2024年4月4日发(作者：)
第 31 卷 第 11 期
6 月2023 年
Optics and Precision Engineering
光学 精密工程
Vol.31 No.11
Jun. 2023
文章编号 1004-924X（2023）11-1631-10
高分十四号激光测量系统在轨几何定标与
初步精度验证
曹彬才
1，2*
， 王建荣
1，2
， 胡燕
1，2
， 吕源
1，2
， 杨秀策
1，2
， 卢学良
1，2
（
1.地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安 710054；
2.西安测绘研究所，陕西 西安 710054
）
摘要：高分十四号卫星搭载了一台三波束激光测距系统，用于辅助双线阵光学相机开展全球1∶10 000无地面控制点立体
测图。由于振动及环境等因素变化，激光测高仪的几何参数相比实验室测量参数会发生改变，必须开展高精度在轨几何
定标。针对高分十四号激光载荷的特点，构建了激光测高严格几何模型，在大气改正、潮汐改正的基础上，利用地面探测
器阵列捕获的激光光斑开展激光器在轨几何定标与精度验证。实验结果表明：高分十四号激光测量系统标定后3个波
束的高程精度（
1σ
）分别优于0.190，0.256和0.220 m，达到设计指标，可作为高程控制点开展业务化生产。
关键词：高分十四号卫星；激光测高仪；在轨几何定标；精度验证；高程控制点
中图分类号：P237 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233111.1631
On-orbit geometric calibration and preliminary accuracy verification
of GaoFen-14 （GF-14） laser altimetry system
CAO Bincai
1，2*
， WANG Jianrong
1，2
， HU Yan
1，2
， LÜ Yuan
1，2
， YANG Xiuce
1，2
， LU Xueliang
1，2
（
Key Laboratory of Geo-information Engineering， Xi'an 710054， China；
’an Research Institute of Surveying and Mapping， Xi'an 710054， China
）
* Corresponding author， E-mail： cbconthe-way@
Abstract： The Gaofen-14 （GF-14） satellite is equipped with a three-beam laser altimeter system aimed at
assisting the two linear-array optical camera to perform global 1
∶
10 000 mapping without ground control
points. Owing to mechanical vibration and environmental changes， the geometric parameters of the laser
altimeter would deviate from those measured in the laboratory； thus， it is necessary to perform high-preci⁃
sion on-orbit geometric calibration. In this study， a strict geometric model of the laser footprint was con⁃
structed according to the characteristics of the GF-14 laser load. Through atmospheric correction and tidal
correction， the laser spot captured by the ground detector array was used to perform on-orbit geometric cal⁃
ibration and accuracy verification. The test results indicate that the elevation accuracies of the GF-14 three-
beam laser altimeter are 0.190， 0.256， and 0.220 m， which satisfy the design target and can be used as
the elevation control point for operational production.
收稿日期：2022-11-04；修订日期：2022-11-28.
基金项目：地理信息工程国家重点实验室自立项目（No.D19901-SKLGIE2022-ZZ-01）；青年自主创新科学基金资助
项目（No.2023-01）
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光学 精密工程
第 31 卷
Key words： GF-14 satellite； laser altimeter； on-orbit geometric calibration； accuracy verification； eleva⁃
tion control point
1 引 言
星载对地观测激光雷达通过向地面发射激
光脉冲，探测激光器到目标之间的距离，结合卫
星姿态、位置及激光指向信息，获得激光足印点
精确的三维空间坐标。星载激光雷达具备主动
测量全球地面高程的能力，能为快速获取包括境
外地区在内的高程控制点以及立体测图提供服
务，具有重要的军事应用和科学研究价值
［1］
。
受卫星发射时机械振动以及入轨后环境变化
的影响，激光雷达在轨真实的几何参数相比实验
室测量参数会有变化，从而影响激光雷达的测量
精度，必须通过在轨几何定标对系统误差进行补
偿，以获得高精度激光测量数据。当前，星载激光
雷达在轨几何定标方法有基于地形法和地面靶标
法两大类
［2］
。基于地形法利用倾斜区域已知的高
精度地形信息（如机载激光雷达点云）或公开地形
数据（如SRTM，Shuttle Radar Topography Mis⁃
sion）实现激光参数定标。部分敏捷卫星通过姿态
机动在大洋区域利用激光交叉点检校指向角系统
误差，但该方法对卫星的机动能力要求高，不适合
我国的大平台、三轴稳定的测绘卫星系统。地面
靶标法利用地面探测器、机载红外成像和角棱镜
等手段完成定标。相较而言，地面靶标法精度最
高，工程应用较多，是通用的几何标定方法，缺点
是人工劳动强度大、经济性差
［3］
。
美国2003年发射的ICESat（The Ice，
Cloud， and Land Elevation Satellite）是全球首个
以冰冻圈为重点的天基激光测高任务，经过在轨
几何定标后高程测量精度优于0.15 m
［4］
。ICE⁃
Sat-2作为该计划的后续卫星，采用6波束光子计
数激光雷达，数据更加密集，探测效率大幅提升。
ICESat-2在海洋区域进行姿态机动，通过锥形扫
描将姿态和距离分开标定，标定后测距值的长期
漂移每年小于1 mm
［5］
，在平坦极地区域测高精度
［6］
达到
(5±13) cm
（均值为
±1σ
），植被区域高程
立体测图。2019年我国发射的高分七号卫星
（GF-7）搭载了一套双波束激光测量系统，采用全
波形采样，经过在轨定标后激光高程测量的相对
精度优于0.06 m（
1σ
），平坦地区的绝对测高精度
［10-11］
达到0.10 m（
1σ
）。相对精度是激光在平静
湖面的测高标准差，反映激光的稳定性；绝对精
度是激光点与地面实测点的高程中误差，反映激
光的真实精度。此外，GF-7还利用地形匹配进
行激光无场定标，定标精度能满足1∶10 000高程
控制点的测量需求
［12］
。
2020年12月6日，高分十四号卫星（GF-14）
在西昌卫星发射中心成功发射，该卫星搭载了双
线阵光学立体相机、三波束激光测量系统和高光
谱相机，旨在无地面控制点条件下绘制全球
1∶10 000的地形图。与GF-7类似，GF-14搭载的
激光测量系统能提供高程控制点，进而提升光学
立体影像的几何定位精度。激光雷达的高精度
在轨几何定标是重要手段，而当前地形法激光定
标在精度上仍低于地面靶标法，无法充分发挥激
光雷达精度优势。虽然地面靶标法在算法上相
对成熟，但不同卫星的激光器在探测体制、几何
构造等方面各不相同，几何定标时需要针对传感
器特点进行适当改造。本文结合GF-14激光测
量系统的定标需求，改进了基于地面探测器的激
光测量系统在轨几何定标方法，该方法针对三波
束激光器的设计特点，构建了GF-14激光测高的
严格几何模型，在大气改正、潮汐改正的基础上，
利用地面探测器捕获的激光光斑解算定标参数，
实现高精度在轨几何定标。通过数据处理和实
验结论进一步证明了地面靶标法的有效性，对于
同类卫星激光高程控制点制作及定位精度提升
有一定的参考价值。
2 基本原理
卫星激光测量的基本原理如图1所示。在卫
星平台上搭载激光测距仪，以一定频率向地面发射
激光脉冲，通过测量激光传输的时间计算激光单向
Δt
表示激光传输传输距离
ρ=c⋅Δt/2
（
c
表示光速，
中误差优于0.85 m
［7-8］
。我国在2016年发射的资
源三号02星上搭载了激光测高系统，经过几何定
标后测高精度优于1.0 m
［9］
，可用于辅助1∶50 000
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曹彬才，等：高分十四号激光测量系统在轨几何定标与初步精度验证
1633
的总时间），再结合精确的卫星轨道、姿态和激光指
向信息，最终获得地面激光足印点的三维坐标。
仪有6台激光器，其中3台为主份，3台为备份。
每台激光器可独立工作，正常情况下主份开机，
备份不开机。由于激光测距仪的任务是为光学
立体像对提供高程控制点，一景光学影像中仅需
数个激光点即可满足要求，加之GF-14卫星立项
时光子探测技术尚未成熟，因此GF-14激光器采
用线性探测体制，通过记录回波波形测量摄影时
刻地球表面目标与激光发射器间的3个倾斜距
离。足印相机数量为3台，对激光地面足印区域
进行成像，用于匹配测绘相机获取的图像，精确
判断激光测距仪所测地面点的位置信息。
图1 卫星激光测量基本原理（线性探测体制）
Fig.1 Schematic diagram of satellite laser ranging （Lin⁃
ear detection systems）
直接探测飞行时间的激光雷达分为线性探测
和光子探测两类。线性探测体制将连续光信号通
过光电转换形成高信噪比回波信号，利用全波形采
样和波形识别计算激光传输时间（图1方框所示），
特点是数据量小，更易实现测绘处理。光子探测是
将线性模式下对多个光子的回波幅值探测转化为
对单个光子的“记录”，利用统计光学和信号相关处
理实现测距
［1］
，具有功耗小、重复频率高等特点，在
点云密度、测量效率等方面具有优势
［13］
。
星载激光测量数据精度受到测量设备、传输
环境和地物目标等因素的影响
［14］
。测量设备误
差包括激光测距、卫星姿态、卫星位置、激光指向
以及时间同步误差等，最终综合体现为激光束的
角度和距离误差，进而影响激光脚点位置，可通
过在轨定标进行系统误差补充。传输环境主要
指大气折射延迟和潮汐改正，这部分为随机误
差，无法标定补偿，需要建模修正。地物目标误
差无法修正，但可约束激光束较小的底角，并选
择平坦区域作为高程控制点。
卫星激光测量系统的基本参数如表1所示，
图2 GF-14激光测量系统
Fig.2 GF-14 laser ranging system
3 高分十四号激光测量系统
如图2所示，GF-14激光测量系统主要由三
波束激光测距系统和足印相机组成。激光测距
激光重复频率为2 Hz，波长为1 064 nm，回波波
形采用12 bit量化，测距范围为450~550 km。足
印相机的分辨率为7.2 m，尺寸为2 048×576像
素，量化位数为12 bit。激光波束结构如图3所
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光学 精密工程
第 31 卷
示，3个激光器在沿轨方向呈品字型排列，从右至
左依次为LAS1，LAS2，LAS3。在沿轨方向上，
同一激光器前后脚点间隔约2.1 km，垂轨方向上
相邻波束间隔约17.5 km。
表1 GF-14卫星激光测距系统的基本参数
Tab.1 Basic parameters of GF-14 laser ranging system
参 数
通道数量
重复频率
工作波长
回波采样频率
回波量化位数
测距范围
光斑大小（直径）
测距精度
相机分辨率
相机幅宽
设计值
3
2 Hz
(1 064±0.5) nm
示，激光测量系统从已知点S处沿
V
laser
方向对地
面发射激光脉冲，激光器到目标之间的距离为
ρ
，
则可以唯一确定目标点P的三维空间位置。激
光测高的严格几何模型为：
X
Y
Z
X
GPS
=
Y
GPS
Z
GPS
WGS84
J2000StarBody
+R
WGS84
J2000
R
Star
R
Body
R
Laser
⋅
WGS84
éù
æ
ρsin θcos α
ö
ê
D
x
ú
ê
L
x
ú
ê
ç÷
ú
(1)
÷
ç
ρsin θsinα
ê
+-
LD
yy
ú
，
ê
ê
ç
÷
ú
÷
ç
ê
LD
z
ú
è
ρcos θ
ø
ë
z
û
(X，Y，Z)
T
式中：
WGS84
表示激光足印点在地心地固
()()
()()
1 008 MHz
12 bit
450~550 km
约60 m
1 m （坡度＜15°）
7.2 m （@492.9 km）
≥40 km
3片CMOS（Complementary Metal-
Oxide-Semiconductor），
像元尺寸为
5.5 μm×5.5 μm
，像元
尺寸为2 048（垂轨）×576（沿轨）
12 bit
坐标系WGS84（World Geodetic System 1984）下
(X
GPS
，Y
GPS
，Z
GPS
)
T
的三维空间坐标，
WGS84
是卫星平
台搭载的全球定位系统（Global Positioning Sys⁃
tem，GPS）天线相位中心在WGS84坐标系中的
位置，激光器坐标系到卫星本体系的转换矩阵为
R
Body
（3个激光器的转换矩阵各不相同），卫星星
Laser
敏感器相对于卫星本体的安装矩阵为
R
Star
星敏
Body
，
感器测量的是星敏感器坐标系到J2000坐标系
（2000 January 1.5）的旋转矩阵
R
J2000
J2000坐标
star
，
系到WGS84的坐标变换矩阵为
R
WGS84
激光参考
J2000
，
L
y
，L
z
)
T
，点在本体坐标系中的坐标为
(L
x
，
卫星
相机尺寸
量化位数
GPS相位中心在卫星本体坐标系下的坐标为
(D
x
，D
y
，D
z
)
T
，
ρ=ρ
wave
+ρ
atm
+
ρ
表示激光距离，
ρ
tide
+dρ
，
ρ
wave
是激光波形数据计算得到的距离，
ρ
atm
为大气折射延迟量，
ρ
tide
为潮汐改正值，
dρ
表
示测距系统误差。
ρ
atm
和
ρ
tide
是随机误差，需建模
dρ
为系统误差，补偿；需定标解算。
图3 GF-14激光测距系统在轨运行波束结构
Fig.3 Beam geometry structure of on-orbit GF-14 laser
ranging system
4 在轨几何定标
4.1 严格几何模型
激光对地观测的几何模型原理如图4（a）所
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曹彬才，等：高分十四号激光测量系统在轨几何定标与初步精度验证
a
11
=-ρsin θsin α
a
12
=ρcos θcos α
a
13
=sinθcosα
a
21
=ρsin θcos α
a
23
=sinθsinα
a
31
=0
a
32
=-ρsin θ
1635
a
22
=ρcos θsinα
.（5）
a
33
=cosθ
如果有一个控制点，可以直接求解3个未知
dθ
，
dρ
；参数
dα
，当控制点数量大于2时，采用最
小二乘解算未知数。
4.3 数据处理
图4 激光测高严格几何模型
Fig.4 Strict geometry model of laser altimetry
GF-14激光测量系统在轨定标的数据处理
步骤为：
（1）构建三波束激光器的严格几何模型，利
用实验室标定的传感器转换矩阵及安置参数，结
合事后精确姿态、轨道参数，构建式（1）严格几何
模型，对3个不同波束使用对应的转换
矩阵
R
Body
Laser
；
（2）激光脚点位置预估与布设地面靶标，通
过实地勘察，基于气象、保障情况等综合因素确
定实验场地，利用轨道预报和激光严格模型预估
脚点位置，由粗到细多次布设靶标，记录激光探
测器的响应能量级别，用实时动态差分技术（Re⁃
al-time Kinematic，RTK）测量探测器的三维坐
标，通过二维高斯拟合获得光斑质心位置；
（3）激光测距大气及潮汐改正，大气折射对激
光测距值的影响较大，可使用经验公式
2.349×
（2）
10
-5
×P
surf
/sin θ
进行改正
［15］
，式中
P
surf
表示激光
θ
意义同前脚点附近的地表压强，（GF-14卫星
θ≈2
°）；对内陆区域，潮汐改正主要考虑固体潮，
激光器坐标系定义如图4（b）所示，沿卫星飞
行方向为X轴，Z轴沿天底方向，构成右手坐标
θ
表示，
α
系。激光束在激光坐标系的方向用
α
，
表示激光束在XOY平面上的投影与X轴的正向
θ
为激光束与Z轴的正向夹角。由几何关夹角，
系可知，地面激光脚点在激光坐标系上的点坐标
ρsinθsinα，ρcosθ)
T
。为（
ρsinθcosα，
4.2 在轨定标模型
为便于叙述，将式（1）改写为：
()()
X
Y
Z
X
GPS
=
Y
GPS
Z
GPS
WGS84
WGS84
J2000
+
WGS84
é
êú
L
x
D
x
ù
ê
æ
ρsinθcosα
ö
ú
ê
ç÷
ú
÷
ç
ρsinθsinα
R
ê
+-
L
y
D
y
ú
，
ê
ê
ç
÷
ú
÷
ê
ç
L
z
D
z
ú
ρcosθ
èø
ëû
R
J2000
Star
()()
Body
Laser
式中
R=R
R
Star
Body
R
。式（2）等价为：
可利用IERS2010（International Earth Rotation
and Reference Systems Service）中提供的成熟处
理算法，输入坐标和时间信息得到固体潮改正值；
如果标定场靠近海洋，可利用FES2014等海潮改
正模型实现区域性海洋潮汐的改正
［11］
；
R
-1
()()
X-X
GPS
Y-Y
GPS
Z-Z
GPS
a
12
a
22
a
32
æ
(ρ+Δρ)sin θcos α
ö
ç÷
÷
ç
(ρ+Δρ)sin θsinα
=
ç
÷
÷
ç
è
(ρ+Δρ)cos θ
ø
L
x
-D
x
-
L
y
-D
y
，
L
z
-D
z
WGS84
（3）
（4）定标参数解算与精度评价，基于严格几
何模型、卫星精密轨道和姿态数据、激光测距值、
地面探测器数据以及大气潮汐改正值，构建
式（4）误差方程，解算定标参数；利用部分地面探
测器数据作为控制点开展定标，其余点作为检查
点评估激光测高系统的定标精度。
θ
，
ρ
为未知数。求导后列误差方程为：式中
α
，
é
ê
ê
a
11
V=AX-L，A=
ê
ê
a
21
ê
ë
a
31
a
13
ù
ú
ú
，（4）
a
23
ú
ú
a
33
û
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光学 精密工程
第 31 卷
5 实 验
5.1 足印预报及控制点获取
选择银川市以东，内蒙古鄂托克前旗的草原
区域作为激光外业定标场，地理位置如图5所示。
该区域以温带大陆性季风气候为主，春季气温骤
升，多大风天气，夏季短促温热，降水集中。
在定标场内按一定规则布设激光探测器，用
于捕获卫星过顶时激光光斑的辐射信号，当接收
到的激光能量大于探测器最小可探测阈值时，激
光器被点亮。利用RTK测量被点亮激光器的精
确大地坐标，获得平面精度优于3 cm，高程优于
5 cm的激光控制点。
GF-14激光足印直径约30 m，一束激光照
射到地面可能同时点亮多个探测器。实验中使
用的探测器设置了不同的能量级别，探测到的
激光能量越强，记录的能量级别越高。理想情
况下，激光强度分布可近似视为高斯函数，因此
可采用高斯曲面拟合提取能量中心，将能量中
心对应地面坐标作为该束激光的真实位置，如
图6所示。
图6 高斯拟合激光光斑中心
Fig.6 Gaussian fitting of laser spot center
为了使地面探测器有效捕获激光能量，开展
了激光脚点位置多次迭代预报。2021年5月14
日至6月7日先后完成了7次脚点位置预报和激
光探测器点阵布设，预报精度如表2所示，地面探
测器的现场布设如图7所示。由于天气原因，5
月14日、22日、26日3天未捕获到激光光斑，5月
18日、30日，6月3日、7日成功捕捉到28个激光
光斑足印。其中，5月18日、30日为阴天有云，光
斑质量不高，数据暂不使用；6月3日和7日的天
气状况良好，激光光斑质量较高，数据中LAS2有
图5 内蒙古激光外业定标场地理位置
Fig.5 Inner Mongolia laser calibration field location
一个明显双高斯分布的异常点，剔除不用，其余
点用作定标参数解算和精度验证。
表2 激光足印位置预报及足印捕获数量
Tab.2 Laser footprint predition and captured number of footprints
日 期
5月18日
5月30日
6月3日
6月7日
足印预测
平面误差/m
30
15
3
7
LAS1
1
2
3
3
捕获光斑数量
LAS2
1
1
4（可用3）
4（可用3）
LAS3
1
2
3
3
备 注
阴天有云，不使用
LAS2各自剔除一个异常点
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期第 11
曹彬才，等：高分十四号激光测量系统在轨几何定标与初步精度验证
表3 激光定标内符合精度评估
1637
Tab.3 Internal accuracy of laser calibration（m）
通道时间点号
1
0603
图7 地面探测器数据获取
Fig.7 Ground detector data acquision
LAS1
0607
2
3
1
2
3
1
0603
LAS2
0607
2
3
1
2
3
1
0603
LAS3
0607
2
3
1
2
3
标定后脚点与控制点残差
dE
-1.080
dN
0.391
dH
0.292
0.413
0.130
0.217
0.264
0.130
0.092
0.281
0.134
0.143
0.117
0.132
0.164
0.179
0.130
-1.839-1.159
-0.0800.816
1.534-0.332
-0.284-0.496
-0.212
1.180
0.117
0.232
5.2 在轨几何定标与精度验证
设计三组实验：实验一将6月3日和6月7日
所有点都当作控制点解算定标参数，计算控制点
与标定后激光脚点的残差，结果见表3；实验二选
择一个点用作控制（6月7日2号点），其余点用作
检查，结果见表4；实验三将两天数据随机选择一
半作为控制点，另外一半作为检查点，结果见表
5。实验一结果是几何定标内符合精度，能反映
激光数据的离散度以及标定参数解算的正确性；
实验二、三结果是几何定标后激光数据与实测数
据的差异，反映真实精度。利用单个点残差统计
每个激光通道的均方根误差（Root Mean Square
Error，RMSE），计算公式为：
RMSE=
-0.533-2.090
0.0991.199
0.309-0.714
-0.213-0.322
-0.0310.508
-1.267-0.895
-0.4051.456
-0.365-0.699
-0.004-0.568-0.062
-0.4240.3090.116
0.130
∑
ΔΔ
-0.258-0.132
n
，（6）
精度则为平面RMSE 4.194，3.218和5.250 m，
高程RMSE 0.181，0.246和0.259 m，精度水平
比6月7日差，但整体的高程精度仍然优于
0.26 m。总体来看，6月3日的定标精度比6月
7日差，这种现象符合预期。主要原因是卫星运
行中激光自身的成像参数会随时间发生变化，
且不同的地点和时间下地形、气象等引入的误
差各不相同，因此利用6月7日单点解算的定标
参数理论上当日精度较好，其他时间精度则
变差。
基于不同时间解算精度变差的现象，更加合
理的是在所有数据中随机挑选部分用作控制点
解算定标参数，剩余点用来检查定标精度，结果
见表5。对LAS1而言，用6月3日的点1，2和6
月7日点1作为控制点，6月3日的点3和6月7日
点2，3作为检查点，统计检查点的平面和高程
RMSE。最终经过标定后LAS1，LAS2，LAS3的
平面RMSE分别为2.557，2.091和3.620 m、高
Δ
表示单点残差，式中：统计高程时
Δ=dH=
H
ckp
-H
cal
，
dH
表示高程残差，
H
ckp
是检查点高
H
cal
是标定后通过模型计算得到的高程值；程，平
面精度与之类似，平面残差为东向
dE
和北向
dN
的平方和开方。
根据式（10）和表3，将所有探测器捕获的激
光点用作控制时，LAS1，LAS2和LAS3的平面
RMSE分别为1.263，1.194，0.999 m，这对于30
m的激光光斑而言，平面定位足够精准，证明了
本文定标方法的可行性和定标参数的正确性；
3个通道的高程RMSE则分别达到了0.260，
0.161和0.135 m。
表4中，利用6月7日2号点单点解算定标
参数，其余点检核精度，按日期分别统计6月3
日和6月7日两天的定标精度。可以看出，3个
通道在6月7日平面RMSE分别为1.170，0.697
和0.869 m，高程RMSE分别为0.056，0.154和
0.110 m，达到比较理想的水平；6月3日的检核
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1638
光学 精密工程
表4 激光定标精度评估（6月7日2号点作控制点，其余作检查点）
Tab.4 Laser calibration accuracy （point 2 on June 7 as control point， and the rest as check points）
第 31 卷
（m）
通道
LAS1
时间
0603
点号
1
2
3
标定后脚点与控制点残差
dE
2.249
1.490
3.249
1.652
-0.094
2.865
0.541
3.831
0.393
0.052
1.947
2.809
2.850
0.326
0.072
dN
3.686
2.134
4.111
0.014
0.464
2.393
0.679
1.312
-0.424
0.798
3.603
5.955
3.798
-1.026
-0.590
dH
-0.125
-0.004
-0.287
0.080
-0.008
-0.309
-0.120
-0.268
0.160
0.149
-0.252
-0.238
-0.287
-0.042
0.150
0.869
5.250
0.697
3.218
1.170
4.194
平面
中误差
高程
0.181
LAS106071
3
0.056
LAS206031
2
3
0.246
LAS206071
3
0.154
LAS306031
2
3
0.259
LAS306071
3
0.110
表5 激光定标精度评估（一半点作控制点，另一半作检查点）
Tab.5 Laser calibration accuracy （half of points as control points and the other half as check points）
通 道时间
0603
LAS1
0607
点号
3
2
3
1
3
2
1
2
1
标定后脚点与控制点残差
dE
2.866
-0.551
-0.478
1.914
0.833
-0.609
1.291
2.153
-0.329
dN
2.352
-1.911
-1.297
0.341
1.307
-2.561
2.358
4.711
-2.273
dH
-0.150
0.263
0.129
-0.321
-0.280
0.122
-0.273
-0.259
-0.063
3.6200.220
2.0910.256
2.5570.190
均方根误差
平面高程
（m）
LAS2
0603
0607
0603
0607
LAS3
程RMSE分别为0.190，0.256和0.220 m。根据
相关标准规范
［16］
，1∶10 000比例尺测图要求控制
点高程RMSE小于0.3 m（平地），此处三波束高
程精度均满足指标。
表6列出了不同方案解算的定标参数，可以
看出6月3日全部点做控制时得到的参数与6月
7日参数存在一定差异，而6月7日无论是全部点
做控制还是单点做控制，二者解算的参数差异很
小。上述结果说明，激光定标时单个控制点也具
备很强的系统误差补偿能力，但同时定标参数会
存在时间漂移，可能因此产生误差积累，与表4反
映的现象一致。
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期第 11
曹彬才，等：高分十四号激光测量系统在轨几何定标与初步精度验证
表6 不同定标方案的参数
1639
Tab.6 Parameters of different calibration strategies（m）
通道
控制点
方案
dαdθ
dρ
6 结 论
本文针对GF-14卫星三波束激光测距仪的
成像特点，构建了激光测高严格几何模型和在轨
定标模型，研究了数据处理流程与方法，并利用
外场地面探测器数据成功进行了在轨几何定标。
经过几何定标，3个激光通道的内符合精度较高，
平面RMSE优于1.263 m，高程RMSE优于
0.260 m，说明本文采用的定标方法及数据处理
流程是正确可行的；几何定标后，三波束激光测
距系统的高程精度（RMSE）优于0.190，0.256和
0.220 m，可以作为高程控制点支撑GF-14卫星
开展1∶10000无控制点测图。
需要指出的是，由于地面定标场存在一定的
地形起伏，平整度不够理想，会对激光定标精度
产生一定影响。下一步可利用波形相关开展无
地面控制场参数标定，并在不同地形条件实测
GPS控制点，对激光数据的绝对定位精度进行系
统测试。
LAS10603全部
0607全部
0607单点
两日全部
LAS20603全部
0607全部
0607单点
两日全部
LAS30603全部
0607全部
0607单点
两日全部
0.001 11
0.001 33
0.001 35
0.001 23
0.000 062
0.000 058
0.000 058
0.000 058
-1.271
-1.079
-0.942
-1.087
12.002
12.552
12.517
12.475
-0.977
-0.466
-0.472
-0.469
-0.006 31-0.000 282
-0.006 28-0.000 277
-0.006 28-0.000 276
-0.006 28-0.000 279
-0.004 52-0.000 597
-0.004 83-0.000 593
-0.004 81-0.000 592
-0.004 68-0.000 593
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光学 精密工程
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http：///.
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tal aerial photogrammetry Aerial triangulation speci⁃
fication ［S/OL］. ［2021-02-25］. http：//www.
/.（ in Chinese）
作者简介：
曹彬才（1987-），男，四川巴中人，博
士，工程师，2017年于中国人民解放军
信息工程大学获得博士学位，主要从
事卫星工程论证、卫星在轨定标、激光
数据处理与应用等方面的研究。E-
mail： cbcontheway@
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