唐新明，謝俊峰,2，莫 凡，朱廣彬，竇顯輝，張 強(qiáng)，李國(guó)元，歐陽(yáng)斯達(dá)

1. 國(guó)家測(cè)繪地理信息局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心，北京 海淀 100048； 2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 3. 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079

?

資源三號(hào)02星激光測(cè)高儀足印位置預(yù)報(bào)方法

唐新明1，謝俊峰1,2，莫 凡1，朱廣彬1，竇顯輝1，張 強(qiáng)3，李國(guó)元1，歐陽(yáng)斯達(dá)1

1. 國(guó)家測(cè)繪地理信息局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心，北京 海淀 100048； 2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 3. 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079

激光測(cè)高儀在軌幾何檢校是提高激光點(diǎn)平面和高程精度的必要途徑，而激光足印地準(zhǔn)確捕獲是成功開(kāi)展激光測(cè)高儀在軌幾何檢校的前提。本文針對(duì)資源三號(hào)02星搭載的我國(guó)首臺(tái)激光測(cè)高儀的在軌幾何檢校試驗(yàn)需要，在參考光學(xué)遙感衛(wèi)星成像幾何模型的基礎(chǔ)上，提出并構(gòu)建了一套嚴(yán)密的激光足印位置預(yù)報(bào)模型。該模型充分顧及衛(wèi)星平臺(tái)在軌運(yùn)行規(guī)律及激光與衛(wèi)星相對(duì)幾何關(guān)系，建立了激光發(fā)射點(diǎn)到地面足印的嚴(yán)密幾何定位預(yù)報(bào)模型，通過(guò)金字塔地形匹配、基于加速度軌道預(yù)測(cè)以及頻率域姿態(tài)分析分別獲取預(yù)估的激光指向、軌道位置和姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)地面激光足印的位置預(yù)報(bào)。該模型已應(yīng)用于資源三號(hào)02星激光測(cè)高儀在軌幾何檢校試驗(yàn)中，預(yù)報(bào)的激光足印位置與探測(cè)器捕獲到的實(shí)際位置的最大誤差小于150 m，充分驗(yàn)證了預(yù)報(bào)模型的正確性，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)遙感衛(wèi)星從天上到地面點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的精確預(yù)報(bào)，為國(guó)產(chǎn)激光測(cè)高儀在軌幾何檢校提供了有力的技術(shù)支撐。

激光測(cè)高儀；激光足?。粐?yán)密幾何定位預(yù)報(bào)模型；指向預(yù)估；軌道預(yù)報(bào)；姿態(tài)預(yù)報(bào)

2016年5月30日，我國(guó)資源三號(hào)02星首次搭載了一臺(tái)試驗(yàn)性激光測(cè)高儀，用于開(kāi)展地表高程信息獲取試驗(yàn)[1]。星載激光測(cè)高儀是一種精確的主動(dòng)式測(cè)距載荷，其獲取的高精度地表高程信息可與光學(xué)立體影像聯(lián)合實(shí)現(xiàn)復(fù)合測(cè)繪[2]。由于受火箭推力力矩變化、平臺(tái)振動(dòng)、外界環(huán)境變化、時(shí)統(tǒng)誤差等因素影響，激光測(cè)高儀的指向、測(cè)距等參數(shù)較發(fā)射前實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值均會(huì)發(fā)生一定變化，從而影響了激光測(cè)高儀自身測(cè)量幾何精度以及與光學(xué)立體影像復(fù)合測(cè)繪的精度，因此，有必要在資源三號(hào)02星上天后開(kāi)展激光測(cè)高儀在軌幾何檢校試驗(yàn)，消除其激光載荷的指向、測(cè)距等系統(tǒng)誤差[3-4]。在資源三號(hào)02星發(fā)射前，只有美國(guó)ICEsat(ice,cloud and land elevation satellite)衛(wèi)星上搭載了對(duì)地觀測(cè)激光測(cè)高儀(geo-science laser altimetry system,GLAS)[5]。針對(duì)GLAS在軌幾何檢校，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已有一些研究[6-7]。根據(jù)參考源不同，可歸納為基于地面探測(cè)器檢校[8-13]和基于自然地形檢校[6-7,14]兩大類。自然地形檢校方法主要依賴衛(wèi)星機(jī)動(dòng)或者波形數(shù)據(jù)，然而由于我國(guó)資源三號(hào)02星首次搭載的激光測(cè)高儀為試驗(yàn)性載荷，只有測(cè)距數(shù)據(jù)，不下傳波形；同時(shí)衛(wèi)星采用三軸姿態(tài)穩(wěn)定大平臺(tái)，僅具備左右側(cè)擺能力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)圓錐掃描等復(fù)雜姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力，因此，資源三號(hào)02星激光測(cè)高儀主要通過(guò)地面探測(cè)器檢校法來(lái)實(shí)現(xiàn)在軌幾何檢校[8-11]。

基于地面探測(cè)器檢校法也是GLAS主要的幾何檢校手段之一。該方法需要提前預(yù)知星載激光測(cè)高儀足印的位置，并在衛(wèi)星過(guò)境前在該位置布設(shè)地面紅外探測(cè)器陣列，精確捕獲衛(wèi)星過(guò)境時(shí)激光足印光斑能量并確定中心位置，然后將光斑質(zhì)心坐標(biāo)作為地面控制實(shí)現(xiàn)激光測(cè)高儀在軌幾何檢校解算。因此，激光足印位置預(yù)報(bào)是星載激光測(cè)高儀地面探測(cè)器檢校試驗(yàn)的第一步，預(yù)報(bào)的精度不僅關(guān)系著探測(cè)器陣列布設(shè)的大小，甚至決定著試驗(yàn)的成敗。對(duì)于美國(guó)GLAS而言，由于其脈沖重頻高，為40 Hz，按照衛(wèi)星飛行速度，沿軌方向相鄰激光足印間距為170 m左右，即只要沿軌方向上探測(cè)器陣列布設(shè)范圍大于該距離，就能順利捕獲到光斑[15]，因此其試驗(yàn)成功率高，實(shí)施難度較小。對(duì)于資源三號(hào)02星激光測(cè)高儀而言，其脈沖發(fā)射頻率為2 Hz，沿軌方向相鄰足印質(zhì)心相距為3.5 km左右。如果不開(kāi)展激光足印位置精確預(yù)報(bào)，需要布設(shè)超過(guò)3.5 km的探測(cè)器陣列才能捕獲激光光斑。不僅探測(cè)器數(shù)量及耗費(fèi)巨大，而且衛(wèi)星過(guò)境前短時(shí)間內(nèi)難以完成布設(shè)任務(wù)，不具備工程可實(shí)施性。因此，亟需開(kāi)展資源三號(hào)02星激光足印位置預(yù)報(bào)方法研究，為激光載荷在軌幾何檢校試驗(yàn)實(shí)施提供技術(shù)支撐。

本文針對(duì)資源三號(hào)02星激光測(cè)高儀在軌幾何檢校試驗(yàn)需求，在分析光學(xué)遙感衛(wèi)星姿態(tài)變化和軌道運(yùn)行規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用了大平臺(tái)衛(wèi)星在軌運(yùn)行姿軌高穩(wěn)定度的特點(diǎn)，構(gòu)建了一套在軌道坐標(biāo)系下的嚴(yán)密激光足印位置預(yù)報(bào)模型，該模型充分借鑒了激光測(cè)高儀光束定位幾何原理，采用了基于地形匹配的指向預(yù)估、基于經(jīng)驗(yàn)加速度的軌道預(yù)報(bào)和基于頻域分析的姿態(tài)預(yù)報(bào)方法，獲取過(guò)境時(shí)刻對(duì)應(yīng)預(yù)報(bào)參數(shù)的計(jì)算。最后，利用衛(wèi)星在軌測(cè)試期間成功捕獲的激光足印數(shù)據(jù)，與預(yù)報(bào)的足印位置進(jìn)行對(duì)比分析，全面評(píng)價(jià)模型的預(yù)報(bào)精度。

1 激光足印嚴(yán)密幾何預(yù)報(bào)模型

基于單光束幾何定位的原理，綜合考慮衛(wèi)星平臺(tái)質(zhì)心、激光器發(fā)射位置、GPS天線質(zhì)心以及地球橢球面的相對(duì)位置偏移和旋轉(zhuǎn)幾何關(guān)系，并充分顧及星體在軌道坐標(biāo)系下的幾何物理意義[16]，構(gòu)建的嚴(yán)密幾何預(yù)報(bào)模型如式(1)所示

(1)

由于采用不同的激光指向計(jì)算的地面高程值都不同，理論上，只有正確的激光指向計(jì)算出來(lái)的激光點(diǎn)高程值才與真實(shí)的地形最接近?；谠撛?，提出了一種基于金字塔地形匹配策略的指向預(yù)估方法。其計(jì)算原理如圖1所示。

基本流程是依次累加不同的指向，通過(guò)計(jì)算整軌甚至多軌激光對(duì)應(yīng)地面區(qū)域的高程信息，將得到的高程信息與真實(shí)的地形高程信息進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算高程值與真實(shí)地形高程最接近時(shí)，對(duì)應(yīng)的指向?yàn)樽顑?yōu)指向估計(jì)值。由于計(jì)算量大，本文提出采用金字塔分層搜索方法可以提高搜索效率，從而較短時(shí)間內(nèi)獲取較高精度的指向預(yù)估值。計(jì)算公式為

圖1 基于金字塔策略地形匹配的指向預(yù)估原理圖Fig.1 Established angle prediction by pyramid

(2)

利用衛(wèi)星下傳雙頻GPS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合快速發(fā)布的GPS軌道和鐘差產(chǎn)品計(jì)算衛(wèi)星過(guò)境前一段時(shí)間里的精密軌道，再利用擬合經(jīng)驗(yàn)加速度的方法進(jìn)行軌道預(yù)報(bào)[18]。

基于經(jīng)驗(yàn)加速度的軌道預(yù)報(bào)公式為

(3)

式中

待估參數(shù)Y包括衛(wèi)星初值位置和速度y0、CD、CR及經(jīng)驗(yàn)加速度

(4)

式中，CD和CR作為常值估計(jì)。

1.3 基于頻域擬合預(yù)報(bào)姿態(tài)roll、pitch和yaw

利用過(guò)境前一段時(shí)間累積的原始姿態(tài)數(shù)據(jù)，估計(jì)衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)抖動(dòng)的一系列固有頻率，引入了一般多項(xiàng)式和三角多項(xiàng)式對(duì)累積姿態(tài)進(jìn)行外推，能夠較好的保證姿態(tài)精度，其中姿態(tài)頻域分析預(yù)報(bào)的公式為(以roll為例)

(5)

式中，roll預(yù)報(bào)的橫滾姿態(tài)結(jié)果；c0為常量；k為頻率區(qū)段的個(gè)數(shù)；ck為第k個(gè)頻率段的振幅值；Fk為頻率值；t為時(shí)間；θk為初相位。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

2.1 激光足印位置預(yù)報(bào)試驗(yàn)

在資源三號(hào)02星在軌測(cè)試期間，利用本文構(gòu)建的激光足印位置預(yù)報(bào)模型，分別于2016年8月9日、14日、29日開(kāi)展了3次激光在軌檢校試驗(yàn)。其中，2016年8月9日為衛(wèi)星上天后激光測(cè)高儀第一次檢校試驗(yàn)，因此，采用的指向、軌道和姿態(tài)等數(shù)據(jù)均為預(yù)報(bào)的結(jié)果。后面試驗(yàn)中指向均采用前次檢校的結(jié)果。

下面以2016年8月9日試驗(yàn)為例，給出指向、軌道和姿態(tài)的預(yù)報(bào)結(jié)果及最終預(yù)報(bào)誤差。

2.1.1 基于地形匹配的指向預(yù)報(bào)結(jié)果

根據(jù)本文所提方法，在指向預(yù)估時(shí)，第1層金字塔的遍歷間隔為0.1°，第2層為1′，第3層為1″，3層搜索的結(jié)果分別如圖2所示；地面參考地形數(shù)據(jù)采用30 m格網(wǎng)的AW3D30數(shù)據(jù)[21]，指向預(yù)估結(jié)果與在軌幾何檢校的最終指向的差值為Δα=-0.005 358 9°，Δβ=-0.003 465°，可見(jiàn)具有較高的預(yù)估精度。

2.1.2 基于經(jīng)驗(yàn)加速度的軌道預(yù)報(bào)結(jié)果

2.1.3 基于頻域擬合的姿態(tài)預(yù)報(bào)結(jié)果

顧及衛(wèi)星姿態(tài)平臺(tái)的固定頻率抖動(dòng)，采用基于頻域擬合的衛(wèi)星姿態(tài)預(yù)報(bào)方法，由于偏航角yaw對(duì)地面定位的影響很小，幾乎可以忽略。下面僅給出預(yù)報(bào)的橫滾角roll和俯仰角pitch與事后精密定姿處理的精密姿態(tài)數(shù)據(jù)之間的差值，如圖4所示，圖中顯示了包含檢校試驗(yàn)時(shí)間點(diǎn)在內(nèi)的4.2min的姿態(tài)數(shù)據(jù)差值，橫軸表示姿態(tài)值的序號(hào)，縱軸表示角度差值，橫滾角roll能夠控制在4″以內(nèi)，俯仰角pitch能夠控制在15″以內(nèi)。

2.1.4 激光足印位置預(yù)報(bào)結(jié)果

將預(yù)估指向、預(yù)報(bào)姿態(tài)和軌道數(shù)據(jù)分別代入激光足印嚴(yán)密幾何預(yù)報(bào)模型中，即可得到激光足印的預(yù)報(bào)位置，衛(wèi)星實(shí)際過(guò)境后，探測(cè)器捕獲并確定的足印中心即為激光足印實(shí)際位置，計(jì)算該值與之前預(yù)報(bào)的足印地面平面位置差值，用于評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)模型的整體精度，它綜合反映了指向預(yù)估誤差、軌道預(yù)報(bào)誤差、姿態(tài)預(yù)報(bào)誤差等引起的激光足印預(yù)報(bào)的位置誤差，稱之為“綜合誤差”。為了更好地分析預(yù)報(bào)誤差，將綜合誤差分解為沿軌誤差和垂軌誤差，分別為綜合誤差在沿軌和垂軌兩個(gè)方向上的誤差分量。相對(duì)于足印質(zhì)心真實(shí)位置而言，預(yù)報(bào)誤差偏北和偏西為正，偏南和偏東為負(fù)。

以2016年8月9日的第一次檢校試驗(yàn)為例，將預(yù)估的指向和預(yù)報(bào)的姿態(tài)軌道數(shù)據(jù)計(jì)算激光足印地面位置，與通過(guò)地面探測(cè)器捕獲的激光足印實(shí)際位置進(jìn)行比對(duì)，如圖5所示，預(yù)報(bào)綜合誤差即兩點(diǎn)地面距離為133.3m，沿軌和垂軌誤差分別為130.9m和22.3m。同樣方法，2016年8月14日及2016年8月29日綜合誤差結(jié)果如表1所示。

圖2 指向預(yù)估的計(jì)算Fig.2 Pointing prediction

圖3 衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)之間的差值Fig.3 The difference between prediction ephemeris and real ephemeris

圖4 衛(wèi)星姿態(tài)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)之間的差值Fig.4 The difference between prediction attitude and real attitude

圖5 激光足印預(yù)報(bào)位置與真實(shí)位置偏差圖Fig.5 Error graph between prediction and true-value

時(shí)間沿軌垂軌綜合誤差2016?08?09130．922．3133．32016?08?14-117．538．6123．72016?08?29-21．138．143．5

2.2 各誤差項(xiàng)對(duì)激光足印預(yù)報(bào)影響分析

為了進(jìn)一步分析各誤差項(xiàng)對(duì)激光足印預(yù)報(bào)定位誤差，考慮到事后檢校的指向、事后定姿和定軌精度都很高，對(duì)地面誤差影響均在米級(jí)，本文視其為參考理論值，采用獨(dú)立分析法對(duì)各誤差項(xiàng)影響進(jìn)行分解。即在統(tǒng)一的預(yù)報(bào)模型中，其他參數(shù)保持一致，分別擬比較的預(yù)報(bào)參數(shù)和事后處理參數(shù)代入計(jì)算兩種情況下的激光足印地面坐標(biāo)，將兩種情況下的激光足印地面坐標(biāo)的差值，作為該參數(shù)誤差引起的激光足印位置偏差。

以2016年8月9日的第一次檢校試驗(yàn)為例，將2.1節(jié)預(yù)估的指向和預(yù)報(bào)的姿態(tài)軌道數(shù)據(jù)和事后檢校的指向、事后處理的軌道和姿態(tài)等分別對(duì)應(yīng)代入到預(yù)報(bào)模型計(jì)算得到的地面位置。在姿軌參數(shù)不變的情況下，指向預(yù)估誤差引起的激光足印地面距離差為68.9 m，沿軌和垂軌的誤差分別為43.8 m和53.2 m；在指向和姿態(tài)不變情況下，軌道預(yù)報(bào)誤差引起激光足印地面距離差為90.7 m，沿軌誤差為90.4 m，垂軌誤差為-6.9 m；在指向和軌道參數(shù)不變的情況下，姿態(tài)預(yù)報(bào)誤差引起的激光足印地面差為19.2 m，沿軌和垂軌分別為7.4 m和-17.7 m；由于預(yù)報(bào)過(guò)程包含一些隨機(jī)誤差和模型尚未考慮到的誤差量，這部分誤差統(tǒng)稱為“其他”誤差，結(jié)合上述分析的預(yù)報(bào)參數(shù)預(yù)報(bào)的位置與地面探測(cè)器得到真實(shí)位置差，其綜合誤差為133.3 m，沿軌和垂軌誤差分量分別為130.9 m和22.3 m，可計(jì)算得到沿軌和垂軌方向的誤差分量，分別為-10.7 m和-6.3 m。3次試驗(yàn)各誤差項(xiàng)分解情況如表2所示。

表2 預(yù)報(bào)誤差項(xiàng)分解情況

從表2中3次試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，指向誤差引起的激光足印地面位置誤差逐漸變小，說(shuō)明指向精度逐漸提高，其中，第1次試驗(yàn)采用地形匹配預(yù)估的指向，第2次檢校試驗(yàn)的指向則是采用第1次捕獲的光斑進(jìn)行精確檢校的結(jié)果，第3次試驗(yàn)的指向則是采用第1、2次捕獲的光斑進(jìn)行聯(lián)合檢校的結(jié)果。這說(shuō)明，基于多場(chǎng)的聯(lián)合檢校的指向結(jié)果較單場(chǎng)檢校更優(yōu)。從最終指向誤差引起的沿軌和垂軌足印地面位置誤差來(lái)看，檢校后的精度優(yōu)于2″。

軌道預(yù)報(bào)是激光足印預(yù)報(bào)的主要誤差源，誤差大小與方向均具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，這是因?yàn)檐壍李A(yù)報(bào)結(jié)果主要與衛(wèi)星所處的空間環(huán)境有關(guān)，無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)減小或消除。由于近地衛(wèi)星軌道的特性，沿軌預(yù)報(bào)誤差要大于垂軌誤差，且誤差相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。姿態(tài)預(yù)報(bào)引起的激光足印位置偏差較小，總體上垂軌誤差要大于沿軌誤差，這主要是由于資源三號(hào)02星在軌飛行過(guò)程中，其俯仰角pitch比橫滾角roll的穩(wěn)定性要差，姿態(tài)預(yù)報(bào)模型難以較好反映穩(wěn)定性較差的姿態(tài)數(shù)據(jù)。大氣、潮汐等其他誤差引起的激光地面足印位置誤差較小，總體上不具系統(tǒng)性。

從總體上看，盡管軌道預(yù)報(bào)誤差呈現(xiàn)隨機(jī)性，但隨著多次檢校試驗(yàn)對(duì)指向等系統(tǒng)誤差量進(jìn)行有效的修正，綜合預(yù)報(bào)誤差呈逐漸減小的趨勢(shì)。對(duì)比表1和表2發(fā)現(xiàn)，3次試驗(yàn)的姿態(tài)、軌道和指向預(yù)報(bào)等引起的激光足印位置沿軌和垂軌誤差的絕對(duì)值之和均大于最終地面的綜合誤差，這說(shuō)明各項(xiàng)誤差方向存在耦合關(guān)系。為了確保試驗(yàn)成功，在外業(yè)試驗(yàn)中，探測(cè)器布設(shè)范圍取決于各類預(yù)報(bào)誤差絕對(duì)值之和，以確保探測(cè)器陣列順利捕獲光斑。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)資源三號(hào)02星激光測(cè)高儀在軌幾何檢校需求，充分顧及衛(wèi)星平臺(tái)的空間運(yùn)行規(guī)律以及激光與平臺(tái)的相對(duì)幾何關(guān)系，構(gòu)建了一種軌道系下嚴(yán)密激光足印位置預(yù)報(bào)模型，該模型通過(guò)激光指向預(yù)估、軌道和姿態(tài)預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)激光足印中心位置的預(yù)報(bào)。該預(yù)報(bào)模型成功應(yīng)用于資源三號(hào)02星激光測(cè)高儀3次在軌幾何檢校試驗(yàn)中。本文利用地面探測(cè)器捕獲的足印實(shí)際位置為基準(zhǔn)，對(duì)3次試驗(yàn)的總體預(yù)報(bào)精度進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)指向、姿態(tài)和軌道預(yù)報(bào)等各誤差項(xiàng)引起的激光足印位置誤差進(jìn)行了分解，充分驗(yàn)證了模型的有效性。相關(guān)結(jié)論如下：

(1) 經(jīng)過(guò)3次試驗(yàn)各誤差項(xiàng)分解與定量分析可以看出，指向誤差為系統(tǒng)誤差，可以通過(guò)檢校試驗(yàn)加以消除，最終精度可達(dá)3 m左右；盡管姿態(tài)誤差可用建模方法進(jìn)行抑制，由于平臺(tái)穩(wěn)定性問(wèn)題，擬合殘差屬于隨機(jī)誤差無(wú)法消除，引起的足印預(yù)報(bào)誤差在30 m以內(nèi)；軌道預(yù)報(bào)誤差優(yōu)于150 m，呈現(xiàn)隨機(jī)性。姿態(tài)、軌道和指向預(yù)報(bào)等誤差項(xiàng)引起的激光足印位置誤差存在耦合關(guān)系，最終綜合預(yù)報(bào)誤差均小于各項(xiàng)誤差絕對(duì)值之和。

(2) 構(gòu)建的激光足印位置預(yù)報(bào)模型在3次試驗(yàn)中綜合預(yù)報(bào)精度均優(yōu)于150 m，大大縮小了探測(cè)器陣列布設(shè)范圍，解決了資源三號(hào)02星激光測(cè)高儀在軌幾何檢校試驗(yàn)中的地面探測(cè)器布設(shè)位置的預(yù)報(bào)問(wèn)題，并可應(yīng)用于高分七號(hào)、陸地生態(tài)碳衛(wèi)星等攜帶的國(guó)產(chǎn)低脈沖重頻激光測(cè)高儀在軌幾何檢校工程試驗(yàn)中。

[1] 唐新明, 李國(guó)元, 高小明, 等. 衛(wèi)星激光測(cè)高嚴(yán)密幾何模型構(gòu)建及精度初步驗(yàn)證[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2016, 45(10): 1182-1191. DOI: 10.11947/j.AGCS.2016.20150357. TANG Xinming, LI Guoyuan, GAO Xiaoming, et al. The Rigorous Geometric Model of Satellite Laser Altimeter and Preliminarily Accuracy Validation[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2016, 45(10): 1182-1191. DOI: 10.11947/j.AGCS.2016.20150357.

[2] LI Guoyuan, TANG Xinming, GAO Xiaoming, et al. Improve the ZY-3 Height Accuracy Using Icesat/glas Laser Altimeter Data[J]. International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2016, XLI-B1: 37-42.

[3] 范大昭. 航天線陣傳感器在軌幾何標(biāo)定的理論和技術(shù)[D]. 北京: 北京大學(xué), 2010: 6-20. FAN Dazhao. Theory and Techniques for On-orbit Geometric Calibration of Space Linear Sensors[D]. Beijing: Peking University, 2010: 6-20.

[4] 蔣永華, 張過(guò), 唐新明, 等. 資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星三線陣影像高精度幾何檢校[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2013, 42(4): 523-529, 553. JIANG Yonghua, ZHANG Guo, TANG Xinming, et al. High Accuracy Geometric Calibration of ZY-3 Three-line Image[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2013, 42(4): 523-529, 553.

[5] SCHUTZ B E, ZWALLY H J, SHUMAN C A, et al. Overview of the ICESat Mission[J]. Geophysical Research Letters, 2005, 32(21). DOI: 10.1029/2005GL024009.

[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). DOI: 10.1029/2005GL023689.

[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): L21S05.

[8] 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(3-4): 148-154.

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

[10] 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, 32(21). DOI: 10.1029/2005GL023504.

[11] 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 and Remote Sensing, 2007, 45(1): 147-155.

[12] SCHUTZ B E. GLAS Altimeter Post-launch Calibration/Validation Plan[D]. Texas: University of Texas, 2001: 45-53.

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

[14] 馬躍, 陽(yáng)凡林, 易洪, 等. 對(duì)地觀測(cè)星載激光測(cè)高儀在軌姿態(tài)系統(tǒng)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 Spaceborne Laser Altimeter of Earth Observation[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(8): 2401-2405.

[15] 唐新明, 張過(guò), 祝小勇, 等. 資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星三線陣成像幾何模型構(gòu)建與精度初步驗(yàn)證[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2012, 41(2): 191-198. TANG Xinming, ZHANG Guo, ZHU Xiaoyong, et al. Triple Linear Array Imaging Geometry Model of Ziyuan-3 Surveying Satellite and Its Validation[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2012, 41(2): 191-198.

[16] MAGRUDER L A. Pointing Angle and Timing Verification of the Geoscience Laser Altimeter Using a Ground-based Detection System[D]. Texas: University of Texas, 2001: 14-39.

[17] 湯靖師, 劉林. 低軌航天器長(zhǎng)期軌道預(yù)報(bào)的初步研究[J]. 飛行器測(cè)控學(xué)報(bào), 2014, 33(1): 59-64. TANG Jingshi, LIU Lin. On Long-term Prediction for Low Earth Orbit Spacecraft[J]. Journal of Spacecraft TT&C Technology, 2014, 33(1): 59-64.

[18] 王文彬, 劉榮芳. 基于經(jīng)驗(yàn)加速度的低軌衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)新方法[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 35(6): 715-720. WANG Wenbin, LIU Rongfang. A New Method of Orbit Prediction for LEO Satellites Using Empirical Accelerations[J]. Chinese Journal of Space Science, 2015, 35(6): 715-720.

[19] TONG Xiaohua, XU Yusheng, YE Zhen et al. Attitude Oscillation Detection of the ZY-3 Satellite by Using Multispectral Parallax Images[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2015, 53(6): 3522-3534.

[20] TONG Xiaoua, YE Zhen, XU Yusheng, et al. Framework of Jitter Detection and Compensation for High Resolution Satellites[J]. Remote Sensing, 2014, 6(5): 3944-3964.

[21] TADONO T, ISHIDA H, ODA F, et al. Precise Global DEM Generation by ALOS PRISM[J]. ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2014, II-4: 71-76.

(責(zé)任編輯：宋啟凡)

Footprint Location Prediction Method of ZY3-02 Altimeter

TANG Xinming1,XIE Junfeng1,2,MO Fan1,ZHU Guangbin1,DOU Xianhui1,ZHANG Qiang3,LI Guoyuan1,OUYANG Sida1

1. Satellite Surveying and Mapping Application Center, NASG, Beijing 100048, China; 2. School of Surveying, Mapping and Geoinformation Science, Liaoning Technology University, Fuxin 123000, China; 3. GNSS Research Center, Wuhan University, Wuhan 430079, China

On-orbit geometric calibration is an essential way to improve plane and elevation accuracy of laser altimeter data, and the laser footprint location prediction is a prerequisite for calibration based on land infrared detector. This paper builds a laser footprint location prediction model for China’s first space-borne laser altimeter carried by ZY3-02, which refers to the satellite optical camera rigorous geometry imaging model. The model takes full account of the law of platform movement, and correlates laser emission center with ground footprint point. We get the precise predicted laser pointing by Pyramid terrain matching, ephemerisby acceleration prediction, and attitude by frequency analysis. The laser footprint location can be predicted. This laser footprint location prediction model were successfully applied in the calibration test of the laser altimeter on ZY3-02 satellite, and the maximum error between the predicted location and real footprint location obtained by triggered detectors is less than 150 m, which proves the validity of the proposed model. The proposed method provides the precise point-to-point prediction from satellite to ground for Chinese remote sensing satellite, and offers a technological support for the space-borne laser altimeter calibration in future.

laser altimeter; laser footprint; rigorous geometric positioning prediction model; pointing prediction; orbit prediction; attitude prediction

The Project of High Resolution Images Surveying and Mapping Application System(No.AH1603-9);The National Fund for Basic Surveying and Mapping (No.2016KJ0204);The National Science Foundation for Young Scientists of China(No. 41301525);The National Natural Science Foundation(No.41571440);The Young academic leaders Fund of National Geographic Information Bureau of Surveying and Mapping(No.D1501)

TANG Xinming(1966—),male,PhD,researcher,PhD supervisor, majors in space photogrammetry and related applications.

XIE Junfeng

唐新明，謝俊峰，莫凡，等.資源三號(hào)02星激光測(cè)高儀足印位置預(yù)報(bào)方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(7)：866-873.

10.11947/j.AGCS.2017.20160639. TANG Xinming,XIE Junfeng,MO Fan,et al.Footprint Location Prediction Method of ZY3-02 Altimeter[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(7):866-873. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160639.

P236

A

1001-1595(2017)07-0866-08

國(guó)家高分專項(xiàng)高分遙感測(cè)繪應(yīng)用示范系統(tǒng)項(xiàng)目(AH1601-9)；國(guó)家測(cè)繪地理信息局2016年基礎(chǔ)測(cè)繪科技項(xiàng)目(2016KJ0204)；國(guó)家青年科學(xué)基金(41301525)；國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目(41571440)；國(guó)家測(cè)繪地理信息局青年學(xué)術(shù)帶頭人基金(D1501)

2016-12-15

唐新明(1966—)，男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事攝影測(cè)量與航天測(cè)繪的研究與應(yīng)用工作。

E-mail： tangxinming99@gmail.com

謝俊峰

E-mail： junfeng_xie@163.com

修回日期： 2017-06-05