(高清版)GBT 42647-2023 星載激光測(cè)高儀在軌場(chǎng)地定標(biāo)方法

星載激光測(cè)高儀在軌場(chǎng)地定標(biāo)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)前言 I引言 Ⅱ 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語和定義 4一般要求 4.1激光定標(biāo)場(chǎng) 4.2測(cè)量?jī)x器設(shè)備 4.3測(cè)量環(huán)境 5定標(biāo)數(shù)據(jù)獲取 25.1地面測(cè)量數(shù)據(jù) 5.2大氣參數(shù) 35.3星載激光測(cè)高儀數(shù)據(jù) 36技術(shù)流程與計(jì)算方法 36.1技術(shù)流程 6.2計(jì)算方法 7定標(biāo)不確定度分析 67.1分析步驟 7.2不確定度影響因素 7.3不確定度計(jì)算式 6I本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由全國(guó)宇航技術(shù)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC425)提出并歸口。本文件起草單位：中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心、中國(guó)四維測(cè)繪技術(shù)有限公司、中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院、武漢大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院、北京中勘邁普科技有限公司、自然資源部第四地形測(cè)量隊(duì)、西安交通大學(xué)、太原理工大學(xué)、中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所。本文件主要起草人：韓啟金、馬靈玲、龍小祥、黎荊梅、李松、閔祥軍、徐兆鵬、李大成、王玉鵬、Ⅱ在軌定標(biāo)是保證星載激光測(cè)高儀測(cè)高產(chǎn)品質(zhì)量和精度的前提和基礎(chǔ)。為保障陸地觀測(cè)衛(wèi)星激光測(cè)高儀在軌場(chǎng)地定標(biāo)方法的規(guī)范性和可靠性，制定本文件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)在軌的星載激光測(cè)高儀測(cè)距誤差和指向角誤差高精度定標(biāo)，為星載激光測(cè)高儀地面處理系統(tǒng)的激光數(shù)據(jù)處理提供可靠的定標(biāo)參數(shù)，提升激光測(cè)高數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量和精度。1星載激光測(cè)高儀在軌場(chǎng)地定標(biāo)方法本文件規(guī)定了星載激光測(cè)高儀在軌場(chǎng)地定標(biāo)的一般要求、定標(biāo)數(shù)據(jù)獲取、技術(shù)流程與計(jì)算方法、定標(biāo)不確定度分析等內(nèi)容。本文件適用于星載激光測(cè)高儀測(cè)距與激光指向角等系統(tǒng)誤差的在軌場(chǎng)地定標(biāo)。其他同類星載激光載荷的定標(biāo)可參照使用。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T18314全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范GB22021國(guó)家大地測(cè)量基本技術(shù)規(guī)定GB/T34509.2—2017陸地觀測(cè)衛(wèi)星光學(xué)遙感器在軌場(chǎng)地輻射定標(biāo)方法第2部分：熱紅外3術(shù)語和定義GB22021界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。星載激光測(cè)高儀spacebornelaseraltimeter搭載于衛(wèi)星上，精密測(cè)量衛(wèi)星到地球表面的距離或地球表面起伏變化的主動(dòng)探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)。激光定標(biāo)場(chǎng)laseraltimetercalibrationsite用于校正星載激光測(cè)高儀指向角和測(cè)距值系統(tǒng)誤差的定標(biāo)試驗(yàn)場(chǎng)地。光程大氣延遲opticalpathatmosphericdelay激光測(cè)距中由大氣折射引起的光程時(shí)間比真空中實(shí)際傳輸時(shí)間延長(zhǎng)的現(xiàn)象。4一般要求4.1激光定標(biāo)場(chǎng)激光定標(biāo)場(chǎng)場(chǎng)地要求如下：a)場(chǎng)地邊長(zhǎng)應(yīng)大于激光足印直徑與激光測(cè)高儀點(diǎn)位預(yù)報(bào)誤差范圍之和；b)場(chǎng)地整體傾斜度應(yīng)小于2°;c)場(chǎng)地開闊，且周邊無影響激光地面探測(cè)器工作的障礙物；2d)場(chǎng)地應(yīng)選擇在交通便利、試驗(yàn)人員與定標(biāo)設(shè)備易于進(jìn)出的地帶。氣象條件要求如下：a)晴空日一般不少于90日/年；b)場(chǎng)地周邊大氣模式相對(duì)穩(wěn)定，湍流效應(yīng)低。配套設(shè)施條件要求如下：a)激光定標(biāo)場(chǎng)周邊具備獲取大氣參數(shù)的條件；b)場(chǎng)地環(huán)境滿足野外試驗(yàn)的工作條件要求。4.2測(cè)量?jī)x器設(shè)備測(cè)量?jī)x器種類如下：a)激光地面探測(cè)器；b)激光角反射器；c)大氣參數(shù)測(cè)量?jī)x器；d)定位測(cè)量?jī)x器。測(cè)量?jī)x器要求如下：a)激光地面探測(cè)器波長(zhǎng)響應(yīng)范圍應(yīng)涵蓋星載激光測(cè)高儀工作波段；b)激光地面探測(cè)器能量響應(yīng)范圍應(yīng)覆蓋星載激光測(cè)高儀地面能量密度的分布區(qū)間；c)激光角反射器尺寸應(yīng)與星載激光測(cè)高儀能量密度匹配；d)定位測(cè)量?jī)x器符合GB/T18314的規(guī)定；e)測(cè)量?jī)x器在使用前應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定，在有條件的情況下應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定；f)測(cè)量?jī)x器使用按照儀器操作手冊(cè)執(zhí)行。測(cè)量環(huán)境要求如下：a)天氣晴朗，目標(biāo)區(qū)周邊10km2內(nèi)天頂無云；b)風(fēng)力小于4級(jí)；5定標(biāo)數(shù)據(jù)獲取5.1地面測(cè)量數(shù)據(jù)地面測(cè)量數(shù)據(jù)如下：a)激光地面探測(cè)器響應(yīng)數(shù)量；b)激光地面探測(cè)器響應(yīng)時(shí)刻的世界協(xié)調(diào)時(shí)；c)激光地面探測(cè)器響應(yīng)的能量級(jí)別；3d)利用定位測(cè)量?jī)x器測(cè)量激光地面探測(cè)器、激光角反射器的位置信息。5.2大氣參數(shù)大氣參數(shù)數(shù)據(jù)如下：b)近地表大氣氣壓。5.3星載激光測(cè)高儀數(shù)據(jù)5.3.1實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)數(shù)據(jù)包括：a)星載激光測(cè)高儀初始激光束指向角參數(shù)；b)星載激光測(cè)高儀實(shí)驗(yàn)室測(cè)距值定標(biāo)參數(shù)。5.3.2星載激光測(cè)高儀觀測(cè)數(shù)據(jù)星載激光測(cè)高儀觀測(cè)數(shù)據(jù)包括：a)地面處理的精密軌道數(shù)據(jù)、精密姿態(tài)數(shù)據(jù)；b)星載激光測(cè)高儀過頂激光定標(biāo)場(chǎng)的激光束時(shí)刻信息；c)星載激光測(cè)高儀過頂激光定標(biāo)場(chǎng)的激光束測(cè)距值。6技術(shù)流程與計(jì)算方法6.1技術(shù)流程星載激光測(cè)高儀過頂激光定標(biāo)場(chǎng)時(shí)，同步測(cè)量定標(biāo)場(chǎng)大氣參數(shù)，激光地面探測(cè)器記錄激光地面足印位置和時(shí)間信息，利用大氣參數(shù)校準(zhǔn)激光傳輸過程中的光程大氣延遲，結(jié)合激光地面探測(cè)器獲取的激光足印質(zhì)心位置信息、激光測(cè)高儀姿態(tài)軌道信息和激光測(cè)高儀采集的測(cè)距信息等數(shù)據(jù)，根據(jù)激光測(cè)高儀定標(biāo)模型計(jì)算出激光測(cè)高儀的指向角和測(cè)距值定標(biāo)參數(shù)。星載激光測(cè)高儀在軌場(chǎng)地定標(biāo)方法流程見圖1,包括以下流程。a)首先根據(jù)開展激光定標(biāo)的區(qū)域范圍，通過軌道預(yù)測(cè)、激光指向角預(yù)估等技術(shù)對(duì)激光測(cè)高儀過境時(shí)間、激光足印位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。b)激光定標(biāo)場(chǎng)選取。根據(jù)4.1場(chǎng)地要求，從預(yù)估的多個(gè)激光足印位置中選取合適的場(chǎng)地作為定標(biāo)場(chǎng)地。c)地面探測(cè)器與激光角反射器布設(shè)。在確定的激光定標(biāo)場(chǎng)中，以激光足印位置為中心，布設(shè)激光地面定標(biāo)探測(cè)器及激光角反射器，架設(shè)大氣測(cè)量?jī)x器。d)地面探測(cè)結(jié)果記錄。等待衛(wèi)星過境后，登記響應(yīng)到激光信號(hào)的激光探測(cè)器編號(hào)，并精確測(cè)量其范圍內(nèi)的全部地面探測(cè)器和激光角反射器的位置。記錄有響應(yīng)的激光地面探測(cè)器能級(jí)、時(shí)刻、位置數(shù)據(jù)；記錄有響應(yīng)激光探測(cè)器范圍內(nèi)角反射器的反射器口徑、位置、高度數(shù)據(jù)；記錄大氣參數(shù)。e)星載激光測(cè)高儀地面足印質(zhì)心坐標(biāo)值計(jì)算。利用激光探測(cè)器陣列捕獲的激光足印信息，計(jì)算星載激光測(cè)高儀地面足印質(zhì)心坐標(biāo)，作為定標(biāo)的控制點(diǎn)位。f)星載激光測(cè)高儀測(cè)距值計(jì)算。利用過境期間的星載激光測(cè)高儀觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算控制點(diǎn)位對(duì)應(yīng)的激光測(cè)距值。g)激光測(cè)高儀測(cè)距和指向角定標(biāo)參數(shù)計(jì)算。結(jié)合控制點(diǎn)位信息、改正后的激光測(cè)距值以及激光4GB/T42647—2023發(fā)射時(shí)刻的精密軌道及精密姿態(tài)，計(jì)算激光測(cè)高儀測(cè)距和指向角定標(biāo)參數(shù)。星載激光測(cè)高儀足印位置預(yù)測(cè)星載激光測(cè)高儀足印位置預(yù)測(cè)激光定標(biāo)場(chǎng)選取圖1星載激光測(cè)高儀在軌場(chǎng)地定標(biāo)方法流程6.2計(jì)算方法6.2.1星載激光測(cè)高儀地面足印質(zhì)心坐標(biāo)值計(jì)算利用星載激光測(cè)高儀地面激光足印范圍及周邊區(qū)域布設(shè)的激光探測(cè)器陣列，獲取星載激光測(cè)高儀發(fā)射的激光脈沖到達(dá)地面的時(shí)刻以及激光足印能量分布，使用能級(jí)平方加權(quán)重心法計(jì)算激光足印質(zhì)心坐標(biāo)，確定激光足印質(zhì)心位置。用能級(jí)平方加權(quán)重心法計(jì)算激光足印質(zhì)心坐標(biāo)，按公式(1)計(jì)算。………式中：(x,y)——探測(cè)器在投影坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)位置，單位為米(m);I(x,y)——在平面坐標(biāo)(x,y)位置處探測(cè)器的能量級(jí)別。6.2.2星載激光測(cè)高儀測(cè)距值計(jì)算通過計(jì)算星載激光測(cè)高儀發(fā)射和接收激光脈沖信號(hào)的時(shí)間差值與所在介質(zhì)中的光速相乘得到激光測(cè)距值，按公式(2)計(jì)算。5GB/T42647—2023式中：p——激光測(cè)距值，單位為米(m);對(duì)光程大氣延遲引起的測(cè)距誤差進(jìn)行校正，星載激光測(cè)高儀的實(shí)際測(cè)距值按公式(3)計(jì)算。ρ?=p-△patm (3)式中：p?——星載激光測(cè)高儀經(jīng)光程大氣延遲改正后的實(shí)際測(cè)距值，單位為米(m);△pam——光程大氣延遲作用引起的測(cè)距誤差值，根據(jù)同步測(cè)量的大氣參數(shù)數(shù)據(jù)，由大氣延遲改正模型計(jì)算，單位為米(m)。6.2.3激光測(cè)高儀測(cè)距和指向角定標(biāo)參數(shù)計(jì)算星載激光測(cè)高儀飛行過程中，衛(wèi)星整星的質(zhì)心為原點(diǎn)O,X軸指向衛(wèi)星飛行方向，Z軸指向地心方遵循右手規(guī)則，則星載激光測(cè)高儀地面足印點(diǎn)在地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)滿足公式(4):式中： —星載激光測(cè)高儀地面足印質(zhì)心在地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)； -衛(wèi)星質(zhì)心在地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；RRF——空間慣性坐標(biāo)系到地固坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；R|CRF——衛(wèi)星本體坐標(biāo)系到空間慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；——星載激光測(cè)高儀發(fā)射參考點(diǎn)與衛(wèi)星質(zhì)心在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的固定偏移量；αβθ——星載激光測(cè)高儀的測(cè)距定標(biāo)參數(shù)，單位為米(m);——星載激光測(cè)高儀的激光指向在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系XOZ面的投影與Z軸夾角，單位 星載激光測(cè)高儀的激光指向在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系YOZ面的投影與Z軸夾角，單位——星載激光測(cè)高儀的激光指向方向與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系Z軸夾角，單位為度(°),θ=arctan[√(tana)2+(tanβ)2],激光指向示意圖見圖2。6圖2激光指向示意圖根據(jù)公式(4)的星載激光測(cè)高儀嚴(yán)密幾何模型，將計(jì)算得到的地面足印質(zhì)心坐標(biāo)作為星載激光測(cè)高儀地面足印質(zhì)心在地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)真值，計(jì)算出定標(biāo)參數(shù)△p,α和β。當(dāng)激光地面探測(cè)器獲取的有效激光足印數(shù)量多于1時(shí)，可采用平差方法計(jì)算定標(biāo)參數(shù)。7定標(biāo)不確定度分析7.1分析步驟不確定度分析步驟如下：a)確定激光測(cè)高儀系統(tǒng)定標(biāo)的影響因素；b)列出各影響因素的誤差組成；c)測(cè)量或估算每個(gè)影響因素對(duì)激光指向角和測(cè)距值的誤差；d)根據(jù)不確定度傳播律，計(jì)算激光指向誤差和測(cè)距誤差大小。7.2不確定度影響因素不確定度影響因素如下：a)星載激光測(cè)