星载激光测高技术进展EI北大核心CSCD

星载激光(雷达)测高技术已经逐步成为全方位全球观测的技术手段之一,其高测量精度、全天时测量能力、高效三维测量的特点在许多科学领域都具有独特的优势。本文讨论当前两类星载激光测高技术的工作原理、数据处理方法,并探讨了星载激光测高数据在对地观测和深空观测科学研究中的代表性应用;最后展望了未来星载激光测高技术的发展趋势。期望本文对从事星载激光测高研究、开发和应用的同行们有所裨益。     

不同地形条件下的星载激光测高系统误差分析

为了进一步提高激光测高的精度,服务于即将发射的国产激光测高卫星,文章归纳了激光测高系统的误差来源,推导出误差传播方程,然后分析了主要观测误差对光斑定位精度的影响,最后利用模拟参数估计定位精度;其中针对激光测高卫星在陆地地区的观测,主要分析了地表坡度的变化对测高精度的影响,分析结果表明:坡度造成的额外测距误差对测高精度影响较大,成为影响山区测高精度的主要误差来源。     

资源三号02星激光测高误差分析与指向角粗标定

2016年5月30日,中国成功发射了民用三线阵立体测图卫星资源三号02星,该卫星搭载了中国第一个用于对地观测的激光测高试验性载荷。资源三号02星在轨运行以来获取了多轨测高数据,为保证其测高数据的有效应用,需分析影响测高精度的各项误差来源,并通过一定的方法予以消除或减弱。首先根据卫星激光测高严密几何模型分析资源三号02星激光测高的各项误差来源,分析表明激光指向角对激光测高精度的影响相对较大;构建通过已有大范围地形数据进行激光指向角粗标定的数学模型,并利用已有公开地形数据（AW3D30 DSM）对激光指向角进行粗标定,从而提高激光足印定位精度。实验结果表明,利用已有地形数据对指向角进行粗标定后,能将激光测高精度从几十米提高到3 m以内,验证了卫星激光测高误差分析的合理性和利用已有地形数据修正激光指向角的数学模型的有效性,为消除卫星激光测高粗差提供了参考,能为星载激光测高外场在轨检校工作提供支撑。     

资源三号02星对地激光测高系统几何检校及验证

星载激光测高仪安装误差、激光指向和激光测距误差等导致最终激光测高精度不高,对激光器进行在轨几何检校可以有效提升激光测高精度。针对资源三号02星（ZY3-02）激光测高仪的工作模式,以裸露地表的航天飞机雷达地形测绘任务（shuttle radar topography mission,SRTM）数字高程模型（digital elevation model,DEM）数据约束同轨激光测距值,通过逼近地形起伏趋势线实现了卫星激光器出射方向的初始检校,实验证明不同轨激光指向的相对检校精度在20 m以内。利用地面铺设激光靶标的方法对星载激光测高系统进行几何精检校,并通过外业测量验证了ZY3-02激光器在平坦区域的测高精度优于0.5 m。     

卫星激光测高严密几何模型构建及精度初步验证

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特别是高程精度,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。虽然,已有相关文献针对美国的ICESat(Ice,Cloud,and land Elevation Satellite)卫星上搭载的地球科学激光测高系统(Geo-science Laser Altimeter System,GLAS)的几何模型和产品精度作了相关介绍,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级产品的生产过程。将本文计算的结果与ICESat/GLAS的结果进行了对比分析,其中基于几何模型的高程误差约11 cm,平面误差在3 cm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。     

激光在天空对地观测中的应用

1960年7月世界上第一台激光器问世后，激光测距迅速兴起，不管是地面激光测距，还是激光测卫和激光测月，都为大地测量学的发展作出了重大贡献；特别是激光测卫测月成果，为我们深化对地球动态效应的认识，揭示地球的奥秘，提供了许多重要的科学数据，本文综析了值得注视的下列新近发展。.在IGEX-98国际大联测中，求定GLONASS卫星的激光轨道与微波轨道之差；.评定PRN05/06号GPS卫星星历的精度；.检核Topex/Poseidon海洋测高卫星用GPS定轨的测量误差，.用机载激光测深系统测量海水的浓度；.用EOS-ALT星载激光测距/测高系统测量地球动态参数。     

岸基条件下的星载GNSS-R干涉测高精度验证评估

星载GNSS-R干涉测高技术通过调制GNSS卫星信号的宽带混合码,可以实现高精度宽幅海面测高。为有效验证星载GNSS-R干涉测高性能,本文设计了基于岸基GNSS-R干涉测高结果,开展星载GNSS-R干涉测高精度等效评估的策略。评估结果表明,GNSS-R干涉测高与卫星导航系统信号体制及信号信噪比相关,星载GNSS-R干涉测高可实现分米级测高精度。本文的研究成果可为后续星载GNSS-R干涉测高工程实践提供技术参考和数据支持。     

星载激光测高全波形数据处理技术研究进展

针对星载激光测高系统在地形测绘、环境监测等方面具有独特的优势,该文首先介绍了主要的对地观测星载激光测高系统;然后以第一颗对地观测系统ICESat/GLAS为例,介绍该系统波形质量控制、波形滤波方法,初始距离计算方法及影响因素;波形分解是星载激光测高系统获取准确的星地距离的关键步骤;接着梳理了国内外全波形分解方法研究现状的主要进展,并对全波形分解算法及其优缺点进行了较全面的对比;最后结合即将发射的GF-7测高仪载荷特点,分析了未来要国产星载激光测高体系的波形数据处理还面临的挑战。     

高分七号卫星足印影像激光光斑质心提取方法

足印影像激光光斑质心提取是精确获取激光指向位置的基础,对于提升高分七号卫星激光测高数据精度具有重要意义.设计一种基于最小二乘椭圆拟合的激光光斑提取方法,并根据反馈结果利用累计矩阵对序列影像进行粗差剔除,实现了高分七号足印影像激光光斑提取.通过仿真数据和高分七号真实足印影像进行实验,验证了该方法具有较好准确性和稳定性.未来我国在星载激光测高领域将拥有更广阔的前景,所研究的相关成果可以为后续国产激光测高技术研究提供参考.     

资源三号02星激光测高仪在轨几何检校与试验验证

我国在资源三号02星上首次搭载了一台用于对地观测的试验性载荷——激光测高仪,开展对地观测的激光测高试验。由于卫星发射时的振动以及入轨后空间环境变化等因素影响,激光测高仪的指向、测距等系统参数相对于发射前地面测量值可能发生变化,从而引起激光的平面和高程误差。本文根据资源三号02星激光测高仪特点,提出了一种基于地面探测器的在轨几何检校方法,该方法构建了以指向、测距为系统误差的严密几何检校模型,以激光测距值残差最小为原则,利用地面探测器捕获的激光光斑位置作为参考,实现系统误差参数高精度在轨几何检校。利用卫星在轨测试期间多个试验场数据进行检校后,以有关DEM数据作为地面参考比对,地形坡度小于2°区域内的激光点高程精度由检校前的100~140m提高到2~3m。利用平坦地区激光足印内少量GPS外业控制点进行验证对比,检校后激光高程测量的绝对精度优于1m。试验结果表明了资源三号02星激光测高仪在轨几何检校方法的有效性和正确性。     

激光测高数据辅助卫星成像几何模型精化处理

资源三号02星(ZY-3 02)作为资源三号系列的第2颗卫星,于2016年5月30号成功发射,其主要服务于中国空间基础建设等重大工程,星上搭载了中国首个对地观测试验性激光测高载荷。高程精度作为立体测图的重要指标,达到其精度要求的困难程度远大于平面。在借鉴目前较成熟的卫星影像区域网平差理论的基础上,结合近年来激光测高数据精度的大幅提升以及ZY-3 02星激光测高数据的特点,首次提出了激光测高数据辅助卫星立体影像进行成像几何模型精化处理的通用理论。首先,利用传统的区域网平差算法对所处理影像进行高精度连接点匹配处理,并对其进行无约束的自由网平差处理,获得高精度相对精度及不亚于原始成像几何模型的绝对精度;其次,根据激光测高数据3维坐标和精化后参考影像成像几何模型获取激光数据参考影像坐标;然后,将参考影像坐标通过几何模型映射获取目标影像上待匹配影像坐标,通过连接点匹配算法,对待匹配目标影像坐标进行精化获取高精度像方同名点;最后,以同名点作为高程控制进行区域网平差计算,对影像成像几何模型进一步处理,获取高精度补偿参数。通过湖北、青海两测区的试验,以激光测高数据辅助卫星影像几何模型精化精度可分别达到1.97 m、3.23 m,结果表明本文提出的方法可有效提高卫星立体数据测图精度。     

激光测高数据辅助卫星成像几何模型精化处理

资源三号02星搭载了中国首个对地观测试验性激光测高载荷。借鉴目前较成熟的卫星影像区域网平差理论的基础上,结合近年来激光测高数据精度的大幅提升以及资源三号02星激光测高数据的特点,首次提出了激光测高数据辅助卫星立体影像进行成像几何模型精化处理的通用理论。首先,利用传统的区域网平差算法对所处理影像进行高精度连接点匹配处理,并对其进行无约束的自由网平差处理,获得高精度相对精度及不亚于原始成像几何模型的绝对精度;其次,根据激光测高数据3维坐标和精化后参考影像成像几何模型获取激光数据参考影像坐标;而后将参考影像坐标通过几何模型映射获取目标影像上待匹配影像坐标,通过连接点匹配算法,对待匹配目标影像坐标进行精化获取高精度像方同名点;最后,以同名点作为高程控制进行区域网平差计算,对影像成像几何模型进一步处理,获取高精度补偿参数。通过湖北、青海两测区的试验,以激光测高数据辅助卫星影像几何模型精化精度可分别达到1.97 m、3.23 m,结果表明本文提出的方法可有效提高卫星立体数据测图精度。     

高分七号卫星立体影像与激光测高数据联合区域网平差

提高稀少甚至无地面控制点的区域网平差精度,是实现境外和外业测控困难区域高精度测图的核心问题之一,也是主要的技术难点。为了充分利用高分七号激光测高数据与立体影像同步获取、相对精度较高、高程精度极高的特点,充分发挥足印影像作用,提出了一种激光测高数据辅助的高分七号卫星立体影像区域网平差方法。通过足印影像实现了激光高程控制点在立体影像上的自动量测,利用其极高的高程精度对区域网立体影像进行高程控制,经过联合区域网平差实现区域网影像高程精度提升。通过覆盖不同地形类型的山东测区激光测高数据与立体影像联合平差实验表明,仅使用激光测高数据作为高程控制,实验区高程中误差可由原始7.97 m提高到0.79 m,高程最大误差优于1.5 m,高程精度改善明显。     

资源三号02星激光测高数据质量分析

近几年来,中国的对地观测卫星激光测高技术发展较快,资源三号02星上搭载了国内首台对地观测的卫星激光测高试验载荷,在后续的高分七号、陆地生态系统碳监测卫星上均装备业务化应用的激光测高仪,开展国产对地观测卫星激光测高数据质量分析研究非常必要,能有效填补国内空白并推动相关技术发展。本文对资源三号02星载荷的激光测高数据进行了严密几何处理,重点从夜间观测、卫星小角度侧摆、海面区域等不同条件下的数据质量进行了分析,对数据的平均可用率进行了统计分析。试验表明,资源三号02星激光测高仪能获得约30%有效测高数据,在夜间数据有效利用率略有提高,在大型水面也能获得有效数据,经后处理后在平坦地区验证的绝对高程精度优于1.0 m,部分点高程精度优于0.5 m,硬件本身的测距精度和卫星姿态测量误差是主要的误差源。相关结论对于后续国产卫星激光测高载荷的研制以及数据后处理和应用具有参考价值。     

海洋卫星测高及其反演全球海洋重力场和海底地形模型研究进展

海洋卫星测高在全球和区域大地水准面建模、全球海洋重力场反演、海底地形探测、海平面变化监测、构造板块运动研究等大地测量领域至关重要。本文概述了海洋微波测高卫星的简要发展历程,重点梳理了卫星测高在全球海洋重力场和全球海底地形建模方面取得的丰硕成果,对比分析了主流的海洋重力场和海底地形模型;介绍了合成孔径雷达高度计、Ka频段雷达高度计、合成孔径雷达干涉仪3种先进微波测高技术,并分析了其各自的优缺点,表明它们将在未来若干年呈并驱发展趋势;较为系统地阐述了海洋卫星测高的另一新型技术,即GNSS反射信号测量技术的研究动态,给出了GNSS-R(GNSS reflectometry)类(试验)卫星的发展脉络和发展前景。卫星测高的发展趋势之一是多颗测高卫星的组网观测,本文概括了曾经提出的和拟议中的若干组网测高计划,扼要介绍了由我国提出并正在实施的双星跟飞测高模式;最后指出了卫星测高发展的几个主要关注点,包括双星跟飞测高和SWOT(surface water ocean topography)任务的2维海面高(差)测量、卫星测高反演海底地形与高级地形激光高度计观测数据及遥感卫星图像的结合、星载GNSS-R厘米级海面高的载波相位测量、人工智能技术在卫星测高中的潜在应用等。     

资源三号02星激光测高精度分析与验证

资源三号02星搭载了我国首台对地观测的卫星激光测高试验性载荷,对该载荷的精度进行了理论分析,并采用多个区域进行了实际精度验证,同时对其在航天测绘中的应用进行了试验。资源三号02星激光测高仪在平坦地区(坡度≤2°)的理论高程精度为0.85m、平面精度14.2m。试验表明,资源三号02星激光测高仪获得的有效测高数据约占23.89%,检校场区域其高程精度为0.89m,平面精度为14.76m;华北地区高精度DSM地形数据验证其高程精度为1.09m,内陆渤海海面上的激光高程精度为0.47m。将激光足印点作为高程控制点时,在陕西渭南试验区能将资源三号02星立体影像无地面控制的高程精度从11.54m提高到1.90m。虽然资源三号02星激光测高仪为试验性载荷,但试验结果证实国产卫星激光测高数据能有效提高立体影像无地面控制的高程精度,在全球测图工程中具有推广应用价值,建议后续立体测图卫星搭载业务化应用的激光测高仪。     

利用GLAS激光测高数据评估DSM产品质量及精度优化

提出了一种利用卫星激光测高数据直接优化提升数字表面模型（DSM）产品精度的方法。选取境外中亚地区的资源三号DSM开展试验，通过采用多准则约束方法提取激光高程控制点，分别利用偏度、中值、线性、二次多项式等进行DSM误差修正，发现4种模型均能有效消除DSM系统误差，其中基于二次多项式的方法更适用于平地和丘陵地貌，线性模型更适用于高山地貌。试验验证了采用卫星激光测高数据优化境外DSM技术流程的可行性，最终可提高DSM的绝对高程精度。     

距离门宽度对单光子激光测高卫星探测概率及测距精度的影响

针对距离门对单光子激光测高卫星探测概率以及测距精度的影响,结合激光雷达方程、单光子探测方程进行理论推导,采用不同宽度的距离门分析讨论,并利用蒙特卡洛方法进行模拟仿真试验。通过理论分析和仿真试验证明,距离门宽度对于探测概率影响不大,对于虚警概率具有较大影响,距离门为100 ns时,测距误差可以满足激光测高卫星的测距要求,当距离门宽度超过400 ns时,噪声占比会较大,测距精度会急剧下降,需要在数据后处理阶段采用精细化的滤波算法提取有效探测光子,保证测量精度。为保证对同一点重复观测25次,根据ICESat-2卫星的激光载荷参数,推导出光斑大小、光斑间距、激光重频三者之间的定量化关系。相关结论对于后续国产单光子激光测高卫星的设计与指标论证可提供一定参考。     

采用地基合成孔径雷达技术提取DEM的方法研究

文章研究了基于地基合成孔径雷达技术的两种DEM测高模型——近似测高模型和改进测高模型,根据星载雷达测高原理推导了这两种模型,并分析模型的精度.通过对近似测高模型中的平行射线近似处理方法进行量化分析,指出近似处理方法引入的高程误差不能被忽略.本文对改进测高模型中各参数的误差传播系数进行了仿真分析,结果表明改进测高模型提高了理论测高精度,并可采用增加基线长度和缩短斜距的方法提高测高精度.     

卫星测高技术在鄱阳湖水面高获取中的应用

卫星测高作为空间大地测量的前沿发展技术,可以精确获取海平面高、湖泊水面高和平坦地高程。以ICESat激光卫星测高为例,提出利用ICESat卫星测高技术获取鄱阳湖水面高的数据处理方法和技术路线,首次采用EGM 2008模型和江西省二等水准拟合模型相结合的数据处理方法,将卫星测高获取成果转换至1985国家高程基准,与水文站实测水位数据相统一,提高了卫星测高的精度,并通过与其他方法获取的水面高数据进行比对,证明该方法的正确性和技术路线的可靠性,为鄱阳湖水面高获取提供了精确的检核数据和多源数据。