衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng)[薈萃資料]

1、衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng)姓 名：張 永 奇學(xué) 號(hào)：0826010指導(dǎo)教師：劉 萬(wàn) 林 副教授驕陽(yáng)書(shū)屋a目錄第一章 緒論1第二章 衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng)32.1 發(fā)展簡(jiǎn)史32.2 空間部分42.3 地面跟蹤網(wǎng)62.4 用戶接收設(shè)備7第三章 衛(wèi)星多普勒測(cè)量原理103.1 多普勒效應(yīng)103.2 多普勒積分法113.3衛(wèi)星多普勒定位原理113.4 衛(wèi)星多普勒導(dǎo)航計(jì)算模型123.5 衛(wèi)星多普勒定位方法123.6 衛(wèi)星多普勒網(wǎng)的建立12第四章 衛(wèi)星多普勒定位的數(shù)據(jù)采集與處理144.1 衛(wèi)星的基本信息144.2導(dǎo)航衛(wèi)星預(yù)報(bào)154.3 衛(wèi)星多普勒數(shù)據(jù)的預(yù)處理15第五章 衛(wèi)星多普勒觀測(cè)的誤差分析175.1 概述175.2

2、 軌道誤差185.3 折射誤差205.4.接收誤差21第六章 衛(wèi)星多普勒定位的應(yīng)用22第七章 衛(wèi)星多普勒定位技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展23參考文獻(xiàn)25驕陽(yáng)書(shū)屋a衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng)第一章 緒論衛(wèi)星多普勒定位技術(shù)是現(xiàn)代大地測(cè)量采用得較為廣泛較有成效的新技術(shù)之一。近幾年來(lái)，在我國(guó)的生產(chǎn)、科研和教育部門，均引用了此項(xiàng)新技術(shù)，且有更為普及的趨勢(shì)。自從1958年人造地球衛(wèi)星(以下簡(jiǎn)稱衛(wèi)星)發(fā)射成功以后，經(jīng)典大地測(cè)量學(xué)與天文學(xué)、地球物理學(xué)相互滲透，產(chǎn)生了大地測(cè)量學(xué)的新分支衛(wèi)星大地測(cè)量。自六十年代以來(lái)，衛(wèi)星大地測(cè)量獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并在空間技術(shù)和地球科學(xué)方面發(fā)揮著日益重要的作用。衛(wèi)星大地測(cè)量的實(shí)質(zhì)，就是利用人造衛(wèi)星

3、的觀測(cè)資料來(lái)實(shí)現(xiàn)大地測(cè)量的目的。因此，衛(wèi)星大地測(cè)量的任務(wù)可概括為如下幾點(diǎn)：1. 精確測(cè)定地球的大小和形狀、地球外部引力場(chǎng)、地極運(yùn)動(dòng)、大陸板塊間的相對(duì)位移和研究大地水準(zhǔn)面的形狀。這不僅是大地測(cè)量學(xué)的主要任務(wù)，而且對(duì)其它科學(xué)技術(shù)也有重要意義；2. 精確測(cè)定地面點(diǎn)相對(duì)于地球質(zhì)心的坐標(biāo)(地心坐標(biāo))。這樣，就能夠把世界上不同地區(qū)的地面大地網(wǎng)精確地聯(lián)系起來(lái)，建立統(tǒng)的世界大地測(cè)量坐標(biāo)系，為研究地心坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)提供可靠資料；3. 加強(qiáng)國(guó)家天文大地網(wǎng)，并提高其精度?，F(xiàn)有的大地測(cè)量成果具有幾何和物理的兩重性，即平面位置是在某個(gè)參考橢球面上，用幾何方法(三角或?qū)Ь€測(cè)量)推算測(cè)定，而高程則由某地的平均海水面，用物理方法

4、(水準(zhǔn)測(cè)量)傳遞測(cè)定。利用衛(wèi)星大地測(cè)量的方法可以對(duì)大面積的天文大地網(wǎng)進(jìn)行加強(qiáng)或控制，以及不斷提高其精度；4. 困難地區(qū)布設(shè)測(cè)圖拉制。根據(jù)目前美國(guó)海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)所達(dá)到的精度，很多國(guó)家已直接用衛(wèi)星多普定位法，在困難地區(qū)布測(cè)控制網(wǎng)。它可以提高工作效率，避免外業(yè)造標(biāo)工作，降低作業(yè)成本；5. 海島聯(lián)測(cè)，包括海上定位等。衛(wèi)星大地測(cè)量可以對(duì)遠(yuǎn)離大陸的島嶼，以及沿海的石油鉆臺(tái)進(jìn)行大地聯(lián)測(cè)。這不但速度快，精度好，而且是常規(guī)大地測(cè)量無(wú)法進(jìn)行聯(lián)測(cè)的唯一有效手段。除此，衛(wèi)星大地測(cè)量，特別是衛(wèi)星多普勒測(cè)量在海上導(dǎo)航、石油助探、監(jiān)測(cè)冰川運(yùn)動(dòng)、地殼運(yùn)功和軍事等方面有著廣泛的應(yīng)用。衛(wèi)星大地測(cè)量，就其觀測(cè)手段通?？煞譃楣鈱W(xué)攝

5、影法、激光測(cè)距法相無(wú)線電技術(shù)法三種。光學(xué)攝影法，包括目視光學(xué)觀測(cè)，電影經(jīng)緯儀觀測(cè)。目視光學(xué)觀測(cè)能很快地獲得衛(wèi)星的近似位置，所以在人造地球衛(wèi)星觀測(cè)的最初階段使用得較廣泛。由于觀測(cè)精度較低(方向精度為記時(shí)精度為)，所以被后來(lái)發(fā)展的光學(xué)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(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)恒星進(jìn)行攝影。通過(guò)底片上恒星與衛(wèi)星軌跡的量測(cè)，可以確定衛(wèi)星在空間相對(duì)于恒星的位置。第二章 衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng)衛(wèi)星多普勒大地測(cè)量主要是利用美國(guó)海軍研制的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。該系統(tǒng)最初稱為子午衛(wèi)星,以后改用海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，最后又稱為導(dǎo)航衛(wèi)星(NAVSAT)。2.1 發(fā)展簡(jiǎn)史美國(guó)為了對(duì)裝有北極星導(dǎo)彈的潛艇的慣性導(dǎo)

6、航系統(tǒng)進(jìn)行有效的檢核，由美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室(NWL)(現(xiàn)改名為海面武器實(shí)驗(yàn)寶NSWL)，委托美國(guó)霍布金斯大學(xué)的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(JHU-APL)研制衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。APL于1958年12月開(kāi)始研制，1964年投入軍用，除為北極星潛艇導(dǎo)航外，還為其它軍艦和海洋考察船導(dǎo)航之用。1967年7月經(jīng)美國(guó)政府批準(zhǔn)解密，可供商用。因此，開(kāi)始用于各種遠(yuǎn)洋船舶導(dǎo)航及海上定位。1964年以后，也開(kāi)始研究利用該系統(tǒng)來(lái)解決大地測(cè)量的任務(wù)，隨著該系統(tǒng)的精度不斷提高，越來(lái)越廣泛地用來(lái)解決大地測(cè)量和地球動(dòng)力學(xué)方面的一系列問(wèn)題。由于該系統(tǒng)具有全天候、全自動(dòng)、全球覆蓋和具有較高精度等特點(diǎn)，因而在世界上獲得日益廣泛的應(yīng)用。導(dǎo)航衛(wèi)星系

7、統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，最初是由霍布金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的幾名研究人員提出來(lái)的。在使用無(wú)線電跟蹤蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星時(shí)，維芬巴赫(George CWeiffe-nbach)和吉爾(William H.Guier)發(fā)現(xiàn)可以利用多普勒頻移來(lái)測(cè)定衛(wèi)星的軌道。不久，當(dāng)時(shí)任應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研究中心主席麥克盧爾(Frank TMcCMlure)提出，利用預(yù)測(cè)的軌道使用多普勒測(cè)量的方法來(lái)測(cè)定地面接收站位置的設(shè)想。經(jīng)過(guò)一系列的論證和技術(shù)準(zhǔn)備以后，在以下四個(gè)方面正式開(kāi)展了研制工作：(1)研制TRANSIT衛(wèi)星系列；(2)建立地面跟蹤網(wǎng)，以提供預(yù)測(cè)的軌道參數(shù)；(3)研制地面接收設(shè)備；(4)開(kāi)展衛(wèi)星軌道理論，地球引力場(chǎng)和地

8、球形狀的研究。 建立導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)以后，根據(jù)美國(guó)本土四個(gè)跟蹤站36小時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，再外推16小時(shí)的衛(wèi)星軌道參數(shù)。由注入站將此預(yù)測(cè)的衛(wèi)星軌道參數(shù)定期注入衛(wèi)星，衛(wèi)星將此軌道參數(shù)，經(jīng)相位調(diào)制后播發(fā)出去，通常稱它為廣播星歷。此外，還有分布在全球各地約19個(gè)觀測(cè)臺(tái)站組成的全球子午衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)(TRANET)。這些臺(tái)站大多為各國(guó)的天文臺(tái)或衛(wèi)星觀站。按全球跟蹤網(wǎng)的觀測(cè)資抖，匯總并計(jì)算子午衛(wèi)星的精密星歷。起初由應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室計(jì)算并提供，目前由美國(guó)國(guó)防部測(cè)圖局地形測(cè)量中心(DMATC)計(jì)算和提供。通常只計(jì)算二顆子午衛(wèi)星的精密星歷。該精密星歷只提供與美國(guó)政府有協(xié)議的天文臺(tái)、衛(wèi)星觀測(cè)站和有關(guān)單位。 為了提高廣播星歷的精

9、度，導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)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(jìn)，首先將原來(lái)的地球引力場(chǎng)模型AFL4.5改為WGS-72系統(tǒng)。然后在全球衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)共同平差基礎(chǔ)上，對(duì)美國(guó)本土四個(gè)跟蹤站的地心坐標(biāo)進(jìn)行了改進(jìn)，以使它們與全球衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)有更好的內(nèi)部符合。除此還采用了一個(gè)改進(jìn)的光壓模型，改善了日月效應(yīng)攝動(dòng)的計(jì)算，以及消除了計(jì)算進(jìn)動(dòng)(章動(dòng))中出現(xiàn)的微小攝動(dòng)。這一切都使子午衛(wèi)星軌道的外推誤差減小了，從而提高了廣播星歷的精度。導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)由美國(guó)海軍宇航組負(fù)責(zé)，共總部設(shè)在加利福尼亞州的穆古角。美國(guó)海軍天文臺(tái)參加時(shí)間校核。導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)由空間部分-衛(wèi)星，地面跟蹤網(wǎng)和用戶接收

10、設(shè)備組成。2.2 空間部分第一顆子午衛(wèi)星”TRANSIT-IA”于1959年9月17日，用雷神艾布爾火箭發(fā)射，因?yàn)榛鸺牡谌?jí)未點(diǎn)燃，故未能進(jìn)入軌道。雖然如此，它卻初步地解決了子午衛(wèi)星本身的一系列問(wèn)題，為整個(gè)子午衛(wèi)星系統(tǒng)的研制成功奠定了基礎(chǔ)。第二顆子午衛(wèi)星”TRANSIT-1B”于1960年4月13日發(fā)射成功。整個(gè)衛(wèi)星呈圓球形，天線在每個(gè)半球表面呈螺旋狀，太陽(yáng)能電池安置在圓球的中央，呈一環(huán)帶。為減少衛(wèi)星與運(yùn)載火箭脫離后仍存在的高速旋轉(zhuǎn)，有一個(gè)附加重量的鋼索，在為星入軌后，將自動(dòng)向外拋去。它象一條旋轉(zhuǎn)的臂，使慣性矩增加，以減少旋轉(zhuǎn)速度。衛(wèi)星穩(wěn)定后，它就隨其重量拋出。衛(wèi)星的姿態(tài)仍采用磁力控制，使衛(wèi)

11、星與地磁場(chǎng)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(fā)射。后者由于火箭故障未能進(jìn)入預(yù)定軌道。 TRANSIT-3B于1961年2月21日發(fā)射。由于火箭故障形成扁率很大的橢圓軌道。衛(wèi)星經(jīng)過(guò)近地點(diǎn)時(shí)，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(jìn)行了衛(wèi)星注入和存貯系統(tǒng)的試驗(yàn)。 TRANSIT-4A于1961年6月29日發(fā)射成功。 TRANSIT-4B子1961年11月25日與另一顆特雷克衛(wèi)星同時(shí)發(fā)射。特雷克衛(wèi)星是用于試驗(yàn)重力定向的，其目的是使以后的子午衛(wèi)星的天線指向地心。這次試驗(yàn)雖不完全成功，但證實(shí)了采用重力定向的可能性和現(xiàn)實(shí)性

12、。這種定向方法成功地為現(xiàn)在的子午衛(wèi)星所采用。 子午衛(wèi)星的試驗(yàn)階段至此基本結(jié)束。第顆實(shí)用子午衛(wèi)星于1963年12月發(fā)射成功，并開(kāi)始為北極星潛艇和其它潛艇導(dǎo)航。它是一個(gè)約30cm *46cm的六面體，并具有四個(gè)太剛能電池的網(wǎng)狀翼，重量約50.4kg.在衛(wèi)星進(jìn)入軌道后，四個(gè)翼自動(dòng)展開(kāi)，翼上嵌裝著太陽(yáng)能電池，以保證電源的供應(yīng)。 第一批實(shí)用衛(wèi)星壽命較短，大約一年后就不能工作。主要原因是太陽(yáng)能電池的熱量循環(huán)導(dǎo)致電路連接部分的破裂。這個(gè)問(wèn)題解決后，衛(wèi)星的使用壽命使大大提高了。所有的試驗(yàn)衛(wèi)星和第一批實(shí)用衛(wèi)星均由APL研制。它于1967年4月至9月發(fā)射了三顆子午衛(wèi)星，一直運(yùn)行到現(xiàn)在。這種衛(wèi)星稱為OSCAR衛(wèi)星。

13、以后的子午衛(wèi)星由美國(guó)無(wú)線電公司(BCA)制造，于1968年后又發(fā)射了三顆，目前還有十三顆OSCAR衛(wèi)星存放在BCA的倉(cāng)庫(kù)里，留作備用。另有九個(gè)偵察兵火箭備用。 子午衛(wèi)星由火箭送入軌道后，仍在高速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)四翼自動(dòng)展開(kāi)，使衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度大幅度地減弱。然后利用四翼上的地磁阻尼棒來(lái)消除平衡過(guò)程中產(chǎn)生的擺動(dòng)。約一天內(nèi)可使衛(wèi)星消除旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定下來(lái)。最后，一根長(zhǎng)30m的重力穩(wěn)定桿伸了出來(lái)，桿端有一個(gè)1.3kg重荷，使衛(wèi)星天線的端面在重力作用下平穩(wěn)地對(duì)著地心。重力梯度穩(wěn)定桿有點(diǎn)象鐘擺，當(dāng)它的縱軸一旦偏離鉛垂線，衛(wèi)星就慢慢地來(lái)回?cái)[動(dòng)，而不是立即停下來(lái)。此時(shí)還要靠翼上的磁阻尼棒來(lái)吸收擺動(dòng)的能量，使振幅逐漸降到以內(nèi)。

14、衛(wèi)星內(nèi)有一套復(fù)雜的電子系統(tǒng)。它包括：一套接收裝置，一個(gè)5MHz高穩(wěn)定度的振蕩器，兩個(gè)1.5W發(fā)射機(jī)一個(gè)相應(yīng)調(diào)制的編碼裝置，套含有35K的磁芯存貯系統(tǒng)，個(gè)定向天線以及控制線路等。除存貯系統(tǒng)外，約行6200個(gè)電子元件，共46000個(gè)焊點(diǎn)。 衛(wèi)星振蕩器的頻率為5MHz，經(jīng)過(guò)倍頻、分頻后，通過(guò)定向天線，同時(shí)連續(xù)播發(fā)400 MHz和150MHz兩種穩(wěn)定的相干頻率。衛(wèi)星的接收裝置用來(lái)接收地面注入站發(fā)來(lái)的時(shí)間和軌道參數(shù)以及指令并將這些數(shù)據(jù)存入存貯器。根據(jù)預(yù)定的程序和指令，通過(guò)相位調(diào)制編碼裝置，調(diào)制在載波上播發(fā)出去。在衛(wèi)星通過(guò)期間，頻率穩(wěn)定度為。衛(wèi)星振蕩器經(jīng)分頻后，控制存貯照相調(diào)相編碼器，使衛(wèi)星軌道參數(shù)編碼后

15、，按世界時(shí)(UTC)偶分?jǐn)?shù)調(diào)相到載波上發(fā)射出去。所以播發(fā)的信號(hào)不僅提供了穩(wěn)定的載波頻率和衛(wèi)星軌道參數(shù)，也提供了定時(shí)信號(hào)。衛(wèi)星的接收機(jī)從地面注入站周期性地獲得修正過(guò)的衛(wèi)星軌道參數(shù)和時(shí)間改正數(shù)，此改正數(shù)也存在存貯器中，并且每隔進(jìn)行一次調(diào)整。 一直到1977年有六顆子午衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行。其中30180號(hào)衛(wèi)星由于穩(wěn)定桿斷裂，定向不正確，1978年就停止了使用。1977年12月22日發(fā)射了一顆新型的子午衛(wèi)星，編號(hào)為30110，它在試驗(yàn)階段被稱為了TIPS衛(wèi)星，現(xiàn)在稱為NOYA衛(wèi)星。NOVA衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)與OSCAR衛(wèi)星完全一樣但是接收到的信號(hào)電平要增加3-4dB，并且在兩個(gè)頻道上天線將都是左手極化的。除

16、此，NOIA衛(wèi)星還有一些重要的改進(jìn)，主要是帶有干擾補(bǔ)償系統(tǒng)(DISCOS)，用于消除大氣阻尼的影響；還有時(shí)間(頻率)控制的改進(jìn)，以及星載可編程序計(jì)算機(jī)等。 NOVA衛(wèi)星除用于導(dǎo)航定位目的外，尚有其他軍事用途。目前準(zhǔn)備生產(chǎn)三顆，全部將為五顆。據(jù)1979年1月第二次國(guó)際衛(wèi)星多普勒大地測(cè)量討論會(huì)上霍斯金斯代表美國(guó)海軍戰(zhàn)略系統(tǒng)設(shè)計(jì)局(SSPO)報(bào)告稱， 美國(guó)海軍將于1990年前維持四顆衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)，即包含兩顆OSCAR衛(wèi)星和兩顆NOVA衛(wèi)星，直到有新的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)替代為止。由于衛(wèi)星軌道在空中的進(jìn)動(dòng)，使得每顆衛(wèi)星的軌道平面在赤經(jīng)方向上的分布出現(xiàn)了不均勻的現(xiàn)象。它使得相鄰兩顆衛(wèi)星通過(guò)某地的時(shí)間間隔很不均

17、勻，有時(shí)可長(zhǎng)達(dá)3-5h，有時(shí)則出現(xiàn)先后或同時(shí)有兩顆衛(wèi)星通過(guò)的現(xiàn)象。應(yīng)該指出，子午衛(wèi)星系統(tǒng)作為導(dǎo)航系統(tǒng)的最主要缺點(diǎn)就是它的不連續(xù)性。2.3 地面跟蹤網(wǎng)為了維持子午衛(wèi)星的正常工作，海軍宇航組負(fù)責(zé)組織實(shí)施地面跟蹤網(wǎng)，它包括四個(gè)跟蹤站，一個(gè)控制與計(jì)算中心，以及兩個(gè)注入站。美國(guó)海軍天文臺(tái)只參加對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正工作。四個(gè)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(dá)州的羅斯芒和夏威夷群島的哈西瓦。 它們對(duì)每顆子午衛(wèi)星的兩個(gè)頻道信號(hào)進(jìn)行跟蹤和多普勒測(cè)量，并將觀測(cè)的多普勒數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算中心。控制與計(jì)算中心位于加利福尼亞州的跟蹤站一起。它將四個(gè)跟蹤站傳輸來(lái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，首先按衛(wèi)星分別匯集成組，然

18、后近行軌道認(rèn)算。根據(jù)36h內(nèi)對(duì)衛(wèi)星的觀測(cè)資料，考慮到地球引力場(chǎng)的不規(guī)則、大氣阻尼、太陽(yáng)輻射和日月引力等各種攝動(dòng)因素，計(jì)算出每顆衛(wèi)星的精確軌道。然后用外推法計(jì)算未來(lái)16h的衛(wèi)星平均軌道，以及每?jī)煞昼娀蛩姆昼妼?duì)平均軌道的改正量。最后將外推的軌道參數(shù)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(dá)州的羅斯芒特的注入站。它們的作用是接收和整理由計(jì)算中心傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)信息。并且將整理好的衛(wèi)星電文數(shù)據(jù)，用快速數(shù)傳的方法向衛(wèi)星注入。注入后要進(jìn)行檢核，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，立即進(jìn)行重新注入，直到正確為止。約每12h對(duì)每顆衛(wèi)星進(jìn)行一次注入。注入時(shí)把衛(wèi)星上原來(lái)存貯的數(shù)據(jù)沖掉，代之以新的軌道數(shù)據(jù)。 美國(guó)海軍天文臺(tái)負(fù)責(zé)提供標(biāo)準(zhǔn)的

19、出界時(shí)(UTC)，并對(duì)衛(wèi)星時(shí)標(biāo)進(jìn)行?；?，校準(zhǔn)的誤差不大于。 四個(gè)地面跟蹤站，二個(gè)注入站，一個(gè)計(jì)算中心以及海軍天文臺(tái)都由海軍宇航組通過(guò)控制中心進(jìn)行協(xié)調(diào)和指揮。 除了上述的地面跟蹤網(wǎng)外，利用全球分布的天文臺(tái)或衛(wèi)星站，根據(jù)政府間的協(xié)作，參加子午衛(wèi)星的跟蹤。這樣就構(gòu)成了15-20個(gè)臺(tái)站的全球子午衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)，稱為TRANET。將該網(wǎng)中各臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)都匯集起來(lái)，對(duì)子午衛(wèi)星進(jìn)行精確定軌。并且只對(duì)一或二顆衛(wèi)星編制了精密星歷表，事后提供給協(xié)作單位和有關(guān)部門進(jìn)行精確定位計(jì)算之用。精密星歷提起初由海軍武器實(shí)驗(yàn)室計(jì)算并提供。目前出美國(guó)國(guó)防部測(cè)圖局地形測(cè)量中心進(jìn)行計(jì)算，并提供使用。2.4 用戶接收設(shè)備用戶接收設(shè)備是用

20、來(lái)跟蹤，接收子午衛(wèi)星信息，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄在穿孔紙帶或盒式磁帶上。按用途接收機(jī)設(shè)備可分為導(dǎo)航型和大地型兩大類。他們的主要區(qū)別是，導(dǎo)航型要求定位精度較低，但必須對(duì)每次衛(wèi)星通過(guò)進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算，以及連接其他導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)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(cè)數(shù)據(jù)記錄完整，便于事后采用各種平差方法進(jìn)行處理等。(1) 導(dǎo)航型接收設(shè)備通?？煞譃閱晤l和雙頻兩種。美國(guó)美樂(lè)華公司與1968年生產(chǎn)第一臺(tái)單頻接收設(shè)備MX-702CA,它包括天線(含前置放大器)，接收機(jī)，計(jì)算機(jī)和打印設(shè)備。隨著電子技術(shù)的不斷飛發(fā)展，以后配用微處理機(jī)。與1975年生產(chǎn)了第一臺(tái)配有微處理機(jī)的MX-902B,

21、于1976年生產(chǎn)了MX-1102，這類接收機(jī)的特點(diǎn)是，采用了微處理機(jī)技術(shù)，使接收機(jī)計(jì)算機(jī)和顯示器做出一個(gè)整體。加拿大馬可尼(CMC)公司生產(chǎn)的單頻接收設(shè)備CMA-750.它包括天線(含前置放大器)，接收機(jī)，小型計(jì)算機(jī)，顯示器和打印機(jī)。法國(guó)電氣設(shè)備與信號(hào)設(shè)備公司(CSEE)和電信有限公司(SAT)生產(chǎn)的單頻接收機(jī)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(yáng)交易株式會(huì)社生產(chǎn)的單頻接收機(jī)為FSN-11A型。日本無(wú)線電有限公司生產(chǎn)的單頻接收機(jī)為JLE-3100型。 雙頻導(dǎo)航接收機(jī)設(shè)備與單頻導(dǎo)航型的區(qū)別在于接收衛(wèi)星兩個(gè)頻道的信號(hào)，可進(jìn)行電離層折射改正，以提高導(dǎo)

22、航定位的精度。除軍用外，雙頻導(dǎo)航接收機(jī)多用于遠(yuǎn)洋商輪，海洋考察船，沿海石油勘探等。(2) 大地型接收設(shè)備大地型接收設(shè)備皆為雙頻接收機(jī)。第一代大地型接收機(jī)是美國(guó)MX公司于1965年為軍用而生產(chǎn)的，型號(hào)為AN/PRR,又稱大地接收機(jī)。MX公司于1975年生產(chǎn)了第二代大地接收機(jī)，型號(hào)是MX-702A-3D,又稱GEO-.這類接收機(jī)主要分為野外部分和內(nèi)業(yè)處理部分。野外部分包括接收機(jī)，天線和紙帶穿孔機(jī)。內(nèi)業(yè)計(jì)算部分包括HP-2100小型計(jì)算機(jī)，電傳打印機(jī)，以及光電輸入機(jī)。隨著微處理機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，1976年后出現(xiàn)了第三代大地型接收機(jī)。其中有MX公司生產(chǎn)的MX-1502大地接收機(jī)。美國(guó)JMR公司和英國(guó)D

23、ECCA公司生產(chǎn)的JMR-1和JMR-1MP大地型接收機(jī)。還有加拿大馬可尼公司最近研制的CMA-751大地型接收機(jī)。第三代大地型接收機(jī)采用微處理機(jī)技術(shù)，不但使重量減輕，自動(dòng)化程度也有提高，而且還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的二維和三維定位計(jì)算。他們的實(shí)時(shí)定位精度相當(dāng)與第二代大地型接收機(jī)的內(nèi)業(yè)處理精度。為了進(jìn)行精確的定位計(jì)算，第三代大地型接收機(jī)還可以配備專用的計(jì)算中心，進(jìn)行事后處理。通常在這種專用的計(jì)算中心上，配有單點(diǎn)定位程序和多點(diǎn)聯(lián)測(cè)定位程序，他們可以提高定位的相對(duì)精度。用戶接收設(shè)備的定位精度，不但取決于接收設(shè)備的精確度，還取決于衛(wèi)星定軌精度和處理方法。第三章 衛(wèi)星多普勒測(cè)量原理3.1 多普勒效應(yīng) 1842年

24、，奧地利物理學(xué)家約翰克里斯琴多普勒(1803-1853)通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出，火車經(jīng)過(guò)時(shí)，其汽笛聲調(diào)發(fā)生變化的原因，實(shí)驗(yàn)是用一個(gè)運(yùn)動(dòng)的鈴作為聲源，用一個(gè)固定的音叉作為參考頻率來(lái)比較接收的聲頻。如果鈴的頻率為，聲音傳播速度為，而且在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)聲音是沿直線傳瓶則鈴的固定額串可用速度和波長(zhǎng)表示，即 (3.1) 當(dāng)鈴靜止不動(dòng)時(shí)，則在任何方向都可測(cè)定其頻率。但是當(dāng)鈴以速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，則聲音傳播速度就會(huì)發(fā)生較大變化，在鈴的運(yùn)動(dòng)方向上為而在相反方向上為，只有在垂直于速度的方向上，才是原來(lái)的速度。如果速度的方向與鈴至觀測(cè)站的方向間夾角為，則聲音傳播速度的一般表達(dá)式為： (3.2)由于鈴相對(duì)于固定觀測(cè)站的運(yùn)動(dòng)，引起了鈴聲傳

25、播速度的變化，因而在測(cè)站測(cè)定鈴的頻率也有所改變，有上式可得在測(cè)站測(cè)定鈴聲的頻率為 (3.3)式中 (3.4)信號(hào)源運(yùn)動(dòng)引起的相對(duì)于信號(hào)頻率的頻移稱為多普勒頻移，也成為多普勒效應(yīng)。(3.3)和(3.4)式是頻率與速度的關(guān)系式。如果我們要利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行跟蹤，就必須求得，而的求的是以已知的,為前提的，由此可知，多普勒測(cè)量基本也就是速度測(cè)量。 在多普勒的實(shí)驗(yàn)之后，還發(fā)現(xiàn)多普勒效應(yīng)在無(wú)線電波和光波等連續(xù)輻射波的傳播中同樣存在著。當(dāng)衛(wèi)星上用固定頻率發(fā)射連續(xù)的無(wú)線電波，因?yàn)樾l(wèi)星作繞地運(yùn)動(dòng)，它和地面接收站間有一個(gè)相對(duì)速度，所以地面站接收到的衛(wèi)星信號(hào)，就有頻率的變化，即變化的接收頻率。這種頻率變化的現(xiàn)象，就

26、稱為多普勒效應(yīng)。3.2 多普勒積分法為了精確地測(cè)量多普勒頻率通常在地面接收機(jī)內(nèi)增加一個(gè)固定的頻率，即本振。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(dǎo)出多普勒頻率或者直接進(jìn)行定位計(jì)算。衛(wèi)星沿其運(yùn)行軌道，在相等時(shí)間段內(nèi)的位置。衛(wèi)星在這些時(shí)刻，即在位置時(shí)播發(fā)的信號(hào)，地面測(cè)站M則要在時(shí)才能收到。由衛(wèi)星信號(hào)的傳播延遲可知，在相鄰兩時(shí)刻衛(wèi)星信號(hào)之間，地面接收站累計(jì)下本振和接收機(jī)頻率間差頻的差拍周期數(shù),它通常稱為多普勒計(jì)數(shù)。衛(wèi)星觀測(cè)量是多普勒計(jì)數(shù)N，常數(shù)量是波長(zhǎng)和積分間隔,未知數(shù)是頻偏和距離差，而距離差又是測(cè)站坐標(biāo)和衛(wèi)星坐標(biāo)的函數(shù)。由于要求的未知數(shù)不同，采用的時(shí)標(biāo)和測(cè)量多普勒計(jì)數(shù)的方

27、法不同，估算的誤差模型不同，以及數(shù)據(jù)處理方法的不同，就構(gòu)成了各種不同的定位方法。所以接收機(jī)實(shí)測(cè)到得多普勒計(jì)數(shù)，必須先進(jìn)行電離層折射改正和對(duì)流層折射改正。3.3衛(wèi)星多普勒定位原理多普勒積分法給出了地面點(diǎn)到衛(wèi)星兩個(gè)位置的距離差，也就是說(shuō)當(dāng)衛(wèi)星位置為已知時(shí)，地面點(diǎn)就位于以兩個(gè)衛(wèi)星位置為焦點(diǎn)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)曲面上，該雙曲面與地球面相交得出一個(gè)曲線.如果在衛(wèi)星位置之間再進(jìn)行多普勒積分測(cè)量，就可以得出第二個(gè)距離差公式，以及相應(yīng)的曲線，此時(shí)，地面點(diǎn)M應(yīng)位于,兩個(gè)相交點(diǎn)中的一個(gè)交點(diǎn)上。如此再有第三條曲線就可以確定地面點(diǎn)M位置。由此可見(jiàn)，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(diǎn)就是相應(yīng)于時(shí)間的衛(wèi)星位置

28、。觀測(cè)量就是多普勒計(jì)數(shù)或其相應(yīng)的衛(wèi)地距離差。3.4 衛(wèi)星多普勒導(dǎo)航計(jì)算模型衛(wèi)星多普勒定位計(jì)算的模型很多。但是二維定位計(jì)算模型是個(gè)基本的模型。所以這里首先敘述導(dǎo)航定位的計(jì)算模型。它的特點(diǎn)是： (1)定位精度較低，計(jì)算模型較簡(jiǎn)單，收斂性較好； (2)進(jìn)行二維定位，即解算的未知量為三個(gè)；天線(船位)的緯度、經(jīng)度和頻偏； (3)天線(船位)是運(yùn)動(dòng)的。3.5 衛(wèi)星多普勒定位方法衛(wèi)星多普勒定體有三種方法：(1)單點(diǎn)定位法；(2)聯(lián)測(cè)定位法；(3)短弧法。(1)單點(diǎn)定位法是一種簡(jiǎn)單和廣泛用于作業(yè)的方法。它是在衛(wèi)星星歷無(wú)誤差的假定條件下，按單點(diǎn)獨(dú)立解算法求定測(cè)站位置。當(dāng)取得精密星歷和只有一臺(tái)儀器時(shí)，以采用此法

29、為宜。當(dāng)只有廣播星歷時(shí)，此法受星歷誤差影響較大，如果適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，增加衛(wèi)星觀測(cè)的通過(guò)次數(shù)，則可有限度地削弱其誤差影響。(2)聯(lián)測(cè)定位法是在不同測(cè)站上同步跟蹤同一衛(wèi)星通過(guò)，以測(cè)定兩站間的相對(duì)位置。由于星歷誤差和折射誤差在同步跟蹤同一衛(wèi)星通過(guò)的兩站間是相關(guān)的，故在只能使用廣播星歷和有兩臺(tái)以上儀器時(shí)，采用此法能得到較高的精度。(3)短弧法是在不同測(cè)站上共同跟蹤同一衛(wèi)星通過(guò)，以測(cè)定兩站間的相對(duì)位置。所謂共同跟蹤同一衛(wèi)星通過(guò)，就是在大約30min(約為子午衛(wèi)星周期l06min的28)內(nèi)，可以有先有后地接收同衛(wèi)星的多普勒頻移，即在約占28的一段較短軌道弧上觀測(cè)同一衛(wèi)星。當(dāng)然，短弧法的本質(zhì)在于它不把廣播

30、星歷認(rèn)為無(wú)誤差，而是在數(shù)據(jù)處理中求出每次衛(wèi)星通過(guò)的軌道根數(shù)改正數(shù)。近幾年來(lái)，這三種方法已取得較多的實(shí)測(cè)成果，可供使用、分析和參考。更為廣泛深入的試驗(yàn)尚在進(jìn)行之中。3.6 衛(wèi)星多普勒網(wǎng)的建立 采用衛(wèi)星多普勒定位法建立國(guó)家和國(guó)際大地網(wǎng)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(yōu)點(diǎn)，并能迅速提供地心坐標(biāo)和相對(duì)坐標(biāo)。采用衛(wèi)星多普勒定位法有可能把所有大地網(wǎng)與地心坐標(biāo)系統(tǒng)以1-2m的精度聯(lián)系起來(lái)。而且，在衛(wèi)星多普勒測(cè)站上已經(jīng)應(yīng)用其它測(cè)量技術(shù)，把局部測(cè)量數(shù)據(jù)確定在以CIO極和BIH零子午線的多普勒坐標(biāo)系統(tǒng)和地心坐標(biāo)系統(tǒng)上。此外，在多普勒站上的甚長(zhǎng)基線于涉測(cè)量(VLBI)、激光

31、測(cè)月(LLR)、衛(wèi)星激光測(cè)距(SLR)等，可使長(zhǎng)度精度至1：5000 000以上。當(dāng)然，衛(wèi)星多普勒定位也用于加強(qiáng)大地網(wǎng)，以提高地面測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。 衛(wèi)星多普勒網(wǎng)的觀測(cè)與計(jì)算方案，取決于接收機(jī)的質(zhì)量和數(shù)量，要求的測(cè)站間隔，是優(yōu)先使精度達(dá)到最高水平，還是只達(dá)到一個(gè)既定精度，從而使測(cè)量費(fèi)用和作業(yè)時(shí)間減到最少，以及絕對(duì)與相對(duì)定位精度的各自優(yōu)先性。第四章 衛(wèi)星多普勒定位的數(shù)據(jù)采集與處理4.1 衛(wèi)星的基本信息 地面注入站傳送給衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)，是存放在衛(wèi)星存貯系統(tǒng)內(nèi)的，然后按照控制程序用相位調(diào)制在衛(wèi)星工作頻率上播發(fā)出去。這種方法不影響精確的多普勒測(cè)量。衛(wèi)星發(fā)射三種信息：(1)供多普勒測(cè)量用的兩種相干的穩(wěn)定頻

32、率，即399968MHz400MHz-32kHz和149988MHz150MHz-12kHz，標(biāo)稱400MHz和150MHz；(2)衛(wèi)星的軌道參數(shù)；(3)每?jī)煞昼姷臅r(shí)標(biāo)。衛(wèi)星軌道參數(shù)和時(shí)標(biāo)常統(tǒng)稱為時(shí)軌參數(shù)。衛(wèi)星將時(shí)軌參數(shù)用相位調(diào)制的方法調(diào)制在工作頻率上，并采用編碼形式。 子午衛(wèi)星每?jī)煞昼姴グl(fā)一幀含有157個(gè)字的電文。電文最末一個(gè)字僅由19比特組成，其余156字均由39個(gè)比特組成。因此兩分鐘電文共包含156*39+196103比特。每個(gè)比特的周期為120/610319662ms，標(biāo)稱20ms。衛(wèi)星電文的格式，衛(wèi)星存貯系統(tǒng)內(nèi)的軌道參數(shù)，根據(jù)預(yù)定的程序，每隔2分鐘，被檢測(cè)一次，同時(shí)播發(fā)一幀電文。這幀

33、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(gè)比特，在120 s內(nèi)發(fā)出，每個(gè)比特的長(zhǎng)度為19.662ms。衛(wèi)星電文中除第l，2和3字用作識(shí)別、同步和結(jié)出時(shí)標(biāo)外，其余154個(gè)字分為A， B，C三組。A組用于導(dǎo)航定位，B，C組仍用于軍事目的。衛(wèi)星電文譯碼，衛(wèi)星電文A組中每個(gè)字都含有39個(gè)比特。它們的編碼情況如下：前三個(gè)比特不用，后面36個(gè)比特每4個(gè)比特表示一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字。故每個(gè)字含有9個(gè)十進(jìn)制數(shù)字。應(yīng)該指出，子午衛(wèi)星播發(fā)的軌道參數(shù)采用二進(jìn)制余三代碼(XS3BCD)。通常的子午衛(wèi)星接收機(jī)中裝有譯碼器，將二進(jìn)制余三代碼轉(zhuǎn)換成普通二進(jìn)制碼或美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼(ASC)

34、。這種碼常用于電傳打字機(jī)和大部分電子計(jì)算機(jī)。 固定參數(shù)的譯碼，衛(wèi)星電文A組中的固定參數(shù)表示衛(wèi)星的平均軌道，它在兩次注入時(shí)間(12-16h)內(nèi)保持不變。所以在該時(shí)間段內(nèi)每?jī)煞昼婋娢亩际侵貜?fù)播發(fā)的?？勺儏?shù)的譯碼衛(wèi)星每?jī)煞昼姴グl(fā)一幀電文，其中8個(gè)字是衛(wèi)星軌道的可變參數(shù)。它們表示衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的實(shí)際軌道，也是對(duì)平均軌道(固定參數(shù))的修正。每一個(gè)可變參數(shù)字也由9位十進(jìn)制數(shù)字組成。4.2導(dǎo)航衛(wèi)星預(yù)報(bào) 在衛(wèi)星多普勒大地測(cè)量工作中，為安排觀測(cè)，刪除不符合條件的衛(wèi)星通過(guò)，需要進(jìn)行導(dǎo)航衛(wèi)星頂報(bào)計(jì)算。此項(xiàng)計(jì)算工作，可以結(jié)合所使用儀器的特點(diǎn)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(jī)等，也可以使

35、用通用計(jì)算機(jī)，按自編程序，編制成工作星歷，如CMA-722B接收機(jī)。由于導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道周期較穩(wěn)，并且播發(fā)廣播星歷，提供衛(wèi)星的時(shí)軌參數(shù)。所以預(yù)報(bào)計(jì)算是根據(jù)廣播星歷來(lái)進(jìn)行，通常使用三個(gè)月內(nèi)的廣播星歷，以保證預(yù)報(bào)的時(shí)刻誤差不大于一分鐘。預(yù)報(bào)計(jì)算的方法很多，常用的有試探法。試探法就是根據(jù)某時(shí)段接收到的廣播星歷，計(jì)算出需要觀測(cè)日期開(kāi)始時(shí)刻的衛(wèi)星坐標(biāo)，再將此衛(wèi)星坐標(biāo)與測(cè)站概略坐標(biāo)計(jì)算出此時(shí)刻的衛(wèi)星高度角，判別它是否在地平面上。然后用增加時(shí)間的辦法試探被預(yù)報(bào)的衛(wèi)星是否再次出現(xiàn)地平面上。如此試探下去，直到需要觀測(cè)日期的結(jié)束時(shí)刻為止。如果確定衛(wèi)星出現(xiàn)在地平面上時(shí)，則再用增加時(shí)間的方法計(jì)算此次衛(wèi)星通過(guò)時(shí)的過(guò)頂時(shí)刻

36、 (最大高度角時(shí)刻)和下落時(shí)刻，以及通過(guò)的方向和方位。這種試探法雖然費(fèi)時(shí)，但比較簡(jiǎn)單并可借用導(dǎo)航程序的某些子程序。這里敘述的衛(wèi)星預(yù)報(bào)計(jì)算方法，是以高度角條件和升赤經(jīng)條件作為初選，對(duì)某一顆被預(yù)報(bào)的衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，只要簡(jiǎn)單的運(yùn)算就可確定該圈衛(wèi)星是否能被某測(cè)站觀測(cè)到。然后可以用試探法或者采用多項(xiàng)式擬合求根值和極值的方法，來(lái)確定該次衛(wèi)星通過(guò)時(shí)上升,下落以及過(guò)頂?shù)臅r(shí)刻，還要確定衛(wèi)星通過(guò)的方向和方位。起始數(shù)據(jù)中導(dǎo)航衛(wèi)星每?jī)煞昼姴グl(fā)一幀電文，它包含可變參數(shù)8個(gè)字和固定參數(shù)17個(gè)字兩部分。表示瞬時(shí)衛(wèi)星軌道的可變參數(shù)，每?jī)煞昼姼淖円淮?。而表示衛(wèi)星平均軌道的固定參數(shù)，在兩次注入期約12小時(shí)內(nèi)是不變的。導(dǎo)航衛(wèi)星的預(yù)報(bào)僅利

37、用固定參數(shù)中前12個(gè)字作為起始數(shù)據(jù)輸入。子午衛(wèi)星的預(yù)報(bào)計(jì)算首先要根據(jù)起始數(shù)據(jù)進(jìn)行初選。初選的目的就是確定在某測(cè)站上衛(wèi)星可見(jiàn)段的開(kāi)始時(shí)刻，即確定衛(wèi)星由測(cè)站地平面上升的時(shí)刻。為此，首先提出高度角條件。4.3 衛(wèi)星多普勒數(shù)據(jù)的預(yù)處理 預(yù)處理就是對(duì)衛(wèi)星多普勒數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、計(jì)算和檢驗(yàn)，共主要內(nèi)容有：衛(wèi)星多普勒數(shù)據(jù)記錄格式，多普勒計(jì)數(shù)的歸算，衛(wèi)星軌道的擬合，衛(wèi)星坐標(biāo)的計(jì)算，測(cè)站點(diǎn)地心坐標(biāo)近似值的計(jì)算，衛(wèi)地距離和衛(wèi)星高度角以及對(duì)流層折射改正的計(jì)算，本機(jī)時(shí)標(biāo)與衛(wèi)星時(shí)標(biāo)的換算等。在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，并擬定各種檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，凡符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)予以保留，不符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)一般均剔除。 數(shù)據(jù)預(yù)處理的程序，因計(jì)算機(jī)

38、型號(hào)和記錄設(shè)備不同而異。對(duì)接收機(jī)所提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的程序稱為多數(shù)判決，它一般由設(shè)備制造商提供，該程序用于數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單檢驗(yàn)并使數(shù)據(jù)壓縮。在這所述的預(yù)處理是經(jīng)過(guò)多數(shù)判決后的預(yù)處理。衛(wèi)星多普勒數(shù)據(jù)記錄格式，因接收機(jī)和記錄設(shè)備不同而異。第五章 衛(wèi)星多普勒觀測(cè)的誤差分析5.1 概述子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo)是以地球質(zhì)心為原點(diǎn)(它與地心相差約為1m，即)，短軸與地球自轉(zhuǎn)軸相重合的空間三維直角坐標(biāo)系，簡(jiǎn)稱地心坐標(biāo)系，同時(shí)也采用”1972年世界大地測(cè)量坐標(biāo)系”(WGS-72)的地球模型，該系統(tǒng)是利用了近代的衛(wèi)星、天文大地和重力資料，在WGS66基礎(chǔ)上改進(jìn)的，其主要地球參數(shù)為以上確定地球模型、坐標(biāo)系以及地球位函

39、數(shù)的球諧系數(shù)，統(tǒng)稱為定場(chǎng)。 子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由近似圓形極軌道的六顆衛(wèi)星組成(其中有一顆衛(wèi)星已不能正常工作)，平均高度為1100km，角速度為，地平以上可觀測(cè)的持續(xù)時(shí)間為18分鐘，衛(wèi)星視區(qū)范圍的直徑為6700km，如顧及衛(wèi)星運(yùn)行周期和地球自轉(zhuǎn)周期，每圈視帶向西移動(dòng)約，相當(dāng)于平均距離為2500km，同一顆衛(wèi)星兩次經(jīng)過(guò)的視帶重疊范圍可達(dá)60，在中緯度地區(qū)大約每60分鐘可接收到任一顆子午衛(wèi)星在赤道上大約每120分鐘可接收到任一顆子午衛(wèi)星，因此，子午衛(wèi)星視帶基本上覆蓋全球。 子午衛(wèi)星提供了精確的時(shí)標(biāo)和軌道信息。在每顆衛(wèi)星里，備有一臺(tái)5MHz高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)振蕩器(穩(wěn)定為/天)，經(jīng)過(guò)倍頻器(X80，X30

40、)，發(fā)射出399.68MHz和149.988MHz的兩個(gè)相干載頻。標(biāo)準(zhǔn)振蕩器的輸出信號(hào)經(jīng)分頻器后，用來(lái)控制存儲(chǔ)器系統(tǒng)，調(diào)相到150 MHz和400 MHz信號(hào)上讀出和編碼。由于導(dǎo)航電文被控制在每個(gè)偶分鐘的開(kāi)始和結(jié)束的瞬間發(fā)出，所以電文不僅提供固定的標(biāo)頻和導(dǎo)航電文，還提供定時(shí)信號(hào)。在導(dǎo)航電文中，包括了已解密的A組軌道參數(shù)，即平滑處理的開(kāi)普勒密切橢圓的固定參數(shù)及對(duì)此所作修正的可變參數(shù)，統(tǒng)稱為廣播星歷。在可使用的五顆衛(wèi)星中，衛(wèi)星序號(hào)為NNSS 30190和30140兩顆衛(wèi)星，編算了精密星歷。利用多普勒接收機(jī)可以確定軌道參數(shù)，簡(jiǎn)稱定軌。 根據(jù)導(dǎo)航電文(或精密星歷)，可以得到以時(shí)間為函數(shù)的衛(wèi)星位置。為了

41、測(cè)定測(cè)站坐標(biāo)，可以利用各種類型接收機(jī)來(lái)測(cè)量多普勒頻移，從而求得測(cè)站與衛(wèi)星間距離差。定站計(jì)算是根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)和近似的測(cè)站坐標(biāo)計(jì)算出距離差，利用各種數(shù)學(xué)模型，將計(jì)算值最佳地?cái)M合到多普勒觀測(cè)值上,即可定出測(cè)站坐標(biāo)改正值，這種方法簡(jiǎn)稱定站。定場(chǎng)、定軌、定站三者是密切相關(guān)的，互為因果的。在衛(wèi)星大地測(cè)量和天體測(cè)量中已知衛(wèi)星位置(或恒星坐標(biāo))，可以測(cè)定測(cè)站坐標(biāo)，或者已知測(cè)站位置，可以測(cè)定衛(wèi)星軌道參數(shù)(或恒星星表等)，其數(shù)據(jù)處理互為逆運(yùn)算。目前在國(guó)際上進(jìn)行衛(wèi)星多普勒定位，一般采用兩類方法，即1. 軌道參數(shù)不參加平差，如：(1)單點(diǎn)定位法，(2)聯(lián)測(cè)定位法。2. 軌道參數(shù)參加平差,如(1)短弧法，(2)半短弧

42、法。 不論采用那種方法，都必須研究衛(wèi)星多普勒觀測(cè)的誤差因素。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)指出，衛(wèi)星多普勒觀測(cè)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(jí)，以及削弱或測(cè)定誤差的方法，并為擬定衛(wèi)星多普勒觀測(cè)網(wǎng)的實(shí)施方案提供理論依據(jù)。5.2 軌道誤差子午衛(wèi)星的軌道誤差主要取決于衛(wèi)星攝動(dòng)方程的模型，折射影響的清除程度，衛(wèi)星跟蹤站的坐標(biāo)精度，衛(wèi)星裝置和地面接收機(jī)的工作性能起算數(shù)據(jù)的精度及其計(jì)算軌道的程序等。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(jìn)，1976年12月12日起采用WGS-72地球模型作為衛(wèi)星星歷的計(jì)算基礎(chǔ)，使軌道誤差大為減小。目前，就單

43、點(diǎn)定位解算成果而言，假如使用精密星歷解算，在多次衛(wèi)星通過(guò)后，可望達(dá)到，而使用廣播星歷解算的精度并不包括多普勒定位系統(tǒng)本身與外部各種標(biāo)準(zhǔn)的差異。放在估算衛(wèi)星多普勒定位成果的外精度時(shí),必須根據(jù)由衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng)求得的坐標(biāo)、距離、方位角等與其它系統(tǒng)，其它方法所求得的坐標(biāo)、距離、方位角等進(jìn)行比較后才能做出估計(jì)。而在這些比較和估計(jì)中，子午衛(wèi)星的星歷誤差通常被視為是衛(wèi)星多普勒系統(tǒng)與外部坐標(biāo)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(guān)系概述如下。多普勒定位成果與外部各種標(biāo)準(zhǔn)的比較研究已進(jìn)行了很長(zhǎng)一段時(shí)間。這些外部標(biāo)準(zhǔn)包括特級(jí)導(dǎo)線、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量、月球激光測(cè)距、衛(wèi)星激光測(cè)距和深空間網(wǎng)

44、。這些互相比較的結(jié)果可歸納為：(1) 精密星歷坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)；(2)精密星歷坐標(biāo)系統(tǒng)的經(jīng)度零點(diǎn)；(3)精密星歷坐標(biāo)的Z軸指向；(4)精密星歷姿標(biāo)系統(tǒng)的尺度.應(yīng)用廣播星歷進(jìn)行衛(wèi)星多普勒定位，顯然有很多優(yōu)點(diǎn)。在某些情況下，廣播星歷可以說(shuō)比精密星歷更為重要。例如：(a)在絕對(duì)定位精度要求不高的情況下； (b)必須要求實(shí)時(shí)定位，如導(dǎo)航的條件下； (c)在那些沒(méi)有精密星歷的國(guó)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(yù)報(bào)誤差； (2)時(shí)間改正誤差；(3)極移引起的誤差；(4)程序常數(shù)；(5)限蹤站坐標(biāo)； (6)南北不平衡的影響. 關(guān)于單點(diǎn)定位廣播星歷解算中削弱偶然誤差的問(wèn)題，可以概

45、括以下三點(diǎn)： (1)由于大氣阻力攝動(dòng)所引起的衛(wèi)星切向誤差，致使廣播星歷(預(yù)報(bào)星歷)定位解算的內(nèi)精度決不可能象精密星歷(事后測(cè)定的星歷)那么好。然而，對(duì)于一個(gè)含有足夠衛(wèi)星通過(guò)次數(shù)的對(duì)稱通過(guò)組，在它的單點(diǎn)定位絡(luò)果中，切向誤差對(duì)測(cè)站經(jīng)度的影響可以減弱，對(duì)測(cè)站緯度影響可以基本消除。 (2)對(duì)稱通過(guò)組準(zhǔn)確的解釋是：南行衛(wèi)星和北行衛(wèi)星的通過(guò)次數(shù)必須相等，通過(guò)的時(shí)間應(yīng)力求對(duì)稱。在滿足這個(gè)要求前提下，也要盡可能使得衛(wèi)星在測(cè)站的東向和西向通過(guò)次數(shù)大致相等，這一要求對(duì)改善定位結(jié)果中經(jīng)度的精度有重要意義。 (3)對(duì)稱通過(guò)組還應(yīng)要求各個(gè)不同多普勒衛(wèi)星的通過(guò)次數(shù)在該通過(guò)組中不要相差太懸殊。對(duì)新發(fā)射的NOVA衛(wèi)星(衛(wèi)星號(hào)

46、在440以后)的定位結(jié)果結(jié)較大的權(quán)。在采取以上措施以后，廣播星歷單點(diǎn)定位解算成果中的偶然誤差可望減小得多。由于計(jì)算廣播星歷所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)、重力場(chǎng)模型和程序設(shè)計(jì)與精密星歷的相應(yīng)數(shù)值比較，存在著一些系統(tǒng)性的差別。因此。在衛(wèi)星多普勒單點(diǎn)定位中應(yīng)用廣播星歷解算時(shí)，所解得的測(cè)站空間直角坐標(biāo)與精密星歷的解算結(jié)果比較，也存在著系統(tǒng)誤差。此外，在衛(wèi)星多普勒單點(diǎn)定位中，既使應(yīng)用精密星歷解算，其定位結(jié)果與真正的地心坐標(biāo)也還有一些系統(tǒng)誤差。但是，這些都可以用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法來(lái)消除。(1) 單點(diǎn)定位中，廣播星歷解算和精密星歷解算之間系統(tǒng)誤差的削弱途徑(2) 將精密星歷或偽精密星歷解算結(jié)果轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系5.3 折射誤

47、差子午衛(wèi)星的射頻信號(hào)在空間介質(zhì)里傳播，必然經(jīng)過(guò)電離層和對(duì)流層而產(chǎn)生折射。根據(jù)國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)規(guī)定：衛(wèi)星通信頻率的最佳范圍是1000至10000MHz，這個(gè)范圍的電波可看作自由空間傳播。子午衛(wèi)星發(fā)射的雙頻在穿過(guò)各層大氣時(shí)，受各層不同介質(zhì)所擴(kuò)射，這種折射效應(yīng)反映為電磁波穿過(guò)各目時(shí)傳播邊度的變化以及射線傳播路徑偏離幾何直線路徑，因而嚴(yán)錄地影響到多普勒計(jì)數(shù)的失真。魏芬巴奇和霍普菲爾德提出了衛(wèi)星發(fā)射兩個(gè)相干頻率可以得到電離層折射的一階改正值，并推導(dǎo)了對(duì)流層大氣垂直剖面的最佳模型，利用地面氣象數(shù)據(jù)和衛(wèi)星仰角就可推算對(duì)流層折射改正。威爾曼和庫(kù)巴等也先后提出對(duì)流層折射改正模型。太陽(yáng)輻射包括短波能量，足以在

48、地球高層大氣中引起顯著的光致電離現(xiàn)象，這樣所形成的電離區(qū)稱為電離層。在所討論的折射誤差中，影響最為嚴(yán)重的是電離層(特別是F層，離地面距離250km)折射。當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射雙頻信號(hào)穿過(guò)電離層時(shí)。由于它與自由電子和離子的互相作用，電磁波的波長(zhǎng)被拉長(zhǎng)，這種現(xiàn)象表現(xiàn)出信號(hào)相速大于光速這一色散介質(zhì)的特征。可以證明，波長(zhǎng)的伸長(zhǎng)與發(fā)射頻率的平方成反比(限于一次近似)。由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)改變了穿過(guò)電離層的路徑長(zhǎng)度和波長(zhǎng)伸長(zhǎng)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(duì)流層組成，離地面高度為60km以下，大氣折射的80是由于對(duì)流層折射引起。對(duì)流層折射系數(shù)大于1，它是大氣狀態(tài)和衛(wèi)星仰角的函數(shù)

49、，而與衛(wèi)星發(fā)射的頻率無(wú)關(guān)。當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)穿過(guò)對(duì)流層時(shí)，電磁波的傳播速度減慢從而壓縮信號(hào)的波長(zhǎng)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(hào)檢測(cè)出來(lái)，而只能根據(jù)地面氣象數(shù)據(jù)(氣壓、干溫、濕溫等)和衛(wèi)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(cè)工作中，避免或舍去衛(wèi)星低仰角通過(guò)的多普勒數(shù)據(jù)，因?yàn)樾l(wèi)星處于地平附近即仰角為零，其折射最大；在測(cè)站天頂附近即仰角為，則折射誤差最小。因此，在觀測(cè)綱要中應(yīng)規(guī)定,衛(wèi)星通過(guò)的仰角應(yīng)大子.由于對(duì)流折射改正是地面大氣狀態(tài)和衛(wèi)星仰角的函數(shù)，在低仰角經(jīng)過(guò)折射改正后，數(shù)據(jù)不呈隨機(jī)變化，而是系統(tǒng)地分布于水平線的一側(cè)，這表明

50、折射改正對(duì)低仰角而論剩余影響甚大，因此在觀測(cè)綱要中，不能使用以下的多普勒計(jì)數(shù)。另外，上述各模型都是建立在正常高空大氣狀態(tài)的基礎(chǔ)上，當(dāng)反常氣候如冷、熱氣象鋒面在觀測(cè)期間經(jīng)過(guò)測(cè)站上空時(shí)，將嚴(yán)重干擾多普勒觀測(cè)結(jié)果，為此必須向氣象部門索取當(dāng)天氣象資料，以便在分析數(shù)據(jù)時(shí)，剔除這部分成果，保證觀測(cè)成果的可靠性。5.4.接收誤差接收誤差涉及接收機(jī)本身，本機(jī)振蕩器以及天線等全部影響。斯坦塞爾從多普勒接收機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)出發(fā)，研究了木機(jī)振蕩器的穩(wěn)定性、接收機(jī)延時(shí)、多普勒計(jì)數(shù)精度、時(shí)間恢復(fù)的抖動(dòng)以及本機(jī)的分辨力等，并推估了這些參數(shù)對(duì)測(cè)量精度的影響。研究接收誤差的目的是為了在計(jì)算程序中引入待定系數(shù),建立合理的誤差模型，

51、并在觀測(cè)綱要中，采取必要措施以便削弱這類誤差的影響。我們進(jìn)行合適的時(shí)標(biāo)的選擇,以及增加震蕩器的穩(wěn)定性,減小接收機(jī)的噪聲源,以及注意,天線相位中心的問(wèn)題,等等都可以減小接收機(jī)的誤差的影響.第六章 衛(wèi)星多普勒定位的應(yīng)用從1967年子午衛(wèi)星系統(tǒng)部分電文解密供民用后，起初僅用于遠(yuǎn)洋船舶的導(dǎo)航和某些海上目標(biāo)的定位。后來(lái)，美國(guó)首先試驗(yàn)用來(lái)進(jìn)行大地測(cè)量。1972年，他們公布了多普勒網(wǎng)的定位成果。由于這種測(cè)量具有全球性、全天候、速度快、精度高、裝備簡(jiǎn)單、作業(yè)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是在交通不便的地區(qū)更有特殊作用，因此很快被世界各國(guó)包括我國(guó)廣泛運(yùn)用于大地測(cè)量、地球物理探測(cè)、地質(zhì)和石油勘探等領(lǐng)域。民用多普勒接收機(jī)的銷售量

52、大幅度上升，1982年(45555臺(tái))比1974年(860臺(tái))增長(zhǎng)了53倍。我國(guó)從70年代初期就開(kāi)始了對(duì)這類儀器裝各和理論的研究，不久就引進(jìn)國(guó)外技術(shù)進(jìn)行實(shí)際作業(yè)。在1978年春，我國(guó)測(cè)繪工作者對(duì)西沙群島進(jìn)行了多普勒定位測(cè)量，將西沙群島的主坐標(biāo)聯(lián)入北京坐標(biāo)系。從1978年開(kāi)始，我國(guó)建立了全國(guó)陸地海洋衛(wèi)星定位網(wǎng)，對(duì)我國(guó)廣大地域進(jìn)行了大規(guī)模的作業(yè)，進(jìn)行了整體平差，使我國(guó)的衛(wèi)星多普勒定位技術(shù)飛速地向世界水平邁進(jìn)。武漢測(cè)繪科技大學(xué)完成的”衛(wèi)星網(wǎng)與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差以及在西北衛(wèi)星定位網(wǎng)中的應(yīng)用 “項(xiàng)目，獲1988年國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。近年來(lái)，對(duì)南極長(zhǎng)城站、中山站的坐標(biāo)也是用衛(wèi)星多普勒定位技術(shù)測(cè)量的。如對(duì)南極

53、長(zhǎng)城站，共觀測(cè)了210次子午衛(wèi)星通過(guò)，精確測(cè)定長(zhǎng)城站的地理位置為：南緯，西徑，高程，至北京的距離為17501949。51m。子午衛(wèi)星系統(tǒng)的主要民用應(yīng)用為：1.測(cè)定地面點(diǎn)的地心坐標(biāo)，建立全球統(tǒng)一的以地球質(zhì)心為原點(diǎn)的大地坐標(biāo)系和全球性大地控制網(wǎng)，以提高和擴(kuò)展現(xiàn)有人工天文大地網(wǎng)的精度。2.對(duì)遠(yuǎn)洋船舶進(jìn)行導(dǎo)航，對(duì)遠(yuǎn)海島嶼、海上鉆井平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)測(cè)和定位。3.在地面特別是某些困難、隱蔽、荒漠地區(qū)建立衛(wèi)星控制網(wǎng)，供地形測(cè)量、工程勘測(cè)、地質(zhì)調(diào)查和找礦、石油勘探以及測(cè)圖控制方面使用。4.利用定位手段測(cè)定和追索接觸帶、斷層、節(jié)理地質(zhì)特征，利用測(cè)量參數(shù)和狀態(tài)變化來(lái)研究地質(zhì)現(xiàn)象，測(cè)定大陸板塊運(yùn)動(dòng)和斷裂應(yīng)力的方向與大小，

54、進(jìn)而預(yù)報(bào)可能發(fā)生的地質(zhì)自然災(zāi)害。5.與天文測(cè)量及水準(zhǔn)測(cè)量配合，測(cè)定大地水準(zhǔn)面的起伏、地面點(diǎn)的絕對(duì)垂線偏差以及研究地極移動(dòng)等。第七章 衛(wèi)星多普勒定位技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展由于子午衛(wèi)星星座的運(yùn)行軌道較低，約1000km，而且衛(wèi)星的數(shù)量較少，常為六顆，這樣子午衛(wèi)星星座作為一種導(dǎo)航系統(tǒng)有一個(gè)很大物理的缺點(diǎn)，就是衛(wèi)星不能連續(xù)地出現(xiàn)在某一地面上空。地球上一點(diǎn)平均每隔2h才可觀察到一顆衛(wèi)星，通過(guò)時(shí)間約為1018min。這樣，就無(wú)法進(jìn)行全球性實(shí)時(shí)導(dǎo)航和實(shí)時(shí)定位測(cè)量，特別是對(duì)高速運(yùn)行的宇宙飛行器的發(fā)射，測(cè)控、定軌，彈道導(dǎo)彈制導(dǎo)等無(wú)法發(fā)揮作用，而且其測(cè)量精度對(duì)高精度導(dǎo)航也還不甚理想。1973年12月美國(guó)國(guó)防部為了滿足美國(guó)陸、海、空三軍的需要開(kāi)始研制導(dǎo)航衛(wèi)星定時(shí)和測(cè)距全球定位(navigation satellite timing and ranging global positioning system)，簡(jiǎn)稱為GPS全球定位系統(tǒng)。1978年2月22號(hào)成功發(fā)射了第一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星，計(jì)劃于1993年發(fā)射完成24顆GPS工作衛(wèi)星，在六個(gè)近似圓形的軌道上各運(yùn)行四顆，運(yùn)行周期為12h。GPS衛(wèi)星與子午衛(wèi)星比較，運(yùn)行高度高，平均為20200k