星載激光測高系統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, 陜西 西安 710054)

0 引言

2016年發射的資源三號02星,首次成功實現了試驗性激光測高載荷對地觀測的高程有效測量。在2019年成功發射的高分七號衛星上裝備了業務化應用的全波形激光測高儀,能為快速獲取高程控制點、監測大型湖泊水位變化等提供高精度數據支撐[1-3]。近些年,隨著一系列自然資源國土遙感衛星發射升空,我國在國土資源、農業、林業等領域服務能力得到大大提升,與此同時,衛星應用系統業務化運行期間的維護任務也不斷增多。

目前,國內尚無與衛星激光測高外場檢校測量相關的數據獲取方法和技術文件可以參考,本文結合近幾年的激光檢校項目外場實踐,著重從測量角度,從無到有,摸索出一整套外業測量方法,掌握了激光檢校場地的選址、激光探測器放樣數據和位置信息快速獲取、坐標轉換、軟件開發等關鍵技術,并在多次激光外場檢校試驗中得到了成功應用。

1 研究思路

1.1 檢校測量整體技術路線

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

激光探測器全稱為“激光脈沖感應探測器”,它集合的多能級定量化能量采集系統可以精確測量激光測高儀地面光斑的能量分布。受衛星發射振動、外太空環境變化等因素影響,激光測高儀的指向、測距等系統誤差均發生變化,嚴重影響到激光測高精度。針對這一問題,國內外采用多種檢校方法對這些系統誤差進行在軌標定。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數據的測量工作提出了高精度、大尺度和近似同步的要求,檢校場地基礎地理數據的獲取質量也是影響試驗成敗的關鍵環節[5]。

本項目試驗,需要對衛星進行多個場次的激光檢校測量。每次衛星過境前,根據不同陣列布設要求,使用RTK放樣出每個激光探測器布設的位置,并使用紅旗做好標記。衛星過境當天,現場布設4600余套高靈敏度激光探測器,捕獲衛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),然后采用實時動態載波相位差分技術(real time kinematic,RTK)采集足印內每個亮燈激光探測器點位的2000國家大地坐標系(China geodetic coordinate system 2000,CGCS2000)坐標(坐標精度要求為±5 cm);而后再采用幾何水準方法獲得其正常高數據。外場所獲得的以上數據,與激光測高儀所獲的大地坐標和正常高數據進行分析比對,進而對衛星激光測高載荷進行檢校。

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,試驗會根據實際需要,在檢校場地范圍外,選取一定數量的特征點,獲取其CGCS2000坐標(精度要求為±20 cm),以輔助衛星檢校相關工作的開展。

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

圖2 技術路線和流程圖

1.2 試驗第一階段

1.2.1檢校測區選取

衛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)],滿足連續多次衛星過境檢校的需要；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。

1.2.2首級控制網布設

在有網絡RTK信號覆蓋的區域,直接采用網絡RTK進行觀測,但是受到檢校場地選址的限制,本試驗場地選在內蒙古蘇尼特右旗,該檢校場地人煙稀少,區域內大部分地方無網絡信號覆蓋,檢校前需要進行首級控制網的布設。按照《全球定位系統(GPS)測量規范》GB/T 18314—2009的要求,布設C級全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)首級控制網,以便后期單個場次的激光檢校使用。

1.3 試驗第二階段

1.3.1確定檢校場地

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

作業員根據每次衛星過境前的預報軌道數據選取單次檢校場地,軌道數據1 d預報1次,越臨近過境,軌道數據預報越準確。T0-3 d(設定衛星過境當天設定為T0時刻,T0-3則代表過境前3 d)時,作業員根據前期收集的圖件、影像資料,選取10 km×10 km的矩形范圍,進行場地初選,然后再根據T0-2 d和T0-1 d的軌道數據進行場地確認,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,單次檢校的作業區域小于10 km,故采用求解四參數的方法進行RTK放樣測量。四參數求解過程中需要用到CGCS2000坐標轉換,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的大地坐標(L,B)求高斯平面坐標(x,y)的過程,而高斯反算則是由地面點的高斯平面坐標(x,y)反算其大地坐標(L,B)。高斯正反算的詳細計算原理見參考文獻[6-7]。

RTK測量是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術,它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果,能夠達到厘米級精度。在首級C級GNSS控制網的基礎上,采用RTK測量的控制點觀測模式,架設三腳架進行足印內每個亮燈激光探測器點位的2000國家大地坐標系(CGCS2000)坐標采集,坐標精度可以達到±5 cm。

(2)放樣數據的快速獲取

在項目實際作業過程中,T0-1的準確軌道預報數據,一般提前10～20 h才能提供野外作業現場,激光靶標放樣布設是一場與時間的賽跑。在有限的時間內,需要完成4 600余套激光探測器的場地選址、坐標放樣和布設等一系列工作,每一步都需要盡量壓縮作業時間,作業流程見圖4。

圖4 坐標放樣數據生成流程圖

1.4 試驗第三階段

1.4.1探測器布設

衛星過境前3 h,開始布設激光探測器,根據單次試驗要求,布設不同的陣列。激光探測器現場布設效果見圖5和圖6。

圖5 探測器布設效果圖

圖6 兩種探測器型號

1.4.2亮燈點位及特征點測量

(1)激光探測器亮燈點位測量

衛星過境后,被衛星激光信號觸發的地面探測器設備指示燈會變亮,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位分布示意圖。作業人員統計亮燈探測器點位編號和能量值后,使用RTK采集亮燈探測器的位置信息,并按照三等水準精度連測每個點位的高程。

圖7 某陣列亮燈激光探測器實際分布圖

(2)特征點位測量

為了滿足衛星激光檢校的試驗要求,需要對檢校場外的一些特征點位進行觀測。在有網絡覆蓋的區域使用網絡RTK進行坐標采集。在無網絡信號的區域,考慮到試驗對特征點精度要求不高,項目采用了GNSS精密單點定位(precise point positioning，PPP)靜態觀測方法獲取特征點坐標數據,坐標精度可以達到厘米級[8-10]。

2 關鍵技術分析

2.1 不同框架間坐標轉換

2.1.1必要性

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

經查證,參考框架ITRF2008和ITRF97之間,坐標年變化率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個站點在2016年8月4日(年積日217)瞬時歷元下的坐標與CGCS2000坐標對比分析可知(圖8),X軸增大0.5 m、Y軸增大0.1 m、Z軸增大0.06 m,結果表明:如坐標不進行框架和歷元的轉換,ITRF2008WGS84坐標無法滿足試驗對特征點精度(±20 cm)的要求。

圖8 框架間坐標轉換后對比

2.1.2精度驗證

(1)不同框架下坐標轉換數學模型[6]

①根據坐標年變化率,由ITRF2008坐標計算ITRF2008坐標，見式(1)。

(1)

式中,XP、YP、ZP分別為X軸Y軸和Z軸上的坐標年變化率(m/y)。

②根據速度場參數及其年變化率計算ITRF2008到ITRF97的轉換參數，見式(2)。

(2)

③由ITRF2008坐標計算ITRF1997框架下的坐標，見式(3)。

(3)

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

(2)轉換模型的精度驗證

為了驗證轉換模型的準確性和可行性,在轉換模型使用前,對其轉換精度進行了驗證。筆者以某項目的17個點位的坐標成果為例進行了比對分析,這些控制點(D1-D17)均有“嚴密平差后的ITRF2008 WGS84大地坐標系成果”和“嚴密平差后的ITRF97 2000國家大地坐標系成果”。

對比分析可知(圖9),dx轉換平均精度為+1.08 cm,dy轉換平均精度為-2.84 cm,dz轉換平均精度為-4.82 cm,ds轉換平均精度絕對值為5.71 cm,均在±6 cm以內。可以得出:利用該模型對PPP精密單點定位靜態觀測所獲得的厘米級數據成果進行轉換,精度完全滿足本項目對特征點位±20 cm的精度要求。

圖9 對比分析結果

2.2 高程異常變化趨勢分析

測區范圍東西約150 km,測區內高程異常(高程異常=大地高-正常高)均為負值,其數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

隨著測區觀測點位的不斷增多,分析測區內高程異常的變換趨勢,擬合出變化曲線,可以定性驗證激光測高所得大地高的準確性,在海量數據中,有效剔除衛星激光測高中出現的粗差。[13-15]

3 結束語

本文在項目生產實踐的基礎上,根據星載激光測高系統檢校特點,著重從測量方面入手,通過對場地選取,控制網布設,RTK坐標放樣和采集,激光探測器布設等一系列問題的探討,提出了一套標準化的檢校測量方法,并通過對不同框架間坐標轉換、高程異常趨勢變化和外業檢校軟件系統的開發等幾個關鍵技術的研究,從技術上驗證該方法的可行性。本文中提到的測量方法,已在資源三號02星和高分七號衛星激光測高載荷的檢校中得到成功應用。結果表明:所測激光探測器點位數據的精度能夠達到±5 cm;特征點坐標轉換精度達到±6 cm,滿足檢校試驗對三維空間坐標的精度需求。

幾點建議:①隨著國家衛星檢校業務的不斷增多,可以在無網絡信號覆蓋的區域布設一定數量的連續運行基準站,利用已有的控制點數據,進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。為高分七號系列衛星,資源三號系列衛星、陸地生態碳衛星等未來星載激光的檢校與精度驗證提供高精度的地理空間數據保障；②加快推進衛星外業檢校測量相關標準的編寫,使衛星外業檢校流程更加規范化、標準化；③國家相關部門加大對衛星外業檢校的經費投入,使衛星檢校從偏向科研性的階段向檢校常態化、業務化轉變。