空间大地测量技术.ppt

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：,欧空局：GALILEO中国：COMPAS

2、S,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,http:/,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（更好的消除电离层延迟误差，有利于模糊度参数的解算）L

3、1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，寿命更长（10年）；增设第三个频段G3（1204.704

4、MHz）；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（CGCS2000）；时间系统：北斗时（BDT），秒长取国际单位制SI秒，

5、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、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（GS

6、T）,1.4 GALILEO系统概述,频率分布：E1：1575.420MHz E6：1278.750MHzE5：1191.795MHzE5a：1176.450MHzE5b：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

7、（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 km运行周期：107 min载波频率：400、150 MHz,Transit Constellation,2.1子午卫星星座,Oscar,No

8、va,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

9、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）：http:/ids-doris.org/,Satellites&missions(2003),应用：Cryosat-2,Jason-2,HY-2A and SARAL,SPOT-5，SPOT-2,SPOT-3,SPOT-4,TOPEX/POSEIDON,ENVISAT and Jason-1,Map of the current

10、DORIS network,International DORIS Service(IDS)http:/ids-doris.org/,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.php3?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

11、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,3.1 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

12、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 Geodesy&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，

13、大幅度延伸观测基线长度，提高观测分辨率。,EVN:European VLBI Networkhttp:/www.evlbi.org,The European VLBI Network(EVN),http:/,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

14、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VLBIhttp:/,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,http:/,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

15、更多的国家任务奠定基础条件。,中科院国家天文台VLBI,http:/,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.edu/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

16、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