空间大地测量技术

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：欧空局：GALILEO中国：COMPASS四大系统卫星在轨数量变化情况19751980198519901995200020052010201505101520253035GALILEOGLONASS在轨运行卫星数量GPS北斗系统GNSS导航信号发展情况伽利略北斗1268.52MHzE6B:BPSK(5)1278.75MHzE6A:BOCc(10,5）B3I:BPSK(10)GPS1575.42MHzM-CodeBOC(10,5)P-CodeBPSK(10)L1C-IBOC(1,1)L1C-QTMBOC(6,1,4/33)C/ABPSK(1)L2CBPSK(1)M-CodeBOC(10,5)P-CodeBPSK(10)1227.6MHz1176.45MHzL5-IBPSK(10)L5-QBPSK(10)1176.45MHz1207.14MHzE5a-IBPSK(10)E5b-IBPSK(10)E5a-QBPSK(10)E5b-QBPSK(10)1176.45MHz1207.14MHzB2-AP(OS)BPSK(10)B2-AD(OS)BPSK(10)B3A:BOC(15,2.5)B3A:BOC(15,2.5)E6C:BPSK(5)B1:BOC(14,2)E1B,E1CCBOC(6,1,1/11)E1A:BOC(15,2.5)1575.42MHz1575.42MHzB1-CD,B1-CPMBOC(6,1,1/11)红色系：授权信号蓝色系：公开信号1254.61MHz1237.83MHz16.78MHz-7-6-5-45678……L20=1246MHzL20=1246MHzP-CodeBPSK(5.11)C/A-CodeBPSK(0.511)1611.61MHz1592.95MHz18.66MHz-7-6-5-45678……L10=1602MHzL10=1602MHzRAP-CodeBPSK(5.11)C/A-CodeBPSK(0.511)GLONASSB3Q:BPSK(10)B2-BP(OS)BPSK(10)B2-BD(OS)BPSK(10)1.1GPS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19s1.1GPS星座状况2015年10月12日，31颗可操作在轨卫星://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）1.2GLONASS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+τ−3小时（参数τ由导航电文发布）1.2GLONASS10年间GLONASS星座变化1.2GLONASS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1.2GLONASS现代化星载原子钟更加稳定，寿命更长（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。151.3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161.3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（CGCS2000）；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MEO1.3北斗系统跟踪站数量少接收机、卫星相位中心偏差未知1.4GALILEO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、E6E1与L1具有相同频率，E5a与L5具有相同频率，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）1.4GALILEO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1.4GALILEO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RfRf1RSSfffvfC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（NNSS—NavyNavigationSatelliteSystem）。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：1075km运行周期：107min载波频率：400、150MHzTransitConstellation2.1子午卫星星座OscarNova2.1子午卫星多普勒定位示意图42.1子午卫星导航定位原理2121[N(ff)(tt)]sRSDD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2.2DORIS概念卫星多普勒定位定轨系统（DopplerOrbitographyandRadiopositioningIntegratedbySatellite），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2.2DORIS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10~15mm；能以亚毫角秒的精度来测定极移；IDS（InternationalDORISService）：(2003)应用：Cryosat-2,Jason-2,HY-2AandSARAL,SPOT-5，SPOT-2,SPOT-3,SPOT-4,TOPEX/POSEIDON,ENVISATandJason-1MapofthecurrentDORISnetworkInternationalDORISService(IDS)(Polynesia)九峰DorisStation，中科院测地所JiufengState,HubeiCountry,CHINA=JIUBDORIS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，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3.1VLBI测量原理3.1VLBI测量原理3.2VLBI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）3.3VLBI技术现状与展望传统（地面）VLBI目前全球约有40~50个VLBI站；IVS(InternationalVLBIServiceforGeodesy&Astrometry）；实时VLBI技术（Real-timeVLBI）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:EuropeanVLBINetwork(EVN)中科院上海天文台VLBI中科院乌鲁木齐天文台VLBI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100×110mGreenBankTelescope,NationalRadioAstronomyObservatory,WestVirginia,USANationalRadioAstronomyObservator年2月，日本空间科学研究所成功地发射了一颗VLBI空间