空間大地測量技術(shù)

1、幾種主要的 空間大地測量技術(shù),主講人： 姜衛(wèi)平,2015年10月,主要內(nèi)容,1. GNSS（GPS、GLONASS、BDS、GALILEO） 2. 多普勒定位技術(shù)（ Transit，DORIS） 3. 甚長基線干涉測量技術(shù)（VLBI） 4. 激光測衛(wèi)技術(shù)（SLR） 5. 衛(wèi)星測高技術(shù) 6. SST（衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星）,1. 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）,衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一種天基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。 它能夠在全球范圍，為多個用戶，全天候、實時、連續(xù)地提供高精度三維位置、速度及時間信息。 屬于被動式定位技術(shù)。,美國：GPS 俄羅斯：GLONASS,目前己經(jīng)投入運營或正在建設(shè)的幾個主要的衛(wèi)星 導(dǎo)航系統(tǒng)有：,歐

2、空局：GALILEO 中國：COMPASS,四大系統(tǒng)衛(wèi)星在軌數(shù)量變化情況,GNSS導(dǎo)航信號發(fā)展情況,1.1 GPS,系統(tǒng)特點 由21+3顆衛(wèi)星組成 分布在6個軌道平面上 軌道傾角55 頻段:L1（1575.42MHz)、L2(1227.60MHz) 坐標(biāo)系統(tǒng):WGS84 時間系統(tǒng)：GPS時，起點1980年1月6日0時0分0秒與UTC相差19s,1.1 GPS,星座狀況 2015年10月12日，31顆可操作在軌衛(wèi)星,https:/www.glonass-iac.ru/en/GPS/,1.1 GPS現(xiàn)代化,頻率段現(xiàn)代化 L2載波上調(diào)制民用碼L2C 增設(shè)L5頻段信號：1176.45MHz（更好的消除

3、電離層延遲誤差，有利于模糊度參數(shù)的解算） L1和L2上增設(shè)軍用碼M碼（提高抗干擾能力）,1.2 GLONASS,系統(tǒng)特點 21+3顆衛(wèi)星分布于3個軌道面，軌道傾角64.8； 信號頻率：G1（1602MHz）、G2（1246MHz）頻分多址技術(shù)（FDMA）； 坐標(biāo)系統(tǒng)：前蘇聯(lián)地心坐標(biāo)系（PZ-90）； 時間系統(tǒng)：UTC=GLONASS時+3小時（參數(shù)由導(dǎo)航電文發(fā)布）,1.2 GLONASS,10年間GLONASS星座變化,1.2 GLONASS,1.2 GLONASS,星座狀況 2015年10月13日，24顆可操作在軌衛(wèi)星，滿足完全工作能力,1.2 GLONASS現(xiàn)代化,星載原子鐘更加穩(wěn)定，壽命

4、更長（10年）； 增設(shè)第三個頻段G3（1204.704MHz）； 在G3頻段增設(shè)第三個民用測距碼C/A2與軍用測距碼P2 采用CDMA信號調(diào)制技術(shù)；,1.3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）,發(fā)展戰(zhàn)略： 第一步，2000年初步建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)； 第二步，2012年北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（區(qū)域）系統(tǒng)將為中國及周邊地區(qū)提供服務(wù)（發(fā)射14顆組網(wǎng)衛(wèi)星）； 第三步，2020年全面建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系。,15,1.3 北斗系統(tǒng),系統(tǒng)空間段組成： 5顆GEO衛(wèi)星和30顆非地球靜止軌道衛(wèi)星,GEO 衛(wèi)星,MEO 衛(wèi)星,16,1.3 北斗系統(tǒng),系統(tǒng)特點 信號頻率： B1、B2、B3 坐標(biāo)系統(tǒng)：2000 中國大地坐標(biāo)系（C

5、GCS2000）； 時間系統(tǒng)：北斗時（BDT），秒長取國際單位制SI秒，起始?xì)v元為2006年1月1日0時0分0秒?yún)f(xié)調(diào)世界時（UTC），BDT與UTC的偏差保持在100納秒以內(nèi)。 具備短信通報文功能,1.3 北斗系統(tǒng),北斗二代：5顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星。 2015年2顆IGSO，2顆MEO,1.3 北斗系統(tǒng),跟蹤站數(shù)量少 接收機、衛(wèi)星相位中心偏差未知,1.4 GALILEO系統(tǒng)概述,30顆中軌衛(wèi)星分布在3個軌道面上，軌道傾角為56； 信號頻率：E1、E5a、E5b、E6 E1與L1具有相同頻率，E5a與L5具有相同頻率，

6、體現(xiàn)兼容性； 坐標(biāo)系統(tǒng)：伽利略地面參考框架（GTRF） 時間系統(tǒng)：伽利略時間系統(tǒng)（GST）,1.4 GALILEO系統(tǒng)概述,頻率分布： E1：1575.420MHz E6：1278.750MHz E5：1191.795MHz E5a：1176.450MHz E5b：1207.140MHz,E5a和E5b信號是E5信號全帶寬的一部分 RNSS無線電衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù) ARNS航空無線電導(dǎo)航服務(wù),1.4 GALILEO系統(tǒng)現(xiàn)狀,現(xiàn)狀與進(jìn)展 2014年8月發(fā)射第5、6顆，變軌失?。?2014年底軌道調(diào)整 2015年3月發(fā)射7、8顆； 2015年9月發(fā)射9、10顆；,2. 多普勒定位技術(shù),多普勒效應(yīng) 當(dāng)信號

7、源S有信號接收處R間存在相對運動，徑向速度不為零，接收信號頻率 發(fā)生變化，與發(fā)射頻率 不等； 應(yīng)用：子午衛(wèi)星系統(tǒng)（Transit），DORIS系統(tǒng)，全球定位系統(tǒng),2. 多普勒定位技術(shù),2.1 子午衛(wèi)星系統(tǒng)（Transit）,子午衛(wèi)星系統(tǒng)（Transit）是美國海軍研制、開發(fā)、管理的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，又稱為海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（NNSSNavy Navigation Satellite System）。,該系統(tǒng)采用多普勒測量的方法來進(jìn)行導(dǎo)航和定位。,Transit衛(wèi)星及星座參數(shù)： 衛(wèi) 星 數(shù) ： 6 顆 軌 道 數(shù) ： 6 個 軌道夾角 ： 30 軌道傾角 ： 90 衛(wèi)星高度 ： 1075 k

8、m 運行周期 ： 107 min 載波頻率 ： 400、150 MHz,Transit Constellation,2.1子午衛(wèi)星星座,Oscar,Nova,2.1 子午衛(wèi)星,多普勒定位示意圖4,2.1 子午衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理,不足 一次定位時間長 衛(wèi)星數(shù)少，定位不連續(xù) 精度低,2.1 子午衛(wèi)星系統(tǒng)不足,2.2 DORIS,概念 衛(wèi)星多普勒定位定軌系統(tǒng)（Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite），用多普勒測量方式進(jìn)行衛(wèi)星定軌和空間無線電定位的綜合系統(tǒng)。 系統(tǒng)特點 無線電信號發(fā)射器安放在地面跟蹤站上，多普勒接

9、收機安放在衛(wèi)星上。 由法國空間研究中心(CNES)、法國大地測量研究所(GRGS)和法國國家地理研究所(IGN)共同研制,2.2 DORIS現(xiàn)狀,DORIS提供了一種獨立的低軌衛(wèi)星定軌技術(shù)，獨立定軌徑向精度3cm，與SLR、GPS聯(lián)合定軌1cm；并具有實時定軌功能； 建立與維持國際地球參考框架ITRF,可測定地面站精度達(dá)1015mm；能以亞毫角秒的精度來測定極移； IDS（ International DORIS Service）： /,Satellites & missions(2003),應(yīng)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 ，中科院測地所 Jiufeng State, Hubei Country,CHINA http:/ids.cls.fr/html/doris/stations/station.php

11、3?code=JIUB,DORIS的工作原理,地面信標(biāo)機發(fā)出的信號為星載DORIS接收機所接收。具體的測量量就是雙頻(2036.25MHz和401.25MHz)的多普勒頻移。雙頻無線電觀測的目的是為了消除電離層的影響。一旦提供了很好的衛(wèi)星運動力學(xué)模型,這樣的觀測量通過數(shù)學(xué)處理(例如統(tǒng)計定軌方法)就可以獲得搭載該接收機的飛行器的軌道。,3. 甚長基線干涉測量技術(shù)（VLBI）,3.甚長基線干涉測量技術(shù)（VLBI）,射電望遠(yuǎn)鏡 射電望遠(yuǎn)鏡是一種能接收和處理來自太空的無線電信號的裝置，由巨大的拋物面天線，高精度的原子鐘，數(shù)據(jù)接收和處理設(shè)備等組成。 靈敏度 是指射電望遠(yuǎn)鏡“最低可測”的能量值，此值越低，

12、靈敏度越高。為提高靈敏度常用的辦法有降低接收 機本身的固有噪聲、增大天線接收面積、延長觀測積分時間等。 框架定向和尺度,3.1 VLBI測量原理,3.1 VLBI測量原理,3.2 VLBI技術(shù)的應(yīng)用,參考框架的維持與實現(xiàn) 建立天球參考框架（ICRF），并與其他技術(shù)手段共同建立地球參考框架（ITRF）； 研究地球動力學(xué)（地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的確定） 用于電離層探測等大氣模型研究； 用于空間探測器定位（衛(wèi)星軌道、嫦娥一號、嫦娥二號、火星探測器）,3.3 VLBI技術(shù)現(xiàn)狀與展望,傳統(tǒng)（地面）VLBI 目前全球約有4050個VLBI站；IVS(International VLBI Service for Ge

13、odesy&Astrometry）； 實時VLBI 技術(shù)（Real-time VLBI） 自動高效地管理觀測網(wǎng)，處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全天候、全天時被動觀測，提高觀測效率； 空間VLBI 技術(shù)（SVLBI） 將VLBI天線送至太空，大幅度延伸觀測基線長度，提高觀測分辨率。,EVN:European VLBI Network ,The European VLBI Network (EVN),中科院上海天文臺VLBI,目前，我國的VLBI網(wǎng)由上海25米、北京50米、昆明40米和烏魯木齊25米共4臺射電天文望遠(yuǎn)鏡，以及上海數(shù)據(jù)相關(guān)處理中心組成。 目前，由中科院上海天文臺

14、承建的中科院與上海市政府合作項目65米口徑射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)工程正式啟動。這架望遠(yuǎn)鏡選址松江佘山基地，計劃于2012年年底建成，屆時將成為亞洲最大、國際先進(jìn)的全天線可轉(zhuǎn)動的大型射電望遠(yuǎn)鏡，它不僅可以很好地執(zhí)行探月二期和三期工程的甚長基線干涉測量（VLBI）測定軌和定位，以及今后我國各項深空探測任務(wù)，還可以在天文學(xué)研究中發(fā)揮重要作用。 這臺望遠(yuǎn)鏡建成后，按其口徑大小在全球可排第三位，僅次于美國的100米口徑望遠(yuǎn)鏡和德國的100米口徑望遠(yuǎn)鏡。,中科院烏魯木齊天文臺VLBI ,25m射電望遠(yuǎn)鏡 南山觀測基地VLBI站目前是全球和我國重要的地面參考點，射電望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)的綜合水平和觀測狀態(tài)已達(dá)到歐洲網(wǎng)的中

15、上等水平。,云南天文臺40m射電天文望遠(yuǎn)鏡 2006年安裝，已經(jīng)開始運行,中科院云南天文臺VLBI,密云站50m天線是我國目前最大的射電天線，它的建成和投入使用，將為國家天文臺，乃至中國科學(xué)院承擔(dān)更多的國家任務(wù)奠定基礎(chǔ)條件。,中科院國家天文臺VLBI,世界上最大的鋼結(jié)構(gòu)的射電望遠(yuǎn)鏡，直徑100米，實際尺寸 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，日本空間科學(xué)研究所成功地發(fā)射了一顆VLBI空間觀測研究衛(wèi)星（VSOP），它可從東京分辨出悉尼的1顆米粒大小的東西,能在揭開黑洞結(jié)構(gòu)等發(fā)揮重要的作用。,世界上最大的單口徑500米的球面射電望遠(yuǎn)鏡(five-hundred-meter aperturesphericaltelescope，簡稱FAST)，被科學(xué)家形象地形容為山谷中的“天眼”，科學(xué)家希望它能接收到來自某種“地外文明”發(fā)出的信號。作為國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目已于2008年在黔南布依族苗族自治州建設(shè)。該項目總投資6.27億元，建設(shè)期為5年。 項目擬采用我國科學(xué)家獨創(chuàng)的設(shè)計和貴州省獨特的喀斯特地形條件和極端安

17、靜的電波環(huán)境，建造一個500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡，形成具有國際先進(jìn)水平的天文觀測與研究平臺，為我國開展暗物質(zhì)和暗能量本質(zhì)、宇宙的起源和演化、太空生命起源和尋找地外文明等研究活動提供重要支持。它的建設(shè)對于改善我國科技基礎(chǔ)設(shè)施條件，提升自主創(chuàng)新能力，增強科技競爭能力，促進(jìn)原始性創(chuàng)新成果產(chǎn)生，帶動高新技術(shù)發(fā)展具有極其重要的戰(zhàn)略意義。,我國的FAST計劃,FAST望遠(yuǎn)鏡模似圖,貴陽一處喀斯特洼地,4. 激光測衛(wèi)技術(shù)（SLR）,4.1 激光測距原理,利用時間間隔計數(shù)器測量激光脈沖在地面激光發(fā)射站與衛(wèi)星發(fā)射器之間的傳播時間，再經(jīng)過光速轉(zhuǎn)化為距離： 激光特性：輸出功率大，可達(dá)吉挖量級，單位面積光能密度高

18、于太陽表面；光束發(fā)散角小，遠(yuǎn)距離光能量仍然集中；脈沖寬度小，測距精度較高。,4.1 激光測距原理,激光測距原理圖,激光測衛(wèi)示意圖,1）激光測衛(wèi)（Satellite Laser Ranging）系統(tǒng)目前的測距精度可優(yōu)于1cm。,GFZ 的 POTSDAM-2 人衛(wèi)激光測距儀,2）激光測距儀,3）激光反射棱鏡,神舟4號棱鏡組,CHAMP、 GRACE衛(wèi)星棱鏡,Starlette衛(wèi)星,4）激光測距衛(wèi)星 如前所述，凡是安裝了后向反射棱鏡，可對其進(jìn)行激光測距的衛(wèi)星稱為激光測距衛(wèi)星。 STARLETTE衛(wèi)星 該衛(wèi)星是由法國航天局CNES于1975年2月6日發(fā)射的。該衛(wèi)星是由20個三角平面組成的正20面體。

19、直徑為24cm，質(zhì)量為47.295kg。,Lageos-1衛(wèi)星, Lageos衛(wèi)星 Lageos衛(wèi)星是由NASA研制發(fā)射的，其中Lageos-1是1976年5月4日發(fā)射的，Lageos-2是1992年10月23日發(fā)射的。,EGS（Ajisai）衛(wèi)星, EGS（Ajisai）衛(wèi)星 Ajisai是日本于1986年發(fā)射的。衛(wèi)星上安裝了120組（1436塊）反射棱鏡，衛(wèi)星的軌道傾角為50，衛(wèi)星在高度為1500km左右的幾乎是圓形的軌道上運行。信號往返傳播的時間為1020ms。該衛(wèi)星的優(yōu)點是亮度大，目視星等達(dá)1.53.5，肉眼易見。, ETALON衛(wèi)星 Etalon-1和Etalon-2是前蘇聯(lián)于198

20、9年1月和5月發(fā)射的。衛(wèi)星的直徑為129.4cm，質(zhì)量為1415kg，衛(wèi)星表面安放了306組反射棱鏡，每組中均含14個角反射棱鏡，其中有6組為鍺反射鏡。,Etalon_1衛(wèi)星,4.2 SLR意義,SLR是一種測定絕對坐標(biāo)的重要手段，在定義全球地心坐標(biāo)系起決定作用（SLR對地心敏感）； 是測定極移、地球自轉(zhuǎn)不均勻、及板塊運動和地殼形變等地球運動學(xué)現(xiàn)象的重要手段之一； 是確定地球重力場低階球諧系數(shù)的重要手段； 是精確確定衛(wèi)星軌道的重要手段,4.3 SLR現(xiàn)狀及前景,目前全球約有70個左右的SLR固定臺站以及少量的流動臺站。測距精度已達(dá)到1cm左右的精度，少數(shù)臺站已達(dá)到亞厘米級的精度水平。http:

21、/,5. 衛(wèi)星測高技術(shù),5.1 衛(wèi)星測高概述(Satellite Altimetry),精確確定測高衛(wèi)星的運行軌道，利用安置在衛(wèi)星上的雷達(dá)測高儀測定至瞬時海水面間的垂直距離來測定地球重力場，研究海洋學(xué)、地球物理學(xué)中的各種物理現(xiàn)象的方法和技術(shù)稱為衛(wèi)星測高,5.2 衛(wèi)星測高原理,測高衛(wèi)星誤差改正項,至今為止,在全球已發(fā)射如下測高衛(wèi)星 Skylab，Geos3，Seasat，Geosat，Ers- 1， Topex/Poseidon，Ers- 1， GFO，Envisat，Jason-1。,5.3 測高衛(wèi)星,表1 部分測高衛(wèi)星的基本參數(shù),TOPEX/Poseido

22、n衛(wèi)星,GFO衛(wèi)星,Envisat衛(wèi)星,Janson衛(wèi)星,TOPEX/Poseidon 衛(wèi)星上的高度計,全球平均海平面變化特征分析,其它衛(wèi)星相對Topex衛(wèi)星的系統(tǒng)偏差,南北分量,東西分量,海洋重力場和海底地形模型建立,基于精化的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)集，優(yōu)化格網(wǎng)化方法，給出了中國海域11垂線偏差模型 聯(lián)合EGM2008模型，利用逆Vening Meinesz公式，通過移去恢復(fù)法確定了11重力異常模型，其精度在開闊海域達(dá)到了3mGal，近海海域達(dá)到79mGal,重力異常模型,海洋重力場和海底地形模型建立,反演了南海22海底地形模型，其精度優(yōu)于ETOPO2模型,海底地形模型,與ETOPO5模型差值,反演模

23、型與船測海深數(shù)據(jù)比較結(jié)果,ETOPO2模型與船測海深數(shù)據(jù)比較結(jié)果,海洋動力環(huán)境信息提取,基于WHU2009海面高模型和EGM2008大地水準(zhǔn)面模型提取了海面動力地形,計算結(jié)果,CNES-CLS09模型,海洋動力環(huán)境信息提取,進(jìn)而基于地轉(zhuǎn)流方程，計算了全球大洋環(huán)流東西和南北分量，繪制了全球大洋環(huán)流圖,計算結(jié)果,E C C O結(jié)果,全球大洋環(huán)流,墨西哥灣夏季和冬季衛(wèi)星星下點風(fēng)速分布,海洋動力環(huán)境信息提取,深入研究了風(fēng)速反演中的季節(jié)性誤差，建立了季節(jié)性風(fēng)速反演模式函數(shù)來消除或減弱這種誤差對反演結(jié)果的影響 利用已有的數(shù)據(jù)分季節(jié)進(jìn)行擬合，得到后向散射系數(shù)與風(fēng)速值的模式函數(shù)，再利用這一系列關(guān)系式來直接求得

24、不同季節(jié)的風(fēng)速值,擬合后均方根誤差比較,高低模式(HL) 低低模式(LL) 高高模式(LL),6 衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星（SST）,高低模式(HL),CHAMP（CHAllenging Mini-Satellite Payload ),GPS-CHAMP high-low satellite-to-satellite and ground based laser tracking,采用高低跟蹤模式； 由 GFZ管理, 執(zhí)行重力場、 磁場和大氣探 測研究,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年發(fā)射升空，由德州大學(xué)的空間研究中心 CSR、德國GFZ、美國的NASA和德國的空間飛行中心DLR、美國的JPL共同研制，空間部分由相距約220km的GRACE衛(wèi)星對組成，采用高低(HL)和低低(LL)跟蹤相結(jié)合的模式。主要的科學(xué)任務(wù)為地球重力場恢復(fù)、大氣探測。,GRACE 計劃 （Gravity Recovery And Climate Experiment） -兩種跟蹤模式,www.csr.utexas