本體坐標(biāo)系定義為:衛(wèi)星質(zhì)心為原點(diǎn)，X軸指向衛(wèi)星飛行方向，z軸指向天頂方 向，Y軸垂直于衛(wèi)星軌道平面，與X、z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，如圖3A所示。激光發(fā)射時(shí)指向方向 與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系存在一定的夾角，假設(shè)激光指向與本體坐標(biāo)系Z軸的負(fù)向夾角為Θ，在Χ0Υ 平面上的投影與X軸正向夾角為α，如圖3B所示。
[0101]若激光的測(cè)距值為Ρ，激光參考點(diǎn)在本體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：ΔΙ = (?Λ izf，.則在 激光足印點(diǎn)在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：
[0103] GPS的相位中心一般與衛(wèi)星質(zhì)心不完全重合，兩者之間存在一定的偏差，假定GPS 的相位中心在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為= 御fef。衛(wèi)星星敏感器本體坐標(biāo)系與 衛(wèi)星本體坐標(biāo)之間的旋轉(zhuǎn)矩陣為&=，星敏感器測(cè)得的是星敏本體系到J2000坐標(biāo)系下的 旋轉(zhuǎn)矩陣
[0104] 因此，激光測(cè)高衛(wèi)星的嚴(yán)密幾何定位公式為：
[0106]其中Δρ為因大氣折射及硬件誤差而引起的測(cè)距改正值。
[0107] 地球參考框架坐標(biāo)系ITRF下的空間直角坐標(biāo)(Χ，Υ，Ζ)與經(jīng)煒度(B，L)及大地高Η之 間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下式所示。
[0109]上式中，Ν為該點(diǎn)卯酉圈半徑，e為參考橢球第一偏心率。Ν的計(jì)算公式為：
[0111] 其中，a為參考橢球長(zhǎng)半軸。
[0112] 由于激光測(cè)高儀發(fā)射波形可近似為高斯脈沖，激光經(jīng)地表面反射后回波波形可近 似看做一次或多次高斯脈沖的疊加。圖4A和圖4B分別示意性地示出了激光測(cè)高儀的發(fā)射波 形和接收波形。
[0113]對(duì)于多回波波形數(shù)據(jù)，采用多個(gè)高斯函數(shù)疊加的方式進(jìn)行擬合，擬合公式如下式 所示。
[0115]上式中t為時(shí)間，Am，tm，σΑ別為第m個(gè)高斯函數(shù)的幅值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差，ε為波形噪 聲值。
[0116] 回波波形的高斯函數(shù)模型的3個(gè)參數(shù)可用向量形式表示為
[0117] Cm= (2.15)
[0118] 則未知數(shù)可用向量表示為X，且X的維數(shù)為3p+l。
[0119] X=[e，ci，C2，...，cP]T
[0120] 設(shè)定回波波形的采樣數(shù)目為N，以GLAS為例，N = 544,則每個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)際回波值 表示為:R=[ri，r2，···，γν]τ (2.16)
[0121] 采用式(2.14)計(jì)算出的每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波形模型的值為
[0122] ff=[wi ,W2, . . .,wn]T (2.17)
[0123] 定義采樣值和波形模型的計(jì)算值誤差1為
[0124] F(C)=ff-R (2.18)
[0125] 為了確定模型的最優(yōu)化時(shí)的未知參數(shù)向量C，即F(C)=0;
[0126 ]對(duì)(2.14)的波形模型，求未知參數(shù)向量C偏導(dǎo)得：
[0128]對(duì)于波形模型用一階泰勒公式展開得：

[0136] 對(duì)于式(2.18)，
[0137] 有 F(C)=W(C)+ASx-R,
[0138] 其中，W(C)是根據(jù)待估參數(shù)C及模型(2.14)計(jì)算出的回波近似值。
[0139] 約束條件為:F(C)=0,則有
[0140] A5x = L
[0141] L = R-ff(C) (2.22)
[0142] 則δχ=[Ατ Am，其中心…，考慮權(quán)重和先驗(yàn)值，公式可以寫 為：
[0143] 5x=[ATPA+Vo]_1ATPL(2.23)
[0144] 其中：P為權(quán)重矩陣，Vo為先驗(yàn)值矩陣，？^ = ?而」，[￥0]訴=?。1^1{小是第1次采樣值 的權(quán)重，Pck為第k個(gè)向量Ck的先驗(yàn)值權(quán)重。
[0M5]其中，δ?」為克羅內(nèi)克δ函數(shù)值：
[0147]計(jì)算出δχ后，可以得到新的參數(shù)：
[0148] ci+1 = C+5x (2.24)
[0149] 判斷|δχ|〈(1，其中d為設(shè)定的閾值。如果成立，則停止迭代，輸出參數(shù)C;如果不成 立，則采用新的參數(shù)C，回到(2.18)進(jìn)行下一次迭代運(yùn)算。
[0150]結(jié)合上述足印影像云霧檢測(cè)和回波波形數(shù)據(jù)處理，對(duì)地觀測(cè)激光測(cè)高衛(wèi)星數(shù)據(jù)處 理流程可描述為：
[0151] 1)對(duì)激光的發(fā)射和接收波形進(jìn)行平滑、去噪，提取波形特征參數(shù)，確定發(fā)射和接收 波形重心對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，根據(jù)激光傳輸時(shí)間間隔，計(jì)算激光單向傳輸初始距離值；
[0152] 2)根據(jù)衛(wèi)星姿軌參數(shù)、激光發(fā)射時(shí)間、初始距離值及激光幾何定位模型，計(jì)算激光 足印點(diǎn)的粗略三維坐標(biāo)；
[0153] 3)根據(jù)衛(wèi)星姿軌參數(shù)、足印影像、足印相機(jī)參數(shù)及足印影像幾何定位模型，重采樣 生產(chǎn)出足印影像幾何粗糾正產(chǎn)品；
[0154]其中，上述1~3步獲得的波形特征參數(shù)、激光初始距離值激光足印點(diǎn)粗略三維坐 標(biāo)、足印影像幾何粗糾正產(chǎn)品均為基本產(chǎn)品，需要處理所有的激光數(shù)據(jù)點(diǎn)，
[0155] 4)對(duì)足印影像采用云霧檢測(cè)模型進(jìn)行處理，獲得足印影像云霧檢測(cè)產(chǎn)品；
[0156] 5)如果足印影像云霧檢測(cè)產(chǎn)品中云霧量超標(biāo)（如比例超20%)，則回到第4步進(jìn)行 下一個(gè)激光點(diǎn)的處理;若云霧量不超標(biāo)則進(jìn)入第6步；
[0157] 6)采用大氣延遲改正模型，根據(jù)大氣參數(shù)及第2步中的激光足印點(diǎn)粗略三維坐標(biāo) 獲得大氣延遲改正值；
[0158] 7)根據(jù)幾何檢校獲得的激光測(cè)距系統(tǒng)性誤差值、第1步中的初始距離值、第6步中 的大氣延遲改正值，計(jì)算精確的距離值；
[0159] 8)根據(jù)衛(wèi)星姿軌參數(shù)、激光發(fā)射時(shí)間、精確的距離值及激光幾何定位模型，計(jì)算激 光足印點(diǎn)三維坐標(biāo)；
[0160] 9)采用潮汐改正模型，計(jì)算潮汐改正值，對(duì)第8步中的結(jié)果進(jìn)行修正，獲得激光足 印點(diǎn)精確三維坐標(biāo)；
[0161] 10)根據(jù)衛(wèi)星姿軌參數(shù)、足印影像、足印相機(jī)參數(shù)及足印影像幾何定位模型，采用 地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)足印影像正射糾正產(chǎn)品；
[0162] 其中，上述4~10步獲得的足印影像云霧檢測(cè)產(chǎn)品、大氣延遲改正值、精確距離值、 潮汐改正值、激光足印點(diǎn)精確的三維坐標(biāo)、足印影像正射糾正產(chǎn)品均為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，
[0163] 11)對(duì)第5步中云霧量不超標(biāo)的足印影像云霧檢測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行判斷，如果無云，則進(jìn) 入第12步;否則，進(jìn)入第17步；
[0164] 12)對(duì)回波波形特征參數(shù)進(jìn)行特征約束條件判斷（例如采用前述的回波波形擬 合），如滿足，則進(jìn)入第13步;否則，進(jìn)入第16步；
[0165] 13)利用第9步和第10步的激光足印點(diǎn)精確三維坐標(biāo)和足印影像正射糾正產(chǎn)品，組 合形成激光高程控制點(diǎn)；
[0166] 14)利用同區(qū)域多期測(cè)量獲得的激光高程參考點(diǎn)進(jìn)行高程變化分析，獲得極地冰 蓋變化監(jiān)測(cè)產(chǎn)品；
[0167] 15)利用多軌測(cè)量獲得的激光高程參考點(diǎn)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，形成激光高程控制點(diǎn)庫產(chǎn) 品；
[0168] 16)對(duì)激光回波波形特征參數(shù)進(jìn)行林業(yè)參數(shù)提取分析，獲得林業(yè)專題產(chǎn)品；
[0169] 17)對(duì)云量進(jìn)行分析，結(jié)合第9、10步的結(jié)果，獲得其他類專題產(chǎn)品。
[0170] 其中，第14到17步產(chǎn)生的極地冰蓋變化監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、激光高程控制點(diǎn)庫產(chǎn)品、林業(yè)專 題產(chǎn)品、其他類專題產(chǎn)品均屬于通過進(jìn)一步處理生成的專題類高級(jí)產(chǎn)品。
[0171] 圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的星載激光測(cè)高數(shù)據(jù)的處理流程。例 如，根據(jù)衛(wèi)星姿軌參數(shù)以及相機(jī)基本參數(shù)，建立經(jīng)系統(tǒng)幾何校正后的足印影像，根據(jù)衛(wèi)星姿 軌參數(shù)、激光指向參數(shù)、激光初始測(cè)距值確定激光光斑在足印影像里的大致位置。
[0172] 圖6示意性地示出了激光測(cè)高衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的分級(jí)體系。具體說明如下：
[0173] LeveljKO級(jí)）原始數(shù)據(jù)產(chǎn)品：指激光測(cè)高衛(wèi)星下傳的經(jīng)解碼后的原始數(shù)據(jù)，包括 激光足印影像、衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)、衛(wèi)星軌道測(cè)量數(shù)據(jù)、激光發(fā)射波形數(shù)據(jù)、激光回波波形 數(shù)據(jù)以及相關(guān)硬件參數(shù)等。原始數(shù)據(jù)產(chǎn)品一般不對(duì)外提供，僅供地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)使用。
[0174] LeVel_l(l級(jí))基本產(chǎn)品：指針對(duì)原始數(shù)據(jù)產(chǎn)品經(jīng)過系統(tǒng)幾何改正及初步的波形處 理后的產(chǎn)品，包括波形的特征參數(shù)、激光粗略距離參數(shù)、足印影像幾何粗糾正產(chǎn)品、激光足 印粗略三維坐標(biāo)等，其中將經(jīng)事后精密處理后的姿軌參數(shù)歸為基礎(chǔ)產(chǎn)品?；井a(chǎn)