第2章 遥感平台及运行特点2.1-2.2.doc

第2章 遥感平台及运行特点2.1遥感平台的种类遥感中搭载遥感器的工具统称为遥感平台。按平台距地面的高度大体上可分为三类:地面平台、航空平台、航天平台。表2-1中汇总了遥感中可能利用的平台的高度及其使用目的。 地面遥感平台指用于安置遥感器的三角架、遥感塔、遥感车等，高度在100以下。在上放置地物波谱仪、辐射计、分光光度计等，可以测定各类地物的波谱特性。航空平台指高度在100米以上，100km以下，用于各种调查、空中侦察、摄影测量的平台。航天平台一般指高度在240km以上的航天收音机和卫星等，其中高度最高的要数气象卫星GMS所代表的静止卫星，它位于赤道上空3600km的高度上，Landsat、spot、MOS等地球卫星高度也在700km900km之间。表2-1 应用的遥感平台 遥感平台高度目的用途其它静止卫星36,000km定点地球观测气象卫星圆轨道卫星（地球观测卫星）500km1,000km定期地球观测Landsat SPOT MOS等小卫星400km左右各种调查航天飞机240km350km不定期地球观测空间实验天线探空仪100m100km各种调查（气象等）高高度喷气机10,00012,000m侦察大范围调查中低高度飞机5008,000m各种调查航空摄影测量飞艇5003,000m空中侦察各种调查直升机1002,000m各种调查摄影测量无线遥控飞机500m以下各种调查摄影测量飞机直升机牵引飞机50500m各种调查摄影测量牵引滑翔机系留气球800以下各种调查索道1040m遗址调查吊车550m近距离摄影测量地面测量车030m地面实况调查车载升降台第2章 遥感平台及运行特点2.2 卫星轨道及运行特点2.2.1 轨道参数卫星轨道在空间的具体形状位置，可由六个轨道参数来确定。1、升交点赤经如图2-1所示，升交点赤经为卫星轨道的升交点与春分点之间的角距。所谓升交点为卫星由南向北运行时，与地球赤道面的交点。反之，轨道面与赤道面的另一个交点称为降交点。春分点为黄道面与赤道面在天球上的交点。图2-1卫星的空间轨道2、近地点角距是指卫星轨道的近地点与升交点之间的角距。3、轨道倾角ii角是指卫星轨道面与地球赤道面之间的两面角。也即从升交点一侧的轨道量至赤道面。4、卫星轨道的长半轴aa为卫星轨道远地点到椭圆轨道中心的距离。5、卫星轨道的偏心率（或称扁率）ee=c/a (2-1)式中，c卫星椭圆轨道的焦距。6、卫星过近地点时刻T以上六个参数可以根据地面观测来确定。在六个轨道参数中，、i和T决定了卫星轨道面与赤道面的相对位置，而a和e则决定了卫星轨道的形状。其中e越大时，则轨道越扁，e越小时，轨道越接近圆形。圆形轨道有利于在全球范围内获取影像时比例尺趋近一致。当e固定时，a越大则轨道离地高度H越大。H与传感器的地面分辨力和总视场宽度有密切关系。倾角i决定了轨道面与赤道面，或与地轴之间的关系。i=0时轨道面与赤道面重合。i=90时轨道面与地轴重合。i90时轨道面接近地轴，这时的轨道称近极地轨道。轨道近极地有利于增大卫星对地球的观测范围。2.2.2 卫星坐标的测定和解算一、星历表法解算卫星坐标上面已介绍了卫星轨道可用六个轨道参数来描述，这些参数又可通过地面对卫星的观测来确定。已知六个参数后，要计算卫星某一瞬间的坐标，还须测定卫星在该瞬间的精确时间。计算方法如下：1、卫星在地心直角坐标系中的坐标地心直角坐标系是以地心为坐标原点，X轴由地心指向春分点，Y轴在赤道面内且与X轴垂直，Z轴垂直赤道面。如图2-1所示。先以卫星轨道面上建立的坐标系XYZ来解算卫星S点的坐标为：（2-2）式中，r为卫星向径，可用下式来计算：（2-3）V为卫星的真近点角，与卫星运行时刻有关，可用下式计算：（2-4）式中，E为偏近点角，其与卫星运行t的关系为：E-esinE=n(t-T)（2-5）n为卫星的平均角速度。绕Z轴旋转坐标系XYZ，则卫星在XYZ坐标系中的坐标为：X=rcos(+V)Y=rsin(+V)Z=0 （2-6）XYZ坐标系绕X轴旋转i角，绕Z轴旋转角至XYZ坐标系，则卫星坐标为（2-7）2、卫星在大地地心直角坐标系中的坐标大地地心直角坐标仍以地心为坐标原点，但轴指向格林尼治子午圈与赤道面的交点，轴也在赤道面内垂直，轴仍垂直赤道面。这个坐标系随地球的自转与地心直角坐标系之间作相对运动，对于卫星在某一个瞬间时，大地地心直角坐标轴与地心直角坐标X轴之间移位一个时角。因此卫星在大地地心直角坐标系中的坐标可以表示为：（2-8）R为时角的旋转矩形阵，3、卫星的地理坐标根据高等测量学上推导的换算公式，地心大地直角坐标可以直接换算成地理坐标，其换算公式如下：（2-9）式中：B纬度；L经度；N卯酉圈半径；HD卫星大地高程。一般将卫星轨道参数代入上面的句子，并预先编制成卫星星历表，以后只要以卫星的运行时刻为参数，就可以在星历表上查取卫星的地理坐标。如果星历表存放在计算机中，卫星的时刻参数输入后就能输出星历坐标。二、用全球定位系统（GPS）测定卫星坐标全球定位系统GPS（GLOBA POSITIONING SYSTEM）为目前一种快速而精确的定位方法。可用于导航、授时校频及地面和卫星的精确定位测量。通过对GPS卫星的观测，可以求得接收机所在点三维坐标和时钟改正数，如果进行多普勒测量还能求出接收机的三维运动速度。 系统组成 整个系统由三部分组成1、地面控制部分负责卫星控制、时间同步、卫星的跟踪和监测。由主控站、地面天线、监测站和通讯辅助系统组成。2、空间部分GPS正式运行后，空间将由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，星体形状如图2-2所示。图2-2 GPS 卫星外形图图2-3 GPS 卫星轨道分布图每4颗工作卫星在同一轨道平面内运行，彼此相距120，24颗星公布在6个轨道平面中，这6个轨道平面彼此在赤道处相差60，轨道平面倾角都为55，卫星离地高度为20200km，按圆形轨道运行，运行周期0.5恒星日（11h58min2.05s），相邻轨道平面上的卫星离升交点的角距（+V）互相差30，目的是为了保证在任一瞬间任一地点至少有四颗卫星出现在用户视场中。工作卫星的轨道分布如图2-3所示。每个工作卫星上载有两台铷原子钟和两台铯原子钟，每颗卫星发射两个频率的信号，分别是L1频段（1575.42MHz）和L2频段（1227.6MHz）。L1信号受P码（精码）和C/A码（粗码）调制，L2信号只受P码调制。3、用户部分主要由天线、接收机、微处理机和转入转市设备组成。整个全球定位系统的工作原理如图2-4所示。图2-4 GPS 工作原理图（二）定位GPS进行精密大地定位方法很多，这里以伪距法为例介绍GPS定位的原理和方法。伪距法定位是在某一瞬间利用GPS接收机至少测定四颗卫星的伪距，根据已知的GPS卫星位置和伪距观测值，采用距离交会法即可求得接收机的二维坐标和时钟改正数。物理方法测距，如使用电磁场波或声波测距，分主动式和被动式两种。主动式测距，像雷达、声纳及一些测距仪，是主动发射信号，然后接收反射信号，根据信号的往返距离，可测出往返距离2D，不存在接收机与目标之间的时同步问题。被动式测距是发射站精确地按规定瞬间发出信号，用户根据自己的时钟记录接收信号的时间，依据两者之间的时间差，求出单程距离D。由于这种方法测定的距离中包含有两台钟不同步误差和大气延迟误差的影响，所以被称为伪距测量。伪距测量原理为：1、接收机可以测定GPS卫星信号发射时间和接收机接收到信号的时间，根据时间差t计算距离(2-10)假定接收机与GPS上的确良时钟完全同步，一样精确，并且不考虑大气介质的影响，则只要测定接收机到GPS中的三颗卫星的距离Pi，就能确定接收机的X、Y、Z坐标。(2-11)式中：xi、yi、zi、为第I颗GPS卫星的坐标，是已知的。i=1,2,3。2、实际上数以万计的接收机不可能都装上与GPS卫星一样的高精度原子钟。这样接收机时钟改正数是一个未知数Vtj，这个未知数可用增加观测一颗卫星的方法来求解（上面一再强调观测至少四颗卫星就在于此），这样伪距法定位的数学模型为：（2-12）其中：为i颗GPS卫星至接收机的伪距由式（2-10）求得：为电离层延迟改正；为对流层延迟改正；Vti为GPS卫星的时钟改正数；Vti为接收机观测瞬间的时钟改正数。i=1,2,3,4。如果i4，存在多余观测值，可用最小二乘法平差后求得X、Y、Z和Vtj的最或是值。3、经校正后的残余误差有五项，它们的等效距离误差和总的测距误差列于表2-2。以上精度对于目前各类资源卫星测定瞬时坐标已足够了，Landsat4卫星首先使用了GPS进行定位，为影像的几何定位和校正提供了必要的数据。表2-2校正后的GPS的残余误差 残余误差源（校正后）等效距离误差（m）卫星星历和时钟误差大气延迟误差群延迟误差多路径误差接收机误差测距误差1.52.45.21.01.22.71.53.66.32.2.3 卫星姿态角影像几何变形与卫星姿态角也有直接的关系。为了进行几何校正，必须提供卫星姿态角参数。现定义卫星质心为坐标原点，沿轨道前进的切线方向为x轴，垂直轨道面的方向为y轴，垂直xy平面的为z轴，则卫星的姿态有三种情况：绕x轴旋转的姿态角，称之为滚动；绕y轴旋转的姿态角，称俯仰；绕z轴旋转的姿态角，称航偏。姿态角可以用姿态测量仪测定。用于空间的姿态测量仪有红处姿态测量仪、星相机、陀螺仪等。像美国在Landsat卫星上使用的AMS(Attitude Measurement Sensor)姿态测量传感器，就属于红外姿态测量。航天飞机则使用星相测定姿态。也可用3个GPS测定姿态。红外线测量仪的基本原理，是利用地球与太空温差达287K这一特点，以一定的角频率，周期地对太空和地球作圆锥扫描，根据热辐射能的相位变化来测定姿态角。图2-5（a）说明卫星姿态角为0时，时基准信号至地球脉冲边界的相位。图2-5（b）说明在姿态发生变化时，地球脉冲信号相对时基准信号发生偏移，这时相位差，显然就是姿态角。波长15 m处为二氧化碳吸引带，是姿态仪工作的理想波段，在这个波段附近的红外辐射，受纬度、季度、地理、气象、昼夜等变化的影响最小，能克服冷云的影响，因而能提供较高的定位精度，太阳的影响在这个波段里也很小。姿态仪的精度，主要取决于地面辐射的稳定性和对地球的非球性进行校正的程度。 图2-5 红外姿态测量仪原理示意图一台这样的仪器只能测定一个姿态角，对于俯（）和滚动（）两个姿态角，须用两台姿态测量仪测定。航偏可用陀螺仪测定。Landsat1上的AMS，测定姿态角的精度为0.07。卫星姿态变化速率在0.05/S以内，最大的姿态角由地面控制在0.4以内。Land-sat-4三轴指向准确度为0.01，稳定度为( 10-6 )/S。使用恒星摄影机测定姿态角的方法，是将恒星摄影机与对地摄影机组装在一起，两者的光轴交角在90150之间的某一个角度上。如图2-6所示图2-6 恒星摄影机与对地摄影机为防止太阳光照射遮光罩内壁,射进恒星摄影机物镜，要求恒星摄影机指向地球阴影方向摄影，另一方面应考虑防止地球大气的反射光和散射光进入星相机物镜，一般恒星摄影机与对地摄影机光轴交角选在100120之间较宜。为解求对地摄影机的姿态角，要求恒星摄影机至少摄取35颗五等以上的恒星，并精确记录卫星运行时刻，再根据恒星星历表，摄影机标称光轴指向等数据解算姿态角。恒星摄影机测定姿态的精度可达1015，美国在Apollo上使用的恒星摄影机测定姿态的精度达5。使用GPS的方法也能测定姿态。它是将三台GPS接收机装在摄影机组上，同时接收四颗以上GPS卫星的信号，反算出每台接收机上的三维坐标，进而解算出摄影机的三个姿态角。为了提高解算精度，GPS接收机之间要有一定距离要求。2.2.4 其它一些常用参数1、卫星速度当轨道为圆形时，其平均速度为其中：G万有引力常数；M地球质量；R平均地球半径；H卫星平均离地高度。星下点的平均速度（地速）为（2-13）2、卫星运行周期卫星运行周期是指卫星绕地一圈所需要时间，即从升交点开始运行到下次过升交点时的时间间隔。根据开普勒第三定律，卫星运行周期与卫星的平均高度有关。开普勒第三定律为则运行周期为（2-14）例如：高度H=915km的卫星，其运行周期T为103.267min。3、卫星高度依据开普勒第一定律同样可解求卫星的平均高度，即（2-15）例如地球同步静止卫星的运行周期与地球自转周期一致，则代入上式解算出卫星的平均高度为35860km。4、同一天相邻