星載激光測高系統(tǒng)外場檢校測量方法研究

張建華 石林峰 馬 勇 鄭文科

(自然資源部第一大地測量隊(duì), 陜西 西安 710054)

0 引言

2016年發(fā)射的資源三號02星,首次成功實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)性激光測高載荷對地觀測的高程有效測量。在2019年成功發(fā)射的高分七號衛(wèi)星上裝備了業(yè)務(wù)化應(yīng)用的全波形激光測高儀,能為快速獲取高程控制點(diǎn)、監(jiān)測大型湖泊水位變化等提供高精度數(shù)據(jù)支撐[1-3]。近些年,隨著一系列自然資源國土遙感衛(wèi)星發(fā)射升空,我國在國土資源、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域服務(wù)能力得到大大提升,與此同時,衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行期間的維護(hù)任務(wù)也不斷增多。

目前,國內(nèi)尚無與衛(wèi)星激光測高外場檢校測量相關(guān)的數(shù)據(jù)獲取方法和技術(shù)文件可以參考,本文結(jié)合近幾年的激光檢校項(xiàng)目外場實(shí)踐,著重從測量角度,從無到有,摸索出一整套外業(yè)測量方法,掌握了激光檢校場地的選址、激光探測器放樣數(shù)據(jù)和位置信息快速獲取、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、軟件開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù),并在多次激光外場檢校試驗(yàn)中得到了成功應(yīng)用。

1 研究思路

1.1 檢校測量整體技術(shù)路線

激光測高儀是在激光測距原理上發(fā)展的用于測量目標(biāo)物高程數(shù)據(jù)的儀器,激光測高儀為脈沖激光測距儀的加強(qiáng)。衛(wèi)星激光測高是將激光測高儀搭載在衛(wèi)星平臺上的,同時激光測高儀以一定的頻率向地面發(fā)射激光脈沖信號,通過測量激光的發(fā)射與接收時間差,再結(jié)合衛(wèi)星平臺的軌道、姿態(tài)以及指向角信息,最終計(jì)算獲得目標(biāo)測量物的高程的技術(shù)和方法[4]。

激光探測器全稱為“激光脈沖感應(yīng)探測器”,它集合的多能級定量化能量采集系統(tǒng)可以精確測量激光測高儀地面光斑的能量分布。受衛(wèi)星發(fā)射振動、外太空環(huán)境變化等因素影響,激光測高儀的指向、測距等系統(tǒng)誤差均發(fā)生變化,嚴(yán)重影響到激光測高精度。針對這一問題,國內(nèi)外采用多種檢校方法對這些系統(tǒng)誤差進(jìn)行在軌標(biāo)定。其中,基于地面探測器的檢校是目前精度最高、可行性最好的激光檢校方法。該方法對檢校場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測量工作提出了高精度、大尺度和近似同步的要求,檢校場地基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的獲取質(zhì)量也是影響試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。

本項(xiàng)目試驗(yàn),需要對衛(wèi)星進(jìn)行多個場次的激光檢校測量。每次衛(wèi)星過境前,根據(jù)不同陣列布設(shè)要求,使用RTK放樣出每個激光探測器布設(shè)的位置,并使用紅旗做好標(biāo)記。衛(wèi)星過境當(dāng)天,現(xiàn)場布設(shè)4600余套高靈敏度激光探測器,捕獲衛(wèi)星激光測高儀的對地測量光斑,獲得激光光斑的形狀和能量分布(圖1),然后采用實(shí)時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(real time kinematic,RTK)采集足印內(nèi)每個亮燈激光探測器點(diǎn)位的2000國家大地坐標(biāo)系(China geodetic coordinate system 2000,CGCS2000)坐標(biāo)(坐標(biāo)精度要求為±5 cm);而后再采用幾何水準(zhǔn)方法獲得其正常高數(shù)據(jù)。外場所獲得的以上數(shù)據(jù),與激光測高儀所獲的大地坐標(biāo)和正常高數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對,進(jìn)而對衛(wèi)星激光測高載荷進(jìn)行檢校。

圖1 激光測高儀和激光探測器工作示意圖

完成既定場次的激光檢校后,試驗(yàn)會根據(jù)實(shí)際需要,在檢校場地范圍外,選取一定數(shù)量的特征點(diǎn),獲取其CGCS2000坐標(biāo)(精度要求為±20 cm),以輔助衛(wèi)星檢校相關(guān)工作的開展。

外場激光檢校測量主要內(nèi)容包括:試驗(yàn)場地的選取、控制測量(提供位置信息,包括CGCS2000坐標(biāo)和高程)、激光探測器坐標(biāo)的放樣、亮燈點(diǎn)位和特征點(diǎn)位的觀測和靶標(biāo)的回收整理等,整體的作業(yè)技術(shù)路線見圖2。

圖2 技術(shù)路線和流程圖

1.2 試驗(yàn)第一階段

1.2.1檢校測區(qū)選取

衛(wèi)星激光檢校場的選址要滿足下列條件:①檢校場地足夠大[180 km(垂軌方向)×100 km(沿軌方向)],滿足連續(xù)多次衛(wèi)星過境檢校的需要；②氣候干旱少雨,植被稀少,晴朗天氣居多等；③整個布設(shè)場地勢平坦,交通便利,周邊有國家公路主干線；④避開住宅密集區(qū)。

1.2.2首級控制網(wǎng)布設(shè)

在有網(wǎng)絡(luò)RTK信號覆蓋的區(qū)域,直接采用網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行觀測,但是受到檢校場地選址的限制,本試驗(yàn)場地選在內(nèi)蒙古蘇尼特右旗,該檢校場地人煙稀少,區(qū)域內(nèi)大部分地方無網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋,檢校前需要進(jìn)行首級控制網(wǎng)的布設(shè)。按照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》GB/T 18314—2009的要求,布設(shè)C級全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)首級控制網(wǎng),以便后期單個場次的激光檢校使用。

1.3 試驗(yàn)第二階段

1.3.1確定檢校場地

單個場次的檢校場地應(yīng)平整、無凸凹起伏、周圍開闊,交通方便,無建筑物遮擋。激光探測器的布設(shè)方案通常都是垂直于衛(wèi)星軌道布設(shè),在限定的日期內(nèi)找到適合布設(shè)激光探測器的檢校場是一項(xiàng)比較煩瑣的工作。

作業(yè)員根據(jù)每次衛(wèi)星過境前的預(yù)報(bào)軌道數(shù)據(jù)選取單次檢校場地,軌道數(shù)據(jù)1 d預(yù)報(bào)1次,越臨近過境,軌道數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)越準(zhǔn)確。T0-3 d(設(shè)定衛(wèi)星過境當(dāng)天設(shè)定為T0時刻,T0-3則代表過境前3 d)時,作業(yè)員根據(jù)前期收集的圖件、影像資料,選取10 km×10 km的矩形范圍,進(jìn)行場地初選,然后再根據(jù)T0-2 d和T0-1 d的軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行場地確認(rèn),大致流程如圖3所示。

圖3 場地選取流程圖

1.3.2測量放樣

(1)高斯正反算

測量中,單次檢校的作業(yè)區(qū)域小于10 km,故采用求解四參數(shù)的方法進(jìn)行RTK放樣測量。四參數(shù)求解過程中需要用到CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,其利用高斯-克呂格投影(簡稱高斯投影)原理。高斯正算是由地面點(diǎn)的大地坐標(biāo)(L,B)求高斯平面坐標(biāo)(x,y)的過程,而高斯反算則是由地面點(diǎn)的高斯平面坐標(biāo)(x,y)反算其大地坐標(biāo)(L,B)。高斯正反算的詳細(xì)計(jì)算原理見參考文獻(xiàn)[6-7]。

RTK測量是基于載波相位觀測值的實(shí)時動態(tài)定位技術(shù),它能夠?qū)崟r地提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果,能夠達(dá)到厘米級精度。在首級C級GNSS控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上,采用RTK測量的控制點(diǎn)觀測模式,架設(shè)三腳架進(jìn)行足印內(nèi)每個亮燈激光探測器點(diǎn)位的2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)坐標(biāo)采集,坐標(biāo)精度可以達(dá)到±5 cm。

(2)放樣數(shù)據(jù)的快速獲取

在項(xiàng)目實(shí)際作業(yè)過程中,T0-1的準(zhǔn)確軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),一般提前10～20 h才能提供野外作業(yè)現(xiàn)場,激光靶標(biāo)放樣布設(shè)是一場與時間的賽跑。在有限的時間內(nèi),需要完成4 600余套激光探測器的場地選址、坐標(biāo)放樣和布設(shè)等一系列工作,每一步都需要盡量壓縮作業(yè)時間,作業(yè)流程見圖4。

圖4 坐標(biāo)放樣數(shù)據(jù)生成流程圖

1.4 試驗(yàn)第三階段

1.4.1探測器布設(shè)

衛(wèi)星過境前3 h,開始布設(shè)激光探測器,根據(jù)單次試驗(yàn)要求,布設(shè)不同的陣列。激光探測器現(xiàn)場布設(shè)效果見圖5和圖6。

圖5 探測器布設(shè)效果圖

圖6 兩種探測器型號

1.4.2亮燈點(diǎn)位及特征點(diǎn)測量

(1)激光探測器亮燈點(diǎn)位測量

衛(wèi)星過境后,被衛(wèi)星激光信號觸發(fā)的地面探測器設(shè)備指示燈會變亮,并顯示不同的能量值,圖7是某單次檢校中的一個陣列亮燈點(diǎn)位分布示意圖。作業(yè)人員統(tǒng)計(jì)亮燈探測器點(diǎn)位編號和能量值后,使用RTK采集亮燈探測器的位置信息,并按照三等水準(zhǔn)精度連測每個點(diǎn)位的高程。

圖7 某陣列亮燈激光探測器實(shí)際分布圖

(2)特征點(diǎn)位測量

為了滿足衛(wèi)星激光檢校的試驗(yàn)要求,需要對檢校場外的一些特征點(diǎn)位進(jìn)行觀測。在有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域使用網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行坐標(biāo)采集。在無網(wǎng)絡(luò)信號的區(qū)域,考慮到試驗(yàn)對特征點(diǎn)精度要求不高,項(xiàng)目采用了GNSS精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP)靜態(tài)觀測方法獲取特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù),坐標(biāo)精度可以達(dá)到厘米級[8-10]。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 不同框架間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

2.1.1必要性

由于精密單點(diǎn)定位獲得的是網(wǎng)絡(luò)國際地球參考框架(International Terrestrial Reference Frame,ITRF)2008(瞬時歷元)WGS84坐標(biāo),需要進(jìn)行坐標(biāo)換算,求得ITRF97(2000歷元)WGS84坐標(biāo),即獲得近似的CGCS2000坐標(biāo)[11-12]。研究選取3個IGS站的坐標(biāo)在不同框架和歷元下的坐標(biāo)變化情況,說明進(jìn)行兩套坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的必要性。

經(jīng)查證,參考框架ITRF2008和ITRF97之間,坐標(biāo)年變化率X軸為0.0312 m/y、Y軸為0.0058 m/y、Z軸為0.0067 m/y。使用bjfs、chan、wuhn 3個站點(diǎn)在2016年8月4日(年積日217)瞬時歷元下的坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)對比分析可知(圖8),X軸增大0.5 m、Y軸增大0.1 m、Z軸增大0.06 m,結(jié)果表明:如坐標(biāo)不進(jìn)行框架和歷元的轉(zhuǎn)換,ITRF2008WGS84坐標(biāo)無法滿足試驗(yàn)對特征點(diǎn)精度(±20 cm)的要求。

圖8 框架間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后對比

2.1.2精度驗(yàn)證

(1)不同框架下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型[6]

①根據(jù)坐標(biāo)年變化率,由ITRF2008坐標(biāo)計(jì)算ITRF2008坐標(biāo)，見式(1)。

(1)

式中,XP、YP、ZP分別為X軸Y軸和Z軸上的坐標(biāo)年變化率(m/y)。

②根據(jù)速度場參數(shù)及其年變化率計(jì)算ITRF2008到ITRF97的轉(zhuǎn)換參數(shù)，見式(2)。

(2)

③由ITRF2008坐標(biāo)計(jì)算ITRF1997框架下的坐標(biāo)，見式(3)。

(3)

式中,T1、T2、T3、R1、R2、R3、D為(2)式中計(jì)算獲得的速度場參數(shù)。

(2)轉(zhuǎn)換模型的精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)換模型的準(zhǔn)確性和可行性,在轉(zhuǎn)換模型使用前,對其轉(zhuǎn)換精度進(jìn)行了驗(yàn)證。筆者以某項(xiàng)目的17個點(diǎn)位的坐標(biāo)成果為例進(jìn)行了比對分析,這些控制點(diǎn)(D1-D17)均有“嚴(yán)密平差后的ITRF2008 WGS84大地坐標(biāo)系成果”和“嚴(yán)密平差后的ITRF97 2000國家大地坐標(biāo)系成果”。

對比分析可知(圖9),dx轉(zhuǎn)換平均精度為+1.08 cm,dy轉(zhuǎn)換平均精度為-2.84 cm,dz轉(zhuǎn)換平均精度為-4.82 cm,ds轉(zhuǎn)換平均精度絕對值為5.71 cm,均在±6 cm以內(nèi)。可以得出:利用該模型對PPP精密單點(diǎn)定位靜態(tài)觀測所獲得的厘米級數(shù)據(jù)成果進(jìn)行轉(zhuǎn)換,精度完全滿足本項(xiàng)目對特征點(diǎn)位±20 cm的精度要求。

圖9 對比分析結(jié)果

2.2 高程異常變化趨勢分析

測區(qū)范圍東西約150 km,測區(qū)內(nèi)高程異常(高程異常=大地高-正常高)均為負(fù)值,其數(shù)值自西北向東南逐漸減小,西北端最小為-26.003 m,東南端最大為-19.550 m,測區(qū)平均高程異常為-23.170 m。高程異常變化走勢如圖10所示。

圖10 高程異常變化走勢分析

隨著測區(qū)觀測點(diǎn)位的不斷增多,分析測區(qū)內(nèi)高程異常的變換趨勢,擬合出變化曲線,可以定性驗(yàn)證激光測高所得大地高的準(zhǔn)確性,在海量數(shù)據(jù)中,有效剔除衛(wèi)星激光測高中出現(xiàn)的粗差。[13-15]

3 結(jié)束語

本文在項(xiàng)目生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上,根據(jù)星載激光測高系統(tǒng)檢校特點(diǎn),著重從測量方面入手,通過對場地選取,控制網(wǎng)布設(shè),RTK坐標(biāo)放樣和采集,激光探測器布設(shè)等一系列問題的探討,提出了一套標(biāo)準(zhǔn)化的檢校測量方法,并通過對不同框架間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、高程異常趨勢變化和外業(yè)檢校軟件系統(tǒng)的開發(fā)等幾個關(guān)鍵技術(shù)的研究,從技術(shù)上驗(yàn)證該方法的可行性。本文中提到的測量方法,已在資源三號02星和高分七號衛(wèi)星激光測高載荷的檢校中得到成功應(yīng)用。結(jié)果表明:所測激光探測器點(diǎn)位數(shù)據(jù)的精度能夠達(dá)到±5 cm;特征點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度達(dá)到±6 cm,滿足檢校試驗(yàn)對三維空間坐標(biāo)的精度需求。

幾點(diǎn)建議:①隨著國家衛(wèi)星檢校業(yè)務(wù)的不斷增多,可以在無網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋的區(qū)域布設(shè)一定數(shù)量的連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站,利用已有的控制點(diǎn)數(shù)據(jù),進(jìn)行小范圍的似大地水面精化,使后期單個場次的檢校觀測更加方便快捷。為高分七號系列衛(wèi)星,資源三號系列衛(wèi)星、陸地生態(tài)碳衛(wèi)星等未來星載激光的檢校與精度驗(yàn)證提供高精度的地理空間數(shù)據(jù)保障；②加快推進(jìn)衛(wèi)星外業(yè)檢校測量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的編寫,使衛(wèi)星外業(yè)檢校流程更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化；③國家相關(guān)部門加大對衛(wèi)星外業(yè)檢校的經(jīng)費(fèi)投入,使衛(wèi)星檢校從偏向科研性的階段向檢校常態(tài)化、業(yè)務(wù)化轉(zhuǎn)變。