高分七號衛星激光測高儀總體設計與在軌驗證

國愛燕 戴君 趙晨光 張新偉

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

衛星激光測高具備主動獲取全球地表及目標高程信息的能力，能為快速獲取包括境外地區在內的高程控制點以及立體測圖提供服務，同時在極地冰蓋測量、植被高度及生物量估測、云高測量、海面高度測量以及全球氣候監測等方面都可以發揮重要作用[1-3]。

從20世紀90年代開始，美國NASA陸續在火星、月球、以及水星等深空探測任務中使用激光測高儀進行地形測量，繪制高精度地圖。2003年1月12日，NASA發射了冰、云和大陸高程探測的冰衛星(Icesat)，搭載地球科學激光測高系統(Geoscience Laser Altimeter System，GLAS)。GLAS采用了高能量低重頻大光斑激光、全波形測距技術和基于星敏感器的指向測量技術，用于監測全球冰蓋高程及其變化，于2009年10月11日停止工作[4-6]。

2016年5月30日，我國在太原衛星發射中心成功發射了資源三號02星，搭載了國內首臺對地觀測的試驗性激光測距儀，采用高能量激光器和閾值鑒別測距技術，開展在軌試驗探索[7-8]。高分七號衛星于2019年11月3日發射，其上搭載了激光測高儀，用于廣義稀疏控制點測量，對立體線陣測繪相機的地形數據進行高程誤差修正，提高立體圖像的高程精度，滿足高分七號衛星在少控制點條件下實現1∶10 000立體測繪的應用需求。

本文論述激光測高儀的總體設計思路，重點對高速全波形測距、高穩定性激光指向測量和長壽命激光器的實現方案、地面和在軌驗證情況進行分析。

1 激光測高儀總體設計

根據《GB/T 13990-92 1∶5000、1∶10 000地形圖航空攝影測量業內規范》要求，制作1∶10 000比例尺地圖，對影像的平面誤差和高程精度要求見表1。

表1 1∶10 000比例尺地圖制圖需求Table 1 Requirements of 1∶10000-scale mapping m

根據上述需求，高分七號衛星研制總要求提出了定位精度的指標要求：無控制點情況下，1～2級標準產品平面定位精度≤20 m(1σ)；有控制點情況下立體測繪產品精度平面精度≤5 m(1σ)、高程精度≤1.5 m(1σ)。

激光測高儀的設計指標為測距精度≤0.3 m，經在軌標定后，激光足印的高程精度≤1 m。在少量地面實測控制點或無控制點情況下，以激光足印為高程控制點，與測繪相機數據聯合平差[9-10]，可實現1∶10 000比例尺地圖對影像的平面誤差和高程精度的要求。

為滿足使用要求，激光測高儀的總體設計思路為

1)采用高精度全波形測距體制

我國首次在星載對地測量應用中使用全波形測距體制激光測距，相對于傳統的閾值鑒別體制，全波形能夠反映探測區域內地表形狀、地表粗糙度和反射率等地形、地物信息，通過對波形數據的分析、處理，可實現對距離的高精度統計。

2)配置足印相機，同時記錄激光出射方向和地物影像

足印相機對激光出射方向進行精確的測量，確定激光指向地面的矢量方向。同時，足印相機還對地物進行成像，并通過與測繪相機的圖像匹配，最終確定激光足印控制點在地面的位置。

3)2通道、3 Hz工作方式和8年長壽命設計

為了增加控制點的數量，設計了2個獨立的收發通道，每個通道都包含激光發射、全波形接收和足印相機三個完整的部分，以3 Hz的頻率工作，使激光足印和足印相機圖像均勻分布在測繪相機圖像中，如圖1所示。其中，激光器采用國內首個長壽命空間全固態激光器，設計壽命8年。

圖1 激光足印地面控制點示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser footprint elevation control points

2 激光測高儀方案與地面驗證

激光測高儀的組成結構如圖2所示，發射通道為2個獨立的激光器和發射鏡頭，接收通道共用接收望遠鏡，2個通道的激光回波通過接收望遠鏡后分別進入對應的全波形接收機和足印相機。

圖2 激光測高儀組成結構圖Fig.2 Structure diagram of the laser altimeter

激光測高儀主要技術指標如表2所示，激光能量可在100～180 mJ之間調整。激光測高儀的工作方式如圖3所示，2個通道同時工作，夾角為1.4°。

表2 激光測高儀主要技術指標Table 2 Technical specifications of the laser altimeter

2.1 全波形測距方案設計與驗證

測距過程中，取激光能量的極小部分送回接收望遠鏡作為主波(圖4)。絕大部分激光能量打向地面，經地面反射后回到接收望遠鏡成為回波。主波和回波經過接收望遠鏡、后光路后匯聚到探測器，轉變為電信號，經過濾波和放大后進入全波形采集模塊。

全波形模塊將主波/回波波形進行采樣，采樣頻率為2 GHz，波形下傳到地面，通過分別計算主波、回波高斯形心對應時刻得到激光發射時刻和激光接收時刻，二者之差就是激光往返飛行的時間，如圖5所示。

圖5 激光飛行時間測量Fig.5 Measurement of laser flight time

為實現測距精度≤0.3 m的要求，對測距過程中的誤差項進行了控制，并采用測試和仿真結合的方法，對在軌測距精度進行預估，結果如表3所示，激光測高儀測距精度的設計和測試指標為0.14 m，滿足測距精度小于0.3 m的要求。

表3 激光測高儀測距隨機誤差分析Table 3 Root mean square(RMS) analysis of laser ranging m

2.2 激光指向測量方案的設計與驗證

利用取光組件，將激光出射光路中的部分光引入足印相機視場，在足印相機視場中得到取樣激光光斑。通過統計取樣光斑質心的抖動，計算實際出射激光的方向抖動。根據標定的轉換矩陣，將取樣光斑質心轉換為地面足印質心位置，利用足印相機地物特征和回波特征，對激光指向偏差進行修正。

在地面測試期間，對足印相機中取樣光斑質心的抖動進行了持續的監視，如表4所示，質心抖動≤0.5像素，對應0.8 μrad，滿足指標要求5 μrad。

表4 地面測試足印相機取樣光斑質心抖動情況Table 4 RMS ofcentroid of sampled laser spot in laser footprint camera

2.3 激光器的設計與驗證

高分七號激光測高儀的技術指標對激光器提出了高能量和長壽命的要求，激光器采用振蕩器+預放級+主放級的設計方案。采用兩級放大，既能夠保證激光能量滿足要求，又可以有效地控制激光光束質量。

激光器飛行件實物如圖6所示，為了確保激光器能量和壽命滿足要求，在地面對上述指標進行了測試。

圖6 激光器飛行件Fig.6 Flight model of laer emitters

激光能量測試結果如圖7所示，測試時間為15 min，激光能量均值為181.8±1.7 mJ，滿足指標要求。

圖7 激光器能量測試結果Fig.7 Test result of laser energy

為滿足8年壽命要求，激光器的脈沖次數需要達到1×108次。激光器在地面按20 Hz進行加速壽命試驗。試驗累計激光發射約3.2×108次，能量減少了約4.5%，滿足預期要求，如圖8所示。

圖8 激光器壽命試驗 Fig.8 Lifetime test of laser emitter

3 激光測高儀在軌驗證

3.1 激光測距精度

激光測高儀回波波形中體現了地物的信息，通過分析波形可提取激光測距值，圖9為典型的多回波波形，反映了高度差3.75 m的地物特征。

圖9 激光測高儀在軌接收的回波波形Fig.9 Laser echo waveform received by on-orbit laser altimeter

在獲得激光測距值ρ，地理坐標系下的激光出射點位置[X0Y0Z0]T以及地理坐標系下激光足印中心點的平面坐標值(Xz,Yz)之后，可以利用空間距離計算公式獲得激光足印的高程值Zz和激光指向P。

(1)

利用平整湖面對激光測高儀的相對高程精度進行評估，根據咸海測量數據分析，相對高程精度為0.066 5 m(1σ)，滿足≤0.3 m要求。

3.2 激光指向測量精度

對足印相機中激光指向進行了統計，單次測量期間指向抖動標準差≤0.65 μrad，足印相機圖像如圖10所示，分別為北京大興機場和城市地區，圖像中激光光斑和激光地面足印之間的位置差異為系統差，為避免激光光斑遮擋地物特意進行的設計。

圖10 足印相機圖像Fig.10 Image of laser footprint camera

3.3 激光器能量

激光測高儀激光器設計能量為100～180 mJ可調，在軌使用能量為100 mJ。自2019年11月3日發射以來，截至2020年1月4日，激光器1累計出光次數407 251次，激光器2累計出光次數400 227次。以激光器2的遙測為例進行能量穩定性分析，結果如圖11所示，單次測量能量抖動標準差小于1 mJ。

圖11 激光器能量Fig.11 On-orbit laser energy telemetry

4 結束語

為滿足1∶10 000比例尺制圖的高程精度要求，高分七號衛星采用了激光測高儀和測繪相機結合的復合測繪體制。激光測高儀總體方案采用高精度全波形測距、高精度指向測量和8年長壽命激光器設計，工作方式為2通道、3 Hz頻率。地面和在軌初期的測試表明：激光測高儀狀態良好，測距精度≤0.3 m，滿足設計要求。