8、其他空間大地測(cè)量技術(shù)

1、1,第八章 衛(wèi)星導(dǎo)航定位及脈沖星導(dǎo)航定位,2,目錄：,一、多普勒測(cè)量與子午衛(wèi)星系統(tǒng)二、DORIS系統(tǒng)及其應(yīng)用三、以GPS為代表的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)四、脈沖星導(dǎo)航定位,3,8.1 多普勒測(cè)量與子午衛(wèi)星系統(tǒng),第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)：以子午衛(wèi)星系統(tǒng)（Transit）為代表。由于技術(shù)上的限制，第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)一般采用多普勒定位的模式，用一顆衛(wèi)星來(lái)完成整個(gè)導(dǎo)航工作。蘇聯(lián)的CICADA法國(guó)的DORIS(主要用于衛(wèi)星定軌),4

2、,當(dāng)信號(hào)源S與信號(hào)接收處R間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而導(dǎo)致徑向運(yùn)動(dòng)速度V≠0時(shí)，接收到的信號(hào)頻率fR就會(huì)發(fā)生變化而與發(fā)射頻率fS不等。例如： 火車駛?cè)胝九_(tái)和駛離站臺(tái),8.1 多普勒測(cè)量與子午衛(wèi)星系統(tǒng),8.1.1 多普勒效應(yīng),5,1.信號(hào)源S與接收處R保持相對(duì)靜止此時(shí)fR=fS相同S與R間的距離為D=Δt*cS發(fā)出的第一個(gè)波前到達(dá)S的時(shí)間為ΔtΔt時(shí)間內(nèi)S與R的距離保持D不變?chǔ)時(shí)間內(nèi)，S發(fā)出的波數(shù)為n=Δt* fS，均勻分布在D

3、中R處接收到信號(hào)的波長(zhǎng)λR。,8.1.1 多普勒效應(yīng),6,2.S與R作相向運(yùn)動(dòng)此時(shí)fR>fSS發(fā)出的第一個(gè)波前到達(dá)S的時(shí)間為ΔtΔt 內(nèi)，S與R間的距離由開始的D= Δt*c變?yōu)镈-V*ΔtΔt時(shí)間內(nèi)，S發(fā)出的波數(shù)為n= Δt* fS，均勻分布在D中R處接收到信號(hào)的波長(zhǎng)λR。,8.1.1 多普勒效應(yīng),7,3.S與R作反向運(yùn)動(dòng)此時(shí)fR<fSS發(fā)出的第一個(gè)波前到達(dá)S的時(shí)間為ΔtΔt 內(nèi)，S與R間的距離由開始的D

4、=Δt*c變?yōu)镈+V*ΔtΔt時(shí)間內(nèi)，S發(fā)出的波數(shù)為n=Δt* fS，均勻分布在D中R處接收到信號(hào)的波長(zhǎng)λR。,8.1.1 多普勒效應(yīng),8,4.S與R作任意運(yùn)動(dòng)將S相對(duì)R的速度V分解為徑向分量和法相分量。Vr=V*cos(α)Vt=V*sin(α)當(dāng)α90°時(shí)fR<fS,8.1.1 多普勒效應(yīng),9,多普勒頻移：信號(hào)發(fā)射頻率fS與信號(hào)接收頻率fR之差Δf稱為多普勒頻移。徑向速度為Vcosα若信源在衛(wèi)星上，R

5、低速運(yùn)動(dòng)，則星站間徑向速度<8km/sfR按泰勒級(jí)數(shù)展開略去高次項(xiàng),8.1.2 多普勒測(cè)量原理,,10,接收機(jī)產(chǎn)生頻率為fS的信號(hào)與接收到的頻率為fR的信號(hào)混頻。求得差頻信號(hào)。在[t1,t2]時(shí)間段內(nèi)積分，積分值為N。D1和D2分別為t1時(shí)刻和t2時(shí)刻信源和接收機(jī)之間的距離。故多普勒測(cè)量也被稱為距離差測(cè)量。缺陷：無(wú)法判斷（D2-D1）符號(hào)解決方法：提高接收機(jī)產(chǎn)生信號(hào)f0的頻率，使其在任何情況下都大于fR 。多普勒計(jì)

6、數(shù)的幾何意義：,8.1.2 多普勒測(cè)量原理,11,1.幾何意義設(shè)某衛(wèi)星以 的頻率連續(xù)發(fā)射信號(hào)，在 時(shí)刻衛(wèi)星位于 處，在 時(shí)刻衛(wèi)星位于 處。利用地面衛(wèi)星跟蹤站對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，即可確定并預(yù)報(bào)衛(wèi)星軌道，編制成廣播星歷向用戶播發(fā)。用戶用多普勒接收機(jī)來(lái)接收衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行多普勒測(cè)量，求得 時(shí)間段內(nèi)的多普勒計(jì)數(shù),8.1.3 多普勒定位,,,,,,,,,12,2.觀測(cè)方程Δf為接收機(jī)產(chǎn)生的本征信號(hào)頻率與衛(wèi)星所發(fā)射的信號(hào)頻率之差，理論

7、上為一常數(shù)，而實(shí)際上存在偏差dΔf,則有：dΔf被稱作頻率漂移其值取決于接收機(jī)鐘和衛(wèi)星鐘的誤差。子午衛(wèi)星系統(tǒng)中，衛(wèi)星一次通過(guò)dΔf被視為一個(gè)常數(shù)（待定）。接收機(jī)三維坐標(biāo)R（X、Y、Z），其近似坐標(biāo)為（Xo、Yo、Zo）：衛(wèi)星位置t1時(shí)刻和t2時(shí)刻分別為S1和S2。D1,D2,,在Do處由泰勒級(jí)數(shù)展開,同理,8.1.3 多普勒定位,13,2.觀測(cè)方程觀測(cè)方程誤差方程,將前面得到的D1、D2代入下式,令,,,8.1.3 多普勒

8、定位,14,3.單點(diǎn)定位時(shí)的誤差方程右式中有4個(gè)待定參數(shù)： (dX,dY,dZ,dΔf)至少要測(cè)得4個(gè)多普勒計(jì)數(shù)，列出4個(gè)觀測(cè)方程才能求解。某次衛(wèi)星通過(guò)共獲得mi個(gè)多普勒計(jì)數(shù)，此次衛(wèi)星通過(guò)的誤差方程式為：對(duì)于n次衛(wèi)星通過(guò)，第i次衛(wèi)星通過(guò)所獲得的觀測(cè)值個(gè)數(shù)為mi，則總的誤差方程個(gè)數(shù)為：總誤差方程：,8.1.3 多普勒定位,15,1.概述1957年10月4日，前蘇聯(lián)成功發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星 – Sputnik 1美國(guó)

9、霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的吉爾博士和魏芬巴哈博士利用地面Sputnik 1信號(hào)多普勒測(cè)量資料對(duì)其進(jìn)行了精確定軌。,吉爾（右）和魏芬巴哈（左）,Sputnik 1,8.1.4 子午衛(wèi)星系統(tǒng),16,1.概述1958年，受美國(guó)海軍委托，在克什納博士領(lǐng)導(dǎo)下，開始開展子午衛(wèi)星系統(tǒng)的研究。1964年1月，子午衛(wèi)星系統(tǒng)建成并投入軍用。1967年7月，子午衛(wèi)星系統(tǒng)解密并提供民用。,麥克盧爾,克什納,8.1.4 子午衛(wèi)星系統(tǒng),17,2.系統(tǒng)的組成

10、,空間部分衛(wèi)星星座 6顆衛(wèi)星6個(gè)極軌道面軌道高度1075km信號(hào)頻率1：149.988MHz（4.9996MHz ? 30）頻率2：399.968MHz（4.9996MHz ? 80）星歷（廣播星歷）,8.1.4 子午衛(wèi)星系統(tǒng),18,2.系統(tǒng)的組成,地面控制部分跟蹤站4個(gè)，當(dāng)子午衛(wèi)星通過(guò)時(shí)，對(duì)其經(jīng)行Doppler測(cè)量，并將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算中心計(jì)算中心計(jì)算衛(wèi)星軌道，然后送入注入站注入站接受并存儲(chǔ)計(jì)算中心送來(lái)的導(dǎo)航電

11、文，每12小時(shí)向衛(wèi)星注入一次導(dǎo)航電文,8.1.4 子午衛(wèi)星系統(tǒng),19,2.系統(tǒng)的組成,地面控制部分(續(xù))控制中心協(xié)調(diào)和管理整個(gè)地面控制系統(tǒng)海軍天文臺(tái)負(fù)責(zé)進(jìn)行時(shí)間比對(duì)，求出衛(wèi)星鐘的改正數(shù)和頻率改正數(shù)。用戶部分多普勒接收機(jī),8.1.4 子午衛(wèi)星系統(tǒng),20,3.衛(wèi)星星歷,廣播星歷根據(jù)布設(shè)在美國(guó)的4個(gè)跟蹤站的多普勒觀測(cè)資料求出各衛(wèi)星的軌道并外推16小時(shí)產(chǎn)生的星歷。精度較低（切向誤差17m，徑向誤差26m，法向誤差8m）適合于導(dǎo)

12、航和實(shí)時(shí)處理用戶精密星歷根據(jù)布設(shè)在全球的20個(gè)跟蹤站的多普勒觀測(cè)資料求出各衛(wèi)星的軌道，屬于事后軌道。精度較高（2m）難以獲得,8.1.4 子午衛(wèi)星系統(tǒng),21,4.定位方法,單點(diǎn)定位利用廣播星歷觀測(cè)100次衛(wèi)星通過(guò)可獲得精度3～5m的地心坐標(biāo)。利用精密星歷觀測(cè)40次衛(wèi)星通過(guò)可獲得精度為0.5～1m的地心坐標(biāo)。聯(lián)測(cè)定位兩測(cè)站上同時(shí)對(duì)子午衛(wèi)星進(jìn)行多普勒測(cè)量，進(jìn)而求出這兩站的相對(duì)位置的定位方法。在聯(lián)測(cè)定位中由于公共誤差可得以消

13、除，故可獲得較好的定位精度。精度估算公式：,8.1.4 子午衛(wèi)星系統(tǒng),22,4.定位方法,短弧法定位平差中將衛(wèi)星位置視為未知參數(shù)，通過(guò)平差計(jì)算同時(shí)求得精確的衛(wèi)星軌道及測(cè)站坐標(biāo)和其它參數(shù)。對(duì)星歷精度依賴不大，即使采用廣播星歷進(jìn)行定位也能獲得精度較好的定位結(jié)果。當(dāng)測(cè)站間距為200～1000km時(shí)，定位精度可達(dá)0.5～1m。只要求各測(cè)站的觀測(cè)值位于同一短弧軌道上（即觀測(cè)同一次衛(wèi)星通過(guò)），而不像聯(lián)測(cè)定位中必須要求觀測(cè)值重合，故觀測(cè)值的

14、利用率較高。短弧法在建立多普勒網(wǎng)時(shí)被廣泛使用。,8.1.4 子午衛(wèi)星系統(tǒng),23,8.1.5 現(xiàn)狀與應(yīng)用,（1）在20世紀(jì)70年代和80年代初，子午衛(wèi)星多普勒測(cè)量曾被作為一種重要的衛(wèi)星定位技術(shù)而廣泛地被采用；（2）多普勒觀測(cè)值在建立早期地球模型時(shí)也發(fā)揮過(guò)重要作用；（3）與子午衛(wèi)星系統(tǒng)相比，全球定位系統(tǒng)GPS無(wú)論在精度還是定位速度方面更有優(yōu)勢(shì)。故GPS投入運(yùn)行后便逐步取代了子午衛(wèi)星系統(tǒng)；,24,一次定位時(shí)間過(guò)長(zhǎng)原因存在一個(gè)對(duì)同一衛(wèi)

15、星的信號(hào)多普勒計(jì)數(shù)進(jìn)行時(shí)間積分的過(guò)程為獲得良好的幾何圖形，通常需要觀測(cè)一次完整的衛(wèi)星通過(guò)（約8~18min）引發(fā)問題無(wú)法為高動(dòng)態(tài)用戶服務(wù)為縮短定位所需時(shí)間，需采用低軌衛(wèi)星，從而又造成衛(wèi)星定軌上的難度對(duì)于低動(dòng)態(tài)用戶，仍需進(jìn)行位置歸算，從而影響導(dǎo)航定位精度,8.1.6 子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性,25,無(wú)法進(jìn)行連續(xù)定位原因衛(wèi)星數(shù)少不同衛(wèi)星采用相同頻率的信號(hào)引發(fā)問題兩次衛(wèi)星通過(guò)的平均間隔長(zhǎng)（中低緯地區(qū)約為1.5h）相鄰軌道衛(wèi)星

16、信號(hào)可能相互干擾，導(dǎo)致有時(shí)必須關(guān)閉其中一顆衛(wèi)星的信號(hào),8.1.6 子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性,26,對(duì)測(cè)量應(yīng)用存在許多不利因素觀測(cè)時(shí)間偏長(zhǎng)，作業(yè)效率偏低（需50~100次合格衛(wèi)星通過(guò)，耗時(shí)約1周）定位精度偏低原因衛(wèi)星和接收機(jī)鐘不夠穩(wěn)定，增加處理難度，影響定位精度信號(hào)頻率較低，對(duì)電離層延遲改正不利衛(wèi)星軌道精度低，影響定位精度,8.1.6 子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性,27,衛(wèi)星多普勒定軌定位系統(tǒng)（DORIS) 是一種用多普勒測(cè)量方式進(jìn)行衛(wèi)星

17、定軌和空間無(wú)線電定位的綜合系統(tǒng)。 研發(fā)單位： 法國(guó)國(guó)家空間研究中心目的：精確確定TOPEX/POSEIDON的軌道，以提高其測(cè)高精度。要求T/P衛(wèi)星具有下列功能：用雷達(dá)測(cè)高儀準(zhǔn)確測(cè)定從衛(wèi)星至瞬時(shí)海平面間的垂直距離；精確確定衛(wèi)星軌道，以便能求得從地心至衛(wèi)星的精確距離,8.2 DORIS系統(tǒng)及其應(yīng)用,8.2.1 前言,8.2 DORIS系統(tǒng)及其應(yīng)用,8.2.1 前言,28,DORIS采用技術(shù)：多普勒技術(shù)。定軌原理： 和子午衛(wèi)

18、星系統(tǒng)類似，但是DORIS系統(tǒng)中無(wú)線電信號(hào)發(fā)射器只是安放在地面跟蹤站上的，多普勒接收機(jī)則放在衛(wèi)星上。工作方式：既可在衛(wèi)星上實(shí)時(shí)完成以提供精度稍差的實(shí)時(shí)軌道信息也可將觀測(cè)值集中起來(lái)統(tǒng)一下傳給地面計(jì)算中心（當(dāng)衛(wèi)星飛躍該站上空時(shí)），由地面站來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以生成精度較好的事后軌道,8.2 DORIS系統(tǒng)及其應(yīng)用,8.2.1 前言,8.2 DORIS系統(tǒng)及其應(yīng)用,8.2.1 前言,29,8.2 DORIS系統(tǒng)及其應(yīng)用,8.2.1 前言,表8

19、-1 攜帶DORIS接收機(jī)的衛(wèi)星,2GM接收機(jī)的重量只有1.5kg，體積僅為1.5dm3；除了精密定軌以外，DORIS還被廣泛用于空間大地測(cè)量。,8.2 DORIS系統(tǒng)及其應(yīng)用,8.2.1 前言,30,8.2 DORIS系統(tǒng)及其應(yīng)用,8.2.1 前言,DORIS系統(tǒng)的定軌定位精度之所以能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于子午衛(wèi)星系統(tǒng)，其主要原因是：（1）地球重力場(chǎng)模型的改進(jìn)；（2）石英時(shí)標(biāo)性能的提高；（3）有一個(gè)數(shù)量多分布好的全球跟蹤網(wǎng)；（4）觀測(cè)精度

20、的提高及定軌模型的完善；,31,原點(diǎn)表示工作超時(shí)間過(guò)10年的跟蹤站：40個(gè)正方形表示工作時(shí)間為5~10年的地面站：15個(gè)菱形表示工作時(shí)間不足5年的地面跟蹤站：16個(gè)站點(diǎn)的選擇原則：VLBI,SLR,GPS并址提供高精度的起始坐標(biāo)有益于建立和維持ITRF,8.2.2 DORIS的地面跟蹤網(wǎng),表8-2 DORIS并址站上的聯(lián)測(cè)精度,32,1.事后精密定軌由法國(guó)國(guó)家空間研究中心精密定軌隊(duì)與美國(guó)NASA的哥達(dá)德空間飛行中心GSFC用

21、不同的軟件分別進(jìn)行計(jì)算。利用SLR，GPS等觀測(cè)資料進(jìn)行聯(lián)合定軌時(shí)，軌道的徑向誤差約為1～2cm。僅利用DORIS觀測(cè)資料單獨(dú)定軌時(shí)，其徑向誤差約為3cm左右。,8.2.3 利用DORIS系統(tǒng)進(jìn)行衛(wèi)星定軌,33,2.實(shí)時(shí)定軌利用集成在DORIS接收機(jī)中的實(shí)時(shí)定軌軟件DIODE進(jìn)行實(shí)時(shí)定軌。DIODE能使接收機(jī)鐘與國(guó)際原子時(shí)TAI保持同步，使其成為一臺(tái)高精度的衛(wèi)星鐘。實(shí)時(shí)提供衛(wèi)星的位置和速度。搭載裝有DIODE的DORIS接收

22、機(jī)SPOT4衛(wèi)星的實(shí)時(shí)定軌精度為幾米。搭載裝有DIODE的DORIS接收機(jī)的SPOT6和Envisat實(shí)時(shí)定軌精度：徑向誤差<±30cm,三維點(diǎn)位誤差<1m。,8.2.3 利用DORIS系統(tǒng)進(jìn)行衛(wèi)星定軌,34,1.建立和維持地球參考框架原理： 精密定軌中將地面跟蹤站的位置當(dāng)作是一組待定參數(shù)，在自由網(wǎng)平差中與衛(wèi)星軌道參數(shù)一起進(jìn)行估計(jì)，就能精確求得這些站的坐標(biāo)，進(jìn)而求得它們的變化速度?，F(xiàn)狀 目前DORIS

23、系統(tǒng)已在全球均勻地設(shè)立了70多個(gè)地面跟蹤站，既可以獨(dú)立地組成一個(gè)獨(dú)立的地球參考框架，也可以通過(guò)與VLBI，SLR，GPS的并址站來(lái)共同建立和維持一個(gè)國(guó)際地球參考框架。現(xiàn)在ITRF以一組地面站的三維坐標(biāo)及其年變化率的形式給出。,8.2.4 DORIS在空間大地測(cè)量方面的應(yīng)用,35,8.2.4 DORIS在空間大地測(cè)量方面的應(yīng)用,1.建立和維持地球參考框架,表8-3 1993年1月～2004年10月間DORIS 7天解（周解）的精度與衛(wèi)星

24、數(shù)之間的關(guān)系,36,2.測(cè)定地球定向參數(shù)DORIS可用于確定地球定向參數(shù)，特別是極移。測(cè)定極移精度與衛(wèi)星的數(shù)量有關(guān)：在衛(wèi)星數(shù)量較多的情況下，極移測(cè)定精度可達(dá)亞毫角秒水平,8.2.4 DORIS在空間大地測(cè)量方面的應(yīng)用,表8-4 DORIS測(cè)定的極移值的精度與衛(wèi)星數(shù)之間的關(guān)系,37,3.地殼變形監(jiān)測(cè)阿拉斯基的Denali斷層7.9級(jí)地震后，震區(qū)的Fairbanks站坐標(biāo)變化： 用GPS定位技術(shù)所求得的站坐標(biāo)變化量及用DORI

25、S所求得的站坐標(biāo)變化量（mm）,8.2.4 DORIS在空間大地測(cè)量方面的應(yīng)用,表8-5 GPS和DORIS求得的震后測(cè)站坐標(biāo)的變化量（mm）,38,DORIS雙頻信號(hào)：401.25MHz2036.25MHz這兩個(gè)不同頻率的信號(hào)經(jīng)過(guò)電離層后先后到達(dá)衛(wèi)星被DORIS接收機(jī)所接受。利用雙頻效應(yīng)可設(shè)法消除電離層延遲，求得信號(hào)傳播路徑上的電子含量TEC。此外利用DORIS的雙頻觀測(cè)資料也可用來(lái)探測(cè)如地震等地球物理運(yùn)動(dòng)對(duì)電離層的影響。

26、5個(gè)DORIS衛(wèi)星所求得的天頂方向的對(duì)流層延遲的精度可達(dá)6～8mm。,8.2.5 大氣探測(cè)及研究,39,背景：第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的典型代表是美國(guó)研制，組建，管理的全球定位系統(tǒng)GPS。此外，還包括：俄羅斯：GLONASS中國(guó)：COMPASS歐盟：Galileo,8.3 以GPS為代表的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),40,1.用距離交會(huì)代替距離差交會(huì)第一代導(dǎo)航系統(tǒng)：觀測(cè)量：不同時(shí)刻測(cè)站到衛(wèi)星的距離差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位，定位精度低

27、。第二代導(dǎo)航系統(tǒng)：觀測(cè)量：同一時(shí)刻測(cè)站到不同衛(wèi)星的距離，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位，定位精度高。,8.3 以GPS為代表的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),8.3.1 二代系統(tǒng)與一代系統(tǒng)間的主要差別,41,2.能對(duì)多個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測(cè)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)：接收機(jī)具有多個(gè)接收通道。每個(gè)接收通道可分別觀測(cè)一個(gè)衛(wèi)星信號(hào)。在每一歷元可同時(shí)確定接收機(jī)的三維坐標(biāo)和接收機(jī)鐘差。第一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)：子午衛(wèi)星系統(tǒng)：觀測(cè)一次衛(wèi)星通過(guò)（一般為10 分鐘）只能確

28、定一個(gè)參考時(shí)刻的接收機(jī)位置和頻漂。,8.3.1 二代系統(tǒng)與一代系統(tǒng)間的主要差別,42,3.二代系統(tǒng)均為連續(xù)的獨(dú)立的導(dǎo)航定位系統(tǒng)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)：衛(wèi)星信號(hào)中較第一代系統(tǒng)增加了測(cè)距碼衛(wèi)星軌道較為穩(wěn)定無(wú)遮擋的情況下，用戶最少可以觀測(cè)4顆衛(wèi)星采用性能更好的原子頻標(biāo)取代了石英晶體頻標(biāo)大大提高了載波頻率，有助于更好地消除電離層延遲組織了國(guó)際GNSS服務(wù)等組織免費(fèi)為用戶提供高精度的衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差及基準(zhǔn)站坐標(biāo)等。,8.3.1

29、二代系統(tǒng)與一代系統(tǒng)間的主要差別,43,1.GPS1）GPS現(xiàn)代化,1995年GPS具備完全工作能力后，美國(guó)就已經(jīng)意識(shí)到GPS現(xiàn)代化的重要性GPS系統(tǒng)扮演著越來(lái)越重要的角色美國(guó)政府希望GPS能成為世界導(dǎo)航定位系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)提供更好，更可靠的民用服務(wù)GPS系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的需要新的信號(hào)，功率大，精度更高系統(tǒng)完好性, 生存能力, 戰(zhàn)時(shí)可以阻止敵方使用,8.3.2 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀,1.GPS1）GPS現(xiàn)代化,8.3.2 第

30、二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀,44,保護(hù)（Protection）采用一系列措施保護(hù)GPS系統(tǒng)不受敵方和黑客的干擾，增加GPS軍用信號(hào)的抗干擾能力，其中包括增加GPS的軍用無(wú)線電信號(hào)的強(qiáng)度阻止(Prevention)阻止敵方利用GPS的軍用信號(hào)。設(shè)計(jì)新的GPS衛(wèi)星型號(hào)（ⅡF），設(shè)計(jì)新的GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)，增加頻道，將民用碼(C/A)和軍用碼（M）分開保持/改善(Preservation)改善GPS定位和導(dǎo)航的精度，在GPSⅡF衛(wèi)星中增

31、加兩個(gè)新的民用頻道，即在L2中增加CA碼（2005年），另增L5民用頻道（原計(jì)劃2007年）,1.GPS1）GPS現(xiàn)代化,8.3.2 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀,45,GPS現(xiàn)代化具體措施從2000年開始具體實(shí)施2000年5月，關(guān)閉SA兩種新的民用信號(hào)和軍用信號(hào)增加第三個(gè)民用信號(hào)L5更新GPS衛(wèi)星(衛(wèi)星壽命，性能，星間測(cè)距，星間通信)已經(jīng)開始第三代衛(wèi)星的部署計(jì)劃….,8.3.2 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀,1.GPS

32、1）GPS現(xiàn)代化,46,為了進(jìn)一步提高廣播星歷的精度，美國(guó)從1997年開始實(shí)施精度改進(jìn)計(jì)劃L-AII（Legacy—Accuracy Improvement Initiative）首期將NGA的6個(gè)GPS衛(wèi)星跟蹤站所獲得的觀測(cè)資料添加到廣播星歷的定軌和預(yù)報(bào)計(jì)算中去。使得整個(gè)GPS衛(wèi)星星座的三維位置誤差的RMS值小于5m。2002年開始的第二期計(jì)劃中又加入5個(gè)站的觀測(cè)站的資料。對(duì)衛(wèi)星定軌及推估過(guò)程中所使用的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了改進(jìn)，從

33、而大大提高了廣播星歷的精度。,8.3.2 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀,1.GPS2）L-AII計(jì)劃,8.3.2 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀,1.GPS2）L-AII計(jì)劃,47,廣播星歷的精度A.廣播星歷精度的日變化情況一天內(nèi)由廣播星歷所給出的衛(wèi)星軌道的誤差變化情況軌道誤差三個(gè)分量dR，dA，dC在同一天中存在周期約為12小的變化，與衛(wèi)星的運(yùn)行周期相同精度從幾分米至幾米不等徑向誤差dR要比切向誤差dA和法向誤差dC小。,

34、8.3.2 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀,1.GPS2）L-AII計(jì)劃,8.3.2 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀,1.GPS2）L-AII計(jì)劃,48,廣播星歷的精度B.廣播星歷精度的長(zhǎng)期變化情況2002-2006年間3個(gè)軌道誤差分量上的日平均值和均方根差變化情況徑向、法向<0.2m，切向<2m法向誤差的日均值變化周期為一年軌道誤差日均值趨于零，徑向誤差的日均值中含有約0.1m的系統(tǒng)誤差均方根差逐年減小,8.3

35、.2 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀,1.GPS2）L-AII計(jì)劃,49,廣播星歷的精度B.廣播星歷精度的長(zhǎng)期變化情況（續(xù)）廣播星歷的三維軌道誤-2002-2006年間廣播星歷的三維軌道的年均方根差：隨著時(shí)間的推移，廣播星歷的精度不斷提高到2006年，幾乎所有的衛(wèi)星的三維軌道誤差都降低至2m左右。,8.3.2 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀,1.GPS2）L-AII計(jì)劃,50,恢復(fù)全球連續(xù)導(dǎo)航能力Glonass-K 計(jì)劃 (2

36、011)進(jìn)一步提高GLONASS系統(tǒng)的定位精度地面控制部分的現(xiàn)代化擴(kuò)展地面控制網(wǎng)絡(luò) 提高系統(tǒng)時(shí)間的穩(wěn)定度，軌道精度擴(kuò)展地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)信號(hào)現(xiàn)代化GLONASS-K增加L3信號(hào) (CDMA)與GPS、Galileo能進(jìn)行互操作 信號(hào)頻段坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)發(fā)射新的衛(wèi)星，繼續(xù)GLONASS現(xiàn)代化進(jìn)程,,8.3.2 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀,2.其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)1）GLONASS,51,8.3.2 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系

37、統(tǒng)的現(xiàn)狀,2.其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)2）Galileo,伽利略系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)在研制、組建和管理過(guò)程中，軍方均未直接參與，它是一個(gè)商業(yè)性質(zhì)的民用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)；（2）伽利略系統(tǒng)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了改進(jìn)，以最大限度地保證系統(tǒng)的可靠性，及時(shí)向指定用戶提供系統(tǒng)完備性信息；（3）采用了一些措施來(lái)提高精度，如在衛(wèi)星上采用了性能更好的原子鐘；地面測(cè)站的數(shù)量達(dá)30個(gè)左右，數(shù)量更多，分布更好；在接收機(jī)中采用了噪聲抑制技術(shù)等，因而

38、用戶有可能獲得更好的導(dǎo)航定位精度；（4）與GPS系統(tǒng)既保持相互獨(dú)立，又相互兼容，具有互操作性。,8.3.2 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀,2.其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)2）Galileo,52,8.3.2 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀,2.其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)3）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),第一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是一種區(qū)域性的有源導(dǎo)航系統(tǒng)，由于只有2顆工作衛(wèi)星，因而該導(dǎo)航系統(tǒng)也被稱為雙星導(dǎo)航系統(tǒng)； 雙星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：投資小，建設(shè)速度快；而且系統(tǒng)

39、還具有一定的通信功能和授時(shí)功能；接收機(jī)開機(jī)后可快速定位等； 其缺點(diǎn)是：由于采用的是主動(dòng)式測(cè)距的方式，軍事用戶的隱蔽性差；整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)于依賴中心站從而將影響戰(zhàn)時(shí)的生存能力；整個(gè)系統(tǒng)的用戶數(shù)受到限制；系統(tǒng)的技術(shù)水平較低，需依賴其他信息源才能確定用戶的位置，無(wú)測(cè)速功能； 目前正在研制組建的第二代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)仍然是一個(gè)區(qū)域性的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，第三代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)將成為一個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。,53,由于服務(wù)領(lǐng)域的延伸，IGS名稱的演變

40、過(guò)程：International GPS Service for GeodynamicsInternational GPS ServiceInternational GNSS ServiceIGS的主要任務(wù)：提供精密星歷和精密的衛(wèi)星鐘差高精度的距離觀測(cè)值高精度的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差高精度的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算軟件建立、維持地球參考框架，確定地球定向參數(shù)與VLBI、SLR、DORIS相比，GPS的基準(zhǔn)站數(shù)量更多，地理分布也更好

41、，因而可以在統(tǒng)一的ITRF框架下起到補(bǔ)充和加密作用。,8.3.3 國(guó)際GNSS服務(wù)IGS,54,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及地球上環(huán)境和資源問題的日益嚴(yán)重，人類在太陽(yáng)系中開展各種科學(xué)探測(cè)的興趣也越來(lái)越高。在20世紀(jì)下半葉，僅美國(guó)發(fā)射的探測(cè)器總數(shù)就已達(dá)20多個(gè)。目前，新一輪的空間探測(cè)高潮又即將到來(lái)。因此，在太陽(yáng)系中，為這些空間飛行器進(jìn)行精確地導(dǎo)航定位就顯得尤為重要。此前，這項(xiàng)任務(wù)一直都是由深空大地測(cè)量網(wǎng)（簡(jiǎn)稱深空網(wǎng)）來(lái)完成的。深空網(wǎng)則是由一系

42、列布設(shè)在地球表面和人造衛(wèi)星上的配備有測(cè)角儀器、測(cè)距儀器、測(cè)速儀器的深空鉆及相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理站組成的。傳統(tǒng)方法的主要缺點(diǎn)是：需要布設(shè)一個(gè)龐大的地面和空間系統(tǒng)來(lái)予以支持，投資大，建設(shè)速度慢；容易遭受攻擊，系統(tǒng)的生存能力較差；當(dāng)飛行器飛到太陽(yáng)背后時(shí)，系統(tǒng)便無(wú)法工作；,8.4 脈沖星導(dǎo)航定位,8.4.1 前言,8.4 脈沖星導(dǎo)航定位,8.4.1 前言,55,8.4 脈沖星導(dǎo)航定位,8.4.1 前言,脈沖星是一種高速自轉(zhuǎn)的中子星，其

43、自轉(zhuǎn)周期為數(shù)毫秒至數(shù)十秒不等。其中，自轉(zhuǎn)周期小于10ms的脈沖星稱為毫秒脈沖星，其自轉(zhuǎn)周期特別穩(wěn)定（穩(wěn)定度可達(dá)10-19s/s），因而可以被用來(lái)作為最精確地時(shí)鐘；目前適用的高精度脈沖信號(hào)接收器有兩種：一是接受微波信號(hào)的射電望遠(yuǎn)鏡，二是接收X射線的X射線接收器。,8.4 脈沖星導(dǎo)航定位,8.4.1 前言,56,1.搜尋合適的脈沖星，并確定它們的位置合適的脈沖星是指周期十分穩(wěn)定、信號(hào)強(qiáng)度好容易接收、空間的地理位置分布好的那些脈沖星。利

44、用長(zhǎng)期積累下來(lái)的觀測(cè)值，通過(guò)射電干涉測(cè)量等方法來(lái)精確確定它們的方位。將成果統(tǒng)一歸算至太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系上去，求出從太陽(yáng)系質(zhì)心至脈沖星的方位。,8.4.2 必要的準(zhǔn)備工作,57,2）建立各脈沖星的模型現(xiàn)在脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)定精度已達(dá)到0.1us。在建立脈沖星模型前，需要把地面測(cè)站測(cè)得的TOA統(tǒng)一歸算到太陽(yáng)系質(zhì)心。,8.4.2 必要的準(zhǔn)備工作,,,58,2.建立各脈沖星的模型歸算公式如右式：式中，t為歸算至太陽(yáng)系質(zhì)心的TOAT為地面測(cè)站

45、所測(cè)定的TOAΔt1為TOA測(cè)量時(shí)地面測(cè)站上的原子鐘相對(duì)于國(guó)際原子時(shí)TAI的改正數(shù)Δt2為把TAI轉(zhuǎn)換為TT,再把TT轉(zhuǎn)換成TDB時(shí)的改正數(shù)Δt3是由于脈沖星至地面測(cè)站的距離與至太陽(yáng)系質(zhì)心的距離不等而引起的改正表示其余的一系列微小的改正項(xiàng)，如相對(duì)論改正，信號(hào)散射改正等等,8.4.2 必要的準(zhǔn)備工作,59,2.建立各脈沖星的模型完成前述歸算后，根據(jù)右式建立脈沖星模型：等號(hào)右邊第一項(xiàng)為參考?xì)v元t0時(shí)刻脈沖星相位，f為脈沖星自轉(zhuǎn)頻

46、率f（m）為f對(duì)時(shí)間的m階導(dǎo)數(shù)，m常取1，2，3。鐘模型確定以后，可以精確預(yù)報(bào)任意時(shí)刻脈沖信號(hào)到達(dá)太陽(yáng)系質(zhì)心的相位3.建立各脈沖星的輪廓圖,8.4.2 必要的準(zhǔn)備工作,60,8.4.3 脈沖星導(dǎo)航的基本原理,若安裝在空間飛行器上的射電望遠(yuǎn)鏡或X射線接收器能不斷對(duì)脈沖星進(jìn)行TOA觀測(cè)，就能用下式求出任一時(shí)刻 時(shí)的脈沖信號(hào)相位：,,61,8.4.3 脈沖星導(dǎo)航的基本原理,,,62,8.4.4 主要的誤差改正項(xiàng)及觀測(cè)方程,1.對(duì)幾何上

47、所作的近似進(jìn)行的修正,將地面測(cè)站上所測(cè)定的脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)間歸算至太陽(yáng)系質(zhì)心時(shí)所用的公式及導(dǎo)航定位中作用的公式中，在幾何關(guān)系上都作了近似，這種近似將導(dǎo)致一定的誤差，必須予以修正。,8.4.4 主要的誤差改正項(xiàng)及觀測(cè)方程,1.對(duì)幾何上所作的近似進(jìn)行的修正,63,8.4.4 主要的誤差改正項(xiàng)及觀測(cè)方程,2.傳播介質(zhì)延遲改正,從脈沖星發(fā)出的頻率為f的信號(hào)在星際介質(zhì)中的傳播群速度VG為：,,所以該信號(hào)從脈沖星傳播到觀測(cè)者所經(jīng)歷的實(shí)際時(shí)間為：,,,