空间定位几种常用的空间定位技术

1第四章、几种常用的空间定位技术(2)空间大地测量理论基础S1S2ABS3S4ABS1S2AB2第四章、几种常用的空间定位技术(2)§4.1、甚长基线干涉测量§4.2、人卫摄影观测§4.3、激光测卫和激光测月§4.4、多普勒定位（Transit,DORIS）§4.5、卫星测高3§4.3、激光测卫和激光测月一、激光测距的基本原理1.激光激光LASER（LightAmplicationbyStimulatedEmissionofRadiation）是指光的受激辐射以实现光放大。•当激光物质处于粒子数反转分布状态时，由自发辐射而产生的光子将引起其它原子受激跃迁，从而使光得到受激放大。•在光学谐振腔内沿腔轴方向传播的光受安置在两端的反射镜反射而往返传播，在此过程中不断引起其他原子的受激跃迁，产生同频率的光子，使光迅速放大。•与腔轴不平行的光则在往返几次后逸出腔外，从而形成方向性极好的激光。4§4.3、激光测卫和激光测月•激光具有下列特点⑴高功率激光器的输出功率可达GW级。⑵激光的谱线很窄，便于在接收系统中用窄带滤光片来消除天空背景的噪声，从而大大提高信噪比。⑶激光的发散角极小，在很远的距离上光能量仍能集中在一个很小的范围内，有的激光测距系统发散角只有2″，在月球表面上光斑直径也只有4km。5§4.3、激光测卫和激光测月一、激光测卫测距原理2、原理用安装在地面测站的激光测距仪向安装了后向反射棱镜的激光卫星发射激光脉冲信号，该信号被棱镜反射后返回测站，精确测定信号的往返传播时间，进而求出仪器到卫星质心间的距离的方法和技术称为卫星激光测距或激光测卫（SLR:SatelliteLaserRanging)。目前的测距精度可达1cm左右6§4.3、激光测卫和激光测月一、激光测卫（SLR)2、原理(续)D=C.⊿t/2+⊿D⊿D为测距改正数激光测距仪带反射棱镜的激光卫星7§4.3、激光测卫和激光测月二、激光测距卫星1、激光测距专用卫星•Lageos卫星•Starlette卫星Starlette8§4.3、激光测卫和激光测月二、激光测距卫星(续)2、非专用卫星•ATS-6•海洋卫星Seasat-1•海洋地形试验卫星Topex/Poseidon•部分GPS卫星等。这些卫星之所以安装激光反射棱镜，主要是把激光测距也作为一种定轨的手段。TopexSeasat-1ATS-6GPS卫星9§4.3、激光测卫和激光测月三、人卫激光测距仪1激光仪分类1)按激光类型来分•脉冲式•相位式激光测距仪：是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，如右下图所示。t=φ/ω，D=1/2ct=1/2c·φ/ω=c/(4πf)(Nπ+Δφ)=c/4f(N+ΔN)10三、人卫激光测距仪1激光仪分类（续）2）根据其构造及精度大体可以分为三代•第一代脉冲宽度在10～40ns，测距精度约为1—6m。多数采用带调Q开关的红宝石激光器。•第二代：脉冲宽度2～5ns，测距精度为30～100cm,多数采用了脉冲分析法第三代：脉冲宽度为0.1～0.2ns,测距精度为1～3cm，多数采用锁模Nd:YAG激光器。能在计算机控制下实现对卫星的自动跟踪和单光子检测技术。§4.3、激光测卫和激光测月11§4.3、激光测卫和激光测月三、人卫激光测距仪2.人卫激光测距仪的结构整个测距仪是由：（1）激光器（2）望远镜（3）光电头（4）脉冲测量系统（5）时频系统（6）伺服系统（7）计算机等部分组成的12§4.3、激光测卫和激光测月四、激光测距观测值误差改正1）测距仪仪器常数改正–不同仪器之间的常数改正–地面大气延迟改正2）观测时间改正△t=△t1+△t2+△t3△t1为工作钟与标准时间之间的差异；△t2为工作钟取样时刻和激光脉冲信号的发射时刻之间的差异，也称为触发延迟改正△t3为信号传播时间改正，从激光脉冲离开测距仪至到达卫星间的时间，△t3=S/c3）大气延迟改正4）卫星上的反射棱镜偏心改正5）潮汐改正6）相对论改正13长春昆明上海北京武汉TROS,Lhasa,TibetTROS,Urumqi,China五、SLR的用途现状及前景1、激光测卫站1）中国已经建立的武汉、上海、长春、北京和昆明等5个激光测卫站。2）流动激光测卫站：乌鲁木齐，拉萨141、激光测卫站2）国际上目前在工作的SLR站如图所示，图中红色三角形测站表示正在工作的测站，大约有44个站。15美国：Mcdonald德国：GFZ162、用途1）确定地心坐标，绝对定位精度很高。2）定轨3）测定极移、地球自转、板块运动、地壳形变等4）确定地球重力场17六、激光测月（LLR)LunarLaserRanging1、原理用大功率激光测距仪向安置在月球表面上的反射棱镜发射激光脉冲信号，测定信号的往返传播时间，进而求出仪器到反射棱镜之间距离的方法和技术称为激光测月。§4.3、激光测卫和激光测月18L1A15L2A11A142、月球表面上的反射棱镜§4.3、激光测卫和激光测月19Apollo-1120Apollo-1421Apollo-1522Lunakhod123Lunakhod2243、激光测月的激光观测站•美国Texas州的McDonald天文台•美国Hawaii州的Haleakala天文台•法国的Grasse观测站•澳大利亚Orrorral站•德国的Wettzell观测站253、激光测月的激光观测站•美国Texas州的McDonald天文台263、激光测月的激光观测站•美国Hawaii州的Haleakala天文台273、激光测月的激光观测站•法国的Grasse观测站283、激光测月的激光观测站•澳大利亚Orrorral站293、激光测月的激光观测站•德国的Wettzell观测站304、用途•激光测月观测台的地心坐标•极移，地球自转及全球的板块运动•进一步完善岁差和章动理论•月球的运行轨道及月球的天平动•月球重力场的低阶系数L1A15L2A11A1431第四章、几种常用的空间定位技术(2)§4.1、甚长基线干涉测量§4.2、人卫摄影观测§4.3、激光测卫和激光测月§4.4、多普勒定位（Transit,DORIS）§4.5、卫星测高32§4.4、多普勒定位（Transit,DORIS）空间定位过程中，空中观测目标经常以光波、电波的形式将其信号传送到观测站；所以观测站就使用这些波信号来测量目标到测站的距离。波的参数：波长λ:波运行一周的距离（米）。频率f:单位时间内出现整周波的次数（兆赫）。波传输速度：C=f×λ(米/秒）波传输距离：D=△t×f×λ(米)问题：fS≠fRλD=△t×f×λ=C×△tD33一、多普勒效应：一）多普勒效应的几个现象：1、信号发射源S与信号接收处R保持相对静止：fS=fR，λS=λRD=△t×fS×λ=C×△t2、信号发射源S与信号接收处R作相向运动时：△t不变，传播速度C不变发出波个数不变：n=fS×△t距离变短:C△t-V△t引起接收波长变短：λR=(C△t-V△t)/n引起接收频率变大：fR=C/λR=fS×C/(C-V)D=△t×f×λ=C×△tSRS,R相对静止D=C×△tSRS,R相向运动V△tC△t-V△tS343、信号发射源S与信号接收处R作背向运动时：△t不变，传播速度C不变发出波个数不变：n=fS×△t距离加长:C△t+V△t引起接收波长加长：λR=(C△t+V△t)/n引起接收频率变小：fR=C/λR=fS×C/(C+V)D=C×△tSRS,R背向运动V△tC△t+V△tS354、信号发射源S与信号接收处R作任意运动时：△t不变，传播速度C不变发出波个数不变：n=fS×△t距离变化与径向速度有关:C△t+Vcosα×△t引起接收波长加长：λR=(C△t+Vcosα.△t)/n引起接收频率变小：fR=C/λR=fS×C/(C+Vcosα)D=C×△tSRS,R任意运动Vcosα△tC△t+Vcosα△tSαV36二）多普勒效应的定义当电波、声波等信号源S和信号接收处R间作相对运动时，接收到的信号频率fR就会发生变化而与发射频率fS不等。这个现象由奥地利数学和物理学家多普勒（1803-1853）在1842年首先发现，所以将这个现象称为多普勒效应。D=C×△tSRS,R任意运动Vcosα△tC△t+Vcosα△tSαV37二、多普勒测量原理一）多普勒频移信号的发射频率fS与信号接收频率fR之差：△f=-fS-fR称为多普勒频移。SRRSSRfVCCCffVCtftVCntVtCcoscos)cos(cosD=C×△tSRS,R任意运动Vcosα△tC△t+Vcosα△tSαV38二）多普勒测量1、原理SSSRSSRSSSRSRfCDfCDfffffCDfCDCDCDfCDfCDfDCCfDdtdDVfVCCf)/1()/1(106.32/......)2//1()/1(/11)(coscos1022221时当卫星径向速度D1(t1)D2(t2)S1(t1)S2(t2)D39间的距离。信号接收者与信号源之时刻，分别为，其中：212112)()('212121ttDDDDcfdtfcDdtfffdtNSttSttRSttD1(t1)D2(t2)D2-D1S1(t1)S2(t2)二）多普勒测量1、原理（续）2、符号问题：fSfR即:fS-fR0处理方法:f0=fs+f,f为频率加常数，使得f0〉fR403、多普勒计数N：用f0代替fs（f0〉fR），获得的多普勒频移积分称为多普勒计数。)())(()]()[()(12120002121DDcfttffdtffffdtffNSsttRSSttRf0fstffRt1t241三、多普勒定位原理1、已知量：利用地面跟踪站对卫星已经观测并确定了轨道（以时间为自变量，以卫星坐标为变量的方程参数），卫星坐标成为已知量。2、观测量：某卫星S以频率fs发送信号；R测站对t1,t2时刻分别在S1,S2处的同一颗卫星进行多普勒测量；可以计算［t1,t2］时段的多普勒计数N1,2及距离差:△D1,2=D2-D1=λS［N1,2–(f0-fs)(t2-t1)］D1(t1)D2(t2)D2-D1S1(t1)S2(t2)42几何原理：接收机R必然位于以S1、S2为焦点的旋转双曲面上，曲面上任何一个点到S1、S2两点的距离差均等于△D1,2；同理可以有S2、S3为焦点的旋转双曲面(N2,3,△D2,3)。还可以有S3、S4为焦点的旋转双曲面(N3,4,△D3,4)。三个曲面的交点卫测站R。RS1S2S3△D2,3△D1,2RS1S2S3△D2,3△D1,2S4433、观测方程：△D1,2=λS［N1,2–(f0-fs)(t2-t1)］=λS［N1,2–△f(t2-t1)］△f=△f0+d△f△D1,2=λS［N1,2–△f0(t2-t1)］-λSd△f(t2-t1)△D1,2=D2-D1建立距离与位置参数的关系并线性化：为相应的改正数。，，近似坐标，为信号接收者的坐标的；其中：线性化后有为信号接收者的坐标。为信号源的坐标其中：dZdYdXZYXZZYYXXDdZDZZdYDYYdXDXXDDZYXZYXZZYYXXDRRRRSRSRSRSRSRSRRRSSSRSRSRS),,()()()()()()(),,(;),,()()()(00020202000000000222440)]([)()()()(21)()]([)2)()()()1(122,101021202001002001002001012122,12,10102020010020010020010122,1212121212121