卫星多普勒定位系统

1、%及大弯卫星多普勒定位系统姓 名：张永奇学 号：0826010 指导教师：刘万林 副教授目录第一章绪论 1第二章卫星多普勒定位系统 32.1 发展简史3.2.2 空间部分4.2.3 地面跟踪网7.2.4 用户接收设备8.第三章卫星多普勒测量原理 103.1 多普勒效应1.0.3.2 多普勒积分法1.1.3.3 卫星多普勒定位原理1.13.4 卫星多普勒导航计算模型1.23.5 卫星多普勒定位方法1.23.6 卫星多普勒网的建立1.3第四章卫星多普勒定位的数据采集与处理 144.1 卫星的基本信息1.4.4.2 导航卫星预报1.5.4.3 卫星多普勒数据的预处理1.6第五章卫星多普勒观测的误差分

2、析 175.1 概述 1.7.5.2 轨道误差1.8.5.3 折射误差2.0.5.4 .接收误差 2.1.第六章卫星多普勒定位的应用 22第七章卫星多普勒定位技术的进一步发展 23参考文献 25卫星多普勒定位系统第一章 绪论卫星多普勒定位技术是现代大地测量采用得较为广泛较有成效的新技术之一。近几年来，在我国的生产、科研和教育部门，均引用了此项新技术，且有更为普及的趋势。自从 1958 年人造地球卫星（以下简称卫星）发射成功以后，经典大地测量学与天文学、地球物理学相互渗透，产生了大地测量学的新分支卫星大地测量。自六十年代以来，卫星大地测量获得了突飞猛进的发展，并在空间技术和地球科学方面发挥着日益

3、重要的作用。卫星大地测量的实质，就是利用人造卫星的观测资料来实现大地测量的目的。因此，卫星大地测量的任务可概括为如下几点：1. 精确测定地球的大小和形状、地球外部引力场、地极运动、大陆板块间的相对位移和研究大地水准面的形状。这不仅是大地测量学的主要任务，而且对其它科学技术也有重要意义；2. 精确测定地面点相对于地球质心的坐标（地心坐标）。 这样， 就能够把世界上不同地区的地面大地网精确地联系起来，建立统的世界大地测量坐标系，为研究地心坐标系运动提供可靠资料；3. 加强国家天文大地网，并提高其精度。现有的大地测量成果具有几何和物理的两重性，即平面位置是在某个参考椭球面上，用几何方法（三角或导线测

4、量 ）推算测定，而高程则由某地的平均海水面，用物理方法（水准测量）传递测定。利用卫星大地测量的方法可以对大面积的天文大地网进行加强或控制，以及不断提高其精度；4. 困难地区布设测图拉制。根据目前美国海军导航卫星系统所达到的精度，很多国家已直接用卫星多普定位法，在困难地区布测控制网。它可以提高工作效率，避免外业造标工作，降低作业成本；5. 海岛联测，包括海上定位等。卫星大地测量可以对远离大陆的岛屿，以及沿海的石油钻台进行大地联测。这不但速度快，精度好， 而且是常规大地测量无法进行联测的唯一有效手段。除此，卫星大地测量，特别是卫星多普勒测量在海上导航、石油助探、监测/*+*«*MMM *

5、才* * TjJ 2-l -4.*冰川运动、地壳运功和军事等方面有着广泛的应用。卫星大地测量，就其观测手段通常可分为光学摄影法、 激光测距法相无线电 技术法三种。光学摄影法，包括目视光学观测，电影经纬仪观测。目视光学观测 能很快地获得卫星的近似位置，所以在人造地球卫星观测的最初阶段使用得较广 泛。由于观测精度较低（方向精度为5"20"记时精度为0.01"）,所以被后来发展 的光学电影法所替代。这种摄影法，是以恒星天空为背景，用大口径光学望远镜 对恒星进行摄影。通过底片上恒星与卫星轨迹的量测，可以确定卫星在空间相对 于恒星的位置。第二章 卫星多普勒定位系统卫星多普勒

6、大地测量主要是利用美国海军研制的导航卫星系统。该系统最初称为子午卫星,以后改用海军导航卫星系统，最后又称为导航卫星(NAVSAT)。2.1 发展简史美国为了对装有北极星导弹的潜艇的惯性导航系统进行有效的检核，由美国海军武器实验室(NWL)(现改名为海面武器实验宝 NSWL),委托美国霍布金斯大 学的应用物理实验室(JHU-APL)研制卫星导航系统。APL于1958年12月开始研 制， 1964 年投入军用，除为北极星潜艇导航外，还为其它军舰和海洋考察船导航之用。1967 年 7 月经美国政府批准解密，可供商用。因此，开始用于各种远洋船舶导航及海上定位。1964 年以后，也开始研究利用该系统来解

7、决大地测量的任务， 随着该系统的精度不断提高，越来越广泛地用来解决大地测量和地球动力学方面的一系列问题。由于该系统具有全天候、全自动、 全球覆盖和具有较高精度等特点，因而在世界上获得日益广泛的应用。导航卫星系统的设计思想，最初是由霍布金斯大学应用物理实验室的几名研究人员提出来的。在使用无线电跟踪苏联第一颗人造地球卫星时，维芬巴赫(George C. Weiffe-nbach)和吉尔(W川iam H.Guier)发现可以利用多普勒频移来测定卫星的轨道。不久，当时任应用物理实验室研究中心主席麦克卢尔(FrankT McCMlure) 提出，利用预测的轨道使用多普勒测量的方法来测定地面接收站位置的设

8、想。经过一系列的论证和技术准备以后，在以下四个方面正式开展了研制工作：(1)研制TRANSIT 卫星系列；(2)建立地面跟踪网，以提供预测的轨道参数；(3)研制地面接收设备；(4)开展卫星轨道理论，地球引力场和地球形状的研究。建立导航卫星系统以后，根据美国本土四个跟踪站36小时的观测数据，再外推 16 小时的卫星轨道参数。由注入站将此预测的卫星轨道参数定期注入卫星，卫星将此轨道参数，经相位调制后播发出去，通常称它为广播星历。此外，还有/*+*«*MMM *才* * TjJ 2-l -4.*分布在全球各地约19个观测台站组成的全球子午卫星跟踪网（TRANET）。这些 台站大多为各国的天

9、文台或卫星观站。 按全球跟踪网的观测资抖，汇总并计算子 午卫星的精密星历。起初由应用物理实验室计算并提供，目前由美国国防部测图 局地形测量中心（DMATC）计算和提供。通常只计算二颗子午卫星的精密星历。该精密星历只提供与美国政府有协议的天文台、卫星观测站和有关单位。为了提高广播星历的精度，导航卫星系统于1974年1月顾及了极移改正，即归算到CIO平极。还于1975年12月起作了一些重大改进，首先将原来的地 球引力场模型AFL4.5改为WGS-72系统。然后在全球卫星跟踪网共同平差基础 上，对美国本土四个跟踪站的地心坐标进行了改进，以使它们与全球卫星跟踪网 有更好的内部符合。除此.还采用了一个改

10、进的光压模型，改善了日一月效应摄 动的计算，以及消除了计算进动（章动）中出现的微小摄动。这一切都使子午卫星 轨道的外推误差减小了，从而提高了广播星历的精度。导航卫星系统由美国海军宇航组负责，共总部设在加利福尼亚州的穆古角。 美国海军天文台参加时间校核。导航卫星系统由空间部分-卫星，地面跟踪网和用户接收设备组成。2.2空间部分第一颗子午卫星"TRANSIT-IA ”于1959年9月17日，用雷神一艾布尔火箭发射， 因为火箭的第三级未点燃，故未能进入轨道。虽然如此，它却初步地解决了子午 卫星本身的一系列问题，为整个子午卫星系统的研制成功奠定了基础。第二颗子 午卫星”TRANSIT-1B”

11、于1960年4月13日发射成功。整个卫星呈圆球形，天线 在每个半球表面呈螺旋状，太阳能电池安置在圆球的中央，呈一环带。为减少卫 星与运载火箭脱离后仍存在的高速旋转，有一个附加重量的钢索，在为星入轨后， 将自动向外抛去。它象一条旋转的臂，使惯性矩增加，以减少旋转速度。卫星稳 定后，它就随其重量抛出。卫星的姿态仍采用磁力控制，使卫星与地磁场的方向 一致。TRANSIT-2A和TRANSIT-3A分别于1960年6月22日和11月30日发射。 后者由于火箭故障未能进入预定轨道。TRANSIT-3B于1961年2月21日发射。由于火箭故障形成扁率很大的椭圆/*+*«*MMM *才* * Tj

12、J 2-l -4.*轨道。卫星经过近地点时，受到大气阻力造成的轨道递降，于几星期后烧毁。但 却第一次成功地进行了卫星注入和存贮系统的试验。TRANSIT-4A于1961年6月29日发射成功。TRANSIT-4B子1961年11月25日与另一颗特雷克卫星同时发射。特雷克 卫星是用于试验重力定向的，其目的是使以后的子午卫星的天线指向地心。这次试验虽不完全成功，但证实了采用重力定向的可能性和现实性。这种定向方法成功地为现在的子午卫星所采用。子午卫星的试验阶段至此基本结束。第一颗实用子午卫星于1963年12月发 射成功，并开始为北极星潜艇和其它潜艇导航。它是一个约30cm *46cm的六面体，并具有四

13、个太刚能电池的网状翼，重量约50.4kg.在卫星进入轨道后，四个翼自动展开，翼上嵌装着太阳能电池，以保证电源的供应。第一批实用卫星寿命较短，大约一年后就不能工作。主要原因是太阳能电池 的热量循环导致电路连接部分的破裂。 这个问题解决后，卫星的使用寿命使大大 提高了。所有的试验卫星和第一批实用卫星均由 APL研制。它于1967年4月至 9月发射了三颗子午卫星，一直运行到现在。这种卫星称为OSCAR卫星。以后的子午卫星由美国无线电公司（BCA）制造，于1968年后又发射了三颗，目前还 有十三颗OSCAR卫星存放在BCA的仓库里，留作备用。另有九个侦察兵火箭 备用。子午卫星由火箭送入轨道后，仍在高速

14、旋转，此时四翼自动展开，使卫星旋 转速度大幅度地减弱。然后利用四翼上的地磁阻尼棒来消除平衡过程中产生的摆 动。约一天内可使卫星消除旋转，稳定下来。最后，一根长 30m的重力稳定杆 伸了出来，杆端有一个1.3kg重荷，使卫星天线的端面在重力作用下平稳地对着 地心。重力梯度稳定杆有点象钟摆，当它的纵轴一旦偏离铅垂线，卫星就慢慢地 来回摆动，而不是立即停下来。此时还要靠翼上的磁阻尼棒来吸收摆动的能量， 使振幅逐渐降到10二以内卫星内有一套复杂的电子系统。 它包括：一套接收装置，一个5MHz高稳定 度的振荡器，两个1.5W发射机一个相应调制的编码装置， 一套含有35K的磁芯 存贮系统，一个定向天线以及

15、控制线路等。除存贮系统外，约行 6200个电子元卫星振荡器的频率为5MHz,经过倍频、分频后，通过定向天线，同时连续 播发400 MHz和150MHz两种稳定的相干频率。卫星的接收装置用来接收地面 注入站发来的时间和轨道参数以及指令并将这些数据存入存贮器。根据预定的程序和指令，通过相位调制编码装置，调制在载波上播发出去。在卫星通过期间，频率稳定度为10-11。卫星振荡器经分频后，控制存贮照相 调相编码器，使卫星轨道参数编码后，按世界时 （UTC）偶分数调相到载波上发射 出去。所以播发的信号不仅提供了稳定的载波频率和卫星轨道参数，也提供了定时信号。卫星的接收机从地面注入站周期性地获得修正过的卫星

16、轨道参数和时间 改正数，此改正数也存在存贮器中，并且每隔96%进行一次调整。 一直到1977 年有六颗子午卫星在轨道上运行。 其中30180号卫星由于稳定杆断裂，定向不正 确，1978年就停止了使用。1977年12月22日发射了一颗新型的子午卫星，编 号为30110,它在试验阶段被称为了 TIPS卫星，现在称为NOYA卫星。NOVA 卫星发射的信号与OSCAR卫星完全一样但是接收到的信号电平要增加 3-4dB, 并且在两个频道上天线将都是左手极化的。除此，NOIA卫星还有一些重要的改进，主要是带有干扰补偿系统（DISCOS）,用于消除大气阻尼的影响；还有时间（频 率）控制的改进，以及星载可编程

17、序计算机等。NOVA卫星除用于导航定位目的外，尚有其他军事用途。目前准备生产三颗， 全部将为五颗。据1979年1月第二次国际卫星多普勒大地测量讨论会上霍斯金 斯代表美国海军战略系统设计局（SSPO）告称，美国海军将于1990年前维持四 颗卫星的导航系统，即包含两颗OSCAR卫星和两颗NOVA卫星，直到有新的导 航卫星系统替代为止。由于卫星轨道在空中的进动，使得每颗卫星的轨道平面在赤经方向上的分布 出现了不均匀的现象。它使得相邻两颗卫星通过某地的时间间隔很不均匀， 有时 可长达3-5h,有时则出现先后或同时有两颗卫星通过的现象。应该指出，子午卫星系统作为导航系统的最主要缺点就是它的不连续性。*2

18、.3地面跟踪网知识就是力量M知识就是力量*为了维持子午卫星的正常工作，海军宇航组负责组织实施地面跟踪网，它包 括四个跟踪站，一个控制与计算中心，以及两个注入站。美国海军天文台只参加 对时间进行校正工作。四个跟踪站：位于加利福尼亚州的穆古角，缅因州的普罗 斯佩克特港，明尼苏达州的罗斯芒和夏威夷群岛的哈西瓦。它们对每颗子午卫星的两个频道信号进行跟踪和多普勒测量，并将观测的多普勒数据传输给计算中 心。控制与计算中心位于加利福尼亚州的跟踪站一起。它将四个跟踪站传输来的观测数据，首先按卫星分别汇集成组，然后近行轨道认算。根据36h内对卫星的 观测资料，考虑到地球引力场的不规则、 大气阻尼、太阳辐射和日月

19、引力等各种 摄动因素，计算出每颗卫星的精确轨道。然后用外推法计算未来16h的卫星平均 轨道，以及每两分钟或四分钟对平均轨道的改正量。最后将外推的轨道参数传输 给位于加利福尼亚州穆古角的注入站或位于明尼苏达州的罗斯芒特的注入站。它们的作用是接收和整理由计算中心传递来的数据信息。并且将整理好的卫星电文数据，用快速数传的方法向卫星注入。注入后要进行检核，发现错误，立即进行 重新注入，直到正确为止。约每12h对每颗卫星进行一次注入。注入时把卫星上 原来存贮的数据冲掉，代之以新的轨道数据。美国海军天文台负责提供标准的出界时（UTC）,并对卫星时标进行校淮，校 准的误差不大于50%。四个地面跟踪站，二个注

20、入站，一个计算中心以及海军天文台都由海军宇航 组通过控制中心进行协调和指挥。除了上述的地面跟踪网外，利用全球分布的天文台或卫星站， 根据政府间的 协作，参加子午卫星的跟踪。这样就构成了 15-20个台站的全球子午卫星跟踪网， 称为TRANET。将该网中各台站的观测数据都汇集起来，对子午卫星进行精确 定轨。并且只对一或二颗卫星编制了精密星历表，事后提供给协作单位和有关部 门进行精确定位计算之用。精密星历提起初由海军武器实验室计算并提供。 目前 出美国国防部测图局地形测量中心进行计算，并提供使用。*2.4用户接收设备知识就是力量M知识就是力量*用户接收设备是用来跟踪，接收子午卫星信息，并将观测数据

21、记录在穿孔纸 带或盒式磁带上。按用途接收机设备可分为导航型和大地型两大类。他们的主要区别是，导航型要求定位精度较低，但必须对每次卫星通过进行实时的计算，以及连接其他导航设备进行航位推算。而大地型则要求定位精度尽可能高，又要便 于野外携带，并且要求观测数据记录完整，便于事后采用各种平差方法进行处理 等。(1)导航型接收设备通常可分为单频和双频两种。美国美乐华公司与1968年生产第一台单频接收设备MX-702CA,它包括天线(含前置放大器)，接收机，计算机和打印设备。随 着电子技术的不断飞发展，以后配用微处理机。与1975年生产了第一台配有微处理机的MX-902B,于1976年生产了 MX-110

22、2,这类接收机的特点是，采用了 微处理机技术，使接收机计算机和显示器做出一个整体。加拿大马可尼(CMC)公司生产的单频接收设备 CMA-750.它包括天线(含前置放大器)，接收机，小型 计算机，显示器和打印机。法国电气设备与信号设备公司(CSEE)和电信有限公司(SAT)生产的单频接收机为 SYLOSAT-C型。它包括天线，前置放大器，接收 的电子装置和显示器传输装置，日本太阳交易株式会社生产的单频接收机为 FSN-11A型。日本无线电有限公司生产的单频接收机为 儿E-3100型。双频导航接收机设备与单频导航型的区别在于接收卫星两个频道的信号，可进行电离层折射改正，以提高导航定位的精度。除军用

23、外，双频导航接收机多用 于远洋商轮，海洋考察船，沿海石油勘探等。(2)大地型接收设备大地型接收设备皆为双频接收机。第一代大地型接收机是美国MX公司于1965年为军用而生产的，型号为 AN/PRR,又称大地接收机。MX公司于1975年 生产了第二代大地接收机，型号是 MX-702A-3D,又称GEO-H .这类接收机主要 分为野外部分和内业处理部分。野外部分包括接收机，天线和纸带穿孔机。内业 计算部分包括HP-2100小型计算机，电传打印机，以及光电输入机。随着微处 理机技术的飞速发展，1976年后出现了第三代大地型接收机。其中有 MX公司/*+*«*MMM *才* * TjJ 2-l

24、 -4.*生产的MX-1502大地接收机。美国JMR公司和英国DECCA公司生产的JMR-1 和JMR-1MP大地型接收机。还有加拿大马可尼公司最近研制的CMA-751大地型接收机。第三代大地型接收机采用微处理机技术， 不但使重量减轻，自动化程 度也有提高，而且还可以进行实时的二维和三维定位计算。他们的实时定位精度相当与第二代大地型接收机的内业处理精度。 为了进行精确的定位计算，第三代 大地型接收机还可以配备专用的计算中心，进行事后处理。通常在这种专用的计算中心上，配有单点定位程序和多点联测定位程序，他们可以提高定位的相对精度。用户接收设备的定位精度，不但取决于接收设备的精确度，还取决于卫星定

25、 轨精度和处理方法。第三章卫星多普勒测量原理3.1多普勒效应1842年，奥地利物理学家约翰克里斯琴多普勒（1803-1853谓过实验找出， 火车经过时，具汽笛声调发生变化的原因，实验是用一个运动的铃作为声源，用声音传一个固定的音叉作为参考频率来比较接收的声频。如果铃的频率为fs,播速度为c,而且在实验区域内声音是沿直线传瓶则铃的固定额用可用速度波长此s表示,即fsT(3.1)当铃静止不动时，则在任何方向都可测定其频率 fso但是当铃以速度vs运动时，则声音传播速度就会发生较大变化，在铃的运动方向上为cvs而在相反方向上为cvs,只有在垂直于速度vs的方向上，才是原来的速度c。如果速度vs的方向

26、与铃至观测站 p的方向间夹角为Up,则声音传播速度的一般表达式为:cn = c Vq cos 二 n psp(3.2)由于铃相对于固定观测站p的运动，引起了铃声传播速度的变化，因而在测站p测定铃的频率也有所改变，有上式可得在测站p测定铃声的频率f为cDc VS cos二D cvs cos二Df =JL=sp二 _c p; f fs(3.3)式中(3.4)vs cos： D:f =pfs=vs cos p c信号源运动引起的相对于信号频率 fs的频移称为多普勒频移，也成为多普勒效 应。（3.3）和（3.4）式是频率与速度的关系式。如果我们要利用多普勒效应进行跟踪, 就必须求得vs,而vs的求的是

27、以已知的if «p,、为前提的，由此可知，多普勒 测量基本也就是速度测量。在多普勒的实验之后，还发现多普勒效应在无线电波和光波等连续辐射波的 *Tzlfc事 蚤* *传播中同样存在着。当卫星上用固定频率fs发射连续的无线电波，因为卫星作绕地运动，它和地面接收站间有一个相对速度，所以地面站接收到的卫星信号， 就有频率的变化，即变化的接收频率f。这种频率变化的现象，就称为多普勒效 应。3.2 多普勒积分法为了精确地测量多普勒频率&f通常在地面接收机内增加一个固定的频率， 即本振fk。将接收到的频率与本振比较，即混频，得出差拍频率，最后用积分 的方法导出多普勒频率或者直接进行定位计

28、算。卫星沿其运行轨道，在相等时间段内的位置。卫星在这些时刻ti,即在位置Si时播发的信号，地面测站 M则要在ti +&i时才能收到。由卫星信号的传播延 迟可知，在相邻两时刻卫星信号之间，地面接收站累计下本振和接收机频率间差 频的差拍周期数Ni,它通常称为多普勒计数。卫星观测量是多普勒计数N,常数量是波长/和积分间隔T,未知数是频偏fks和距离差§书-S ,而距离差又是测 站坐标和卫星坐标的函数。由于要求的未知数不同，采用的时标和测量多普勒计 数的方法不同，估算的误差模型不同，以及数据处理方法的不同，就构成了各种 不同的定位方法。所以接收机实测到得多普勒计数，必须先进行电离层折

29、射改正 和对流层折射改正。3.3 卫星多普勒定位原理多普勒积分法给出了地面点到卫星两个位置的距离差，也就是说当卫星位置 为已知时，地面点就位于以两个卫星位置为焦点的一个旋转曲面上， 该双曲面与 地球面相交得出一个曲线H 12 .如果在卫星位置之间再进行多普勒积分测量，就可以得出第二个距离差公式，以 及相应的曲线H23,此时，地面点M应位于H 12 ,H 23两个相交点中的一个交点上。/*+*15.«*mmm *才* *Tjj J-Tl .Si,*如此再有第三条曲线H34就可以确定地面点 M位置。由此可见，多普勒定位的方法，就是一系列双曲面的定位方法。他们的交点就是相应于时间ti，t2

30、，AA的卫星位置Si，S2，AA o观测量就是多普勒计数或其相应的卫地距离差。3.4 卫星多普勒导航计算模型卫星多普勒定位计算的模型很多。 但是二维定位计算模型是个基本的模型。 所以这里首先叙述导航定位的计算模型。它的特点是：(1)定位精度较低，计算模型较简单，收敛性较好；(2)进行二维定位，即解算的未知量为三个；天线 (船位)的纬度、经度和频偏；(3)天线(船位)是运动的。3.5 卫星多普勒定位方法卫星多普勒定体有三种方法：(1)单点定位法；(2)联测定位法；(3)短弧法。(1)单点定位法是一种简单和广泛用于作业的方法。它是在卫星星历无误差 的假定条件下，按单点独立解算法求定测站位置。当取得

31、精密星历和只有一台仪 器时，以采用此法为宜。当只有广播星历时，此法受星历误差影响较大，如果适 当延长观测时间，增加卫星观测的通过次数，则可有限度地削弱其误差影响。(2)联测定位法是在不同测站上同步跟踪同一卫星通过，以测定两站间的相 对位置。由于星历误差和折射误差在同步跟踪同一卫星通过的两站间是相关的， 故在只能使用广播星历和有两台以上仪器时，采用此法能得到较高的精度。(3)短弧法是在不同测站上共同跟踪同一卫星通过，以测定两站间的相对位 置。所谓共同跟踪同一卫星通过，就是在大约 30min(约为子午卫星周期l06min 的28%)内，可以有先有后地接收同一卫星的多普勒频移，即在约占28%的一段较

32、短轨道弧上观测同一卫星。当然，短弧法的本质在于它不把广播星历认为无误 差，而是在数据处理中求出每次卫星通过的轨道根数改正数。近几年来，这三种方法已取得较多的实测成果，可供使用、分析和参考。更 为广泛深入的试验尚在进行之中。才才才 * 矢口. 堂上J L-* *知识就是力量一3.6 卫星多普勒网的建立采用卫星多普勒定位法建立国家和国际大地网已成为主要方法之一，它具有全球性、全天候、速度快、精度高、投资少、重量轻等优点，并能迅速提供地心坐 标和相对坐标。采用卫星多普勒定位法有可能把所有大地网与地心坐标系统以 1-2m的精度联系起来。而且，在卫星多普勒测站上已经应用其它测量技术，把 局部测量数据确定

33、在以CIO极和BIH零子午线的多普勒坐标系统和地心坐标系 统上。此外，在多普勒站上的甚长基线于涉测量 （VLBI）、激光测月（LLR）、卫星 激光测距（SLR）等，可使长度精度至1: 5000 000以上。当然,卫星多普勒定位 也用于加强大地网，以提高地面测量数据的精度。卫星多普勒网的观测与计算方案，取决于接收机的质量和数量，要求的测站 间隔，是优先使精度达到最高水平，还是只达到一个既定精度，从而使测量费用 和作业时间减到最少，以及绝对与相对定位精度的各自优先性。第四章 卫星多普勒定位的数据采集与处理4.1 卫星的基本信息地面注入站传送给卫星的轨道数据，是存放在卫星存贮系统内的，然后按照控制程

34、序用相位调制在卫星工作频率上播发出去。这种方法不影响精确的多普勒测量。卫星发射三种信息：(1)供多普勒测量用的两种相干的稳定频率，即399 . 968MHz = 400MHz-32kHz 和 149. 988MHz = 150MHz-12kHz ,标称 400MHz 和 150MHz;(2)卫星的轨道参数；(3)每两分钟的时标。卫星轨道参数和时标常统称为时轨参数。卫星将时轨参数用相位调制的方法调制在工作频率上，并采用编码形式。子午卫星每两分钟播发一帧含有157 个字的电文。电文最末一个字仅由19比特组成，其余156 字均由 39 个比特组成。因此两分钟电文共包含156*39+19= 6103比

35、特。每个比特的周期为 120/6103= 19. 662ms,标称20ms。卫星电文的格式，卫星存贮系统内的轨道参数，根据预定的程序，每隔2分钟，被检测一次，同时播发一帧电文。这帧电文由每字含39 比特的156 字和含19比特的终止字组成。因此一帧电文共含 6103个比特，在120 s内发出，每 个比特的长度为19.662ms卫星电文中除第1, 2和3字用作识别、同步和结出 时标外，其余154个字分为A , B, C三组。A组用于导航定位，B, C组仍用 于军事目的。卫星电文译码，卫星电文A 组中每个字都含有39 个比特。它们的编码情况如下：前三个比特不用，后面36 个比特每4 个比特表示一个

36、十进制数字。 故每个字含有9 个十进制数字。应该指出，子午卫星播发的轨道参数采用二进制余三代码(XS3BCD)。通常的子午卫星接收机中装有译码器，将二进制余三 代码转换成普通二进制码或美国信息交换标准码 (ASCH )。这种码常用于电传打 字机和大部分电子计算机。固定参数的译码，卫星电文A 组中的固定参数表示卫星的平均轨道，它在两次注入时间(12-16h)内保持不变。所以在该时间段内 每两分钟电文都是重复播发的。可变参数的译码卫星每两分钟播发一帧电文，其中 8 个字是卫星轨道的可变参数。它们表示卫星运动的实际轨道，也是对平均轨道(固定参数)的修正。每一才才才 * 矢口. 堂上J L-* *知识

37、就是力量一个可变参数字也由9位十进制数字组成4.2 导航卫星预报在卫星多普勒大地测量工作中，为安排观测，删除不符合条件的卫星通过， 需要进行导航卫星顶报计算。此项计算工作，可以结合所使用仪器的特点和功能， 编制成专用程序，它一般由仪器制造商提供，如 MX-1502接收机等，也可以使 用通用计算机，按自编程序，编制成工作星历，如 CMA-722B接收机。由于导 航卫星的轨道周期较稳，并且播发广播星万，提供卫星的时轨参数。所以预报计 算是根据广播星历来进行，通常使用三个月内的广播星历，以保证预报的时刻误 差不大于一分钟。预报计算的方法很多，常用的有试探法。试探法就是根据某时 段接收到的广播星历，计

38、算出需要观测日期开始时刻的卫星坐标， 再将此卫星坐 标与测站概略坐标计算出此时刻的卫星高度角，判别它是否在地平面上。然后用 增加时间的办法试探被预报的卫星是否再次出现地平面上。如此试探下去，直到需要观测日期的结束时刻为止。如果确定卫星出现在地平面上时，则再用增加时 问的方法计算此次卫星通过时的过顶时刻（最大高度角时刻）和下落时刻，以及通过的方向和方位。这种试探法虽然费时，但比较简单并可借用导航程序的某些 子程序。这里叙述的卫星预报计算方法，是以高度角条件和升赤经条件作为初选， 对某一颗被预报的卫星来说，只要简单的运算就可确定该圈卫星是否能被某测站 观测到。然后可以用试探法或者采用多项式拟合求根

39、值和极值的方法，来确定该次卫星通过时上升，下落以及过顶的时刻，还要确定卫星通过的方向和方位。起始数据中导航卫星每两分钟播发一帧电文， 它包含可变参数8个字和固定 参数17个字两部分。表示瞬时卫星轨道的可变参数，每两分钟改变一次。而表 示卫星平均轨道的固定参数，在两次注入期约12小时内是不变的。导航卫星的预报仅利用固定参数中前12个字作为起始数据输入。子午卫星的预报计算首先要根据起始数据进行初选。 初选的目的就是确定在 某测站上卫星可见段的开始时刻，即确定卫星由测站地平面上升的时刻。为此， 首先提出高度角条件。才才才 * 矢口. 堂上J L-* *知识就是力量一4.3 卫星多普勒数据的预处理预处

40、理就是对卫星多普勒数据进行解码、计算和检验，共主要内容有：卫星 多普勒数据记录格式，多普勒计数的归算，卫星轨道的拟合，卫星坐标的计算， 测站点地心坐标近似值的计算，卫地距离和卫星高度角以及对流层折射改正的计 算，本机时标与卫星时标的换算等。 在计算过程中应进行各种数据检验， 并拟定 各种检验标准，凡符合标准的数据予以保留，不符合标准的数据一般均剔除。数据预处理的程序，因计算机型号和记录设备不同而异。对接收机所提供的 观测数据进行预处理的程序称为多数判决，它一般由设备制造商提供，该程序用 于数据简单检验并使数据压缩。在这所述的预处理是经过多数判决后的预处理。 卫星多普勒数据记录格式，因接收机和记

41、录设备不同而异。第五章 卫星多普勒观测的误差分析5.1 概述子午卫星导航系统的坐标是以地球质心为原点(它与地心相差约为1m,即X =0.5m, Y =-1.3m, AZ=0.7m),短轴与地球自转轴相重合的空间三维直 角坐标系，简称地心坐标系，同时也采用”1972年世界大地测量坐标系”(WGS-72) 的地球模型，该系统是利用了近代的卫星、天文大地和重力资料，在WGS-66基础上改进的，其主要地球参数为 a = 6378135( _5)m b =a(1 - f) =635675。52m f =1/298.26(_0.6 10) GM = 398600.5km3/s2(_0.4)以上确定地球模型

42、、坐标系以及地球位函数的球谐系数，统称为定场。子午卫星导航系统是由近似圆形极轨道的六颗卫星组成 (其中有一颗卫星已 不能正常工作)，平均高度为1100km,角速度为3.40/min ,地平以上可观测的持 续时间为18分钟，卫星视区范围的直径为6700km,如顾及卫星运行周期和地球 自转周期，每圈视带向西移动约 26°,相当于平均距离为 2500km,同一颗卫星 两次经过的视带重叠范围可达 60%,在中纬度地区大约每60分钟可接收到任一 颗子午卫星在赤道上大约每120分钟可接收到任一颗子午卫星，因此，子午卫星 视带基本上覆盖全球。子午卫星提供了精确的时标和轨道信息。在每颗卫星里，备有一

43、台 5MHz 高稳定度的标准振荡器(稳定为3M1011/天)，经过倍频器(X80, X30),发射出 399.68MHz和149.988MHz的两个相干载频。标准振荡器的输出信号经分频器后， 用来控制存储器系统，调相到150 MHz和400 MHz信号上读出和编码。由于导 航电文被控制在每个偶分钟的开始和结束的瞬间发出，所以电文不仅提供固定的标频和导航电文，还提供定时信号。在导航电文中，包括了已解密的A组轨道参数，即平滑处理的开普勒密切椭圆的固定参数及对此所作修正的可变参数，统称为广播星历。在可使用的五颗卫星中，卫星序号为 NNSS 30190和30140两颗/*+*«*MMM *才

44、* * TjJ 2-l -4.*卫星，编算了精密星历。利用多普勒接收机可以确定轨道参数，简称定轨。根据导电文(或精密星历)，可以得到以时间为函数的卫星位置。为了测定 测站坐标，可以利用各种类型接收机来测量多普勒频移，从而求得测站与卫星问距离差。定站计算是根据卫星轨道参数和近似的测站坐标计算出距离差，利用各种数学模型，将计算值最佳地拟合到多普勒观测值上，即可定出测站坐标改正值， 这种方法简称定站。定场、定轨、定站三者是密切相关的，互为因果的。在卫星大地测量和天体 测量中已知卫星位置(或恒星坐标)，可以测定测站坐标，或者已知测站位置，可 以测定卫星轨道参数(或恒星星表等)，其数据处理互为逆运算。目

45、前在国际上进行卫星多普勒定位，一般采用两类方法，即1 .轨道参数不参加平差，如：(1)单点定位法，(2)联测定位法。2.轨道参数参加平差，如(1)短弧法，(2)半短弧法。不论采用那种方法，都必须研究卫星多普勒观测的误差因素。根据有关文献 指出，卫星多普勒观测的误差源可分为三类，即轨道误差，折射误差和接收误差。 本章将讨论上述误差的成因，误差的量级，以及削弱或测定误差的方法，并为拟 定卫星多普勒观测网的实施方案提供理论依据。5.2轨道误差子午卫星的轨道误差主要取决于卫星摄动方程的模型，折射影响的清除程度，卫星跟踪站的坐标精度，卫星装置和地面接收机的工作性能起算数据的精度 及其计算轨道的程序等。1

46、974年1月27日广播星历由于消除极移误差(约10 m) 而得到改进，1976年12月12日起采用 WGS-72地球模型作为卫星星历的计算 基础，使轨道误差大为减小。目前，就单点定位解算成果而言，假如使用精密星历解算，在多次卫星通过后，可望达到±0.5m,而使用广播星历解算的精度并不包括多普勒定位系统本身与外部各种标准的差异。放在估算卫星多普勒定位成果/*+*«*MMM *才* * TjJ 2-l -4.*的外精度时，必须根据由卫星多普勒定位系统求得的坐标、距离、方位角等与其 它系统，其它方法所求得的坐标、距离、方位角等进行比较后才能做出估计。而 在这些比较和估计中，子午卫

47、星的星历误差通常被视为是卫星多普勒系统与外部 坐标有差异的主要原因之一。因此，我们首先将精密星历与广播星历及其相互关 系概述如下。多普勒定位成果与外部各种标准的比较研究已进行了很长一段时 问。这些外部标准包括特级导线、甚长基线干涉测量、月球激光测距、卫星激光 测距和深空间网。这些互相比较的结果可归纳为：(1)精密星历坐标系统的原点；(2)精密星历坐标系统的经度零点；(3)精密星历坐标的Z轴指向；(4)精密星历姿标系统的尺度.应用广播星历进行卫星多普勒定位， 显然有很多优点。在某些情况下，广播 星历可以说比精密星历更为重要。例如：(a法绝对定位精度要求不高的情况下； (b)必须要求实时定位，如导

48、航的条件下；在那些没有精密星历的国家。所以,了解广播星历及共与精密星历的差别是很有必要的。(1)预报误差；(2)时间改正误差；(3)极移引起的误差；(4)程序常数；(5)限踪站坐标；(6)南北不平衡的影响.关于单点定位广播星历解算中削弱偶然误差的问题，可以概括以下三点：(1)由于大气阻力摄动所引起的卫星切向误差，致使广播星历(预报星历)定位解算的内精度决不可能象精密星历(事后测定的星历)那么好。然而，对于一个含 有足够卫星通过次数的对称通过组， 在它的单点定位络果中，切向误差对测站经 度的影响可以减弱，对测站纬度影响可以基本消除。(2)对称通过组准确的解释是：南行卫星和北行卫星的通过次数必须相

49、等， 通过的时间应力求对称。在满足这个要求前提下，也要尽可能使得卫星在测站的 东向和西向通过次数大致相等，这一要求对改善定位结果中经度的精度有重要意(3)对称通过组还应要求各个不同多普勒卫星的通过次数在该通过组中不要 相差太悬殊。对新发射的NOVA卫星(卫星号在440以后)的定位结果结较大的权。在采取以上措施以后，广播星历单点定位解算成果中的偶然误差可望减小得 多。由于计算广播星历所采用的坐标系统、重力场模型和程序设计与精密星历的 相应数值比较，存在着一些系统性的差别。因此。在卫星多普勒单点定位中应用 广播星历解算时，所解得的测站空间直角坐标与精密星历的解算结果比较，也存在着系统误差。止匕外，

50、在卫星多普勒单点定位中，既使应用精密星历解算，其定 位结果与真正的地心坐标也还有一些系统误差。但是，这些都可以用坐标转换的方法来消除。(1)单点定位中，广播星历解算和精密星历解算之间系统误差的削弱途径(2)将精密星历或伪精密星历解算结果转换到地心坐标系5.3 折射误差子午卫星的射频信号在空间介质里传播，必然经过电离层和对流层而产生折 射。根据国际无线电咨询委员会规定：卫星通信频率的最佳范围是1000至10000MHz,这个范围的电波可看作自由空间传播。子午卫星发射的双频在穿过 各层大气时，受各层不同介质所扩射，这种折射效应反映为电磁波穿过各目时传 播边度的变化以及射线传播路径偏离几何直线路径，

51、因而严录地影响到多普勒计 数的失真。魏芬巴奇和霍普菲尔德提出了卫星发射两个相干频率可以得到电离层折射 的一阶改正值，并推导了对流层大气垂直剖面的最佳模型，利用地面气象数据和卫星仰角就可推算对流层折射改正。威尔曼和库巴等也先后提出对流层折射改正 模型。太阳辐射包括短波能量，足以在地球高层大气中引起显著的光致电离现象， 这样所形成的电离区称为电离层。 在所讨论的折射误差中，影响最为严重的是电 离层(特别是F层，离地面距离250km)折射。当卫星发射双频信号穿过电离层时。 由于它与自由电子和离子的互相作用， 电磁波的波长被拉长，这种现象表现出信/*+*«*MMM *才* * TjJ 2-l

52、 -4.*号相速大于光速这一色散介质的特征。 可以证明，波长的伸长与发射频率的平方 成反比（限于一次近似）。由于卫星运动改变了穿过电离层的路径长度和波长伸长 的变化率，使地面站所接收的多普勒频移中包含了电离层折射影响。非电离层由平流层和对流层组成， 离地面高度为60km以下，大气折射的80%是 由于对流层折射引起。对流层折射系数大于1,它是大气状态和卫星仰角的函数， 而与卫星发射的频率无关。当卫星发射的信号穿过对流层时，电磁波的传播速度 减慢从而压缩信号的波长影响到总的多普勒频移。 这种折射影响不像电离层折射 改正那样，可以利用接收双频信号检测出来，而只能根据地面气象数据（气压、干温、湿温等）

53、和卫星仰角，按照大气垂直剖面的最佳模型，求得折射改正理论 值，或者在观测工作中，避免或舍去卫星低仰角通过的多普勒数据，因为卫星处于地平附近即仰角为零，其折射最大；在测站天顶附近即仰角为90口，则折射误 差最小。因此，在观测纲要中应规定，卫星通过的仰角应大子10。由于对流折射改正是地面大气状态和卫星仰角的函数，在低仰角（°10°）经过折射改正后，数据不呈随机变化，而是系统地分布于水平线的一侧， 这表明折 射改正对低仰角而论剩余影响甚大，因此在观测纲要中，不能使用10。以下的多普勒计数。另外，上述各模型都是建立在正常高空大气状态的基础上，当反常气候如冷、热气象锋面在观测期间经过

54、测站上空时，将严重干扰多普勒观测结果， 为此必须向气象部门索取当天气象资料，以便在分析数据时，剔除这部分成果， 保证观测成果的可靠性。5.4 .接收误差接收误差涉及接收机本身，本机振荡器以及天线等全部影响。 斯坦塞尔从多 普勒接收机的设计参数出发，研究了木机振荡器的稳定性、接收机延时、多普勒 计数精度、时间恢复的抖动以及本机的分辨力等，并推估了这些参数对测量精度 的影响。研究接收误差的目的是为了在计算程序中引入待定系数，建立合理的误差模型，并在观测纲要中，采取必要措施以便削弱这类误差的影响。 我们进行合 适的时标的选择，以及增加震荡器的稳定性，减小接收机的噪声源，以及注意，天线知识就是力量知识

55、就是力量一相位中心的问题，等等都可以减小接收机的误差的影响第六章卫星多普勒定位的应用从1967年子午卫星系统部分电文解密供民用后， 起初仅用于远洋船舶的导航 和某些海上目标的定位。后来，美国首先试验用来进行大地测量。1972年，他们公布了多普勒网的定位成果。由于这种测量具有全球性、全天候、速度快、精度 高、装备简单、作业方便等优点，特别是在交通不便的地区更有特殊作用，因此 很快被世界各国包括我国广泛运用于大地测量、地球物理探测、地质和石油勘探等领域。民用多普勒接收机的销售量大幅度上升，1982年（45555台）比1974年（860 台）增长了 53倍。我国从70年代初期就开始了对这类仪器装各和理论的研究，不 久就引进国外技术进行实际作业。 在1978年春，我国测绘工作者对西沙群岛进行 了多普勒定位测量，将西沙群岛的主坐标联入北京坐标系。 从1978年开始，我国 建立了全国陆地海洋卫星定位网， 对我国广大地域进行了大规模的作业， 进行了 整体平差，使我国的卫星多普勒定位技术飞速地向世界水平迈进。武汉测绘科技大学完成的”卫星网与地面网的联合平差以及在西北卫星定位网中的应用项目，获1988年国家科技进步三等奖。近年来，对南极长城站、中山站的坐标也是 用卫星多普勒定位技术测量的。如对南极长城站，共观测了 210次子午卫星通过， 精确测定长城站