[发明专利]针对陆地目标的激光测高仪大气延迟测距误差修正方法

说明书

本发明属于激光遥感技术领域，特别涉及一种针对陆地目标的星载激光测高系统大气延迟误差修正方法。本发明首先推导了大气延迟误差与地表大气压强之间的理论关系式，进而简化了压高方程，根据地面气象站测得的气象站所在高度气压、海平面高度气压，计算每个气象站气压衰减因子，建立气压随高度变化的衰减模型。依据激光脚点的经纬度选取距离最近的k个气象站，根据气压衰减模型，计算每个气象站所在位置在待插值点海拔高度处的气压；根据反距离加权算法，计算待插值点地理位置处的气压。交叉验证结果表明，该方法的气压时空内插的精度高于目前基于NECP再分析资料的计算方法，在我国激光测高卫星的测量精度提高方面具有重要应用价值。

技术领域

本发明涉及激光遥感技术领域，尤其是涉及卫星激光测高仪针对地球表面陆地目标观测时大气延迟测距误差的修正方法。

背景技术

星载激光测高仪是一种安置于低轨卫星平台，用于获取地表高程信息的新型卫星载荷。星载激光测高仪通过记录激光脉冲从发射到被反射接收的渡越时间，计算卫星平台与地面激光脚点之间的距离；通过卫星平台的姿态、位置进而计算被测地物目标的平面和高程三维坐标。大气延迟测距误差是指当激光脉冲穿过地球大气层时，由于大气折射率不均匀产生的激光脉冲传输延迟，这对激光渡越时间的测量精度以及地球表面三维轮廓的测量造成显著的影响。

根据静力学方程推导可得，大气延迟测距误差由地表气压主导，地面每1hPa大气压将导致2.30mm的误差，而地表气压平均值约为1000hPa，由此带来的大气延迟测距误差约为2.3m。地表气压数据通常根据气象站测量数据通过相应的算法计算获得；激光测高仪随卫星飞行过程中，其星下激光脚点分布于地球表面的不同位置，且测量时间间隔通常小于1秒；任何国家和地区气象站实测数据都不足以满足卫星激光测高仪计算大气延迟的时间和空间网格密度要求，因此需要专门研究地表气压时空内插算法计算每个激光脉冲对应时刻和位置的地表气压数值，进而计算大气延迟测距误差的改正值。

世界上首台具有全波形记录能力的对地观测星载激光测高仪是美国2003年发射的ICESat卫星上搭载的地球科学激光测高系统GLAS(Geoscience Laser AltimeterSystem)。目前内插计算地表气压方法仅有美国GLAS系统使用的基于NCEP气象数据集的时空内插方法。该方法对于GLAS系统观测核心要素相对平坦的南北极冰盖区域精度足够(南极冰盖90％地区坡度小于3:200，使用NCEP基于标准气压层的全球气象数据时空线性/双线性内插误差的标准差为5hPa(对应干项延迟12mm))，但对于地表起伏复杂的陆地目标精度较低(约5cm，相对于GLAS系统整体设计精度15cm而言已经严重超标)。

而我国已发射的ZY3-02号卫星与未来发射的GF-7号卫星为激光/光学立体测绘卫星，以生产大比例尺地形图为目的，其主要以国内陆地地表为首要观测目标，获取高精度的地表高程数据。因此，针对陆地目标的高精度星载激光大气测距误差修正方法具有现实的应用意义。

发明内容

本发明主要是针对陆地目标的星载激光测高系统大气延迟误差，提供一种新的修正方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种针对陆地目标的星载激光测高系统大气延迟误差修正方法，包括如下步骤：

步骤1，以激光脚点经纬度坐标作为气压待插值点；以激光脚点为中心，确定距离激光脚点较近的k个气象站，作为采样点。

步骤2，根据步骤1中确定的气象站，利用气象站位置的海平面高度气压P_i0、气象站高度气压P_i以及气象站高度h_i，计算气象站所在位置气压衰减因子α_i。

步骤3，通过步骤2中采样点即每个气象站的气压衰减因子α_i，依据待插值点的海拔高度h，计算第i个气象站在海拔高度h处的气压值P_ih。