8、其他空间大地测量技术

1、1,第八章 卫星导航定位及脉冲星导航定位,2,目录：,一、多普勒测量与子午卫星系统 二、DORIS系统及其应用 三、以GPS为代表的第二代卫星导航定位系统 四、脉冲星导航定位,3,8.1 多普勒测量与子午卫星系统,第一代卫星导航定位系统： 以子午卫星系统（Transit）为代表。 由于技术上的限制，第一代卫星导航定位系统一般采用多普勒定位的模式，用一颗卫星来完成整个导航工作。 苏联的CICADA 法国的DORIS(主要用于卫星定轨),4,当信号源S与信号接收处R间存在相对运动从而导致径向运动速度V0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。 例如： 火车驶入站台和驶离站台,8.

2、1 多普勒测量与子午卫星系统,8.1.1 多普勒效应,5,1.信号源S与接收处R保持相对静止 此时fR=fS相同 S与R间的距离为 D=t*c S发出的第一个波前到达S的时间为t t时间内S与R的距离保持D不变 t时间内，S发出的波数为n=t* fS，均匀分布在D中 R处接收到信号的波长R。,8.1.1 多普勒效应,6,2.S与R作相向运动 此时fRfS S发出的第一个波前到达S的时间为t t 内，S与R间的距离由开始的D= t*c变为D-V*t t时间内，S发出的波数为n= t* fS，均匀分布在D中 R处接收到信号的波长R。,8.1.1 多普勒效应,7,3.S与R作反向运动 此时fRfS

3、S发出的第一个波前到达S的时间为t t 内，S与R间的距离由开始的D=t*c变为D+V*t t时间内，S发出的波数为n=t* fS，均匀分布在D中 R处接收到信号的波长R。,8.1.1 多普勒效应,8,4.S与R作任意运动 将S相对R的速度V分解为径向分量和法相分量。 Vr=V*cos() Vt=V*sin() 当90时fRfS,8.1.1 多普勒效应,9,多普勒频移：信号发射频率fS与信号接收频率fR之差f称为多普勒频移。 径向速度为Vcos 若信源在卫星上，R低速运动，则星站间径向速度8km/s fR按泰勒级数展开 略去高次项,8.1.2 多普勒测量原理,10,接收机产生频率为fS的信号与

4、接收到的频率为fR的信号混频。求得差频信号。 在t1,t2时间段内积分，积分值为N。 D1和D2分别为t1时刻和t2时刻信源和接收机之间的距离。 故多普勒测量也被称为距离差测量。 缺陷：无法判断（D2-D1）符号 解决方法：提高接收机产生信号f0的频率，使其在任何情况下都大于fR 。 多普勒计数的几何意义：,8.1.2 多普勒测量原理,11,1.几何意义 设某卫星以 的频率连续发射信号，在 时刻卫星位于 处，在 时刻卫星位于 处。利用地面卫星跟踪站对卫星进行跟踪观测，即可确定并预报卫星轨道，编制成广播星历向用户播发。用户用多普勒接收机来接收卫星信号，进行多普勒测量，求得 时间段内的多普勒计数,

5、8.1.3 多普勒定位,12,2.观测方程 f为接收机产生的本征信号频率与卫星所发射的信号频率之差，理论上为一常数，而实际上存在偏差df,则有： df被称作频率漂移其值取决于接收机钟和卫星钟的误差。 子午卫星系统中，卫星一次通过df被视为一个常数（待定）。 接收机三维坐标R（X、Y、Z），其近似坐标为（Xo、Yo、Zo）： 卫星位置t1时刻和t2时刻分别为S1和S2。 D1,D2,在Do处由泰勒级数展开,同理,8.1.3 多普勒定位,13,2.观测方程 观测方程 误差方程,将前面得到的D1、D2代入下式,令,8.1.3 多普勒定位,14,3.单点定位时的误差方程 右式中有4个待定参数： (dX

6、,dY,dZ,df) 至少要测得4个多普勒计数，列出4个观测方程才能求解。 某次卫星通过共获得mi个多普勒计数，此次卫星通过的误差方程式为： 对于n次卫星通过，第i次卫星通过所获得的观测值个数为mi，则总的误差方程个数为： 总误差方程：,8.1.3 多普勒定位,15,1.概述 1957年10月4日，前苏联成功发射第一颗人造地球卫星 Sputnik 1 美国霍普金斯大学应用物理实验室的吉尔博士和魏芬巴哈博士利用地面Sputnik 1信号多普勒测量资料对其进行了精确定轨。,吉尔（右）和魏芬巴哈（左）,Sputnik 1,8.1.4 子午卫星系统,16,1.概述 1958年，受美国海军委托，在克什纳

7、博士领导下，开始开展子午卫星系统的研究。 1964年1月，子午卫星系统建成并投入军用。 1967年7月，子午卫星系统解密并提供民用。,麦克卢尔,克什纳,8.1.4 子午卫星系统,17,2.系统的组成,空间部分 卫星星座 6颗卫星 6个极轨道面 轨道高度1075km 信号 频率1：149.988MHz（4.9996MHz 30） 频率2：399.968MHz（4.9996MHz 80） 星历（广播星历）,8.1.4 子午卫星系统,18,2.系统的组成,地面控制部分 跟踪站 4个，当子午卫星通过时，对其经行Doppler测量，并将数据传给计算中心 计算中心 计算卫星轨道，然后送入注入站 注入站 接

8、受并存储计算中心送来的导航电文，每12小时向卫星注入一次导航电文,8.1.4 子午卫星系统,19,2.系统的组成,地面控制部分(续) 控制中心 协调和管理整个地面控制系统 海军天文台 负责进行时间比对，求出卫星钟的改正数和频率改正数。 用户部分 多普勒接收机,8.1.4 子午卫星系统,20,3.卫星星历,广播星历 根据布设在美国的4个跟踪站的多普勒观测资料求出各卫星的轨道并外推16小时产生的星历。 精度较低（切向误差17m，径向误差26m，法向误差8m） 适合于导航和实时处理用户 精密星历 根据布设在全球的20个跟踪站的多普勒观测资料求出各卫星的轨道，属于事后轨道。 精度较高（2m） 难以获得

9、,8.1.4 子午卫星系统,21,4.定位方法,单点定位 利用广播星历观测100次卫星通过可获得精度35m的地心坐标。 利用精密星历观测40次卫星通过可获得精度为0.51m的地心坐标。 联测定位 两测站上同时对子午卫星进行多普勒测量，进而求出这两站的相对位置的定位方法。 在联测定位中由于公共误差可得以消除，故可获得较好的定位精度。 精度估算公式：,8.1.4 子午卫星系统,22,4.定位方法,短弧法定位 平差中将卫星位置视为未知参数，通过平差计算同时求得精确的卫星轨道及测站坐标和其它参数。 对星历精度依赖不大，即使采用广播星历进行定位也能获得精度较好的定位结果。 当测站间距为2001000km

10、时，定位精度可达0.51m。 只要求各测站的观测值位于同一短弧轨道上（即观测同一次卫星通过），而不像联测定位中必须要求观测值重合，故观测值的利用率较高。 短弧法在建立多普勒网时被广泛使用。,8.1.4 子午卫星系统,23,8.1.5 现状与应用,（1）在20世纪70年代和80年代初，子午卫星多普勒测量曾被作为一种重要的卫星定位技术而广泛地被采用； （2）多普勒观测值在建立早期地球模型时也发挥过重要作用； （3）与子午卫星系统相比，全球定位系统GPS无论在精度还是定位速度方面更有优势。故GPS投入运行后便逐步取代了子午卫星系统；,24,一次定位时间过长 原因 存在一个对同一卫星的信号多普勒计数进

11、行时间积分的过程 为获得良好的几何图形，通常需要观测一次完整的卫星通过（约818min） 引发问题 无法为高动态用户服务 为缩短定位所需时间，需采用低轨卫星，从而又造成卫星定轨上的难度 对于低动态用户，仍需进行位置归算，从而影响导航定位精度,8.1.6 子午卫星系统的局限性,25,无法进行连续定位 原因 卫星数少 不同卫星采用相同频率的信号 引发问题 两次卫星通过的平均间隔长（中低纬地区约为1.5h） 相邻轨道卫星信号可能相互干扰，导致有时必须关闭其中一颗卫星的信号,8.1.6 子午卫星系统的局限性,26,对测量应用存在许多不利因素 观测时间偏长，作业效率偏低（需50100次合格卫星通过，耗时

12、约1周） 定位精度偏低 原因 卫星和接收机钟不够稳定，增加处理难度，影响定位精度 信号频率较低，对电离层延迟改正不利 卫星轨道精度低，影响定位精度,8.1.6 子午卫星系统的局限性,27,卫星多普勒定轨定位系统（DORIS) 是一种用多普勒测量方式进行卫星定轨和空间无线电定位的综合系统。 研发单位： 法国国家空间研究中心 目的：精确确定TOPEX/POSEIDON的轨道，以提高其测高精度。 要求T/P卫星具有下列功能： 用雷达测高仪准确测定从卫星至瞬时海平面间的垂直距离； 精确确定卫星轨道，以便能求得从地心至卫星的精确距离,8.2 DORIS系统及其应用,8.2.1 前言,8.2 DORIS系

13、统及其应用,8.2.1 前言,28,DORIS采用技术：多普勒技术。 定轨原理： 和子午卫星系统类似，但是DORIS系统中无线电信号发射器只是安放在地面跟踪站上的，多普勒接收机则放在卫星上。 工作方式： 既可在卫星上实时完成以提供精度稍差的实时轨道信息 也可将观测值集中起来统一下传给地面计算中心（当卫星飞跃该站上空时），由地面站来进行数据处理以生成精度较好的事后轨道,8.2 DORIS系统及其应用,8.2.1 前言,8.2 DORIS系统及其应用,8.2.1 前言,29,8.2 DORIS系统及其应用,8.2.1 前言,表8-1 携带DORIS接收机的卫星,2GM接收机的重量只有1.5kg，体

14、积仅为1.5dm3； 除了精密定轨以外，DORIS还被广泛用于空间大地测量。,8.2 DORIS系统及其应用,8.2.1 前言,30,8.2 DORIS系统及其应用,8.2.1 前言,DORIS系统的定轨定位精度之所以能远远高于子午卫星系统，其主要原因是： （1）地球重力场模型的改进； （2）石英时标性能的提高； （3）有一个数量多分布好的全球跟踪网； （4）观测精度的提高及定轨模型的完善；,31,原点表示工作超时间过10年的跟踪站：40个 正方形表示工作时间为510年的地面站：15个 菱形表示工作时间不足5年的地面跟踪站：16个 站点的选择原则：VLBI,SLR,GPS并址 提供高精度的起始

15、坐标 有益于建立和维持ITRF,8.2.2 DORIS的地面跟踪网,表8-2 DORIS并址站上的联测精度,32,1.事后精密定轨 由法国国家空间研究中心精密定轨队与美国NASA的哥达德空间飞行中心GSFC用不同的软件分别进行计算。 利用SLR，GPS等观测资料进行联合定轨时，轨道的径向误差约为12cm。 仅利用DORIS观测资料单独定轨时，其径向误差约为3cm左右。,8.2.3 利用DORIS系统进行卫星定轨,33,2.实时定轨 利用集成在DORIS接收机中的实时定轨软件DIODE进行实时定轨。 DIODE能使接收机钟与国际原子时TAI保持同步，使其成为一台高精度的卫星钟。 实时提供卫星的位

16、置和速度。 搭载装有DIODE的DORIS接收机SPOT4卫星的实时定轨精度为几米。 搭载装有DIODE的DORIS接收机的SPOT6和Envisat实时定轨精度：径向误差30cm,三维点位误差1m。,8.2.3 利用DORIS系统进行卫星定轨,34,1.建立和维持地球参考框架 原理： 精密定轨中将地面跟踪站的位置当作是一组待定参数，在自由网平差中与卫星轨道参数一起进行估计，就能精确求得这些站的坐标，进而求得它们的变化速度。 现状 目前DORIS系统已在全球均匀地设立了70多个地面跟踪站，既可以独立地组成一个独立的地球参考框架，也可以通过与VLBI，SLR，GPS的并址站来共同建立和维持一个国

17、际地球参考框架。 现在ITRF以一组地面站的三维坐标及其年变化率的形式给出。,8.2.4 DORIS在空间大地测量方面的应用,35,8.2.4 DORIS在空间大地测量方面的应用,1.建立和维持地球参考框架,表8-3 1993年1月2004年10月间DORIS 7天解（周解）的精度与卫星数之间的关系,36,2.测定地球定向参数 DORIS可用于确定地球定向参数，特别是极移。 测定极移精度与卫星的数量有关： 在卫星数量较多的情况下，极移测定精度可达亚毫角秒水平,8.2.4 DORIS在空间大地测量方面的应用,表8-4 DORIS测定的极移值的精度与卫星数之间的关系,37,3.地壳变形监测 阿拉斯

18、基的Denali断层7.9级地震后，震区的Fairbanks站坐标变化： 用GPS定位技术所求得的站坐标变化量及用DORIS所求得的站坐标变化量（mm）,8.2.4 DORIS在空间大地测量方面的应用,表8-5 GPS和DORIS求得的震后测站坐标的变化量（mm）,38,DORIS双频信号： 401.25MHz 2036.25MHz 这两个不同频率的信号经过电离层后先后到达卫星被DORIS接收机所接受。 利用双频效应可设法消除电离层延迟，求得信号传播路径上的电子含量TEC。 此外利用DORIS的双频观测资料也可用来探测如地震等地球物理运动对电离层的影响。 5个DORIS卫星所求得的天顶方向的对

19、流层延迟的精度可达68mm。,8.2.5 大气探测及研究,39,背景： 第二代卫星导航定位系统的典型代表是美国研制，组建，管理的全球定位系统GPS。 此外，还包括： 俄罗斯：GLONASS 中国：COMPASS 欧盟：Galileo,8.3 以GPS为代表的第二代卫星导航定位系统,40,1.用距离交会代替距离差交会 第一代导航系统： 观测量：不同时刻测站到卫星的距离差，无法实现实时定位，定位精度低。 第二代导航系统： 观测量：同一时刻测站到不同卫星的距离，可以实现实时定位，定位精度高。,8.3 以GPS为代表的第二代卫星导航定位系统,8.3.1 二代系统与一代系统间的主要差别,41,2.能对多

20、个卫星进行同步观测 第二代卫星导航定位系统： 接收机具有多个接收通道。 每个接收通道可分别观测一个卫星信号。在每一历元可同时确定接收机的三维坐标和接收机钟差。 第一代卫星定位系统： 子午卫星系统：观测一次卫星通过（一般为10 分钟） 只能确定一个参考时刻的接收机位置和频漂。,8.3.1 二代系统与一代系统间的主要差别,42,3.二代系统均为连续的独立的导航定位系统 第二代卫星导航定位系统： 卫星信号中较第一代系统增加了测距码 卫星轨道较为稳定 无遮挡的情况下，用户最少可以观测4颗卫星 采用性能更好的原子频标取代了石英晶体频标 大大提高了载波频率，有助于更好地消除电离层延迟 组织了国际GNSS服

21、务等组织 免费为用户提供高精度的卫星星历、卫星钟差及基准站坐标等。,8.3.1 二代系统与一代系统间的主要差别,43,1.GPS 1）GPS现代化,1995年GPS具备完全工作能力后，美国就已经意识到GPS现代化的重要性 GPS系统扮演着越来越重要的角色 美国政府希望GPS能成为世界导航定位系统的标准 提供更好，更可靠的民用服务 GPS系统持续发展的需要 新的信号，功率大，精度更高 系统完好性, 生存能力, 战时可以阻止敌方使用,8.3.2 第二代卫星导航定位系统的现状,1.GPS 1）GPS现代化,8.3.2 第二代卫星导航定位系统的现状,44,保护（Protection） 采用一系列措施保

22、护GPS系统不受敌方和黑客的干扰，增加GPS军用信号的抗干扰能力，其中包括增加GPS的军用无线电信号的强度 阻止(Prevention) 阻止敌方利用GPS的军用信号。设计新的GPS卫星型号（F），设计新的GPS信号结构，增加频道，将民用码(C/A)和军用码（M）分开 保持/改善(Preservation) 改善GPS定位和导航的精度，在GPSF卫星中增加两个新的民用频道，即在L2中增加CA码（2005年），另增L5民用频道（原计划2007年）,1.GPS 1）GPS现代化,8.3.2 第二代卫星导航定位系统的现状,45,GPS现代化具体措施 从2000年开始具体实施 2000年5月，关闭SA

23、 两种新的民用信号和军用信号 增加第三个民用信号L5 更新GPS卫星(卫星寿命，性能，星间测距，星间通信) 已经开始第三代卫星的部署计划 .,8.3.2 第二代卫星导航定位系统的现状,1.GPS 1）GPS现代化,46,为了进一步提高广播星历的精度，美国从1997年开始实施精度改进计划L-AII（LegacyAccuracy Improvement Initiative） 首期将NGA的6个GPS卫星跟踪站所获得的观测资料添加到广播星历的定轨和预报计算中去。使得整个GPS卫星星座的三维位置误差的RMS值小于5m。 2002年开始的第二期计划中又加入5个站的观测站的资料。 对卫星定轨及推估过程中

24、所使用的动力学模型进行了改进，从而大大提高了广播星历的精度。,8.3.2 第二代卫星导航定位系统的现状,1.GPS 2）L-AII计划,8.3.2 第二代卫星导航定位系统的现状,1.GPS 2）L-AII计划,47,广播星历的精度 A.广播星历精度的日变化情况 一天内由广播星历所给出的卫星轨道的误差变化情况 轨道误差三个分量dR，dA，dC在同一天中存在周期约为12小的变化，与卫星的运行周期相同 精度从几分米至几米不等 径向误差dR要比切向误差dA和法向误差dC小。,8.3.2 第二代卫星导航定位系统的现状,1.GPS 2）L-AII计划,8.3.2 第二代卫星导航定位系统的现状,1.GPS

25、2）L-AII计划,48,广播星历的精度 B.广播星历精度的长期变化情况 2002-2006年间3个轨道误差分量上的日平均值和均方根差变化情况 径向、法向0.2m，切向2m 法向误差的日均值变化周期为一年 轨道误差日均值趋于零，径向误差的日均值中含有约0.1m的系统误差 均方根差逐年减小,8.3.2 第二代卫星导航定位系统的现状,1.GPS 2）L-AII计划,49,广播星历的精度 B.广播星历精度的长期变化情况（续） 广播星历的三维轨道误-2002-2006年间广播星历的三维轨道的年均方根差： 随着时间的推移，广播星历的精度不断提高 到2006年，几乎所有的卫星的三维轨道误差都降低至2m左右

26、。,8.3.2 第二代卫星导航定位系统的现状,1.GPS 2）L-AII计划,50,恢复全球连续导航能力 Glonass-K 计划 (2011) 进一步提高GLONASS系统的定位精度 地面控制部分的现代化 扩展地面控制网络 提高系统时间的稳定度，轨道精度 扩展地面监测网 信号现代化 GLONASS-K增加L3信号 (CDMA) 与GPS、Galileo能进行互操作 信号频段 坐标系统 时间系统 发射新的卫星，继续GLONASS现代化进程,8.3.2 第二代卫星导航定位系统的现状,2.其他卫星导航定位系统 1）GLONASS,51,8.3.2 第二代卫星导航定位系统的现状,2.其他卫星导航定位

27、系统 2）Galileo,伽利略系统具有以下特点： （1）系统在研制、组建和管理过程中，军方均未直接参与，它是一个商业性质的民用卫星导航定位系统； （2）伽利略系统从系统结构设计方面进行了改进，以最大限度地保证系统的可靠性，及时向指定用户提供系统完备性信息； （3）采用了一些措施来提高精度，如在卫星上采用了性能更好的原子钟；地面测站的数量达30个左右，数量更多，分布更好；在接收机中采用了噪声抑制技术等，因而用户有可能获得更好的导航定位精度； （4）与GPS系统既保持相互独立，又相互兼容，具有互操作性。,8.3.2 第二代卫星导航定位系统的现状,2.其他卫星导航定位系统 2）Galileo,52

28、,8.3.2 第二代卫星导航定位系统的现状,2.其他卫星导航定位系统 3）北斗卫星导航系统,第一代北斗导航系统是一种区域性的有源导航系统，由于只有2颗工作卫星，因而该导航系统也被称为双星导航系统； 双星导航系统的优点是：投资小，建设速度快；而且系统还具有一定的通信功能和授时功能；接收机开机后可快速定位等； 其缺点是：由于采用的是主动式测距的方式，军事用户的隐蔽性差；整个系统的工作过于依赖中心站从而将影响战时的生存能力；整个系统的用户数受到限制；系统的技术水平较低，需依赖其他信息源才能确定用户的位置，无测速功能； 目前正在研制组建的第二代北斗导航系统仍然是一个区域性的卫星导航定位系统，第三代北斗

29、导航系统将成为一个全球卫星导航定位系统。,53,由于服务领域的延伸，IGS名称的演变过程： International GPS Service for Geodynamics International GPS Service International GNSS Service IGS的主要任务： 提供精密星历和精密的卫星钟差 高精度的距离观测值 高精度的卫星星历和卫星钟差 高精度的数学模型和计算软件 建立、维持地球参考框架，确定地球定向参数 与VLBI、SLR、DORIS相比，GPS的基准站数量更多，地理分布也更好，因而可以在统一的ITRF框架下起到补充和加密作用。,8.3.3 国际GNS

30、S服务IGS,54,随着科学技术的发展以及地球上环境和资源问题的日益严重，人类在太阳系中开展各种科学探测的兴趣也越来越高。在20世纪下半叶，仅美国发射的探测器总数就已达20多个。目前，新一轮的空间探测高潮又即将到来。因此，在太阳系中，为这些空间飞行器进行精确地导航定位就显得尤为重要。 此前，这项任务一直都是由深空大地测量网（简称深空网）来完成的。深空网则是由一系列布设在地球表面和人造卫星上的配备有测角仪器、测距仪器、测速仪器的深空钻及相应的数据传输、数据处理站组成的。传统方法的主要缺点是： 需要布设一个庞大的地面和空间系统来予以支持，投资大，建设速度慢； 容易遭受攻击，系统的生存能力较差； 当飞行器飞到太阳背后时，系统便无法工作；,8.4 脉冲星导航定位,8.4.1 前言,8.4 脉冲星导航定位,8.4.1 前言,55,8.4 脉冲星导航定位,8.4.1 前言,脉冲星是一种高速自转的中子星，其自转周期为数毫秒至数十秒不等。其中，自转周期小于10ms的脉冲星称为毫秒脉冲星，其自转周期特别稳定（稳定度可达10-19s/s），因而可以被用来作为最精确地时钟； 目前适用的高精度脉冲信号接收器有两种：一是接受微波信号的射电望远镜，二是接收X射线的X射线接收器。,8.4 脉冲星导航