空间大地测量技术

1、几种主要的 空间大地测量技术,主讲人： 姜卫平,2015年10月,主要内容,1. GNSS（GPS、GLONASS、BDS、GALILEO） 2. 多普勒定位技术（ Transit，DORIS） 3. 甚长基线干涉测量技术（VLBI） 4. 激光测卫技术（SLR） 5. 卫星测高技术 6. SST（卫星跟踪卫星）,1. 全球卫星导航系统（GNSS）,卫星定位系统是一种天基无线电导航系统。 它能够在全球范围，为多个用户，全天候、实时、连续地提供高精度三维位置、速度及时间信息。 属于被动式定位技术。,美国：GPS 俄罗斯：GLONASS,目前己经投入运营或正在建设的几个主要的卫星 导航系统有：,欧

2、空局：GALILEO 中国：COMPASS,四大系统卫星在轨数量变化情况,GNSS导航信号发展情况,1.1 GPS,系统特点 由21+3颗卫星组成 分布在6个轨道平面上 轨道倾角55 频段:L1（1575.42MHz)、L2(1227.60MHz) 坐标系统:WGS84 时间系统：GPS时，起点1980年1月6日0时0分0秒与UTC相差19s,1.1 GPS,星座状况 2015年10月12日，31颗可操作在轨卫星,https:/www.glonass-iac.ru/en/GPS/,1.1 GPS现代化,频率段现代化 L2载波上调制民用码L2C 增设L5频段信号：1176.45MHz（更好的消除

3、电离层延迟误差，有利于模糊度参数的解算） L1和L2上增设军用码M码（提高抗干扰能力）,1.2 GLONASS,系统特点 21+3颗卫星分布于3个轨道面，轨道倾角64.8； 信号频率：G1（1602MHz）、G2（1246MHz）频分多址技术（FDMA）； 坐标系统：前苏联地心坐标系（PZ-90）； 时间系统：UTC=GLONASS时+3小时（参数由导航电文发布）,1.2 GLONASS,10年间GLONASS星座变化,1.2 GLONASS,1.2 GLONASS,星座状况 2015年10月13日，24颗可操作在轨卫星，满足完全工作能力,1.2 GLONASS现代化,星载原子钟更加稳定，寿命

4、更长（10年）； 增设第三个频段G3（1204.704MHz）； 在G3频段增设第三个民用测距码C/A2与军用测距码P2 采用CDMA信号调制技术；,1.3 北斗卫星导航系统（BDS）,发展战略： 第一步，2000年初步建成北斗卫星导航试验系统； 第二步，2012年北斗卫星导航（区域）系统将为中国及周边地区提供服务（发射14颗组网卫星）； 第三步，2020年全面建成北斗卫星导航系。,15,1.3 北斗系统,系统空间段组成： 5颗GEO卫星和30颗非地球静止轨道卫星,GEO 卫星,MEO 卫星,16,1.3 北斗系统,系统特点 信号频率： B1、B2、B3 坐标系统：2000 中国大地坐标系（C

5、GCS2000）； 时间系统：北斗时（BDT），秒长取国际单位制SI秒，起始历元为2006年1月1日0时0分0秒协调世界时（UTC），BDT与UTC的偏差保持在100纳秒以内。 具备短信通报文功能,1.3 北斗系统,北斗二代：5颗地球静止轨道（GEO）卫星、5颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星和4颗中圆地球轨道（MEO）卫星。 2015年2颗IGSO，2颗MEO,1.3 北斗系统,跟踪站数量少 接收机、卫星相位中心偏差未知,1.4 GALILEO系统概述,30颗中轨卫星分布在3个轨道面上，轨道倾角为56； 信号频率：E1、E5a、E5b、E6 E1与L1具有相同频率，E5a与L5具有相同频率，

6、体现兼容性； 坐标系统：伽利略地面参考框架（GTRF） 时间系统：伽利略时间系统（GST）,1.4 GALILEO系统概述,频率分布： E1：1575.420MHz E6：1278.750MHz E5：1191.795MHz E5a：1176.450MHz E5b：1207.140MHz,E5a和E5b信号是E5信号全带宽的一部分 RNSS无线电卫星导航服务 ARNS航空无线电导航服务,1.4 GALILEO系统现状,现状与进展 2014年8月发射第5、6颗，变轨失败； 2014年底轨道调整 2015年3月发射7、8颗； 2015年9月发射9、10颗；,2. 多普勒定位技术,多普勒效应 当信号

7、源S有信号接收处R间存在相对运动，径向速度不为零，接收信号频率 发生变化，与发射频率 不等； 应用：子午卫星系统（Transit），DORIS系统，全球定位系统,2. 多普勒定位技术,2.1 子午卫星系统（Transit）,子午卫星系统（Transit）是美国海军研制、开发、管理的第一代卫星导航定位系统，又称为海军导航卫星系统（NNSSNavy Navigation Satellite System）。,该系统采用多普勒测量的方法来进行导航和定位。,Transit卫星及星座参数： 卫 星 数 ： 6 颗 轨 道 数 ： 6 个 轨道夹角 ： 30 轨道倾角 ： 90 卫星高度 ： 1075 k

8、m 运行周期 ： 107 min 载波频率 ： 400、150 MHz,Transit Constellation,2.1子午卫星星座,Oscar,Nova,2.1 子午卫星,多普勒定位示意图4,2.1 子午卫星导航定位原理,不足 一次定位时间长 卫星数少，定位不连续 精度低,2.1 子午卫星系统不足,2.2 DORIS,概念 卫星多普勒定位定轨系统（Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite），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。 系统特点 无线电信号发射器安放在地面跟踪站上，多普勒接

9、收机安放在卫星上。 由法国空间研究中心(CNES)、法国大地测量研究所(GRGS)和法国国家地理研究所(IGN)共同研制,2.2 DORIS现状,DORIS提供了一种独立的低轨卫星定轨技术，独立定轨径向精度3cm，与SLR、GPS联合定轨1cm；并具有实时定轨功能； 建立与维持国际地球参考框架ITRF,可测定地面站精度达1015mm；能以亚毫角秒的精度来测定极移； IDS（ International DORIS Service）： /,Satellites & missions(2003),应用：Cryosat-2, Jason-2, HY-2A and

10、 SARAL, SPOT-5，SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4, TOPEX/POSEIDON, ENVISAT and Jason-1,Map of the current DORIS network,International DORIS Service (IDS) /,Papeete - France (Polynesia),九峰 Doris Station ，中科院测地所 Jiufeng State, Hubei Country,CHINA http:/ids.cls.fr/html/doris/stations/station.php

11、3?code=JIUB,DORIS的工作原理,地面信标机发出的信号为星载DORIS接收机所接收。具体的测量量就是双频(2036.25MHz和401.25MHz)的多普勒频移。双频无线电观测的目的是为了消除电离层的影响。一旦提供了很好的卫星运动力学模型,这样的观测量通过数学处理(例如统计定轨方法)就可以获得搭载该接收机的飞行器的轨道。,3. 甚长基线干涉测量技术（VLBI）,3.甚长基线干涉测量技术（VLBI）,射电望远镜 射电望远镜是一种能接收和处理来自太空的无线电信号的装置，由巨大的抛物面天线，高精度的原子钟，数据接收和处理设备等组成。 灵敏度 是指射电望远镜“最低可测”的能量值，此值越低，

12、灵敏度越高。为提高灵敏度常用的办法有降低接收 机本身的固有噪声、增大天线接收面积、延长观测积分时间等。 框架定向和尺度,3.1 VLBI测量原理,3.1 VLBI测量原理,3.2 VLBI技术的应用,参考框架的维持与实现 建立天球参考框架（ICRF），并与其他技术手段共同建立地球参考框架（ITRF）； 研究地球动力学（地球自转参数的确定） 用于电离层探测等大气模型研究； 用于空间探测器定位（卫星轨道、嫦娥一号、嫦娥二号、火星探测器）,3.3 VLBI技术现状与展望,传统（地面）VLBI 目前全球约有4050个VLBI站；IVS(International VLBI Service for Ge

13、odesy&Astrometry）； 实时VLBI 技术（Real-time VLBI） 自动高效地管理观测网，处理数据，实现全天候、全天时被动观测，提高观测效率； 空间VLBI 技术（SVLBI） 将VLBI天线送至太空，大幅度延伸观测基线长度，提高观测分辨率。,EVN:European VLBI Network ,The European VLBI Network (EVN),中科院上海天文台VLBI,目前，我国的VLBI网由上海25米、北京50米、昆明40米和乌鲁木齐25米共4台射电天文望远镜，以及上海数据相关处理中心组成。 目前，由中科院上海天文台

14、承建的中科院与上海市政府合作项目65米口径射电望远镜系统工程正式启动。这架望远镜选址松江佘山基地，计划于2012年年底建成，届时将成为亚洲最大、国际先进的全天线可转动的大型射电望远镜，它不仅可以很好地执行探月二期和三期工程的甚长基线干涉测量（VLBI）测定轨和定位，以及今后我国各项深空探测任务，还可以在天文学研究中发挥重要作用。 这台望远镜建成后，按其口径大小在全球可排第三位，仅次于美国的100米口径望远镜和德国的100米口径望远镜。,中科院乌鲁木齐天文台VLBI ,25m射电望远镜 南山观测基地VLBI站目前是全球和我国重要的地面参考点，射电望远镜接收系统的综合水平和观测状态已达到欧洲网的中

15、上等水平。,云南天文台40m射电天文望远镜 2006年安装，已经开始运行,中科院云南天文台VLBI,密云站50m天线是我国目前最大的射电天线，它的建成和投入使用，将为国家天文台，乃至中国科学院承担更多的国家任务奠定基础条件。,中科院国家天文台VLBI,世界上最大的钢结构的射电望远镜，直径100米，实际尺寸 100 110 m,Green Bank Telescope , National Radio Astronomy Observatory ,West Virginia ,USA,National Radio Astronomy Observator http:/www.gb.nrao.ed

16、u/gbt,1997年2 月，日本空间科学研究所成功地发射了一颗VLBI空间观测研究卫星（VSOP），它可从东京分辨出悉尼的1颗米粒大小的东西,能在揭开黑洞结构等发挥重要的作用。,世界上最大的单口径500米的球面射电望远镜(five-hundred-meter aperturesphericaltelescope，简称FAST)，被科学家形象地形容为山谷中的“天眼”，科学家希望它能接收到来自某种“地外文明”发出的信号。作为国家重大科技基础设施项目已于2008年在黔南布依族苗族自治州建设。该项目总投资6.27亿元，建设期为5年。 项目拟采用我国科学家独创的设计和贵州省独特的喀斯特地形条件和极端安

17、静的电波环境，建造一个500米口径球面射电天文望远镜，形成具有国际先进水平的天文观测与研究平台，为我国开展暗物质和暗能量本质、宇宙的起源和演化、太空生命起源和寻找地外文明等研究活动提供重要支持。它的建设对于改善我国科技基础设施条件，提升自主创新能力，增强科技竞争能力，促进原始性创新成果产生，带动高新技术发展具有极其重要的战略意义。,我国的FAST计划,FAST望远镜模似图,贵阳一处喀斯特洼地,4. 激光测卫技术（SLR）,4.1 激光测距原理,利用时间间隔计数器测量激光脉冲在地面激光发射站与卫星发射器之间的传播时间，再经过光速转化为距离： 激光特性：输出功率大，可达吉挖量级，单位面积光能密度高

18、于太阳表面；光束发散角小，远距离光能量仍然集中；脉冲宽度小，测距精度较高。,4.1 激光测距原理,激光测距原理图,激光测卫示意图,1）激光测卫（Satellite Laser Ranging）系统目前的测距精度可优于1cm。,GFZ 的 POTSDAM-2 人卫激光测距仪,2）激光测距仪,3）激光反射棱镜,神舟4号棱镜组,CHAMP、 GRACE卫星棱镜,Starlette卫星,4）激光测距卫星 如前所述，凡是安装了后向反射棱镜，可对其进行激光测距的卫星称为激光测距卫星。 STARLETTE卫星 该卫星是由法国航天局CNES于1975年2月6日发射的。该卫星是由20个三角平面组成的正20面体。

19、直径为24cm，质量为47.295kg。,Lageos-1卫星, Lageos卫星 Lageos卫星是由NASA研制发射的，其中Lageos-1是1976年5月4日发射的，Lageos-2是1992年10月23日发射的。,EGS（Ajisai）卫星, EGS（Ajisai）卫星 Ajisai是日本于1986年发射的。卫星上安装了120组（1436块）反射棱镜，卫星的轨道倾角为50，卫星在高度为1500km左右的几乎是圆形的轨道上运行。信号往返传播的时间为1020ms。该卫星的优点是亮度大，目视星等达1.53.5，肉眼易见。, ETALON卫星 Etalon-1和Etalon-2是前苏联于198

20、9年1月和5月发射的。卫星的直径为129.4cm，质量为1415kg，卫星表面安放了306组反射棱镜，每组中均含14个角反射棱镜，其中有6组为锗反射镜。,Etalon_1卫星,4.2 SLR意义,SLR是一种测定绝对坐标的重要手段，在定义全球地心坐标系起决定作用（SLR对地心敏感）； 是测定极移、地球自转不均匀、及板块运动和地壳形变等地球运动学现象的重要手段之一； 是确定地球重力场低阶球谐系数的重要手段； 是精确确定卫星轨道的重要手段,4.3 SLR现状及前景,目前全球约有70个左右的SLR固定台站以及少量的流动台站。测距精度已达到1cm左右的精度，少数台站已达到亚厘米级的精度水平。http:

21、/,5. 卫星测高技术,5.1 卫星测高概述(Satellite Altimetry),精确确定测高卫星的运行轨道，利用安置在卫星上的雷达测高仪测定至瞬时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,5.2 卫星测高原理,测高卫星误差改正项,至今为止,在全球已发射如下测高卫星 Skylab，Geos3，Seasat，Geosat，Ers- 1， Topex/Poseidon，Ers- 1， GFO，Envisat，Jason-1。,5.3 测高卫星,表1 部分测高卫星的基本参数,TOPEX/Poseido

22、n卫星,GFO卫星,Envisat卫星,Janson卫星,TOPEX/Poseidon 卫星上的高度计,全球平均海平面变化特征分析,其它卫星相对Topex卫星的系统偏差,南北分量,东西分量,海洋重力场和海底地形模型建立,基于精化的卫星测高数据集，优化格网化方法，给出了中国海域11垂线偏差模型 联合EGM2008模型，利用逆Vening Meinesz公式，通过移去恢复法确定了11重力异常模型，其精度在开阔海域达到了3mGal，近海海域达到79mGal,重力异常模型,海洋重力场和海底地形模型建立,反演了南海22海底地形模型，其精度优于ETOPO2模型,海底地形模型,与ETOPO5模型差值,反演模

23、型与船测海深数据比较结果,ETOPO2模型与船测海深数据比较结果,海洋动力环境信息提取,基于WHU2009海面高模型和EGM2008大地水准面模型提取了海面动力地形,计算结果,CNES-CLS09模型,海洋动力环境信息提取,进而基于地转流方程，计算了全球大洋环流东西和南北分量，绘制了全球大洋环流图,计算结果,E C C O结果,全球大洋环流,墨西哥湾夏季和冬季卫星星下点风速分布,海洋动力环境信息提取,深入研究了风速反演中的季节性误差，建立了季节性风速反演模式函数来消除或减弱这种误差对反演结果的影响 利用已有的数据分季节进行拟合，得到后向散射系数与风速值的模式函数，再利用这一系列关系式来直接求得

24、不同季节的风速值,拟合后均方根误差比较,高低模式(HL) 低低模式(LL) 高高模式(LL),6 卫星跟踪卫星（SST）,高低模式(HL),CHAMP（CHAllenging Mini-Satellite Payload ),GPS-CHAMP high-low satellite-to-satellite and ground based laser tracking,采用高低跟踪模式； 由 GFZ管理, 执行重力场、 磁场和大气探 测研究,http:/www.gfz-potsdam.de/pb1/op/champ/,Front Side view of CHAMP with location of instruments,Rear Side view of CHAMP with location of instruments,2002年发射升空，由德州大学的空间研究中心 CSR、德国GFZ、美国的NASA和德国的空间飞行中心DLR、美国的JPL共同研制，空间部分由相距约220km的GRACE卫星对组成，采用高低(HL)和低低(LL)跟踪相结合的模式。主要的科学任务为地球重力场恢复、大气探测。,GRACE 计划 （Gravity Recovery And Climate Experiment） -两种跟踪模式,www.csr.utexas