张建华 石林峰 马 勇 郑文科
(自然资源部第一大地测量队, 陕西 西安 710054)
2016年发射的资源三号02星,首次成功实现了试验性激光测高载荷对地观测的高程有效测量。在2019年成功发射的高分七号卫星上装备了业务化应用的全波形激光测高仪,能为快速获取高程控制点、监测大型湖泊水位变化等提供高精度数据支撑[1-3]。近些年,随着一系列自然资源国土遥感卫星发射升空,我国在国土资源、农业、林业等领域服务能力得到大大提升,与此同时,卫星应用系统业务化运行期间的维护任务也不断增多。
目前,国内尚无与卫星激光测高外场检校测量相关的数据获取方法和技术文件可以参考,本文结合近几年的激光检校项目外场实践,着重从测量角度,从无到有,摸索出一整套外业测量方法,掌握了激光检校场地的选址、激光探测器放样数据和位置信息快速获取、坐标转换、软件开发等关键技术,并在多次激光外场检校试验中得到了成功应用。
激光测高仪是在激光测距原理上发展的用于测量目标物高程数据的仪器,激光测高仪为脉冲激光测距仪的加强。卫星激光测高是将激光测高仪搭载在卫星平台上的,同时激光测高仪以一定的频率向地面发射激光脉冲信号,通过测量激光的发射与接收时间差,再结合卫星平台的轨道、姿态以及指向角信息,最终计算获得目标测量物的高程的技术和方法[4]。
激光探测器全称为“激光脉冲感应探测器”,它集合的多能级定量化能量采集系统可以精确测量激光测高仪地面光斑的能量分布。受卫星发射振动、外太空环境变化等因素影响,激光测高仪的指向、测距等系统误差均发生变化,严重影响到激光测高精度。针对这一问题,国内外采用多种检校方法对这些系统误差进行在轨标定。其中,基于地面探测器的检校是目前精度最高、可行性最好的激光检校方法。该方法对检校场基础数据的测量工作提出了高精度、大尺度和近似同步的要求,检校场地基础地理数据的获取质量也是影响试验成败的关键环节[5]。
本项目试验,需要对卫星进行多个场次的激光检校测量。每次卫星过境前,根据不同阵列布设要求,使用RTK放样出每个激光探测器布设的位置,并使用红旗做好标记。卫星过境当天,现场布设4600余套高灵敏度激光探测器,捕获卫星激光测高仪的对地测量光斑,获得激光光斑的形状和能量分布(图1),然后采用实时动态载波相位差分技术(real time kinematic,RTK)采集足印内每个亮灯激光探测器点位的2000国家大地坐标系(China geodetic coordinate system 2000,CGCS2000)坐标(坐标精度要求为±5 cm);而后再采用几何水准方法获得其正常高数据。外场所获得的以上数据,与激光测高仪所获的大地坐标和正常高数据进行分析比对,进而对卫星激光测高载荷进行检校。
图1 激光测高仪和激光探测器工作示意图
完成既定场次的激光检校后,试验会根据实际需要,在检校场地范围外,选取一定数量的特征点,获取其CGCS2000坐标(精度要求为±20 cm),以辅助卫星检校相关工作的开展。
外场激光检校测量主要内容包括:试验场地的选取、控制测量(提供位置信息,包括CGCS2000坐标和高程)、激光探测器坐标的放样、亮灯点位和特征点位的观测和靶标的回收整理等,整体的作业技术路线见图2。
图2 技术路线和流程图
1.2.1检校测区选取
卫星激光检校场的选址要满足下列条件:①检校场地足够大[180 km(垂轨方向)×100 km(沿轨方向)],满足连续多次卫星过境检校的需要;②气候干旱少雨,植被稀少,晴朗天气居多等;③整个布设场地势平坦,交通便利,周边有国家公路主干线;④避开住宅密集区。
1.2.2首级控制网布设
在有网络RTK信号覆盖的区域,直接采用网络RTK进行观测,但是受到检校场地选址的限制,本试验场地选在内蒙古苏尼特右旗,该检校场地人烟稀少,区域内大部分地方无网络信号覆盖,检校前需要进行首级控制网的布设。按照《全球定位系统(GPS)测量规范》GB/T 18314—2009的要求,布设C级全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)首级控制网,以便后期单个场次的激光检校使用。
1.3.1确定检校场地
单个场次的检校场地应平整、无凸凹起伏、周围开阔,交通方便,无建筑物遮挡。激光探测器的布设方案通常都是垂直于卫星轨道布设,在限定的日期内找到适合布设激光探测器的检校场是一项比较烦琐的工作。
作业员根据每次卫星过境前的预报轨道数据选取单次检校场地,轨道数据1 d预报1次,越临近过境,轨道数据预报越准确。T0-3 d(设定卫星过境当天设定为T0时刻,T0-3则代表过境前3 d)时,作业员根据前期收集的图件、影像资料,选取10 km×10 km的矩形范围,进行场地初选,然后再根据T0-2 d和T0-1 d的轨道数据进行场地确认,大致流程如图3所示。
图3 场地选取流程图
1.3.2测量放样
(1)高斯正反算
测量中,单次检校的作业区域小于10 km,故采用求解四参数的方法进行RTK放样测量。四参数求解过程中需要用到CGCS2000坐标转换,其利用高斯-克吕格投影(简称高斯投影)原理。高斯正算是由地面点的大地坐标(L,B)求高斯平面坐标(x,y)的过程,而高斯反算则是由地面点的高斯平面坐标(x,y)反算其大地坐标(L,B)。高斯正反算的详细计算原理见参考文献[6-7]。
RTK测量是基于载波相位观测值的实时动态定位技术,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,能够达到厘米级精度。在首级C级GNSS控制网的基础上,采用RTK测量的控制点观测模式,架设三脚架进行足印内每个亮灯激光探测器点位的2000国家大地坐标系(CGCS2000)坐标采集,坐标精度可以达到±5 cm。
(2)放样数据的快速获取
在项目实际作业过程中,T0-1的准确轨道预报数据,一般提前10~20 h才能提供野外作业现场,激光靶标放样布设是一场与时间的赛跑。在有限的时间内,需要完成4 600余套激光探测器的场地选址、坐标放样和布设等一系列工作,每一步都需要尽量压缩作业时间,作业流程见图4。
图4 坐标放样数据生成流程图
1.4.1探测器布设
卫星过境前3 h,开始布设激光探测器,根据单次试验要求,布设不同的阵列。激光探测器现场布设效果见图5和图6。
图5 探测器布设效果图
图6 两种探测器型号
1.4.2亮灯点位及特征点测量
(1)激光探测器亮灯点位测量
卫星过境后,被卫星激光信号触发的地面探测器设备指示灯会变亮,并显示不同的能量值,图7是某单次检校中的一个阵列亮灯点位分布示意图。作业人员统计亮灯探测器点位编号和能量值后,使用RTK采集亮灯探测器的位置信息,并按照三等水准精度连测每个点位的高程。
图7 某阵列亮灯激光探测器实际分布图
(2)特征点位测量
为了满足卫星激光检校的试验要求,需要对检校场外的一些特征点位进行观测。在有网络覆盖的区域使用网络RTK进行坐标采集。在无网络信号的区域,考虑到试验对特征点精度要求不高,项目采用了GNSS精密单点定位(precise point positioning,PPP)静态观测方法获取特征点坐标数据,坐标精度可以达到厘米级[8-10]。
2.1.1必要性
由于精密单点定位获得的是网络国际地球参考框架(International Terrestrial Reference Frame,ITRF)2008(瞬时历元)WGS84坐标,需要进行坐标换算,求得ITRF97(2000历元)WGS84坐标,即获得近似的CGCS2000坐标[11-12]。研究选取3个IGS站的坐标在不同框架和历元下的坐标变化情况,说明进行两套坐标转换的必要性。
经查证,参考框架ITRF2008和ITRF97之间,坐标年变化率X轴为0.0312 m/y、Y轴为0.0058 m/y、Z轴为0.0067 m/y。使用bjfs、chan、wuhn 3个站点在2016年8月4日(年积日217)瞬时历元下的坐标与CGCS2000坐标对比分析可知(图8),X轴增大0.5 m、Y轴增大0.1 m、Z轴增大0.06 m,结果表明:如坐标不进行框架和历元的转换,ITRF2008WGS84坐标无法满足试验对特征点精度(±20 cm)的要求。
图8 框架间坐标转换后对比
2.1.2精度验证
(1)不同框架下坐标转换数学模型[6]
①根据坐标年变化率,由ITRF2008坐标计算ITRF2008坐标,见式(1)。
(1)
式中,XP、YP、ZP分别为X轴Y轴和Z轴上的坐标年变化率(m/y)。
②根据速度场参数及其年变化率计算ITRF2008到ITRF97的转换参数,见式(2)。
(2)
③由ITRF2008坐标计算ITRF1997框架下的坐标,见式(3)。
(3)
式中,T1、T2、T3、R1、R2、R3、D为(2)式中计算获得的速度场参数。
(2)转换模型的精度验证
为了验证转换模型的准确性和可行性,在转换模型使用前,对其转换精度进行了验证。笔者以某项目的17个点位的坐标成果为例进行了比对分析,这些控制点(D1-D17)均有“严密平差后的ITRF2008 WGS84大地坐标系成果”和“严密平差后的ITRF97 2000国家大地坐标系成果”。
对比分析可知(图9),dx转换平均精度为+1.08 cm,dy转换平均精度为-2.84 cm,dz转换平均精度为-4.82 cm,ds转换平均精度绝对值为5.71 cm,均在±6 cm以内。可以得出:利用该模型对PPP精密单点定位静态观测所获得的厘米级数据成果进行转换,精度完全满足本项目对特征点位±20 cm的精度要求。
图9 对比分析结果
测区范围东西约150 km,测区内高程异常(高程异常=大地高-正常高)均为负值,其数值自西北向东南逐渐减小,西北端最小为-26.003 m,东南端最大为-19.550 m,测区平均高程异常为-23.170 m。高程异常变化走势如图10所示。
图10 高程异常变化走势分析
随着测区观测点位的不断增多,分析测区内高程异常的变换趋势,拟合出变化曲线,可以定性验证激光测高所得大地高的准确性,在海量数据中,有效剔除卫星激光测高中出现的粗差。[13-15]
本文在项目生产实践的基础上,根据星载激光测高系统检校特点,着重从测量方面入手,通过对场地选取,控制网布设,RTK坐标放样和采集,激光探测器布设等一系列问题的探讨,提出了一套标准化的检校测量方法,并通过对不同框架间坐标转换、高程异常趋势变化和外业检校软件系统的开发等几个关键技术的研究,从技术上验证该方法的可行性。本文中提到的测量方法,已在资源三号02星和高分七号卫星激光测高载荷的检校中得到成功应用。结果表明:所测激光探测器点位数据的精度能够达到±5 cm;特征点坐标转换精度达到±6 cm,满足检校试验对三维空间坐标的精度需求。
几点建议:①随着国家卫星检校业务的不断增多,可以在无网络信号覆盖的区域布设一定数量的连续运行基准站,利用已有的控制点数据,进行小范围的似大地水面精化,使后期单个场次的检校观测更加方便快捷。为高分七号系列卫星,资源三号系列卫星、陆地生态碳卫星等未来星载激光的检校与精度验证提供高精度的地理空间数据保障;②加快推进卫星外业检校测量相关标准的编写,使卫星外业检校流程更加规范化、标准化;③国家相关部门加大对卫星外业检校的经费投入,使卫星检校从偏向科研性的阶段向检校常态化、业务化转变。