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《对地观测卫星激光几何检校技术规范》编制说明何检校技术规范201933002送审行业标准名称:对地观测卫星激光几何检校技术规范(此栏送审时填写)报批行业标准名称:对地观测卫星激光几何检校技术规范(此栏报批时填写)土卫星遥感应用中心1对地观测卫星激光几何检校技术规范编制说明来源年度自然资源标准修订工作计划的通知》(自然资办发[2019]49号),本标准本标卫星激光测高仪指向与测距均会发生一定变化。后续若需要将对地观测卫星数据广泛应用于各行业,首先需要对其开展在轨几何检校试验。然而,对地观测卫星激光几何检校由于受卫星姿态、轨道位置、大气延迟效应、潮汐、光行差等因素影响,检校方法流程复杂,检校精度难以保证。经对地观测卫星激光几何检校处理后得到的激光指向与测距参数,可用于精确解算出全球激光足印三维坐标,不仅可以为光斑应用提供精确地理位置,而且可以作为“高程控制”测绘地理信息行业对对地观测卫星激光几何检校标准和相应的技术流程规范提出了迫切的需求。星载激光对地观测技术作为天空地海一体化立体监测遥2。在国家大力发展对地观测卫星激光测高技术的背景下,形成规范化的卫星激光几何检校流程,有助于促进其技术进步,形成良好的行业应用,为更好地中国航天科技集团公司第五研究院第五〇八研究所等作为参编单位共同完成。编制组成员包括总体技术负责人和长期从事激光几何检校领域的专业技术人员表1编制组人员分工序号姓名单位任务分工备注1唐新明自然资源部国土卫星遥感应用中心负责标准框架结构的设计,主要技术内容修订研究工作2谢俊峰自然资源部国土卫星遥感应用中心负责标准框架结构的设计,主要技术内容修订研究工作3莫凡自然资源部国土卫星遥感应用中心负责规范技术路线确定、大纲框架规划、规范修改与审稿工作4窦显辉自然资源部国土卫星遥感应用中心负责规范技术路线确定、大纲框架规划、规范修改与审稿工作5李少宁湖南科技大学负责部分内容的起草与审查工作6李松武汉大学负责部分内容的起草与审查工作7唐洪钊自然资源部国土卫星遥感应用中心负责相关内容编写与协助通稿工作8李国鹏自然资源部第一地形测量大队参与标准技术内容编制9黄庚华中科院上海技术物理研究所参与标准起草及资料的搜集陈辉自然资源部国土卫星遥感应用中心参与标准起草及资料的搜集王春辉中国航天科技集团公司第五研究院负责部分内容的起草与审查工作胡芬自然资源部国土卫星遥感应用中心参与标准技术内容编制欧阳斯达自然资源部国土卫星遥感应用中心参与标准技术内容编制祝小勇自然资源部国土卫星遥感应用中心参与标准起草及资料的搜集3薛玉彩自然资源部国土卫星遥感应用中心参与标准技术内容编制1)征求意见稿阶段关现有标准,以及对地观测卫星激光几何检校处理的实际实施情况,编制组开软件、电子邮件和视频会议的形式与对地观测卫星激光几何检校领域生产作业单位、大学、科研院所的多位技术专家和生产专家进行多次交流探讨,并根据标准征求意见稿和编制说明。用分技术委员会标准化工作管理规定要求,征求意见稿发至卫星应用分技委全体委员、相关测绘单位和相关单位的专家,并在自然资源标准化信息服务平台议中国测绘科学研究院、河海大学、中国海洋大学、国家卫星海洋应用中心、中国自然资源航空物探遥感中心的专家参加预审会,专家对标准送审讨论稿和编制说明提出了针对性意见,意见主要集中在规范的适用范围、书写形式与内4容逻辑性等方面。会后,编制组根据预审会专家提出的意见,对标准及其编制于疫情等原因,标准编写进度滞后,后续编写组将加快编写进度,尽快上会评。3)报批稿阶段卫星应用分技术委员会组织召开了标准审查会,参加审查会的有中国测绘科学查,给出了审查结论。面向国家重大战略和行业重点业务工作的需求,围绕测绘地理信息标准体系建设、测绘地理信息转型升级等目标,明确对地观测卫星激光几何检校技术产。b卫星标准产品分级体系研究成果为基础5分析现有对地观测卫星激光几何检校技术方法,明确其与《对地观测卫星激光测高数据处理技术规范》、《对地观测卫星激光测高数据质量评价指标及方法》和《对地观测卫星激光测高数据产品》之间的联系与区别,确定对地观需要考虑长期业务化卫星激光在轨检校的可行性,未来国产激光测高卫星对地观测卫星激光几何检校是借助卫星激光测高仪开展天空地海一体化立体监测中重要的一项技术,应遵循测绘标准体系,确定本标准的定位、内容以及与其它标准的关系。标准编制过程中充分考虑到行业领域技术发展现状和实际工作需求,依托已有的技术优势和前期研究基础,不断总结经验,凝练对地有指导作用,为形成统一而高效的行业技术规范,指导后续检校业务化作业,发展空间。因此需要明确最基本、最普遍适用的技术指标和要求以进行规范和约定,使之既可控制整个对地观测卫星激光业务化几何检校全过程的质量,又可以充分发作为指导和规范生产作业的技术标准,应具有实用性与可继承性。国内区6域或旧的指标和要求有的必须调整以适应新技术的发展和境外作业的特点,有由于硬件载荷研制具备一定优势,国外在对地观测卫星激光测高仪的检校指向角检校方法,以海洋面为基准,通过卫星姿态机动扫描的方式实现指向误校方法,在夜间卫星过顶时由飞机搭载红外相机同步捕获若干个激光光斑,通位。国内部分科研院所在对地观测卫星激光测高仪在轨几何检校开展了研究工作,其中武汉大学和原国家测绘地理信息局取得了较多的成果。马跃等提出了对地观测卫星激光测高仪在轨姿态系统误差检校方法,该方法建立了姿态误差与地表先验信息的数学模型,通过卫星对大洋面进行姿态机动获取数据来校正卫星在轨系统误差。岳春宇、范春波等从理论上推导了对地观测卫星激光测高仪定位误差传播模型。王建宇、平劲松、黄倩等对嫦娥一号搭载的我国首台对标要求。谢俊峰等在分析国内外激光几何检校与处理的基础上,深入研究了激光测距误差分析、基于地面探测器捕获的能量光斑中心定位、基于地面探测器光测高仪在轨几何检校试验中得到试验验证。验证结果表明,构建的基于地面7GFmZY激光测高仪精度达到了目前,国内外的研究在具体方法上均取得了较大的进展,通过试验表明,具有较好的实践价值。对地观测卫星激光测高仪在轨几何检校是激光测高仪也将进入业务化运行的阶段,通过检校作业可有效检验载荷的基本状态,同时优化几何精度,满足业务化生产的需要。但对地观测卫星激光测高仪在轨几何检校涉及多项关键技术,不同技术又属于不同领域,多个相对独立的环节中包含多项技术标准,这些标准仍未形成统一的技术指标。这些都不利于对地观测卫任务的开展和在行业内的推广应用。本标准在制定过程中,广泛收集了相关国家标准和行业标准,作为本标准CHT011《数字航空摄影测量控制测量规范》GBT0-2018《机载激光雷达点云数据质量评价指标及计算方法》8基本术语要求,是很多测绘标准的基础,用于解释本标准中的部分专业术语。GBTGBTGBTCHT3006-2011属于测绘产品、成果机载激光数据处理的规范,对星载激光检校有一定的参考作用,但对对检校技通过分析,可以发现现有标准难以满足对地观测卫星激光几何检校的技术要求,需要开展针对性的标准制定工作,以更好地指导相关作业。标准化的试验流程是国产卫星激光在轨检校走向业务化前提条件,构建对地观测卫星激光位在本标准编制过程中,《对地观测卫星激光测高数据处理技术规范》等与卫星激光检校的标准也处于报批阶段,各标准之间相互协调,保持标准内容间的一致性,避免新制定标准同已经颁布实施或正在报批的相关标准之间的冲突和矛盾。本标准对对地观测卫星激光几何检校的作业流程、处理方法、精度指标和质量控制等方面进行了相应的规定,规范了对地观测卫星激光几何检校流程,明确在业务化生产过程中的技术执行步骤,用于指导卫星激光几何检校试.2确定标准主要内容的依据本标准的任务是规范并指导对地观测卫星激光几何检校作业环节,用于对地观测卫星激光几何检校试验。为提高标准的实用性,编制组在标准制定前期9进行了大量的调研、资料收集,以及技术试验等工作,在编制过程中与国家卫用主编单位的有利条件,总结凝练对地观测激光几何检校作业经验,开展了大的重要依据。已发射卫星激光系统针对卫星激光测高仪的研究已进行了好多年,从已经公开的资料来看,国onSatelliteICESatMOLAMarsOrbitermmGLAS高程测量精度优于S同时也可用和海冰的高度分布以及云层、气溶胶分布的测量中。AltimeterSystem)是目前唯一的星载光子计数激光测高雷达,主要用于测量海冰变化、地表三维信息,并测量植被冠层高度用以估计全球生物总量。在南OLALunarOrbiterLaserAltimeter表2国外卫星激光系统参数系统GLASATLASMOLA-2ClementineNRL基本参数质量/kg30025.852.375功率/w33034.26.820.7(最高)16.5(平均)发射及轨道信息平台ICESAT卫星ICESAT卫星火星探测器MGS月球探测器Clementine近地小行星探测器NEAR发射时间20032018计划寿命/a33331轨道高度/km60050040064050观测对象极地冰盖、云、气溶胶海冰、地表、植被冠层高度火星月球Eros小行星激光器型号75mJ@1064nm35mJ@532nm@532nmNd:YAGNd:YAG@532/1064nmNd:YAG脉冲宽度/ns418脉冲重复频率/HZ40Continuous@1Hz400shots@8Hz单脉冲能量/mJ75mJ@1064nm35mJ@532nm@532nm48mJ1064nm9mJ@532nm>5光束发散角/mrad0.10.4<0.5mrad@1064nm4mrad@532nm0.235接收系统望远镜口径Φ1.0mΦ0.8mΦ500m与高分辨率相机共用Φ12mmΦ90mm视场角(FOV)0.15mrad@532nm0.85mrad1mrad总接收面积.5mm2>0.9mrad光电转换器件SiAPDGeiger-modeAPDSiAPDSiAPDSiAPD时钟计数频率1GHz100MHz3-23MHz480MHz精度指标垂直分辨率/m(冰、陆地)532nm:75-200(云)0.11400.32水平1064nm:170532nm:17沿径方向:500分辨率/m(沿径方向)532nm:75-200(云/气溶胶)300跨轨方向:4000高载荷。火箭成功发射高分辨率对地观测系统重大专项高分七号卫星。高分七号卫星装表3国内已发射的激光测高系统参数系统嫦娥一号卫星资源三号02星高分七号卫星资源三号03星碳卫星基本参数质量/kg23502695约2600约2600发射及轨道信息发射情况已发射已发射已发射已发射待发射发射时间20072016201920202022计划寿命/a15885轨道高度/km200505505505500左右观测对象月球地球地球地球地球激光器脉冲宽度/ns5-7优于7优于74优于7波束单波束单波束2波束单波束5波束脉冲重复频率/HZ123/6(检校模式)2测距≥35,气溶胶≥20单脉冲能量/mJ210望远镜口径/mm210600210激光波长/nm1064.46望远镜焦距/mm538600光斑大小/m<20050304525距离测量范围/km(200±25)不小于520km±20km450~550不小于520km±20km不小于520km±20km探测概率95%≥95%≥95%≥95%≥95%精度指标测距精度/m5优于1.0(坡度优于0.3(坡度优于1.0(坡度优于0.3姿态稳定度5×10-4deg/s2×10-4deg/s5×10-4deg/s5×10-4deg/s激光测高仪工作原理间来获取距离值,接受发射t=T-接受发射根据波形确定激光脉(1)图1激光渡越时间示意图(2)光脉冲的时间差来推算目标到卫星的距离,再根据卫星的姿态轨道参数解算出图2激光测高仪几何模型.5卫星激光几何检校方法选取激光测高仪工作过程中会存在指向、测距、姿态、轨道等误差。其中,姿态、轨道等误差是随机误差,指向与测距偏差中大部分包含系统误差。测距偏中的振动等影响,激光指向角与实验室的标定结果会存在差异,受时统、潮汐、大气延迟的影响,测距值也会存在误差,需要卫星几何检校对其进行重新标定。根据参考源获取方式不同,可将目前主要在轨几何检校方法归纳为基于人工地面标志检校和基于自然地物检校两大类。其中,基于人工地面标志检校方法有地面探法等。(1)基于人工地面标志检校该方法是在检校场内按一定规则布设一系列可捕获卫星过顶时激光光斑红外信号的探测器。探测器最小可探测的能量阈值根据激光探测器实测情况设而对激光测高仪误差进行检校。校法在检校场内按一定规则布设一系列红外发光二极管(IRLED)作为控制点,这些控制点阵列中心线平行于测高仪足印轨迹线,当夜间卫星飞过检校场时,制点在影像中呈条纹状。根据获取的航空红外影像进行数据处理来获取激光光斑与控制点的位置关系并利用控制点地面坐标即可精确计算激光光斑质心的真roreflectorCCRCCR形起伏,会在回波中产生时间差。通过在回波中产生的独特信号,利用在数字(2)基于自然地物检校该方法检主要基于平坦地形如海平面或者平坦陆地来实现指向角检校。首cansOS观测值,利用贝叶斯最小二乘差分纠正来减小高度计测距残差从而估计激光指向、测距、定时、轨道误差参数。海平面的高程在检校前通过雷达高度计测量该方法通过波形分析来对激光测高系统的指向和测距偏差检校。在本体坐标系中,激光指向方向为[sinYcosX,-sinY,-cosYcosX],为了从距离残差估算XY偏差的关系。对于GLAS,通过AirborneTopographicMapper(ATM)来获取回波波形仿真所需要的激光脚点内表4几种激光几何检校方法对比基于人工地面标志检校法基于自然地物检校法地面探测器法机载红外相机成像法CCR方法平坦地形检校法坡度地形检校法优点O不受时间限制,白天或夜间都可以进行;探测系统具有自动性;探测器扩展至时间测量系统,能对校;④不需要卫星观测值),可作为独立验证。O能获得激光脚点光强分布;能为回波波形提供一些参数参考;不需要卫星观测数据(包括测距值),可作为独立验证;④检校精度比地面探测法略高些,两种方法可以互为补充互相验证。O作为地面探手段,且可以对检校;探测器阵列,以器阵列。O可以对整条轨道指向偏差进行统计分析且可以使测距误差和指向偏差相分离,单独对指向偏差进行修正; 通过卫星姿态机动方式可以获取大量观测值,为最小据;O精度较高; 无需外业作业测器,成本较低; 提高检校频次;④该方法对卫星性能要求较低。缺点O设计探测器件并对探测器件进行检校测量;脚点定位原理是建立在脚点光斑为规则圆形且激光光布;受大气延迟和探测器的敏感度、位置、间距影响,对探测器的一致性要求高且成本较高;④布设上千个探测器,需要较大的人力。O导航及相机曝光控制要求高;只能在夜间且月亮处于地平线下时实施; 激光到达地表时,足印能量密度低造成对足印成像处理困难(该方法最大的难度),成功率较低。O接收端会存现象;的特性,经度方向误差小,纬度方向误差大; 它方法较低。O需要星上数据和识;对卫星的敏捷性要求较高;会引入额外的高频姿态噪声;④通过姿态机动方式获取大量观测值需要耗费较长时间钟;⑤检校场选在海平面受潮汐和气压影响且平坦也仅是一般意义上,不是严格意义。O波形仿真难度对波形仿真的精度要求高; 对检校场的地形要求较高;④检校精度受坡反射率等环境因素影响。针对上述几种激光几何检校方法进行对比分析,总结各自的优缺点,如表所示。基于自然地物检校法无需外业支持,成本较低,但精度相对较低,无法几何检校的需求,其中地面探测器法实施可行性更高,所以通常采用该方法进对检校场地的要求基于地面探测器的卫星激光测高仪的检校需要临时检校场地,检校场地的选取关系着参数检校的精度,同时也影响着检校作业的实施难易程度。从目前要求:由于激光波形受地形影响较大,为尽量减少干扰,检校场应选择平地地面积;为了便于检校设备的运输和人员的安全等,临时检校场应铺设在郊区或.7对激光几何检校精度的要求激光测高的极限精度由载荷设计精度决定,但由于卫星发射过程中的震荡和在轨后的环境变化等原因,导致在轨后激光测高精度与载荷设计精度有较大差异。为了提升激光测高精度,使其接近或达到载荷设计精度,卫星几何检校是必须开展的技术环节。激光几何检校是在卫星在轨初期和业务化运行后周期激光几何检校精度主要取决于控制点测量精度和检校算法精度。控制点测影响检校的平面和高程精度,激光地面探测器的质心提取精度在检校精度的平校模型、大气校正、潮汐改正等多个过程,每个环节都存在误差,综合考虑各测高仪经过实验室标校后的距离测量精度,即载荷设计精度,高程精度计算方三、验证试验的情况和结果中心坐标作为地面控制,先采用单检校场独立以及多检校场联合等不同组合方表5三个区域的相互验证结果外推参数检查数据平面位置误差/m高程误差/m经度方向纬度方向2016-08-09检校结果8-146.25-0.392016-08-29-9.2600.7798-14检校结果2016-08-09-5.71012.5560.8512016-08-29-23.50-2.6700.8912016-08-29检校结果2016-08-090.8618-145.2110.360多检校场联合检校结果2016-08-098.780-0.2350.4918-147.77830.492016-08-299.890-4.998-0.689从上表可以看出,基于单个检校场数据检校后,利用其他检校场参考数据进行验证,平面精度优于20m,最大高程精度优于0.9m。利用三个检校场数据且无法兼顾系统误差参数随时间变化部分,因此检校精度相对较低,因此试验校结果。表6不同地形坡度下激光测高数据的相对高程精度统计轨道号对比激光测高数据误差(均值±中误差)坡度<2°2°<坡度<5°5°<坡度<10°坡度>10°382检校前52±126.9421±140.633.2±157.53检校后-0.71±3.33914检校前114.68±158.659.31±211.65检校后-0.72±2.020.80±5.31944检校前143.8523.5±172.64检校后-0.56±4.80960检校前.38±151.3629.12±205.37检校后0.50±6.86检校前70.69±91.4935.85±97.8743.89±159.84检校后0.24±2.63-0.87±4.641.82±5.29检校前47149.2检校后0.40±2.83-0.61±3.330.89±5.57检校前93125.298±149.0±192.91检校后1.09±2.51-0.26±3.03-2.20±4.95-0.30±4.80检校前45.29±189.07检校后1.38±2.850.31±3.330.77±5.92a)激光与参考高程值b)高程差值图3第944轨资源三号02星激光测高与AW3D30高程对比(检校前)a)高程值b)高程差值图4第944轨资源三号02星激光测高与AW3D30高程对比(检校后)0a)高程值b)高程差值图5第1081轨资源三号02星激光测高与AW3D30高程对比(检校前)a)高程值b)高程差值图6第1081轨资源三号02星激光测高与AW3D30高程对比(检校后)为了进一步确定激光测高精度,试验采用外业实测的方式,利用RTK测量D评价,检校后以实测的控制点作为参考评价。检校前后激光高程数据与各自参1图7检校前后激光高程及其差值变化表7检校前后激光测高值统计序号激光测量高程值/m高程差值/m检校前检校后检校前检校后1980.92892.9574.342985.71897.74-0.023990.23902.27100.270.964994.24906.3097.885998.64910.6992.9661007.49919.5499.560.8471035.77947.8287-0.491178.04217.490.92均值/m--0.74中误差/m--70.862表8激光测高参数检校结果检校阶段Angle_X/

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