空间定位几种常用的空间定位技术ppt课件

1 2 第四章 几种常用的空间定位技术 2 4 1 甚长基线干涉测量 4 2 人卫摄影观测 4 3 激光测卫和激光测月 4 4 多普勒定位 Transit DORIS 4 5 卫星测高 3 4 3 激光测卫和激光测月 一 激光测距的基本原理1 激光激光LASER LightAmplicationbyStimulatedEmissionofRadiation 是指光的受激辐射以实现光放大 当激光物质处于粒子数反转分布状态时 由自发辐射而产生的光子将引起其它原子受激跃迁 从而使光得到受激放大 在光学谐振腔内沿腔轴方向传播的光受安置在两端的反射镜反射而往返传播 在此过程中不断引起其他原子的受激跃迁 产生同频率的光子 使光迅速放大 与腔轴不平行的光则在往返几次后逸出腔外 从而形成方向性极好的激光 4 4 3 激光测卫和激光测月 激光具有下列特点 高功率激光器的输出功率可达GW级 激光的谱线很窄 便于在接收系统中用窄带滤光片来消除天空背景的噪声 从而大大提高信噪比 激光的发散角极小 在很远的距离上光能量仍能集中在一个很小的范围内 有的激光测距系统发散角只有2 在月球表面上光斑直径也只有4km 5 4 3 激光测卫和激光测月 一 激光测卫测距原理2 原理用安装在地面测站的激光测距仪向安装了后向反射棱镜的激光卫星发射激光脉冲信号 该信号被棱镜反射后返回测站 精确测定信号的往返传播时间 进而求出仪器到卫星质心间的距离的方法和技术称为卫星激光测距或激光测卫 SLR SatelliteLaserRanging 目前的测距精度可达1cm左右 6 4 3 激光测卫和激光测月 一 激光测卫 SLR 2 原理 续 D C t 2 D D为测距改正数 7 4 3 激光测卫和激光测月 二 激光测距卫星1 激光测距专用卫星Lageos卫星Starlette卫星 Starlette 8 4 3 激光测卫和激光测月 二 激光测距卫星 续 2 非专用卫星ATS 6海洋卫星Seasat 1海洋地形试验卫星Topex Poseidon部分GPS卫星等 这些卫星之所以安装激光反射棱镜 主要是把激光测距也作为一种定轨的手段 9 4 3 激光测卫和激光测月 三 人卫激光测距仪1激光仪分类1 按激光类型来分脉冲式相位式激光测距仪 是用无线电波段的频率 对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟 再根据调制光的波长 换算此相位延迟所代表的距离 即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间 如右下图所示 t D 1 2ct 1 2c c 4 f N c 4f N N 10 三 人卫激光测距仪1激光仪分类 续 2 根据其构造及精度大体可以分为三代第一代脉冲宽度在10 40ns 测距精度约为1 6m 多数采用带调Q开关的红宝石激光器 第二代 脉冲宽度2 5ns 测距精度为30 100cm 多数采用了脉冲分析法第三代 脉冲宽度为0 1 0 2ns 测距精度为1 3cm 多数采用锁模Nd YAG激光器 能在计算机控制下实现对卫星的自动跟踪和单光子检测技术 4 3 激光测卫和激光测月 11 4 3 激光测卫和激光测月 三 人卫激光测距仪2 人卫激光测距仪的结构整个测距仪是由 1 激光器 2 望远镜 3 光电头 4 脉冲测量系统 5 时频系统 6 伺服系统 7 计算机等部分组成的 12 4 3 激光测卫和激光测月 四 激光测距观测值误差改正1 测距仪仪器常数改正不同仪器之间的常数改正地面大气延迟改正2 观测时间改正 t t1 t2 t3 t1为工作钟与标准时间之间的差异 t2为工作钟取样时刻和激光脉冲信号的发射时刻之间的差异 也称为触发延迟改正 t3为信号传播时间改正 从激光脉冲离开测距仪至到达卫星间的时间 t3 S c3 大气延迟改正4 卫星上的反射棱镜偏心改正5 潮汐改正6 相对论改正 13 五 SLR的用途现状及前景1 激光测卫站1 中国已经建立的武汉 上海 长春 北京和昆明等5个激光测卫站 2 流动激光测卫站 乌鲁木齐 拉萨 14 1 激光测卫站 2 国际上目前在工作的SLR站如图所示 图中红色三角形测站表示正在工作的测站 大约有44个站 15 美国 Mcdonald 德国 GFZ 16 2 用途1 确定地心坐标 绝对定位精度很高 2 定轨3 测定极移 地球自转 板块运动 地壳形变等4 确定地球重力场 17 六 激光测月 LLR LunarLaserRanging1 原理用大功率激光测距仪向安置在月球表面上的反射棱镜发射激光脉冲信号 测定信号的往返传播时间 进而求出仪器到反射棱镜之间距离的方法和技术称为激光测月 4 3 激光测卫和激光测月 18 2 月球表面上的反射棱镜 4 3 激光测卫和激光测月 19 Apollo 11 20 Apollo 14 21 Apollo 15 22 Lunakhod1 23 Lunakhod2 24 3 激光测月的激光观测站 美国Texas州的McDonald天文台美国Hawaii州的Haleakala天文台法国的Grasse观测站澳大利亚Orrorral站德国的Wettzell观测站 25 3 激光测月的激光观测站 美国Texas州的McDonald天文台 26 3 激光测月的激光观测站 美国Hawaii州的Haleakala天文台 27 3 激光测月的激光观测站 法国的Grasse观测站 28 3 激光测月的激光观测站 澳大利亚Orrorral站 29 3 激光测月的激光观测站 德国的Wettzell观测站 30 4 用途激光测月观测台的地心坐标极移 地球自转及全球的板块运动进一步完善岁差和章动理论月球的运行轨道及月球的天平动月球重力场的低阶系数 31 第四章 几种常用的空间定位技术 2 4 1 甚长基线干涉测量 4 2 人卫摄影观测 4 3 激光测卫和激光测月 4 4 多普勒定位 Transit DORIS 4 5 卫星测高 32 4 4 多普勒定位 Transit DORIS 空间定位过程中 空中观测目标经常以光波 电波的形式将其信号传送到观测站 所以观测站就使用这些波信号来测量目标到测站的距离 波的参数 波长 波运行一周的距离 米 频率f 单位时间内出现整周波的次数 兆赫 波传输速度 C f 米 秒 波传输距离 D t f 米 问题 fS fR 33 一 多普勒效应 一 多普勒效应的几个现象 1 信号发射源S与信号接收处R保持相对静止 fS fR S RD t fS C t2 信号发射源S与信号接收处R作相向运动时 t不变 传播速度C不变发出波个数不变 n fS t距离变短 C t V t引起接收波长变短 R C t V t n引起接收频率变大 fR C R fS C C V 34 3 信号发射源S与信号接收处R作背向运动时 t不变 传播速度C不变发出波个数不变 n fS t距离加长 C t V t引起接收波长加长 R C t V t n引起接收频率变小 fR C R fS C C V 35 4 信号发射源S与信号接收处R作任意运动时 t不变 传播速度C不变发出波个数不变 n fS t距离变化与径向速度有关 C t Vcos t引起接收波长加长 R C t Vcos t n引起接收频率变小 fR C R fS C C Vcos 36 二 多普勒效应的定义 当电波 声波等信号源S和信号接收处R间作相对运动时 接收到的信号频率fR就会发生变化而与发射频率fS不等 这个现象由奥地利数学和物理学家多普勒 1803 1853 在1842年首先发现 所以将这个现象称为多普勒效应 37 二 多普勒测量原理 一 多普勒频移信号的发射频率fS与信号接收频率fR之差 f fS fR称为多普勒频移 38 二 多普勒测量1 原理 39 二 多普勒测量1 原理 续 2 符号问题 fS fR即 fS fR 0处理方法 f0 fs f f为频率加常数 使得f0 fR 40 3 多普勒计数N 用f0代替fs f0 fR 获得的多普勒频移积分称为多普勒计数 41 三 多普勒定位原理 1 已知量 利用地面跟踪站对卫星已经观测并确定了轨道 以时间为自变量 以卫星坐标为变量的方程参数 卫星坐标成为已知量 2 观测量 某卫星S以频率fs发送信号 R测站对t1 t2时刻分别在S1 S2处的同一颗卫星进行多普勒测量 可以计算 t1 t2 时段的多普勒计数N1 2及距离差 D1 2 D2 D1 S N1 2 f0 fs t2 t1 42 几何原理 接收机R必然位于以S1 S2为焦点的旋转双曲面上 曲面上任何一个点到S1 S2两点的距离差均等于 D1 2 同理可以有S2 S3为焦点的旋转双曲面 N2 3 D2 3 还可以有S3 S4为焦点的旋转双曲面 N3 4 D3 4 三个曲面的交点卫测站R 43 3 观测方程 D1 2 S N1 2 f0 fs t2 t1 S N1 2 f t2 t1 f f0 d f D1 2 S N1 2 f0 t2 t1 Sd f t2 t1 D1 2 D2 D1建立距离与位置参数的关系并线性化 44 3 观测方程 续 45 46 5 单点定位 1 一次卫星通过 多次测量 误差方程中由四个未知数 至少测定4个多普勒计数 对某颗卫星S某次通过共获得mi个多普勒计数 误差方程为 R S1 S2 S3 S4 47 2 i次卫星通过 多次测量 每一次卫星通过都有独立的频率漂移参数 d fi 得出更多的误差方程 48 四 子午卫星系统 一 概述子午卫星系统 NNSS NavyNavigationSatelliteSystem 也称为Transit 由美国海军研制 开发 管理的第一代卫星导航定位系统 采用多普勒测量技术 49 二 系统组成1 空间部分卫星 太阳能 稳定杆朝向地球 卫星星座 50 2 控制部分1 卫星跟踪站 4个 分布在美国本土4个洲 2 计算中心 由36小时观测数据及所卫星轨道 预报16小时 提供给注入站 3 注入站 在其中两地 将星历文件注入给卫星 4 控制中心 协调 管理 5 海军天文台 计算卫星钟 频率改正数 51 3 用户部分 接收机 气象仪 读带机 微机 接收机 天线及放大器接收单元微机及微处理器输出设备 存储 52 三 卫星星历 1 广播星历 由美国本土4个跟踪站测量计算的星历 精度低 切向 17m 径向 26m 法向 8m 原因 分布范围小跟踪站数量少2 精密星历 由美国国防制图局根据分布全球的20多个跟踪站观测资料计算卫星轨道 精度 2m 53 四 定位方法 1 单点定位 在一个测站上对子午卫星进行多普勒观测 进而求得该站的地心坐标的方法 100次卫星通过 精度3 5米 导航 2 联测定位 在两个测站上同时对子午卫星进行多普勒观测 进而求得两站的相对位置的方法 应用普遍 精度公式 m 1 5m 4 4 10 6 D n1 23 短弧定位 将卫星坐标作为未知数求定 精度高 多用于建立多普勒网 54 五 DORIS系统 1 DORIS DopplerOrbitographyandRadiopositionIntegratedbySatellite 法国研制2 系统组成 空间部分 地面部分 用户部分3 工作原理 特点 信号发射设备位于地面站 接收设备位于卫星上 4 作用 卫星定轨 定位 如TOPEX POSEIDON卫星的定轨 5 定位精度绝对定位 40次卫星通过 一星期 8cm相对定位 2cm 0 1PPM 55 DORIS系统构成 56 六 多普勒定位系统的应用及现状 一 应用1 卫星定轨2 建立卫星大地网 改善天文大地网3 建立地球模型建立GEM5 GEM7 GEM9地球模型时可分别用到了27万 33万和48万多个多普勒观测值 4 测定地球自转参数 测定极移 57 六 多普勒定位系统的应用及现状 二 现状1 子午卫星已关闭 被GPS取代 2 多普勒方法的继续应用一些卫星 如SPOT2 TOPEX POSEISON等至今仍在采用多普勒测量 DORIS 的方法进行精密定轨 许多GPS接收机在提供测码伪距和载波相位测量观测值的同时也向用户提供多普勒观测值 用以测定用户的三维运动速度和探测修复周跳等 58 第四章 几种常用的空间定位技术 2 4 1 甚长基线干涉测量 4 2 人卫摄影观测 4 3 激光测卫和激光测月 4 4 多普勒定位 Transit DORIS 4 5 卫星测高 59 4 5卫星测高 一 提出1 概念通过SLR GPS DORIS等手段精确确定测高卫星的运动轨道 同时又利用安置在卫星上的雷达测高仪测定至瞬间海水面间的垂直距离来测定地球重力场 研究海洋学 地球物理学中的各种物理现象的方法和技术称为卫星测高 60 4 5卫星测高 2 雷达测量通过对从物体表面反射的较高频无线电波的分析发现远处的物体并测定其位置 速度或其它特征的过程叫雷达测量 3 提出雷达技术成功用于雷达测距 定位 测速精度高传播速度达到光速穿透性极强 61 1 可以利用雷达波面进行面状信息连续测量 扫描断面测量 扫描测高技术 62 2 机载测高技术 区域地形图 63 3 机载扫描三维数据系统 测高技术 GPS 雷达扫描获得连续的三维地面信息 地形图 64 4 星载雷达测高技术即系统的建立 1 雷达测量技术的发展2 综合技术及系统的发展3 全球 海洋 连续数字信息快速准确的需要 4 外空资源的勘探要求 20世纪90年代美国国家宇航局 NASA 开始研制地球科学激光测高系统 GeoscienceLaserSystem GLAS 2001年7月发射激光测高卫星 ICESAT Ice CloudandlandElevationSatellite 65 二 星载雷达测高原理 1 定位卫星上带有GPS DORIS接收机或SLR反射镜 可以测量计算激光卫星的地心坐标 X Y Z B L h 66 二 星载雷达测高原理 2 测高从卫星发射雷达脉冲 经地面反射后由卫星接收的传播时间 及雷达波发射中心到地面雷达波斑点的空间方向 1 测高公式 a c t 2 c tr tT 2 67 h 测高卫星的大地高 通过SLR GPS DORIS等手段精确确定卫星的轨道后 h可据卫星的位置及椭球体的参数计算而得 d 由于h是据卫星轨道求得的 因而含有轨道误差 d为计算轨道和真实轨道间的径向误差 N 大地水准面起伏 即大地水准面与椭球面间的垂直距离 H 海面地形 即平均海水面与大地水准面间的差距 2 基本观测方程 68 3 确定地球重力场 1 提出由于在海洋上进行重力测量极为困难 因而长期以来在地球表面达71 的海洋地区的重力测量资料极为匮乏 从而使我们难以获得高分辨率的高阶地球重力场模型 而卫星测高则为我们提供了一种高效快速获取海洋地区的重力测量资料的方法 大地水准面起伏N是重力异常 g的函数 精确测定整个海洋地区的大地水准面起伏N后 即可用斯托克斯反解公式求出重力异常 g值 从而建立精确的高分辨率的重力场模型 69 3 确定地球重力场 续 2 测定大地水准面起伏N 目前精密定轨中的轨道径向误差d可控制在几个厘米以内 观测值a的精度也能达到cm水平 海洋学可提供较为精确的潮汐模型和海面地形资料 从而使我们有可能以较高的精度实际测定海洋地区的大地水准面形状 H H 70 4 误差改正 1 轨道误差 地球重力场模型的误差每颗卫星都对球谐函数中的某一部分特别敏感 因此可以对特定的卫星观测量研制特定的重力场模型 跟踪系统的误差卫星的轨道是通过SLR GPS DORIS等方法来确定的 站坐标误差不同类型的观测值中的误差数学 力学模型的误差和计算误差 71 4 误差改正 续 2 信号传播误差 仪器误差测高仪的天线相位中心与卫星的质量中心间的偏差信号在测高仪的发射电路和接收电路中的时间延迟卫星钟的钟误差 大气延迟误差电离层 对于14GHz的微波信号而言 电离层延迟为5 20cm 其具体数值取决于电离层中的总电子含量TEC 上述误差可用双频观测来予以消除对流层延迟 约为2 3cm 可用模型来加以改正 水汽分布不规则 最好在测高卫星上配备水汽辐射计 72 4 误差改正 续 3 瞬时海面与大地水准面间的偏差 H H 测高信号的覆盖范围很大 由海浪所引起的高程变化已通过取平均而消除