1、%及大彎衛星多普勒定位系統姓 名：張永奇學 號：0826010 指導教師：劉萬林 副教授目錄第一章緒論 1第二章衛星多普勒定位系統 32.1 發展簡史3.2.2 空間部分4.2.3 地面跟蹤網7.2.4 用戶接收設備8.第三章衛星多普勒測量原理 103.1 多普勒效應1.0.3.2 多普勒積分法1.1.3.3 衛星多普勒定位原理1.13.4 衛星多普勒導航計算模型1.23.5 衛星多普勒定位方法1.23.6 衛星多普勒網的建立1.3第四章衛星多普勒定位的數據采集與處理 144.1 衛星的基本信息1.4.4.2 導航衛星預報1.5.4.3 衛星多普勒數據的預處理1.6第五章衛星多普勒觀測的誤差分

2、析 175.1 概述 1.7.5.2 軌道誤差1.8.5.3 折射誤差2.0.5.4 .接收誤差 2.1.第六章衛星多普勒定位的應用 22第七章衛星多普勒定位技術的進一步發展 23參考文獻 25衛星多普勒定位系統第一章 緒論衛星多普勒定位技術是現代大地測量采用得較為廣泛較有成效的新技術之一。近幾年來，在我國的生產、科研和教育部門，均引用了此項新技術，且有更為普及的趨勢。自從 1958 年人造地球衛星（以下簡稱衛星）發射成功以后，經典大地測量學與天文學、地球物理學相互滲透，產生了大地測量學的新分支衛星大地測量。自六十年代以來，衛星大地測量獲得了突飛猛進的發展，并在空間技術和地球科學方面發揮著日益

3、重要的作用。衛星大地測量的實質，就是利用人造衛星的觀測資料來實現大地測量的目的。因此，衛星大地測量的任務可概括為如下幾點：1. 精確測定地球的大小和形狀、地球外部引力場、地極運動、大陸板塊間的相對位移和研究大地水準面的形狀。這不僅是大地測量學的主要任務，而且對其它科學技術也有重要意義；2. 精確測定地面點相對于地球質心的坐標（地心坐標）。 這樣， 就能夠把世界上不同地區的地面大地網精確地聯系起來，建立統的世界大地測量坐標系，為研究地心坐標系運動提供可靠資料；3. 加強國家天文大地網，并提高其精度。現有的大地測量成果具有幾何和物理的兩重性，即平面位置是在某個參考橢球面上，用幾何方法（三角或導線測

4、量 ）推算測定，而高程則由某地的平均海水面，用物理方法（水準測量）傳遞測定。利用衛星大地測量的方法可以對大面積的天文大地網進行加強或控制，以及不斷提高其精度；4. 困難地區布設測圖拉制。根據目前美國海軍導航衛星系統所達到的精度，很多國家已直接用衛星多普定位法，在困難地區布測控制網。它可以提高工作效率，避免外業造標工作，降低作業成本；5. 海島聯測，包括海上定位等。衛星大地測量可以對遠離大陸的島嶼，以及沿海的石油鉆臺進行大地聯測。這不但速度快，精度好， 而且是常規大地測量無法進行聯測的唯一有效手段。除此，衛星大地測量，特別是衛星多普勒測量在海上導航、石油助探、監測/*+*«*MMM *

5、才* * TjJ 2-l -4.*冰川運動、地殼運功和軍事等方面有著廣泛的應用。衛星大地測量，就其觀測手段通常可分為光學攝影法、 激光測距法相無線電 技術法三種。光學攝影法，包括目視光學觀測，電影經緯儀觀測。目視光學觀測 能很快地獲得衛星的近似位置，所以在人造地球衛星觀測的最初階段使用得較廣 泛。由于觀測精度較低（方向精度為5"20"記時精度為0.01"）,所以被后來發展 的光學電影法所替代。這種攝影法，是以恒星天空為背景，用大口徑光學望遠鏡 對恒星進行攝影。通過底片上恒星與衛星軌跡的量測，可以確定衛星在空間相對 于恒星的位置。2第二章 衛星多普勒定位系統衛星多普

6、勒大地測量主要是利用美國海軍研制的導航衛星系統。該系統最初稱為子午衛星,以后改用海軍導航衛星系統，最后又稱為導航衛星(NAVSAT)。2.1 發展簡史美國為了對裝有北極星導彈的潛艇的慣性導航系統進行有效的檢核，由美國海軍武器實驗室(NWL)(現改名為海面武器實驗寶 NSWL),委托美國霍布金斯大 學的應用物理實驗室(JHU-APL)研制衛星導航系統。APL于1958年12月開始研 制， 1964 年投入軍用，除為北極星潛艇導航外，還為其它軍艦和海洋考察船導航之用。1967 年 7 月經美國政府批準解密，可供商用。因此，開始用于各種遠洋船舶導航及海上定位。1964 年以后，也開始研究利用該系統來

7、解決大地測量的任務， 隨著該系統的精度不斷提高，越來越廣泛地用來解決大地測量和地球動力學方面的一系列問題。由于該系統具有全天候、全自動、 全球覆蓋和具有較高精度等特點，因而在世界上獲得日益廣泛的應用。導航衛星系統的設計思想，最初是由霍布金斯大學應用物理實驗室的幾名研究人員提出來的。在使用無線電跟蹤蘇聯第一顆人造地球衛星時，維芬巴赫(George C. Weiffe-nbach)和吉爾(W川iam H.Guier)發現可以利用多普勒頻移來測定衛星的軌道。不久，當時任應用物理實驗室研究中心主席麥克盧爾(FrankT McCMlure) 提出，利用預測的軌道使用多普勒測量的方法來測定地面接收站位置的

8、設想。經過一系列的論證和技術準備以后，在以下四個方面正式開展了研制工作：(1)研制TRANSIT 衛星系列；(2)建立地面跟蹤網，以提供預測的軌道參數；(3)研制地面接收設備；(4)開展衛星軌道理論，地球引力場和地球形狀的研究。建立導航衛星系統以后，根據美國本土四個跟蹤站36小時的觀測數據，再外推 16 小時的衛星軌道參數。由注入站將此預測的衛星軌道參數定期注入衛星，衛星將此軌道參數，經相位調制后播發出去，通常稱它為廣播星歷。此外，還有/*+*«*MMM *才* * TjJ 2-l -4.*分布在全球各地約19個觀測臺站組成的全球子午衛星跟蹤網（TRANET）。這些 臺站大多為各國的

9、天文臺或衛星觀站。 按全球跟蹤網的觀測資抖，匯總并計算子 午衛星的精密星歷。起初由應用物理實驗室計算并提供，目前由美國國防部測圖 局地形測量中心（DMATC）計算和提供。通常只計算二顆子午衛星的精密星歷。該精密星歷只提供與美國政府有協議的天文臺、衛星觀測站和有關單位。為了提高廣播星歷的精度，導航衛星系統于1974年1月顧及了極移改正，即歸算到CIO平極。還于1975年12月起作了一些重大改進，首先將原來的地 球引力場模型AFL4.5改為WGS-72系統。然后在全球衛星跟蹤網共同平差基礎 上，對美國本土四個跟蹤站的地心坐標進行了改進，以使它們與全球衛星跟蹤網 有更好的內部符合。除此.還采用了一個

10、改進的光壓模型，改善了日一月效應攝 動的計算，以及消除了計算進動（章動）中出現的微小攝動。這一切都使子午衛星 軌道的外推誤差減小了，從而提高了廣播星歷的精度。導航衛星系統由美國海軍宇航組負責，共總部設在加利福尼亞州的穆古角。 美國海軍天文臺參加時間校核。導航衛星系統由空間部分-衛星，地面跟蹤網和用戶接收設備組成。2.2空間部分第一顆子午衛星"TRANSIT-IA ”于1959年9月17日，用雷神一艾布爾火箭發射， 因為火箭的第三級未點燃，故未能進入軌道。雖然如此，它卻初步地解決了子午 衛星本身的一系列問題，為整個子午衛星系統的研制成功奠定了基礎。第二顆子 午衛星”TRANSIT-1B

11、”于1960年4月13日發射成功。整個衛星呈圓球形，天線 在每個半球表面呈螺旋狀，太陽能電池安置在圓球的中央，呈一環帶。為減少衛 星與運載火箭脫離后仍存在的高速旋轉，有一個附加重量的鋼索，在為星入軌后， 將自動向外拋去。它象一條旋轉的臂，使慣性矩增加，以減少旋轉速度。衛星穩 定后，它就隨其重量拋出。衛星的姿態仍采用磁力控制，使衛星與地磁場的方向 一致。TRANSIT-2A和TRANSIT-3A分別于1960年6月22日和11月30日發射。 后者由于火箭故障未能進入預定軌道。TRANSIT-3B于1961年2月21日發射。由于火箭故障形成扁率很大的橢圓/*+*«*MMM *才* * T

12、jJ 2-l -4.*軌道。衛星經過近地點時，受到大氣阻力造成的軌道遞降，于幾星期后燒毀。但 卻第一次成功地進行了衛星注入和存貯系統的試驗。TRANSIT-4A于1961年6月29日發射成功。TRANSIT-4B子1961年11月25日與另一顆特雷克衛星同時發射。特雷克 衛星是用于試驗重力定向的，其目的是使以后的子午衛星的天線指向地心。這次試驗雖不完全成功，但證實了采用重力定向的可能性和現實性。這種定向方法成功地為現在的子午衛星所采用。子午衛星的試驗階段至此基本結束。第一顆實用子午衛星于1963年12月發 射成功，并開始為北極星潛艇和其它潛艇導航。它是一個約30cm *46cm的六面體，并具有

13、四個太剛能電池的網狀翼，重量約50.4kg.在衛星進入軌道后，四個翼自動展開，翼上嵌裝著太陽能電池，以保證電源的供應。第一批實用衛星壽命較短，大約一年后就不能工作。主要原因是太陽能電池 的熱量循環導致電路連接部分的破裂。 這個問題解決后，衛星的使用壽命使大大 提高了。所有的試驗衛星和第一批實用衛星均由 APL研制。它于1967年4月至 9月發射了三顆子午衛星，一直運行到現在。這種衛星稱為OSCAR衛星。以后的子午衛星由美國無線電公司（BCA）制造，于1968年后又發射了三顆，目前還 有十三顆OSCAR衛星存放在BCA的倉庫里，留作備用。另有九個偵察兵火箭 備用。子午衛星由火箭送入軌道后，仍在高

14、速旋轉，此時四翼自動展開，使衛星旋 轉速度大幅度地減弱。然后利用四翼上的地磁阻尼棒來消除平衡過程中產生的擺 動。約一天內可使衛星消除旋轉，穩定下來。最后，一根長 30m的重力穩定桿 伸了出來，桿端有一個1.3kg重荷，使衛星天線的端面在重力作用下平穩地對著 地心。重力梯度穩定桿有點象鐘擺，當它的縱軸一旦偏離鉛垂線，衛星就慢慢地 來回擺動，而不是立即停下來。此時還要靠翼上的磁阻尼棒來吸收擺動的能量， 使振幅逐漸降到10二以內衛星內有一套復雜的電子系統。 它包括：一套接收裝置，一個5MHz高穩定 度的振蕩器，兩個1.5W發射機一個相應調制的編碼裝置， 一套含有35K的磁芯 存貯系統，一個定向天線以

15、及控制線路等。除存貯系統外，約行 6200個電子元衛星振蕩器的頻率為5MHz,經過倍頻、分頻后，通過定向天線，同時連續 播發400 MHz和150MHz兩種穩定的相干頻率。衛星的接收裝置用來接收地面 注入站發來的時間和軌道參數以及指令并將這些數據存入存貯器。根據預定的程序和指令，通過相位調制編碼裝置，調制在載波上播發出去。在衛星通過期間，頻率穩定度為10-11。衛星振蕩器經分頻后，控制存貯照相 調相編碼器，使衛星軌道參數編碼后，按世界時 （UTC）偶分數調相到載波上發射 出去。所以播發的信號不僅提供了穩定的載波頻率和衛星軌道參數，也提供了定時信號。衛星的接收機從地面注入站周期性地獲得修正過的衛

16、星軌道參數和時間 改正數，此改正數也存在存貯器中，并且每隔96%進行一次調整。 一直到1977 年有六顆子午衛星在軌道上運行。 其中30180號衛星由于穩定桿斷裂，定向不正 確，1978年就停止了使用。1977年12月22日發射了一顆新型的子午衛星，編 號為30110,它在試驗階段被稱為了 TIPS衛星，現在稱為NOYA衛星。NOVA 衛星發射的信號與OSCAR衛星完全一樣但是接收到的信號電平要增加 3-4dB, 并且在兩個頻道上天線將都是左手極化的。除此，NOIA衛星還有一些重要的改進，主要是帶有干擾補償系統（DISCOS）,用于消除大氣阻尼的影響；還有時間（頻 率）控制的改進，以及星載可編

17、程序計算機等。NOVA衛星除用于導航定位目的外，尚有其他軍事用途。目前準備生產三顆， 全部將為五顆。據1979年1月第二次國際衛星多普勒大地測量討論會上霍斯金 斯代表美國海軍戰略系統設計局（SSPO）告稱，美國海軍將于1990年前維持四 顆衛星的導航系統，即包含兩顆OSCAR衛星和兩顆NOVA衛星，直到有新的導 航衛星系統替代為止。由于衛星軌道在空中的進動，使得每顆衛星的軌道平面在赤經方向上的分布 出現了不均勻的現象。它使得相鄰兩顆衛星通過某地的時間間隔很不均勻， 有時 可長達3-5h,有時則出現先后或同時有兩顆衛星通過的現象。應該指出，子午衛星系統作為導航系統的最主要缺點就是它的不連續性。*

18、2.3地面跟蹤網知識就是力量M知識就是力量*為了維持子午衛星的正常工作，海軍宇航組負責組織實施地面跟蹤網，它包 括四個跟蹤站，一個控制與計算中心，以及兩個注入站。美國海軍天文臺只參加 對時間進行校正工作。四個跟蹤站：位于加利福尼亞州的穆古角，緬因州的普羅 斯佩克特港，明尼蘇達州的羅斯芒和夏威夷群島的哈西瓦。它們對每顆子午衛星的兩個頻道信號進行跟蹤和多普勒測量，并將觀測的多普勒數據傳輸給計算中 心。控制與計算中心位于加利福尼亞州的跟蹤站一起。它將四個跟蹤站傳輸來的觀測數據，首先按衛星分別匯集成組，然后近行軌道認算。根據36h內對衛星的 觀測資料，考慮到地球引力場的不規則、 大氣阻尼、太陽輻射和日

19、月引力等各種 攝動因素，計算出每顆衛星的精確軌道。然后用外推法計算未來16h的衛星平均 軌道，以及每兩分鐘或四分鐘對平均軌道的改正量。最后將外推的軌道參數傳輸 給位于加利福尼亞州穆古角的注入站或位于明尼蘇達州的羅斯芒特的注入站。它們的作用是接收和整理由計算中心傳遞來的數據信息。并且將整理好的衛星電文數據，用快速數傳的方法向衛星注入。注入后要進行檢核，發現錯誤，立即進行 重新注入，直到正確為止。約每12h對每顆衛星進行一次注入。注入時把衛星上 原來存貯的數據沖掉，代之以新的軌道數據。美國海軍天文臺負責提供標準的出界時（UTC）,并對衛星時標進行校淮，校 準的誤差不大于50%。四個地面跟蹤站，二個

20、注入站，一個計算中心以及海軍天文臺都由海軍宇航 組通過控制中心進行協調和指揮。除了上述的地面跟蹤網外，利用全球分布的天文臺或衛星站， 根據政府間的 協作，參加子午衛星的跟蹤。這樣就構成了 15-20個臺站的全球子午衛星跟蹤網， 稱為TRANET。將該網中各臺站的觀測數據都匯集起來，對子午衛星進行精確 定軌。并且只對一或二顆衛星編制了精密星歷表，事后提供給協作單位和有關部 門進行精確定位計算之用。精密星歷提起初由海軍武器實驗室計算并提供。 目前 出美國國防部測圖局地形測量中心進行計算，并提供使用。*2.4用戶接收設備知識就是力量M知識就是力量*用戶接收設備是用來跟蹤，接收子午衛星信息，并將觀測數

21、據記錄在穿孔紙 帶或盒式磁帶上。按用途接收機設備可分為導航型和大地型兩大類。他們的主要區別是，導航型要求定位精度較低，但必須對每次衛星通過進行實時的計算，以及連接其他導航設備進行航位推算。而大地型則要求定位精度盡可能高，又要便 于野外攜帶，并且要求觀測數據記錄完整，便于事后采用各種平差方法進行處理 等。(1)導航型接收設備通常可分為單頻和雙頻兩種。美國美樂華公司與1968年生產第一臺單頻接收設備MX-702CA,它包括天線(含前置放大器)，接收機，計算機和打印設備。隨 著電子技術的不斷飛發展，以后配用微處理機。與1975年生產了第一臺配有微處理機的MX-902B,于1976年生產了 MX-11

22、02,這類接收機的特點是，采用了 微處理機技術，使接收機計算機和顯示器做出一個整體。加拿大馬可尼(CMC)公司生產的單頻接收設備 CMA-750.它包括天線(含前置放大器)，接收機，小型 計算機，顯示器和打印機。法國電氣設備與信號設備公司(CSEE)和電信有限公司(SAT)生產的單頻接收機為 SYLOSAT-C型。它包括天線，前置放大器，接收 的電子裝置和顯示器傳輸裝置，日本太陽交易株式會社生產的單頻接收機為 FSN-11A型。日本無線電有限公司生產的單頻接收機為 兒E-3100型。雙頻導航接收機設備與單頻導航型的區別在于接收衛星兩個頻道的信號，可進行電離層折射改正，以提高導航定位的精度。除軍

23、用外，雙頻導航接收機多用 于遠洋商輪，海洋考察船，沿海石油勘探等。(2)大地型接收設備大地型接收設備皆為雙頻接收機。第一代大地型接收機是美國MX公司于1965年為軍用而生產的，型號為 AN/PRR,又稱大地接收機。MX公司于1975年 生產了第二代大地接收機，型號是 MX-702A-3D,又稱GEO-H .這類接收機主要 分為野外部分和內業處理部分。野外部分包括接收機，天線和紙帶穿孔機。內業 計算部分包括HP-2100小型計算機，電傳打印機，以及光電輸入機。隨著微處 理機技術的飛速發展，1976年后出現了第三代大地型接收機。其中有 MX公司/*+*«*MMM *才* * TjJ 2-

24、l -4.*生產的MX-1502大地接收機。美國JMR公司和英國DECCA公司生產的JMR-1 和JMR-1MP大地型接收機。還有加拿大馬可尼公司最近研制的CMA-751大地型接收機。第三代大地型接收機采用微處理機技術， 不但使重量減輕，自動化程 度也有提高，而且還可以進行實時的二維和三維定位計算。他們的實時定位精度相當與第二代大地型接收機的內業處理精度。 為了進行精確的定位計算，第三代 大地型接收機還可以配備專用的計算中心，進行事后處理。通常在這種專用的計算中心上，配有單點定位程序和多點聯測定位程序，他們可以提高定位的相對精度。用戶接收設備的定位精度，不但取決于接收設備的精確度，還取決于衛星

25、定 軌精度和處理方法。9第三章衛星多普勒測量原理3.1多普勒效應1842年，奧地利物理學家約翰克里斯琴多普勒（1803-1853謂過實驗找出， 火車經過時，具汽笛聲調發生變化的原因，實驗是用一個運動的鈴作為聲源，用聲音傳一個固定的音叉作為參考頻率來比較接收的聲頻。如果鈴的頻率為fs,播速度為c,而且在實驗區域內聲音是沿直線傳瓶則鈴的固定額用可用速度波長此s表示,即fsT(3.1)當鈴靜止不動時，則在任何方向都可測定其頻率 fso但是當鈴以速度vs運動時，則聲音傳播速度就會發生較大變化，在鈴的運動方向上為cvs而在相反方向上為cvs,只有在垂直于速度vs的方向上，才是原來的速度c。如果速度vs的

26、方向與鈴至觀測站 p的方向間夾角為Up,則聲音傳播速度的一般表達式為:cn = c Vq cos 二 n psp(3.2)由于鈴相對于固定觀測站p的運動，引起了鈴聲傳播速度的變化，因而在測站p測定鈴的頻率也有所改變，有上式可得在測站p測定鈴聲的頻率f為cDc VS cos二D cvs cos二Df =JL=sp二 _c p; f fs(3.3)式中(3.4)vs cos： D:f =pfs=vs cos p c信號源運動引起的相對于信號頻率 fs的頻移稱為多普勒頻移，也成為多普勒效 應。（3.3）和（3.4）式是頻率與速度的關系式。如果我們要利用多普勒效應進行跟蹤, 就必須求得vs,而vs的求

27、的是以已知的if «p,、為前提的，由此可知，多普勒 測量基本也就是速度測量。在多普勒的實驗之后，還發現多普勒效應在無線電波和光波等連續輻射波的 *Tzlfc事 蚤* *傳播中同樣存在著。當衛星上用固定頻率fs發射連續的無線電波，因為衛星作繞地運動，它和地面接收站間有一個相對速度，所以地面站接收到的衛星信號， 就有頻率的變化，即變化的接收頻率f。這種頻率變化的現象，就稱為多普勒效 應。3.2 多普勒積分法為了精確地測量多普勒頻率&f通常在地面接收機內增加一個固定的頻率， 即本振fk。將接收到的頻率與本振比較，即混頻，得出差拍頻率，最后用積分 的方法導出多普勒頻率或者直接進行定

28、位計算。衛星沿其運行軌道，在相等時間段內的位置。衛星在這些時刻ti,即在位置Si時播發的信號，地面測站 M則要在ti +&i時才能收到。由衛星信號的傳播延 遲可知，在相鄰兩時刻衛星信號之間，地面接收站累計下本振和接收機頻率間差 頻的差拍周期數Ni,它通常稱為多普勒計數。衛星觀測量是多普勒計數N,常數量是波長/和積分間隔T,未知數是頻偏fks和距離差§書-S ,而距離差又是測 站坐標和衛星坐標的函數。由于要求的未知數不同，采用的時標和測量多普勒計 數的方法不同，估算的誤差模型不同，以及數據處理方法的不同，就構成了各種 不同的定位方法。所以接收機實測到得多普勒計數，必須先進行電離

29、層折射改正 和對流層折射改正。3.3 衛星多普勒定位原理多普勒積分法給出了地面點到衛星兩個位置的距離差，也就是說當衛星位置 為已知時，地面點就位于以兩個衛星位置為焦點的一個旋轉曲面上， 該雙曲面與 地球面相交得出一個曲線H 12 .如果在衛星位置之間再進行多普勒積分測量，就可以得出第二個距離差公式，以 及相應的曲線H23,此時，地面點M應位于H 12 ,H 23兩個相交點中的一個交點上。/*+*15.«*mmm *才* *Tjj J-Tl .Si,*如此再有第三條曲線H34就可以確定地面點 M位置。由此可見，多普勒定位的方法，就是一系列雙曲面的定位方法。他們的交點就是相應于時間ti，

30、t2，AA的衛星位置Si，S2，AA o觀測量就是多普勒計數或其相應的衛地距離差。3.4 衛星多普勒導航計算模型衛星多普勒定位計算的模型很多。 但是二維定位計算模型是個基本的模型。 所以這里首先敘述導航定位的計算模型。它的特點是：(1)定位精度較低，計算模型較簡單，收斂性較好；(2)進行二維定位，即解算的未知量為三個；天線 (船位)的緯度、經度和頻偏；(3)天線(船位)是運動的。3.5 衛星多普勒定位方法衛星多普勒定體有三種方法：(1)單點定位法；(2)聯測定位法；(3)短弧法。(1)單點定位法是一種簡單和廣泛用于作業的方法。它是在衛星星歷無誤差 的假定條件下，按單點獨立解算法求定測站位置。當

31、取得精密星歷和只有一臺儀 器時，以采用此法為宜。當只有廣播星歷時，此法受星歷誤差影響較大，如果適 當延長觀測時間，增加衛星觀測的通過次數，則可有限度地削弱其誤差影響。(2)聯測定位法是在不同測站上同步跟蹤同一衛星通過，以測定兩站間的相 對位置。由于星歷誤差和折射誤差在同步跟蹤同一衛星通過的兩站間是相關的， 故在只能使用廣播星歷和有兩臺以上儀器時，采用此法能得到較高的精度。(3)短弧法是在不同測站上共同跟蹤同一衛星通過，以測定兩站間的相對位 置。所謂共同跟蹤同一衛星通過，就是在大約 30min(約為子午衛星周期l06min 的28%)內，可以有先有后地接收同一衛星的多普勒頻移，即在約占28%的一

32、段較短軌道弧上觀測同一衛星。當然，短弧法的本質在于它不把廣播星歷認為無誤 差，而是在數據處理中求出每次衛星通過的軌道根數改正數。近幾年來，這三種方法已取得較多的實測成果，可供使用、分析和參考。更 為廣泛深入的試驗尚在進行之中。才才才 * 矢口. 堂上J L-* *知識就是力量一3.6 衛星多普勒網的建立采用衛星多普勒定位法建立國家和國際大地網已成為主要方法之一，它具有全球性、全天候、速度快、精度高、投資少、重量輕等優點，并能迅速提供地心坐 標和相對坐標。采用衛星多普勒定位法有可能把所有大地網與地心坐標系統以 1-2m的精度聯系起來。而且，在衛星多普勒測站上已經應用其它測量技術，把 局部測量數據

33、確定在以CIO極和BIH零子午線的多普勒坐標系統和地心坐標系 統上。此外，在多普勒站上的甚長基線于涉測量 （VLBI）、激光測月（LLR）、衛星 激光測距（SLR）等，可使長度精度至1: 5000 000以上。當然,衛星多普勒定位 也用于加強大地網，以提高地面測量數據的精度。衛星多普勒網的觀測與計算方案，取決于接收機的質量和數量，要求的測站 間隔，是優先使精度達到最高水平，還是只達到一個既定精度，從而使測量費用 和作業時間減到最少，以及絕對與相對定位精度的各自優先性。13第四章 衛星多普勒定位的數據采集與處理4.1 衛星的基本信息地面注入站傳送給衛星的軌道數據，是存放在衛星存貯系統內的，然后按

34、照控制程序用相位調制在衛星工作頻率上播發出去。這種方法不影響精確的多普勒測量。衛星發射三種信息：(1)供多普勒測量用的兩種相干的穩定頻率，即399 . 968MHz = 400MHz-32kHz 和 149. 988MHz = 150MHz-12kHz ,標稱 400MHz 和 150MHz;(2)衛星的軌道參數；(3)每兩分鐘的時標。衛星軌道參數和時標常統稱為時軌參數。衛星將時軌參數用相位調制的方法調制在工作頻率上，并采用編碼形式。子午衛星每兩分鐘播發一幀含有157 個字的電文。電文最末一個字僅由19比特組成，其余156 字均由 39 個比特組成。因此兩分鐘電文共包含156*39+19= 6

35、103比特。每個比特的周期為 120/6103= 19. 662ms,標稱20ms。衛星電文的格式，衛星存貯系統內的軌道參數，根據預定的程序，每隔2分鐘，被檢測一次，同時播發一幀電文。這幀電文由每字含39 比特的156 字和含19比特的終止字組成。因此一幀電文共含 6103個比特，在120 s內發出，每 個比特的長度為19.662ms衛星電文中除第1, 2和3字用作識別、同步和結出 時標外，其余154個字分為A , B, C三組。A組用于導航定位，B, C組仍用 于軍事目的。衛星電文譯碼，衛星電文A 組中每個字都含有39 個比特。它們的編碼情況如下：前三個比特不用，后面36 個比特每4 個比特

36、表示一個十進制數字。 故每個字含有9 個十進制數字。應該指出，子午衛星播發的軌道參數采用二進制余三代碼(XS3BCD)。通常的子午衛星接收機中裝有譯碼器，將二進制余三 代碼轉換成普通二進制碼或美國信息交換標準碼 (ASCH )。這種碼常用于電傳打 字機和大部分電子計算機。固定參數的譯碼，衛星電文A 組中的固定參數表示衛星的平均軌道，它在兩次注入時間(12-16h)內保持不變。所以在該時間段內 每兩分鐘電文都是重復播發的。可變參數的譯碼衛星每兩分鐘播發一幀電文，其中 8 個字是衛星軌道的可變參數。它們表示衛星運動的實際軌道，也是對平均軌道(固定參數)的修正。每一才才才 * 矢口. 堂上J L-*

37、 *知識就是力量一個可變參數字也由9位十進制數字組成4.2 導航衛星預報在衛星多普勒大地測量工作中，為安排觀測，刪除不符合條件的衛星通過， 需要進行導航衛星頂報計算。此項計算工作，可以結合所使用儀器的特點和功能， 編制成專用程序，它一般由儀器制造商提供，如 MX-1502接收機等，也可以使 用通用計算機，按自編程序，編制成工作星歷，如 CMA-722B接收機。由于導 航衛星的軌道周期較穩，并且播發廣播星萬，提供衛星的時軌參數。所以預報計 算是根據廣播星歷來進行，通常使用三個月內的廣播星歷，以保證預報的時刻誤 差不大于一分鐘。預報計算的方法很多，常用的有試探法。試探法就是根據某時 段接收到的廣播

38、星歷，計算出需要觀測日期開始時刻的衛星坐標， 再將此衛星坐 標與測站概略坐標計算出此時刻的衛星高度角，判別它是否在地平面上。然后用 增加時間的辦法試探被預報的衛星是否再次出現地平面上。如此試探下去，直到需要觀測日期的結束時刻為止。如果確定衛星出現在地平面上時，則再用增加時 問的方法計算此次衛星通過時的過頂時刻（最大高度角時刻）和下落時刻，以及通過的方向和方位。這種試探法雖然費時，但比較簡單并可借用導航程序的某些 子程序。這里敘述的衛星預報計算方法，是以高度角條件和升赤經條件作為初選， 對某一顆被預報的衛星來說，只要簡單的運算就可確定該圈衛星是否能被某測站 觀測到。然后可以用試探法或者采用多項式

39、擬合求根值和極值的方法，來確定該次衛星通過時上升，下落以及過頂的時刻，還要確定衛星通過的方向和方位。起始數據中導航衛星每兩分鐘播發一幀電文， 它包含可變參數8個字和固定 參數17個字兩部分。表示瞬時衛星軌道的可變參數，每兩分鐘改變一次。而表 示衛星平均軌道的固定參數，在兩次注入期約12小時內是不變的。導航衛星的預報僅利用固定參數中前12個字作為起始數據輸入。子午衛星的預報計算首先要根據起始數據進行初選。 初選的目的就是確定在 某測站上衛星可見段的開始時刻，即確定衛星由測站地平面上升的時刻。為此， 首先提出高度角條件。才才才 * 矢口. 堂上J L-* *知識就是力量一4.3 衛星多普勒數據的預

40、處理預處理就是對衛星多普勒數據進行解碼、計算和檢驗，共主要內容有：衛星 多普勒數據記錄格式，多普勒計數的歸算，衛星軌道的擬合，衛星坐標的計算， 測站點地心坐標近似值的計算，衛地距離和衛星高度角以及對流層折射改正的計 算，本機時標與衛星時標的換算等。 在計算過程中應進行各種數據檢驗， 并擬定 各種檢驗標準，凡符合標準的數據予以保留，不符合標準的數據一般均剔除。數據預處理的程序，因計算機型號和記錄設備不同而異。對接收機所提供的 觀測數據進行預處理的程序稱為多數判決，它一般由設備制造商提供，該程序用 于數據簡單檢驗并使數據壓縮。在這所述的預處理是經過多數判決后的預處理。 衛星多普勒數據記錄格式，因接

41、收機和記錄設備不同而異。16第五章 衛星多普勒觀測的誤差分析5.1 概述子午衛星導航系統的坐標是以地球質心為原點(它與地心相差約為1m,即X =0.5m, Y =-1.3m, AZ=0.7m),短軸與地球自轉軸相重合的空間三維直 角坐標系，簡稱地心坐標系，同時也采用”1972年世界大地測量坐標系”(WGS-72) 的地球模型，該系統是利用了近代的衛星、天文大地和重力資料，在WGS-66基礎上改進的，其主要地球參數為 a = 6378135( _5)m b =a(1 - f) =635675。52m f =1/298.26(_0.6 10) GM = 398600.5km3/s2(_0.4)以上

42、確定地球模型、坐標系以及地球位函數的球諧系數，統稱為定場。子午衛星導航系統是由近似圓形極軌道的六顆衛星組成 (其中有一顆衛星已 不能正常工作)，平均高度為1100km,角速度為3.4o/min ,地平以上可觀測的持 續時間為18分鐘，衛星視區范圍的直徑為6700km,如顧及衛星運行周期和地球 自轉周期，每圈視帶向西移動約 26°,相當于平均距離為 2500km,同一顆衛星 兩次經過的視帶重疊范圍可達 60%,在中緯度地區大約每60分鐘可接收到任一 顆子午衛星在赤道上大約每120分鐘可接收到任一顆子午衛星，因此，子午衛星 視帶基本上覆蓋全球。子午衛星提供了精確的時標和軌道信息。在每顆衛

43、星里，備有一臺 5MHz 高穩定度的標準振蕩器(穩定為3M1011/天)，經過倍頻器(X80, X30),發射出 399.68MHz和149.988MHz的兩個相干載頻。標準振蕩器的輸出信號經分頻器后， 用來控制存儲器系統，調相到150 MHz和400 MHz信號上讀出和編碼。由于導 航電文被控制在每個偶分鐘的開始和結束的瞬間發出，所以電文不僅提供固定的標頻和導航電文，還提供定時信號。在導航電文中，包括了已解密的A組軌道參數，即平滑處理的開普勒密切橢圓的固定參數及對此所作修正的可變參數，統稱為廣播星歷。在可使用的五顆衛星中，衛星序號為 NNSS 30190和30140兩顆/*+*«*

44、MMM *才* * TjJ 2-l -4.*衛星，編算了精密星歷。利用多普勒接收機可以確定軌道參數，簡稱定軌。根據導電文(或精密星歷)，可以得到以時間為函數的衛星位置。為了測定 測站坐標，可以利用各種類型接收機來測量多普勒頻移，從而求得測站與衛星問距離差。定站計算是根據衛星軌道參數和近似的測站坐標計算出距離差，利用各種數學模型，將計算值最佳地擬合到多普勒觀測值上，即可定出測站坐標改正值， 這種方法簡稱定站。定場、定軌、定站三者是密切相關的，互為因果的。在衛星大地測量和天體 測量中已知衛星位置(或恒星坐標)，可以測定測站坐標，或者已知測站位置，可 以測定衛星軌道參數(或恒星星表等)，其數據處理互

45、為逆運算。目前在國際上進行衛星多普勒定位，一般采用兩類方法，即1 .軌道參數不參加平差，如：(1)單點定位法，(2)聯測定位法。2.軌道參數參加平差，如(1)短弧法，(2)半短弧法。不論采用那種方法，都必須研究衛星多普勒觀測的誤差因素。根據有關文獻 指出，衛星多普勒觀測的誤差源可分為三類，即軌道誤差，折射誤差和接收誤差。 本章將討論上述誤差的成因，誤差的量級，以及削弱或測定誤差的方法，并為擬 定衛星多普勒觀測網的實施方案提供理論依據。5.2軌道誤差子午衛星的軌道誤差主要取決于衛星攝動方程的模型，折射影響的清除程度，衛星跟蹤站的坐標精度，衛星裝置和地面接收機的工作性能起算數據的精度 及其計算軌道

46、的程序等。1974年1月27日廣播星歷由于消除極移誤差(約10 m) 而得到改進，1976年12月12日起采用 WGS-72地球模型作為衛星星歷的計算 基礎，使軌道誤差大為減小。目前，就單點定位解算成果而言，假如使用精密星歷解算，在多次衛星通過后，可望達到±0.5m,而使用廣播星歷解算的精度并不包括多普勒定位系統本身與外部各種標準的差異。放在估算衛星多普勒定位成果/*+*«*MMM *才* * TjJ 2-l -4.*的外精度時，必須根據由衛星多普勒定位系統求得的坐標、距離、方位角等與其 它系統，其它方法所求得的坐標、距離、方位角等進行比較后才能做出估計。而 在這些比較和估

47、計中，子午衛星的星歷誤差通常被視為是衛星多普勒系統與外部 坐標有差異的主要原因之一。因此，我們首先將精密星歷與廣播星歷及其相互關 系概述如下。多普勒定位成果與外部各種標準的比較研究已進行了很長一段時 問。這些外部標準包括特級導線、甚長基線干涉測量、月球激光測距、衛星激光 測距和深空間網。這些互相比較的結果可歸納為：(1)精密星歷坐標系統的原點；(2)精密星歷坐標系統的經度零點；(3)精密星歷坐標的Z軸指向；(4)精密星歷姿標系統的尺度.應用廣播星歷進行衛星多普勒定位， 顯然有很多優點。在某些情況下，廣播 星歷可以說比精密星歷更為重要。例如：(a法絕對定位精度要求不高的情況下； (b)必須要求實

48、時定位，如導航的條件下；在那些沒有精密星歷的國家。所以,了解廣播星歷及共與精密星歷的差別是很有必要的。(1)預報誤差；(2)時間改正誤差；(3)極移引起的誤差；(4)程序常數；(5)限蹤站坐標；(6)南北不平衡的影響.關于單點定位廣播星歷解算中削弱偶然誤差的問題，可以概括以下三點：(1)由于大氣阻力攝動所引起的衛星切向誤差，致使廣播星歷(預報星歷)定位解算的內精度決不可能象精密星歷(事后測定的星歷)那么好。然而，對于一個含 有足夠衛星通過次數的對稱通過組， 在它的單點定位絡果中，切向誤差對測站經 度的影響可以減弱，對測站緯度影響可以基本消除。(2)對稱通過組準確的解釋是：南行衛星和北行衛星的通

49、過次數必須相等， 通過的時間應力求對稱。在滿足這個要求前提下，也要盡可能使得衛星在測站的 東向和西向通過次數大致相等，這一要求對改善定位結果中經度的精度有重要意(3)對稱通過組還應要求各個不同多普勒衛星的通過次數在該通過組中不要 相差太懸殊。對新發射的NOVA衛星(衛星號在440以后)的定位結果結較大的權。在采取以上措施以后，廣播星歷單點定位解算成果中的偶然誤差可望減小得 多。由于計算廣播星歷所采用的坐標系統、重力場模型和程序設計與精密星歷的 相應數值比較，存在著一些系統性的差別。因此。在衛星多普勒單點定位中應用 廣播星歷解算時，所解得的測站空間直角坐標與精密星歷的解算結果比較，也存在著系統誤

50、差。止匕外，在衛星多普勒單點定位中，既使應用精密星歷解算，其定 位結果與真正的地心坐標也還有一些系統誤差。但是，這些都可以用坐標轉換的方法來消除。(1)單點定位中，廣播星歷解算和精密星歷解算之間系統誤差的削弱途徑(2)將精密星歷或偽精密星歷解算結果轉換到地心坐標系5.3 折射誤差子午衛星的射頻信號在空間介質里傳播，必然經過電離層和對流層而產生折 射。根據國際無線電咨詢委員會規定：衛星通信頻率的最佳范圍是1000至10000MHz,這個范圍的電波可看作自由空間傳播。子午衛星發射的雙頻在穿過 各層大氣時，受各層不同介質所擴射，這種折射效應反映為電磁波穿過各目時傳 播邊度的變化以及射線傳播路徑偏離幾

51、何直線路徑，因而嚴錄地影響到多普勒計 數的失真。魏芬巴奇和霍普菲爾德提出了衛星發射兩個相干頻率可以得到電離層折射 的一階改正值，并推導了對流層大氣垂直剖面的最佳模型，利用地面氣象數據和衛星仰角就可推算對流層折射改正。威爾曼和庫巴等也先后提出對流層折射改正 模型。太陽輻射包括短波能量，足以在地球高層大氣中引起顯著的光致電離現象， 這樣所形成的電離區稱為電離層。 在所討論的折射誤差中，影響最為嚴重的是電 離層(特別是F層，離地面距離250km)折射。當衛星發射雙頻信號穿過電離層時。 由于它與自由電子和離子的互相作用， 電磁波的波長被拉長，這種現象表現出信/*+*«*MMM *才* * T

52、jJ 2-l -4.*號相速大于光速這一色散介質的特征。 可以證明，波長的伸長與發射頻率的平方 成反比（限于一次近似）。由于衛星運動改變了穿過電離層的路徑長度和波長伸長 的變化率，使地面站所接收的多普勒頻移中包含了電離層折射影響。非電離層由平流層和對流層組成， 離地面高度為60km以下，大氣折射的80%是 由于對流層折射引起。對流層折射系數大于1,它是大氣狀態和衛星仰角的函數， 而與衛星發射的頻率無關。當衛星發射的信號穿過對流層時，電磁波的傳播速度 減慢從而壓縮信號的波長影響到總的多普勒頻移。 這種折射影響不像電離層折射 改正那樣，可以利用接收雙頻信號檢測出來，而只能根據地面氣象數據（氣壓、干

53、溫、濕溫等）和衛星仰角，按照大氣垂直剖面的最佳模型，求得折射改正理論 值，或者在觀測工作中，避免或舍去衛星低仰角通過的多普勒數據，因為衛星處于地平附近即仰角為零，其折射最大；在測站天頂附近即仰角為90口，則折射誤 差最小。因此，在觀測綱要中應規定，衛星通過的仰角應大子10。由于對流折射改正是地面大氣狀態和衛星仰角的函數，在低仰角（°10°）經過折射改正后，數據不呈隨機變化，而是系統地分布于水平線的一側， 這表明折 射改正對低仰角而論剩余影響甚大，因此在觀測綱要中，不能使用10。以下的多普勒計數。另外，上述各模型都是建立在正常高空大氣狀態的基礎上，當反常氣候如冷、熱氣象鋒面在

54、觀測期間經過測站上空時，將嚴重干擾多普勒觀測結果， 為此必須向氣象部門索取當天氣象資料，以便在分析數據時，剔除這部分成果， 保證觀測成果的可靠性。5.4 .接收誤差接收誤差涉及接收機本身，本機振蕩器以及天線等全部影響。 斯坦塞爾從多 普勒接收機的設計參數出發，研究了木機振蕩器的穩定性、接收機延時、多普勒 計數精度、時間恢復的抖動以及本機的分辨力等，并推估了這些參數對測量精度 的影響。研究接收誤差的目的是為了在計算程序中引入待定系數，建立合理的誤差模型，并在觀測綱要中，采取必要措施以便削弱這類誤差的影響。 我們進行合 適的時標的選擇，以及增加震蕩器的穩定性，減小接收機的噪聲源，以及注意，天線知識

55、就是力量知識就是力量一相位中心的問題，等等都可以減小接收機的誤差的影響第六章衛星多普勒定位的應用從1967年子午衛星系統部分電文解密供民用后， 起初僅用于遠洋船舶的導航 和某些海上目標的定位。后來，美國首先試驗用來進行大地測量。1972年，他們公布了多普勒網的定位成果。由于這種測量具有全球性、全天候、速度快、精度 高、裝備簡單、作業方便等優點，特別是在交通不便的地區更有特殊作用，因此 很快被世界各國包括我國廣泛運用于大地測量、地球物理探測、地質和石油勘探等領域。民用多普勒接收機的銷售量大幅度上升，1982年（45555臺）比1974年（860 臺）增長了 53倍。我國從70年代初期就開始了對這類儀器裝各和理論的研究，不 久就引進國外技術進行實際作業。 在1978年春，我國測繪工作者對西沙群島進行 了多普勒定位測量，將西沙群島的主坐標聯入北京坐標系。 從1978年開始，我國 建立了全國陸地海洋衛星定位網， 對我國廣大地域進行了大規模的作業， 進行了 整體平差，使我國的衛星多普勒定位技術飛速地向世界水平邁進。武漢測繪科技大學完成的”衛星網與地面網的聯合平差以及在西北衛星定位網中的應用項目，獲1988年國家科技進步三等獎。近年來，對南極長城站、中山站的坐標也是 用衛星多普勒定位技術測量的。如對南極長