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1、返回 卫星定位技术与应用卫星定位技术与应用 黄张裕 河海大学测绘科学与工程系 * Chapter 2 卫星大地测量基础 1 卫星大地测量的内容与技术 2 卫星大地测量中的坐标系 3 卫星大地测量中的时间系统 4 GPS卫星在地球质心中心引力下的运动 5 二体问题和多体问题 6 卫星受摄运动 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）建立和维持全球和区域性大地测量系统与大地测量框 架 （2）快速、精确测定全球、区域或局部空间点的三维位置 和相互位置关系 （3）
2、利用地面站观测数据确定大地测量卫星的轨道 （4）探测地球重力场及其时间变化，测定地球潮汐 （5）监测和研究地球动力学（地球自转、极移、全球变化 等） （6）监测和研究电离层、对流层、海洋环流、海平面变化 、冰川、冰原的时间变化 二、卫星大地测量的技术 （1）卫星地面跟踪观测技术 （2）卫星对地观测技术 （3）卫星对卫星观测技术 三、几种现代卫量测量技术 1、甚长基线干涉测量 VLBI：Very Long Baseline Interferometry 甚长基线干涉测量是一种接收河外射电源发出的波， 来进行射电干涉测量的技术，产生于20世纪60年代末。 适用于测定极移、日长、全球板块运动和区域构
3、造运 动的空间大地测量技术。 整个系统非常庞大，造价昂贵，只适用于固定台站。 甚长基线干涉测量基本原理 在相距甚远（数百公里至数千公里）的两个测站上， 各安置一架射电望远镜，同时观测银河外同一射电源信号 ，分别记录射电微波噪声信号，通过对两个测站所记录的 射电信号进行相关处理（干涉），求得同一射电信号波到 两个测站得时间差，解算出测站间得距离，称为基线长度 。 全球卫星定位系统是利用在空间飞行的卫星不断向地 面广播发送某种频率并加载了某些特殊定位信息的无线电 信号来实现定位测量的定位系统。 卫星导航定位的基本作用是向各类用户和运动平台实 时提供准确、连续的位置、速度和时间信息。 2、全球定位系
4、统(GPS：Global Positioning System) p是目前精度最高的绝对定位技术 p在定义全球地心参考框架，精确测定地球自转参数，确 定全球重力场低阶模型，监测地球重力场长波时变，以及 精密定轨，校正钟差等都要重要作用 p 把反射镜安置在卫星上，在地面点上安置激光测距仪， 对卫星测距，称为地基激光测距系统 p把激光测距仪安置在卫星上，地面上安置反射镜，组成 空基激光测地系统 3、卫星激光测距(SLR： Satellite Laser Ranging) 卫星激光测距基本原理 用安置在地面测站上的激光测距仪向配备了后向反射 棱镜的激光卫星发射激光脉冲信号，该信号被棱镜反射后 返回测
5、站，精确测定信号往返传播的时间，进而求出观测 瞬间从仪器中心至卫星质心间距离的方法。 l精密测定地心绝对坐标； l建立全球或区域地心参考框架； l测定低频地球重力场参数； l测定地球质心的变化； l监测板块运动； l监测地球自转参数及变化； l测定海潮波参数（震幅和初相）； l激光测月测定地心引力常数。 卫星激光测距（SLR）重要应用： u通过SLR、GPS等手段精确确定测高卫星的运行轨道， 同时又利用安置在卫星上的雷达测高仪测定至瞬时海水面 间的垂直距离来测定地球重力场，研究海洋学、地球物理 学中的各种物理现象的方法和技术。 u是目前研究和监测海洋环流与中尺度海洋现象及其动力 环境的重要手段
6、之一。 4、 卫星雷达测高(SA：Satellite Radar Altimetry) 卫星雷达测高基本原理 从卫星上安装的测高仪垂直向地球表面发射电脉冲， 这些脉冲被海面垂直反射至卫星，于是根据脉冲往返行程 的时间，推求卫星对于瞬时海面的高度。 （1）利用卫星测高方法可以实际测定海洋区域的大地水 准面； （2）在海洋中大地水准面的形状与海底地形有关。因此 依据大地水准面所提供的信号能探测出海底山脉、断裂带 和地堑构造等大地构造，并给出地球物理解释。 （3）求得精确的海面地形，研究洋流，海潮的范围、幅 度及其随时间的变化规律，建立一个全球统一的高程基准 ，确定冰盖的形状大小及其变化情况等。 卫
7、星雷达测高(SA)主要应用： 2-2 卫星大地测量中的坐标系 在卫星大地测量中，观测站是固定在地球表面上，其 空间位置随同地球自转而运动，但观测目标却是主要受地 球引力作用而绕地球旋转的人造地球卫星。 （1）天球坐标系：与地球自转无关，用于描述卫星的位置 和状态的坐标系。 （2）地球坐标系：随地球自转，用于表示地球观测站的空 间位置的坐标系。 v坐标系构成：原点、坐标轴、尺度 v坐标系之间转换：坐标平移、旋转、尺度转换 一、天球坐标系 以地球质心为坐标原点，Z轴指向北天极，X轴指向春 分点，构成右手坐标系，以确定Y轴方向。有赤道天球坐 标系和黄道天球坐标系之分。 天球坐标系，是一种惯性坐标系
8、惯性坐标系定义：没有加速度的系统 可以应用牛顿运动定律，在此系统中，卫星运动满 足下式：F = ma 已知作用在卫星上的力，卫星的速度和位置可用加速 度完整地描述 天球 春分点 秋分点 黄道平面 赤道平面 黄极 平天极 黄赤交角 （1）基本概念： 1）宇 宙：广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质 的总称。宇宙处在不断的运动和发展中，在空间上无边无 界，在时间上无始无终。 2）天 球：以地球质心为球心，以无限大长度为半径的一 个假象的球体。 3）天 极：地球自转轴的延长线与天球的两个交点，分为 南、北天极。 4）天球赤道面：通过地球质心与天轴垂直的平面。 5）黄 道：地球公转的轨道面与天球相
9、交的大圆。 1、岁差和章动 6）二分点：黄道与天球赤道的两个交点。 春分点（3.21）、秋分点（9.23） 7）二至点：黄道上与二分点相差90的两个点。 夏至点（6.22） 、冬至点（12.22） 1）地球自转（周日运动）：绕自身的旋转轴自西向东旋转 2）地球公转（周年运动）：绕太阳反时针方向进行公转 3）黄赤交角：黄道面与赤道面之间的夹角。自转轴与公 转轨道平面的倾斜造成春夏秋冬四季更替（昼长夜短变化 ）。 （2）地球运动： 天球： 春分点 秋分点 黄道平面 赤道平面 黄极 平天极 黄赤交角 （3）岁差和章动: 地球自转轴的运动 原因: 日、月、地球与其他星体的相对运动，地球 内部质量分布的
10、不均匀。 （4）总岁差 1）日月岁差：由于日月引力作用而引起的地球自转轴 绕黄道的垂直轴旋转的一种长期运动。 50.371/年，周 期约为25800年。 2）行星岁差： 由于行星引力对地球绕日运动轨道的摄 动而引起的变化。 0.134/年，周期约为100万年。 3）总岁差：赤道与黄道由于日月岁差和行星岁差引起 的缓慢运动。 （5）章动 由于日月引力等因素作用而产生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： 春分点 秋分点 黄道平面 赤道平面 北黄极 北天极 黄赤交角 岁差和章动： 北天极 北黄极 岁差使北极 运动的轨迹 章动使北极 运动的轨迹 岁差、章动
11、同时作用 下使北极运动的轨迹 2、三种天球坐标系 （1）瞬时真天球坐标系：由瞬时真天极、瞬时真赤道面和 瞬时真春分点所定义的天球坐标系。 （2）瞬时平天球坐标系：由瞬时平天极、瞬时平赤道面和 瞬时平春分点所定义的天球坐标系。 （3）标准历元平天球坐标系（协议天球坐标系）：相应于 某一确定时刻为标准历元的一种特定的天球坐标系。 协议天球坐标系： 标准历元：采用儒勒2000年1月1.5日TDB（地球质心动力 学时），记为J2000.0，即为儒勒日JD2451545.0。 儒勒：是公元前罗马皇帝儒勒.凯撒所实行的一种长期天 文记日法。 儒勒日JD：以公元前4713年儒勒历1月1日格林威治平正 午（世
12、界时12时）为起算点，日数连续累计。 每年的岁首为标准历元（J2000.0）儒勒年的整数倍 每儒勒年=365.25儒勒日 每儒勒世纪的总岁差为5029.0996，章动量为9.2044。 3、天球坐标系的转换 原点相同（以地心为原点），只有坐标旋转变换。 （2）瞬时平天球坐标系-章动旋转-瞬时真天球坐标系 （1）协议天球坐标系-岁差旋转-瞬时平天球坐标系 -平黄赤交角， -黄赤交角章动，-黄经章动， + -真黄赤交角 章动旋转： zA、A、A-岁差三分量 岁差旋转： 二、地球坐标系 固联在地球上，以地球质心为原点，地球自转轴为Z轴 ，X轴指向赤道与格林威治子午线交点方向，构成右手坐 标系，以确定
13、Y轴方向。 1）极移：由于地球体内复杂的运动而引起自转轴相对于表 面不断变动的现象。 2）周期性运动： v张德勒（S.C.Chandler）运动部分-自由欧拉进动，14 个月/T v受迫季节性运动部分-季节性气象影响，12个月/T 极移运动轨迹（19711975） 极移运动轨迹（19951998）/（19901997） 赤道 起始子午面 A（B、L、H） O B L H 地球坐标系：（X、Y、Z） （B、L、H） XY Z O A（X、Y、Z） 1、两种地球坐标系 （1）瞬时地球坐标系：准地固坐标系。固联在地球上 ，以地球质心为原点， Z轴指向瞬时地北极，X轴指向 瞬时真赤道与格林威治平子午线
14、交点方向，构成右手 坐标系，以确定Y轴方向。 （2）协议地球坐标系：地固坐标系。固联在地球上，以地 球质心为原点， Z轴指向国际协议原点（CIO），X轴指向 协议赤道与格林威治平子午线交点方向，构成右手坐标系 ，以确定Y轴方向。 CIO：conventional international origin，国际天文联合会 和国际大地测量学协会建议采用的，通过国际上5个纬度服 务站观测，以1900年至1905年的平均纬度所确定的平均地 极位置作为基准点。 2、两种地球坐标系的转换 协议地球坐标系-极移转换-瞬时地球坐标系 极移转换： 三、协议地球坐标系的实现和WGS-84 1、WGS-84坐标系
15、（1）CTS-84-WGS-84 CTS-84: 协议地球坐标系Conventional Terrestrial System ，由一组具有已知的精确地心坐标的台站所具体体现的。 采用多种观测技术：GPS、SLR、VLBI、Doppler WGS-84坐标系： 世界大地坐标系World Geodetic System，以地球质心 为坐标原点的地固坐标系，坐标系的定向与国际时间局 BIH1984.0所定义的方向一致。该坐标系由美国国防部研制 ，自1987年1月10日开始启用。 即：固联在地球上，以地球质心为原点， Z轴指向 BIH系统所定义的协议地极（CTP）的方向，X轴指向 BIH1984.0
16、的零度子午面与CTP赤道的交点方向，构成右手 坐标系，以确定Y轴方向。 CTP：conventional terrestrial pole 椭球基本大地参数： （2）WGS-84参考椭球 椭球几何参数： 长半径a = 6378137 m 短半径b = 6356752.310 m 扁 率 = 1/298.257223563 （3）大地坐标系（B、L、H）-直角坐标系（X、Y、Z） 卯酉曲率半径： （4）直角坐标系（X、Y、Z）-大地坐标系（B、L、H） 通过迭代求解 2、WGS-84站心地平坐标系 以GPS网中某一测站点为坐标原点，N轴指向过该站的 子午线，以北向为正，U轴重合于该点上的WGS-84椭球的 法线，以向外为正，E轴位于过该点的切平面上，以东向 为正，构成左手地平坐标系。 （1）WGS-84地心坐标系-平移、旋转-站心直角坐标系 （2）表示形式： 直角坐标系 (N、 E、U) N：北方向；E：东方向；U：垂直方向
