖4所示，它是基于平坦地形如海平面或者平坦陸地來實現指向角標定。首先采用衛星姿態機動方式，利用海洋掃描或對整條軌道采用姿態機動方式（“Round”-The-World Scans，RTWS）來獲取測距觀測值，通過與檢校前雷達高度計測量的海平面距離值相比較，獲得測距殘差，利用貝葉斯最小二乘差分糾正來對系統參數進行標定。

圖4 平坦地形檢校法流程Fig.4 Calibration flow of flat terrain

（2）傾斜地形檢校法[7]

該方法檢校流程如圖5所示，通過波形分析來對激光測高儀的指向和測距偏差進行檢校。在衛星本體坐標系中，激光指向為為了通過距離殘差估算指向誤差，需要建立激光測距殘差和指向角α、β偏差的關系。對于GLAS，通過機載雷達來獲取回波波形仿真所需要的激光光斑內高程分布。光斑內高程點密度越大，對波形仿真的精度越有利。

圖5 坡度地形檢校法Fig.5 Tilted terrain calibration method

兩種基于地形的方法在檢校場選取方面的差別是：衛星姿態機動方式選擇平坦地區從而通過衛星姿態機動方式使指向誤差對測距殘差的影響很容易被發現。一般選在太平洋海面，航向角不變，俯仰和橫滾角方向按照正弦函數緩慢變化，正弦函數振幅為3°或5°，周期約為2 070s。檢校過程角度變化不能過快，以最大限度避免引入額外高頻姿態噪聲[18]。利用波形分析方法所需的時間較少，一般為10～20s，選擇的目標區表面要盡量規則，這樣波形更接近高斯擬合，便于仿真。檢校場需要選在坡度較大的地區，使激光測距對指向偏差特別敏感，便于該方法的施展。隨著坡度的增加，指向角檢校精度也會提高。當檢校精度為1.5″（1σ）、1.5″（2σ）、1.5″（3σ）時，地形坡度要求分別為2°、3.7°、5.9°[19]。

兩種基于地形的方法在檢校原理方面都是通過測距殘差來進行系統誤差檢校。衛星姿態機動方式由構建的模型計算的距離和實測的距離差值來獲取測距殘差，而基于波形分析方法是通過波形匹配來獲取測距殘差。在解算方式上，前者是通過將測距殘差代入到貝葉斯最小二乘公式中來解算指向、測距和定時等系統參數。后者是通過模型將測距殘差和指向角相關聯，對式（1）變形可得到測距與指向角的關系式，如下列公式所示，通過最小二乘來解算測距偏差和指向角偏差這三個參數。在檢校精度方面，兩種方法均滿足激光測高儀測量的精度要求。

激光出光參考點到地面光斑的距離誤差可以表示為：

這樣便得到了激光測距與指向角的關系式，其誤差方程為

1.3 分析對比

針對幾種在軌檢校方法進行對比分析，總結各自的優缺點，如表1所示。

表1 在軌檢校方法對比Tab.1 Comparison of on-orbit calibration method

多顆高分辨率遙感衛星計劃搭載激光測高儀，衛星設計參數如下所示。

表2 國產衛星激光系統參數Tab.2 Domestic satellite laser system parameter

2 結束語

根據各檢校方法的特點，結合衛星的參數特性，國產星載激光測高儀適合采用“基于地形法”和“地面靶標法”兩種方法相結合的模式。機載紅外相機成像法和角棱鏡輔助法適合作為輔助手段來為激光在軌檢校提供更多參考信息。2016年8月，“資源三號”02星在我國內蒙古蘇尼特地區采用“地面探測器法”已完成了高精度在軌幾何檢校。由于國產高分辨率遙感衛星一般采用大平臺、三軸姿態穩定系統，只具備整星側擺能力，“平坦地形檢校法”需要衛星姿態機動，敏捷性要求較高，國產衛星暫不適合。對于未來發射的“高分七號”衛星，因其具有波形解譯功能，借助波形獲取檢校場地形信息，可采用“傾斜地形檢校法”通過波形匹配來完成在軌幾何檢校。對于“碳”衛星，相比“資源三號”衛星02星、“高分七號”衛星，它的波束更多、脈沖的重頻更高，利用“地面探測器法”捕獲光斑的難度相比其它兩顆衛星要低的多，光斑直徑相比其它兩顆衛星也更小，可以獲取光斑內更準確的波形信息，因此可采用“地面探測器法”和“傾斜地形檢校法”相互驗證的檢校模式。

References)

[1] 李松. 星載激光測高儀發展現狀綜述[J]. 光學與光電技術, 2004, 2(6): 4-6. LI Song. Recent Progress of Spaceborne Laser Altimeter system[J]. Optics and Optoelectronic Technology, 2004, 2(6): 4-6. (in Chinese)

[2] 李然, 王成, 蘇國中, 等. 星載激光雷達的發展與應用[J]. 科技導報, 2007, 25(14): 58-63. LI Ran, WANG Cheng, SUN Guozhong, et al. Development and Applications of Spaceborne LiDAR[J]. Science & Technology Review, 2007, 25(14): 58-63. (in Chinese)

[3] 張翼飛, 楊輝. 激光高度計技術及其應用[J]. 中國航天, 2007, (12): 19-23. ZHANG Yifei, YANG Hui. Laser Altimeter Technology and Its Applications[J]. Aerospace China, 2007, (12): 19-23. (in Chinese)

[4] SCHUTZ B E, ZWALLY H J, SHUMAN C A, et al. Overview of the ICESat Mission[J]. Geophysical Research Letters, 2005, 32(21): 97-116.

[5] 岳春宇, 何紅艷, 鮑云飛, 等. 星載激光高度計幾何定位誤差傳播分析[J]. 航天返回與遙感, 2014, 35(2): 81-86. YUE Chunyu, HE Hongyan, BAO Yunfei, et al. Study on Error Propagation of Space-borne Laser Altimeter Geometric Positioning[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2014, 35(2): 81-86. (in Chinese)

[6] LUTHCKE S B, ROWLANDS D D, WILLIAMS T A, et al. Reduction of ICESat Systematic Geolocation Errors and the Impact on Ice Sheet Elevation Change Detection[J]. Geophysical Research Letters, 2005, 32(21): 312-321.

[7] MARTIN C F, THOMAS R H, KRABILL W B, et al. ICESat Range and Mounting Bias Estimation Over Precisely-surveyed Terrain[J]. Geophysical Research Letters, 2005, 32(21): 242-257.

[8] HARDING D J, CARABAJAL C C. ICESat Waveform Measurements of Within-footprint Topographic Relief and Vegetation Vertical Structure[J]. Geophysical Research Letters, 2005, 32(21): 741-746.

[9] MAGRUDER L A, WEBB C E, URBAN T J, et al. ICESat Altimetry Data Product Verfication at White Sands Space Harbor[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2007, 45(1): 147-155.

[10] FRICKER H A, BORSA A, MINSTER B, et al. Assessment of ICESat Performance at the Salar De Uyuni, Bolivia[J]. Geophysical Research Letters, 2005, 32(21): 261-265.

[11] 馬躍, 陽凡林, 易洪, 等. 對地觀測星載激光測高儀在軌姿態系統誤差檢校方法[J]. 紅外與激光工程, 2015, 44(8): 2401-2405. MA Yue, YANG Fanlin, YI Hong, et al. Calibration Method of On-orbit Attitude Systematic Error for Space-borne Laser Altimeter of Earth Observation[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(8): 2401-2405. (in Chinese)

[12] MAGRUDER L A, SILVERBERG E, WEBB C, et al. In Situ Timing and Pointing Verification of the ICESat Altimeter Using a Ground-based System[J]. Geophysical Research Letters, 2005, 322(21): 365-370.

[13] MAGRUDER L A, SCHUTZ B E, SILVERBERG E C. Laser Pointing Angle and Time of Measurement Verification of the ICESat Laser Altimeter Using a Ground-based Electro-optical Detection System[J]. Journal of Geodesy, 2003, 77(3): 148-154.

[14] MAGRUDER L A, SULEMAN M A, SCHUTZ B E. ICESat Laser Altimeter Measurement Time Valibration System[J]. Measurement Science & Technology, 2003, 14(11): 1978-1985.

[15] SCHUTZ B E. GLAS Altimeter Post-launch Calibration/Validation Plan[M]. Texas: Center for Space Research University of Texas, 2001: 45-53.

[16] MAGRUDER L A, RICKLEFS R L, SILVERBERG E C, et al. ICESat Geolocation Validation Using Airborne Photography[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2010, 48(6): 2758-2766.

[17] MAGRUDER L A, WEBB C E, URBAN T J, et al. ICESat Altimetry Data Product Verification at White Sands Space Harbor[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2007, 45(1): 147-155．

[18] FILIN S. Establishing Analytical Criteria for Selection of Sites for Calibration of Spaceborne Laser Altimeters[J]. IEEE International Geoscience & Remote Sensing Symposium, 2002, 6(1): 3591-3594.

[19] LISANO M E, SCHUTZ B E. Arcsecond-level Pointing Calibration for ICESat Laser Altimetry of Ice Sheets[J]. Journal of Geodesy, 2001, 75(2): 99-108.

Development Status of Calibration Technique for Space-borne Laser Altimeter

HAN Ling1TIAN Shiqiang1,2XIE Junfeng2
（1 Chang’an University, Xi’an 710064, China）
（2 Satellite Surveying and Mapping Application Center NASG, Beijing 101300, China）

Space-borne laser altimeter is regarded as an important load of satellite high-accuracy compound mapping; its measurement accuracy is crucial to improve geometric positioning accuracy. In order to use better space-borne laser altimeter to assist space photogrammetry, on-orbit geometric calibration of laser altimeter is needed, and the major system errors existing in the working process need to be calibrated. The key problem of on-orbit geometric calibration is how to choose the calibration method. Aimming at how to choose the most appropriate calibration method of the domestic laser altimeters, this paper summarizes several calibration methods, analyses the advantages and disadvantages of different methods, and on this basis, further studies various calibration methods principle and processing flow. According to the working principle of the space-borne laser altimeter, a strict geometric model is constructed, and using the known parameters, the system parameter calibration is made through least-square method. Through the analysis of that, domestic space-borne laser altimeter is suitable for using basing on terrain method and ground mark method. ZY-3 is suitable for the ground detector method, GF-7 is suitable for slope of the terrain calibration method, carbon satellite can adopt two methods to verify each other.

P237

A

1009-8518(2016)06-0011-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.06.002

韓玲，女，1964年生，2005年獲西北大學地球探測與信息技術專業工學博士學位。現為長安大學教授，博士生導師。研究方向為航天攝影測量。E-mail：hanling@chd.edu.cn。

（編輯：龐冰）

2016-06-26

公益性測繪行業專項（201412001，201512012）

田世強，男，1991年生，長安大學攝影測量與遙感專業在讀碩士研究生，研究方向為星載激光在軌檢校技術。E-mail：835301221@qq.com。