基于金字塔搜索地形匹配的星载激光在轨指向检校方法与流程

技术特征：

1.一种基于金字塔搜索地形匹配的星载激光在轨指向检校方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，提取激光数据和地形数据；

步骤2，基于提取的激光数据，构建星载激光测高仪几何检校模型；

步骤3，基于步骤1提取的地形数据和步骤2构建的星载激光测高仪几何检校模型，利用金字塔搜索方法确定标定的激光指向角；其中，步骤3优选的具体包括以下子步骤：

步骤3.1，将根据步骤2构建的星载激光测高仪几何检校模型计算得到激光光斑质心在ITRF地固坐标系下的三维坐标转化到大地坐标(B L H)；

步骤3.2，利用激光光斑质心的平面坐标(B,L)在步骤1提取的地形数据即DEM数据中内插得到激光光斑质心的高程值H'；

步骤3.3，计算步骤3.2内插得到的高程值H'和在步骤3.1中通过解算星载激光测高仪几何检校模型得到的高程值H之间的差值dH；

步骤3.4，重复步骤3.1-3.3，得到所有激光光斑质心的高程差值，并通过下式计算所有激光光斑质心的高程差值的中误差：

$\mathrm{\σ}H=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{i=n}{\Σ}}{{\mathrm{dH}}_i}^2}{n}}$

其中，σH是所有激光光斑质心的高程差值的中误差，dH_i是第i个激光光斑质心的高程差值，1≤i≤n，其中，n为激光光斑质心的数量；

步骤3.5，基于金字塔搜索方法确定标定的激光指向角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3.1中，根据下述公式将根据步骤2构建的星载激光测高仪几何检校模型计算得到激光光斑质心在ITRF地固坐标系下的三维坐标转化到大地坐标(B L H)：

$\left\{\begin{array}{c}L=\arctan \left(\frac{Y_{spot}}{X_{spot}}\right)\\ B=\arctan \left(\frac{Z*\left(N+H\right)}{\sqrt{\left({X_{spot}}^2+{Y_{spot}}^2\right)*\[N*\left(1-e^2\right)+H\]}}\right)\\ H=\frac{\sqrt{{X_{spot}}^2+{Y_{spot}}^2}}{\cos B}-N\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中，N为椭球面卯酉圈的曲率半径，e为椭球的第一偏心率，B，L，H分别为激光光斑质心在大地坐标中的经度、纬度和高程。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3.5中，在每层的金字塔搜索中，在每层的激光指向角α、β的变化范围内，以与该层对应的搜索步距进行迭代计算，不断重复步骤3.1-3.4，统计每次迭代计算得到的高程差值的中误差σH_i，将最小σH_i所对应的α_i、β_i作为该层金子塔搜索确定的最优激光指向角，并将该层金子塔搜索确定的最优激光指向角作为下一层金字塔搜索的指向角初值，最终将最高层金字塔搜索所确定的最优激光指向角作为标定的激光指向角。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述金字塔的层数为三层，依次进行第一层、第二层和第三层的搜索；其中，每层金字塔搜索的搜索步距和搜索范围均不同，所述搜索步距和搜索范围按照从第一层到第三层的顺序逐步递减。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第一层的搜索步距和搜索范围大于第二层的搜索步距和搜索范围，第二层的搜索步距和搜索范围大于或等于第三层的搜索步距和搜索范围。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述星载激光测高仪几何检校模型为：

${\left(\begin{array}{c}{X}_{spot}\\ Y_{spot}\\ Z_{spot}\end{array}\right)}_{ITRF}={\left(\begin{array}{c}{X}_s\\ Y_s\\ Z_s\end{array}\right)}_{ITRF}+R_{ICRF}^{ITRF}{R}_{BOD}^{ICRF}\[{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}_{ref}\\ {\mathrm{\ΔY}}_{ref}\\ {\mathrm{\ΔZ}}_{ref}\end{array}\right)}_{BOD}+{\mathrm{\ρ}}_0\left(t\right){\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}\\ \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\\ \sin \mathrm{\β}\end{array}\right)}_{BOD}\]$

其中,为地面激光光斑质心在ITRF坐标系下的坐标，为卫星平台质心在ITRF坐标系下的坐标，为卫星本体坐标系到ICRF惯性坐标系的旋转矩阵，为ICRF惯性坐标系到ITRF地固坐标系的转换矩阵，为卫星本体坐标系中激光发射参考点相对于卫星质心的位置偏移量；为激光光斑质心在以激光发射参考点为中心的卫星本体坐标系下的三维坐标，其中，ρ₀(t)为激光测距值，ρ₀(t)＝c*Δt/2，c是光速，Δt是激光从发射到接收的渡越时间，α为激光出光轴在本体坐标系XOY面投影与X轴正方向的夹角，β为激光出光轴与其在XOY面的投影线的夹角。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2具体包括以下子步骤：

步骤2.1，在卫星本体坐标系内将激光光斑质心坐标由激光发射参考点为中心转到以卫星质心为中心，得到激光光斑质心在以卫星质心为中心的本体坐标系中的三维坐标；具体的，在步骤2.1中，根据下式(2.1)在卫星本体坐标系内将激光光斑质心由激光发射参考点为中心转到以卫星质心为中心，并得到激光光斑质心在以卫星质心为中心的本体坐标系中三维坐标：

${\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{BOD}=\[{\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}_{ref}\\ {\mathrm{\ΔY}}_{ref}\\ {\mathrm{\ΔZ}}_{ref}\end{array}\right)}_{BOD}+{\mathrm{\ρ}}_0\left(t\right){\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}\\ \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\\ \sin \mathrm{\β}\end{array}\right)}_{BOD}\]---\left(2.1\right)$

其中，表示激光光斑质心在以卫星质心为中心的卫星本体坐标系中的三维坐标，为卫星本体坐标系中激光发射参考点相对于卫星质心间的位置偏移量；为激光光斑质心在以激光发射参考点为中心的卫星本体坐标系下的三维坐标，其中，ρ₀(t)为激光测距值，ρ₀(t)＝c*Δt/2，c是光速，Δt是激光脉冲的飞行时间，α为激光出光轴在本体坐标系XOY面投影与X轴正方向的夹角，β为激光出光轴与其在XOY面的投影线的夹角；

步骤2.2，将通过步骤2.1得到的激光光斑质心在卫星本体坐标系中的三维坐标从卫星本体坐标系转到ICRF惯性坐标系，得到激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标；具体的，在步骤2.2中，根据下式(2.2)将激光光斑质心在卫星本体坐标系中的三维坐标从卫星本体(Body)坐标系转到ICRF惯性坐标系，得到激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标：

${\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{ICRF}=R_{BOD}^{ICRF}{\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{BOD}---\left(2.2\right)$

其中，为激光光斑质心在以卫星质心为中心的本体坐标系中三维坐标，为卫星本体坐标系到ICRF惯性坐标系的旋转矩阵，为激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标；

步骤2.3，将通过步骤2.2得到的激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标从ICRF惯性坐标系转到ITRF地固坐标系，得到激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的坐标；具体的，根据下式(2.3)将通过步骤2.2得到的激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标从ICRF惯性坐标系转到ITRF(The International Terrestrial Reference Frame)地固坐标系，得到激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的坐标：

${\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{ITRF}=R_{ICRF}^{ITRF}{\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{ICRF}---\left(2.3\right)$

其中，为激光光斑质心在ICRF惯性坐标系中的三维坐标，为ICRF惯性坐标系到ITRF地固坐标系的转换矩阵，为激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的三维坐标；

步骤2.4，基于通过步骤2.3得到的激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的三维坐标和卫星平台质心在ITRF坐标系下的坐标，构建星载激光测高仪几何检校模型；构建的星载激光测高仪几何检校模型如下式(2.4)所示：

${\left(\begin{array}{c}{X}_{spot}\\ Y_{spot}\\ Z_{spot}\end{array}\right)}_{ITRF}={\left(\begin{array}{c}{X}_s\\ Y_s\\ Z_s\end{array}\right)}_{ITRF}+{\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{ITRF}$

其中，

为基于所述星载激光测高仪几何检校模型计算得到的地面激光光斑质心在ITRF坐标系下的坐标，为卫星平台质心在ITRF坐标系下的坐标，为激光光斑质心在ITRF地固坐标系中的三维坐标；

将步骤2.1、2.2、2.3中的公式(2.1)、(2.2)、(2.3)代入上式(2.4)，得到如下式所示的星载激光测高仪几何检校模型：

${\left(\begin{array}{c}{X}_{spot}\\ Y_{spot}\\ Z_{spot}\end{array}\right)}_{ITRF}={\left(\begin{array}{c}{X}_s\\ Y_s\\ Z_s\end{array}\right)}_{ITRF}+R_{ICRF}^{ITRF}{R}_{BOD}^{ICRF}\[{\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{X}_{ref}\\ {\mathrm{\ΔY}}_{ref}\\ {\mathrm{\ΔZ}}_{ref}\end{array}\right)}_{BOD}+{\mathrm{\ρ}}_0\left(t\right){\left(\begin{array}{c}cos\mathrm{\β}cos\mathrm{\α}\\ cos\mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\\ \sin \mathrm{\β}\end{array}\right)}_{BOD}\].$

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地形数据优选的采用高精度DEM地形数据。

9.一种计算机程序，当由处理器执行所述计算机程序时，执行上述任一权利要求所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当由处理器执行所述计算机程序时，执行上述任一权利要求所述的方法。