8-其他空间大地测量技术(1,2,3,4).

1第八章、卫星导航定位及脉冲星导航定位2/65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3/65一、多普勒测量与子午卫星系统0、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)4/65一、多普勒测量与子午卫星系统1、多普勒效应当信号源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V≠0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5/651、多普勒效应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=Δt*cS发出的第一个波前到达S的时间为ΔtΔt时间内S与R的距离保持D不变Δt时间内，S发出的波数为n=Δt*fS，均匀分布在D中R处接收到信号的波长λR。RS===ssDctcnftfRsRcff6/651、多普勒效应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ΔtΔt内，S与R间的距离由开始的D=Δt*c变为D-V*ΔtΔt时间内，S发出的波数为n=Δt*fS，均匀分布在D中R处接收到信号的波长λR。RsRccffcVR()==sscVtcVftf7/651、多普勒效应3）S与R作反向运动此时fRfSS发出的第一个波前到达S的时间为ΔtΔt内，S与R间的距离由开始的D=Δt*c变为D+V*ΔtΔt时间内，S发出的波数为n=Δt*fS，均匀分布在D中R处接收到信号的波长λR。RsRccffCVR()==sscVtcVftf8/651、多普勒效应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(α)Vt=V*sin(α)当α90°，S与R间的距离将增加，波长将被拉伸,fRfS当α=90°时fR=fS当α90°时fRfScoscosssctVtcVftfcosRscffcV9/65一、多普勒测量与子午卫星系统2、多普勒测量原理多普勒频移：信号发射频率fS与信号接收频率fR之差Δf称为多普勒频移。径向速度为Vcosα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sRfffcosdDVDdt212(1)(1)2(1)(1)RssscDDDfffDcccccDfc(1)sssDDffffcc10/65()sRff2211'21()()ttsssRttffNffdtDdtDDcc2211221100002121()()()()()()()()ttRssRttttssRttssNffdtffffdtffdtffdtfffttDDc2、多普勒测量原理(续)接收机产生频率为fS的信号与接收到的频率为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：11/652211221100002121()()()()()()()()ttRssRttttssRttssNffdtffffdtffdtffdtfffttDDc3、多普勒定位1）几何意义多普勒定位的观测量是多普勒计数N。由多普勒计数N可以求得信号源与接收机在t1和t2时刻的距离差。卫星在t1和t2时刻的位置S1和S2可以由广播星历求得。由几何知识可得，接收机位于以S1和S2为焦点的一个旋转双曲面上。采用多个观测值形成的多个旋转双曲面即可交汇处接收机的位置。t1t2SSD1,2用户(c)2002，黄劲松t1t2SS用户(c)2002，黄劲松12/653、多普勒定位2）观测方程Δf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dΔf,则有：dΔf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dΔf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,D20sfff0ffdf211,202121()()ssDDNfttttdf000XXdXYYdYZZdZ022222000222sssXXYYZZDDdXdYdZDDD1022222202020()()()sssDXXYYZZ011111000111sssXXYYZZDDdXdYdZDDD122222222()()()sssDXXYYZZ在Do处由泰勒级数展开同理13/653、多普勒定位2）观测方程(续)观测方程误差方程211,202121()()ssDDNfttttdf将前面得到的D1、D2代入下式12121200000012121200S2121S1,221++0ssssssXXXXYYYYZZZZdXdYdZDDDDDDttdfDDNftt12121112000012121213S211400120021S1,2211,,ssssssXXXXYYYYaaDDDDZZZZattdfaDDDDNfttW令1111213141VadXadYadZadfW14/653、多普勒定位3）单点定位时的误差方程右式中有4个待定参数：(dX,dY,dZ,dΔf)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：1111213141VadXadYadZadfW111121314122122232421234iiiiiimmmmmmVaaaaWdXVaaaaWdYdZVaaaaWdf1niiMm(1)(1)(1)(1)11121314(1)(1)(1)(1)21222324(1)(1)(1)(1)111213141(2)(2)(2)(2)11121314(2211mmmmmMaaaaaaaaaaaaVaaaaVaV(第1次卫星通过))(2)(2)(2)222324(2)(2)(2)(2)21222324()()()()11121314()()()212223mmmmnnnnnnnaaaaaaaaaaaaaa(第2次卫星通过)121)()24()()()()1234()nmnnnnnnmnmnmnmnMnWdXdYWdZdfdfWaaaaa(3+13+1M15/65一、多普勒测量与子午卫星系统4、子午卫星系统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–Sputnik1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Sputnik1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）Sputnik116/654、子午卫星系统1）概述（续）1958年，受美国海军委托，在克什纳博士领导下，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17/654、子午卫星系统2）系统组成空间部分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）子午卫星系统的卫星星座OSCARNOVA子午卫星系统的卫星18/654、子午卫星系统2）系统组成（续）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19/654、子午卫星系统2）系统组成（续）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20/654、子午卫星系统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21/654、子午卫星系统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3～5m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0.5～1m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：6(1.54.410)DmmDnn为卫星通过次数为两站间的距离22/654、子午卫星系统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200～1000km时，定位精度可达0.5～1m。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。23/655、现状与应用6、子午卫星系统的局限性一次定位时间过长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8~18min）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24/656、子午卫星系统的局限性(续)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25/65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50~100次合格卫星通过，耗时约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6、子午卫星系统的局限性(续)26/65二、DORIS系统及其应用1、前言：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