第2章-卫星大地测量基础(4学时)分解.ppt

1、卫星定位技术与应用黄张裕河海大学测绘科学与工程系，2020年8月5日，Chapter 2卫星大地测量基础，1卫星大地测量的内容和技术2卫星大地测量中的坐标系3卫星大地测量中的时间系4 GPS卫星在地球重心重力下的运动5二体问题和多体问题6卫星接收运动2-1卫星大地测量的内容和技术， 卫星大地测量学：研究利用人造地球卫星解决大地测量学问题，利用空间技术手段进行区域或全球大地测量的学科。 一、卫星大地测量的基本内容： (1)建立和维护地球和地区的大地测量系统和大地测量框架(2)，快速准确地测量世界、地区或局部空间点的三维位置和相互位置关系(3)利用地面站观测数据确定大地测量卫星的轨道(4) 探测地

2、球重力场及其时间变化并进行地球潮汐测量(5)地球动力学(地球自转、极移、地球变化等) (6)电离层、对流层、海洋环流、海面变化、冰川、冰原的时间变化、二、卫星大地测量的技术，(1)卫星地面VLBI:verylongbaselineinterferometry非常长适用于测量极移、日长、全球板块运动和地域构造运动的空间大地测量技术。 整个系统非常庞大，成本高昂，只能适用于固定工作站。 甚长的基线干涉测量的基本原理是，在相距甚远(数百公里至数千公里)的两个站上，分别各设置一台电波望远镜，观测银河外的同一电波电源信号，分别记录电波微波噪声信号，对记录在两个站上的电波信号进行相关处理(干涉) 求出从同

3、一电波到两个站的时间差的地球卫星定位系统，是在空间中飞行的卫星向地面广播发送某种频率，利用载有某种特殊定位信息的无线信号实现定位测量的定位系统。 卫星导航定位的基本作用是为不同的用户和运动平台提供准确连续的位置、速度和时间信息。 2、全球定位系统(GPS )是目前精度最高的绝对定位技术，定义全球的地心参考帧，精确测量地球自转残奥仪，确定全球重力场的低阶模型，监视地球重力场的长波时变，固定精密轨道卫星测距被称为地基激光测距系统，将激光测距装置安装在卫星上，在地面上设置反射镜，构成空基激光测距系统，3、卫星激光测距(SLR )、卫星激光测距的基本原理， 用设置在地面定位站的激光测距装置精密地测量装

4、备了后向反射棱镜的地心的绝对坐标的全局或者地域的地心参考框架的制作测量低频地球重力场残奥仪测量地球重心的变化监视板块的运动监视地球的自转残奥仪和变化的潮汐波残奥仪(振幅和初卫星激光测距(SLR )的重要应用：在通过SLR、GPS等手段精确确定测量卫星运行轨道的同时，利用设置在卫星上的雷达测量修正测量到瞬时海水面的垂直距离测量地球重力场，研究海洋学、地球物理学中各种物理现象的方法和技术。 目前研究、监测海洋环流和中尺度海洋现象及其动力环境的重要手段之一。4、卫星雷达测高(SA:Satellite Radar Altimetry )、卫星雷达测高的基本原理、卫星安装的测高校正向地球表面垂直发射电脉

5、冲，这些脉冲在海面垂直反射到卫星，基于脉冲往返的时间，对卫星瞬时海面(1)可以通过卫星定位法实际测量海洋地区的大地水平面；(2)海洋中的大地水平面的形状与海底地形有关。 因此，可以根据从大地水平面提供的信号检测出海底山脉、断裂带、地堑构造等大地构造，提供地球物理解释。 (3)求出精确的海面地形，研究海流、潮流范围、幅度和时间变化规律，建立全球统一的海拔标准，确定冰盖形状大小及其变化情况等。 卫星雷达测量(SA )的主要应用：在2-2卫星大地测量中的坐标系、卫星大地测量中，观测站固定在地球表面，其空间位置随着地球的自转而移动，而观测目标主要是因地球引力而绕地球旋转的人造地球卫星。 (1)天球坐标

6、系：与地球自转无关，用于记述卫星位置和状态的坐标系。 (2)地球坐标系：随着地球的自转，表示地球观测所的空间位置的坐标系。 坐标系构成：原点、坐标轴、尺度坐标系间变换：坐标平移、旋转、尺度变换、一、天球坐标系、地球重心为坐标原点，z轴指向北天极，x轴指向春分点，构成右手坐标系，决定y轴方向。 有赤道天球坐标系和黄道天球坐标系的分。 天球坐标系是惯性坐标系的惯性坐标系定义：没有加速度的系统可以适用牛顿运动定律。 在该系统中，卫星运动满足下式： F=ma作用于已知卫星的力，卫星的速度和位置可以用加速度完全描述，天球，(1)基本概念：1)宇宙：宇宙处于不断的运动和发展中，空间上是无限的，时间上是无止

7、境的。 天球：以地球的重心为球心，以无限大的长度为半径的幻想球体。 3 )天极：地球自转轴的延长线和天球的两个交点，分为南、北天极。 4 )天球赤道面：通过地球重心与天轴垂直的平面。 5 )黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆。 1、岁差和章动；6 )二分点：黄道和天球赤道两个交点。 从春分点(3.21 )、秋分点(9.23) 7两点开始：黄道上两点和90不同的两点。 夏至点(6.22 )、冬至点(12.22 )、1 )地球自转(星期天运动):围绕自己的旋转轴从西向东旋转2 )地球公转(周年运动):围绕太阳逆时针公转3 )黄红交线：黄道面和赤道面之间的角度自转轴和公转轨道平面的倾斜是春夏秋冬

8、四季交替(昼夜都很短) (2)地球运动：天球：(3)岁差和章动3360地球自转轴的运动原因：天，月，地球和其他星体的相对运动，地球内部质量分布的不均匀。 (4)总岁差；(1)日月岁差：日月引力作用下地球自转轴绕黄道垂直轴旋转的长期运动。 50.371/年，周期约25800年。 2 )行星岁差：行星引力引起的地球的日转运动轨道的摄动引起的变化。 0.134/年，周期约100万年。 3 )总岁差：赤道和黄道是日月岁差和行星岁差引起的缓慢运动。 (5)章动日月引力等因素引起的北天极短周期变化运动。 周期约为18.6年、1年、半年、1月等。岁差和章动：岁差和章动：2，3种天球坐标系，(1)瞬时真天球坐

9、标系：由瞬时真天顶、瞬时真赤道面和瞬时真春分点定义的天球坐标系。 (2)瞬时平天球坐标系：由瞬时平天极、瞬时平赤道面和瞬时平春分点定义的天球坐标系。(3)标准日历平天球坐标系(协定天球坐标系):与某确定时刻为标准日历相对应的特定天球坐标系。 协定天球坐标系：标准历：采用焦耳2000年1月1.5日TDB (地球重心动力学时)，记为J2000.0，即焦耳日JD2451545.0。 朱尔：公元前罗马皇帝朱尔凯撒实施的长期天文记日法。 儒勒日JD :从公元前4713年儒勒历1月1日格林威治水平正午(世界时间12点)开始，连续修订天数。 每年的年末年初是标准历年(J2000.0 )的焦耳年的整数倍焦耳年

10、=365.25焦耳日的焦耳世纪总岁差为5029.0996，章运动量为9.2044。 3、天球坐标系的变换、原点相同(以地心为原点)、仅坐标旋转变换。 (2)瞬时平天球坐标系-章动旋转-瞬时真天球坐标系，(1)协定天球坐标系-岁差旋转-瞬时平天球坐标系，二、地球坐标系固定在地球上，地球的重心1 )极移：由于地球体内的复杂运动，自转轴相对于表面不断变动的现象。 2 )周期性运动：张德勒(S.C.Chandler )运动部分自由欧拉前进，14个月/T受季节性运动部分季节性气象的影响，12个月/T，极移动运动轨迹(12个月/T )固结于地球，以地球重心为原点，z轴瞬间指北极，x轴瞬间指真赤道(2)协议

11、地球坐标系：地固坐标系。 固结在地球上，以地球的重心为原点，z轴指国际协定原点(CIO )，x轴指协定赤道和格林威治子午线的交点方向，构成右手坐标系，确定y轴方向。 CIO:conventionalinternationalorigin，通过国际天文联合会和国际大地测量学协会提出的国际上5个纬度服务站观测，以1900年到1905年的平均纬度确定的平均地极位置为基准点。2、两种地球坐标系的变换、协定地球坐标系极变换瞬时地球坐标系、极变换：3、协定地球坐标系的实现和WGS-84， 1、wgs-84坐标系、(1)cgs GPS、SLR、VLBI、Doppler、wgs-84坐标系：世界大地坐标系Wo

12、rld Geodetic System、以地球重心为坐标原点的地固坐标系、坐标系的方向和国际时间局BIH1984.0定义的该坐标系是美国国防部开发的即，固结在地球上，以地球的重心为原点，z轴指BIH系统定义的协定地极(CTP )的方向，x轴指BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点方向，构成右手坐标系，确定y轴方向。 CTP:conventionalterrestrialpole，椭球体基本大地残奥表：(2)WGS-84椭球体，椭球体几何残奥表：(3)大地坐标系(b，l，H)- 2，WGS-84站心平坐标系，带GPS网的测量站n轴指该站的子午线，北为正，u轴与该站上的WGS-84椭球体

13、的法线重叠，外为正，e轴位于通过该站的切平面上，东为正，构成左手(1)WGS-84地心坐标系-平移、旋转-站心直角坐标系，(2)表现形式：直角坐标系(n，e，U) N :北方向； e :东向u :垂直方向极坐标系(s，a，V) S :距离； a :方位角： v :高度角，WGS-84地心，站心平坐标系：四，地球坐标系和天球坐标系的变换，1，两者的关系：1)原点位置相同，位于地球重心的2)Z轴指向相同3)X轴指向不同，角度为春分点的格林威治恒星协议天球坐标系-岁差，章动变换-瞬间真时间间隔：从现象发生到结束的时间。 时间系统：时间尺度(单位)，时间原点(初始历)，时间系统，周期运动： (1)日期

14、时间修正(2)水轮机采用时间修正系统中国(3)砂时间修正系统伽利略(4)历时天体运动(5)氢气- hydrogen) (4)脉冲时钟，保护时间的精度和稳定因此，在给出卫星运行位置的同时，还必须给出相应的瞬间时刻。 另外，卫星位置的精度与时刻的精度密切相关。 在要求GPS卫星的位置误差小于1cm的情况下，对应时间误差必须小于2.610-6s。 GPS测量通过接收并处理从GPS卫星发送的无线信号，来确定从用户接收器(观测站)到卫星的距离并确定观测站的位置。 为了精确地测量从站到卫星的距离，必须精确地测量信号的传播时间。 局星距离误差要求小于1cm时，信号传播时间的测量误差请控制在310-11s以下

15、。 由于地球的自转现象，天球坐标系中地球上的点的位置不断变化。 如果赤道上的一点误差要求不超过1cm，则时间测量误差必须小于210-6s。 当然，在利用GPS技术进行精密的定位和导航时，需要得到尽可能高精度的时间信息，需要正确的时间系统。 一、世界时间和恒星时间、世界时间UT(Universal Time ) :从平子夜零时开始的平太阳时，用地球的自转运动进行修正测量。 恒星时间ST(Sidereal Time ) :站上来自中天的春分点时角具有地方性，通过地球的自转运动进行修正测量。 世界时间系统：世界时间系统是以地球自转为基准的时间系统。 恒星时：以春分点为基准点，由春分点的星期天视运动决定的时间叫恒星时。 1、地球自转速度的变化： (1)长周期的变化：地球表面潮汐摩擦的影响、海水潮汐的阻力、每百年延迟0.0016秒/天。 (2)