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1、卫星多普勒定位系统姓 名：张 永 奇学 号：0826010指导教师：刘 万 林 副教授第 - 26 - 页 共 24 页目录第一章 绪论1第二章 卫星多普勒定位系统32.1 发展简史32.2 空间部分42.3 地面跟踪网62.4 用户接收设备7第三章 卫星多普勒测量原理103.1 多普勒效应103.2 多普勒积分法113.3卫星多普勒定位原理113.4 卫星多普勒导航计算模型123.5 卫星多普勒定位方法123.6 卫星多普勒网的建立12第四章 卫星多普勒定位的数据采集与处理144.1 卫星的基本信息144.2导航卫星预报154.3 卫星多普勒数据的预处理15第五章 卫星多普勒观测的误差分析1
2、75.1 概述175.2 轨道误差185.3 折射误差205.4.接收误差21第六章 卫星多普勒定位的应用22第七章 卫星多普勒定位技术的进一步发展23参考文献2525卫星多普勒定位系统第一章 绪论卫星多普勒定位技术是现代大地测量采用得较为广泛较有成效的新技术之一。近几年来，在我国的生产、科研和教育部门，均引用了此项新技术，且有更为普及的趋势。自从1958年人造地球卫星(以下简称卫星)发射成功以后，经典大地测量学与天文学、地球物理学相互渗透，产生了大地测量学的新分支卫星大地测量。自六十年代以来，卫星大地测量获得了突飞猛进的发展，并在空间技术和地球科学方面发挥着日益重要的作用。卫星大地测量的实质
3、，就是利用人造卫星的观测资料来实现大地测量的目的。因此，卫星大地测量的任务可概括为如下几点：1. 精确测定地球的大小和形状、地球外部引力场、地极运动、大陆板块间的相对位移和研究大地水准面的形状。这不仅是大地测量学的主要任务，而且对其它科学技术也有重要意义；2. 精确测定地面点相对于地球质心的坐标(地心坐标)。这样，就能够把世界上不同地区的地面大地网精确地联系起来，建立统的世界大地测量坐标系，为研究地心坐标系运动提供可靠资料；3. 加强国家天文大地网，并提高其精度。现有的大地测量成果具有几何和物理的两重性，即平面位置是在某个参考椭球面上，用几何方法(三角或导线测量)推算测定，而高程则由某地的平均
4、海水面，用物理方法(水准测量)传递测定。利用卫星大地测量的方法可以对大面积的天文大地网进行加强或控制，以及不断提高其精度；4. 困难地区布设测图拉制。根据目前美国海军导航卫星系统所达到的精度，很多国家已直接用卫星多普定位法，在困难地区布测控制网。它可以提高工作效率，避免外业造标工作，降低作业成本；5. 海岛联测，包括海上定位等。卫星大地测量可以对远离大陆的岛屿，以及沿海的石油钻台进行大地联测。这不但速度快，精度好，而且是常规大地测量无法进行联测的唯一有效手段。除此，卫星大地测量，特别是卫星多普勒测量在海上导航、石油助探、监测冰川运动、地壳运功和军事等方面有着广泛的应用。卫星大地测量，就其观测手
5、段通常可分为光学摄影法、激光测距法相无线电技术法三种。光学摄影法，包括目视光学观测，电影经纬仪观测。目视光学观测能很快地获得卫星的近似位置，所以在人造地球卫星观测的最初阶段使用得较广泛。由于观测精度较低(方向精度为记时精度为)，所以被后来发展的光学电影法所替代。这种摄影法，是以恒星天空为背景，用大口径光学望远镜对恒星进行摄影。通过底片上恒星与卫星轨迹的量测，可以确定卫星在空间相对于恒星的位置。第二章 卫星多普勒定位系统卫星多普勒大地测量主要是利用美国海军研制的导航卫星系统。该系统最初称为子午卫星,以后改用海军导航卫星系统，最后又称为导航卫星(NAVSAT)。2.1 发展简史美国为了对装有北极星
6、导弹的潜艇的惯性导航系统进行有效的检核，由美国海军武器实验室(NWL)(现改名为海面武器实验宝NSWL)，委托美国霍布金斯大学的应用物理实验室(JHU-APL)研制卫星导航系统。APL于1958年12月开始研制，1964年投入军用，除为北极星潜艇导航外，还为其它军舰和海洋考察船导航之用。1967年7月经美国政府批准解密，可供商用。因此，开始用于各种远洋船舶导航及海上定位。1964年以后，也开始研究利用该系统来解决大地测量的任务，随着该系统的精度不断提高，越来越广泛地用来解决大地测量和地球动力学方面的一系列问题。由于该系统具有全天候、全自动、全球覆盖和具有较高精度等特点，因而在世界上获得日益广泛
7、的应用。导航卫星系统的设计思想，最初是由霍布金斯大学应用物理实验室的几名研究人员提出来的。在使用无线电跟踪苏联第一颗人造地球卫星时，维芬巴赫(George CWeiffe-nbach)和吉尔(William H.Guier)发现可以利用多普勒频移来测定卫星的轨道。不久，当时任应用物理实验室研究中心主席麦克卢尔(Frank TMcCMlure)提出，利用预测的轨道使用多普勒测量的方法来测定地面接收站位置的设想。经过一系列的论证和技术准备以后，在以下四个方面正式开展了研制工作：(1)研制TRANSIT卫星系列；(2)建立地面跟踪网，以提供预测的轨道参数；(3)研制地面接收设备；(4)开展卫星轨道理
8、论，地球引力场和地球形状的研究。 建立导航卫星系统以后，根据美国本土四个跟踪站36小时的观测数据，再外推16小时的卫星轨道参数。由注入站将此预测的卫星轨道参数定期注入卫星，卫星将此轨道参数，经相位调制后播发出去，通常称它为广播星历。此外，还有分布在全球各地约19个观测台站组成的全球子午卫星跟踪网(TRANET)。这些台站大多为各国的天文台或卫星观站。按全球跟踪网的观测资抖，汇总并计算子午卫星的精密星历。起初由应用物理实验室计算并提供，目前由美国国防部测图局地形测量中心(DMATC)计算和提供。通常只计算二颗子午卫星的精密星历。该精密星历只提供与美国政府有协议的天文台、卫星观测站和有关单位。 为
9、了提高广播星历的精度，导航卫星系统于1974年1月顾及了极移改正，即归算到CIO平极。还于1975年12月起作了一些重大改进，首先将原来的地球引力场模型AFL4.5改为WGS-72系统。然后在全球卫星跟踪网共同平差基础上，对美国本土四个跟踪站的地心坐标进行了改进，以使它们与全球卫星跟踪网有更好的内部符合。除此还采用了一个改进的光压模型，改善了日月效应摄动的计算，以及消除了计算进动(章动)中出现的微小摄动。这一切都使子午卫星轨道的外推误差减小了，从而提高了广播星历的精度。导航卫星系统由美国海军宇航组负责，共总部设在加利福尼亚州的穆古角。美国海军天文台参加时间校核。导航卫星系统由空间部分-卫星，地
10、面跟踪网和用户接收设备组成。2.2 空间部分第一颗子午卫星”TRANSIT-IA”于1959年9月17日，用雷神艾布尔火箭发射，因为火箭的第三级未点燃，故未能进入轨道。虽然如此，它却初步地解决了子午卫星本身的一系列问题，为整个子午卫星系统的研制成功奠定了基础。第二颗子午卫星”TRANSIT-1B”于1960年4月13日发射成功。整个卫星呈圆球形，天线在每个半球表面呈螺旋状，太阳能电池安置在圆球的中央，呈一环带。为减少卫星与运载火箭脱离后仍存在的高速旋转，有一个附加重量的钢索，在为星入轨后，将自动向外抛去。它象一条旋转的臂，使惯性矩增加，以减少旋转速度。卫星稳定后，它就随其重量抛出。卫星的姿态仍
11、采用磁力控制，使卫星与地磁场的方向一致。 TRANSIT-2A和TRANSIT-3A分别于1960年6月22日和11月30日发射。后者由于火箭故障未能进入预定轨道。 TRANSIT-3B于1961年2月21日发射。由于火箭故障形成扁率很大的椭圆轨道。卫星经过近地点时，受到大气阻力造成的轨道递降，于几星期后烧毁。但却第一次成功地进行了卫星注入和存贮系统的试验。 TRANSIT-4A于1961年6月29日发射成功。 TRANSIT-4B子1961年11月25日与另一颗特雷克卫星同时发射。特雷克卫星是用于试验重力定向的，其目的是使以后的子午卫星的天线指向地心。这次试验虽不完全成功，但证实了采用重力定
12、向的可能性和现实性。这种定向方法成功地为现在的子午卫星所采用。 子午卫星的试验阶段至此基本结束。第颗实用子午卫星于1963年12月发射成功，并开始为北极星潜艇和其它潜艇导航。它是一个约30cm *46cm的六面体，并具有四个太刚能电池的网状翼，重量约50.4kg.在卫星进入轨道后，四个翼自动展开，翼上嵌装着太阳能电池，以保证电源的供应。 第一批实用卫星寿命较短，大约一年后就不能工作。主要原因是太阳能电池的热量循环导致电路连接部分的破裂。这个问题解决后，卫星的使用寿命使大大提高了。所有的试验卫星和第一批实用卫星均由APL研制。它于1967年4月至9月发射了三颗子午卫星，一直运行到现在。这种卫星称
13、为OSCAR卫星。以后的子午卫星由美国无线电公司(BCA)制造，于1968年后又发射了三颗，目前还有十三颗OSCAR卫星存放在BCA的仓库里，留作备用。另有九个侦察兵火箭备用。 子午卫星由火箭送入轨道后，仍在高速旋转，此时四翼自动展开，使卫星旋转速度大幅度地减弱。然后利用四翼上的地磁阻尼棒来消除平衡过程中产生的摆动。约一天内可使卫星消除旋转，稳定下来。最后，一根长30m的重力稳定杆伸了出来，杆端有一个1.3kg重荷，使卫星天线的端面在重力作用下平稳地对着地心。重力梯度稳定杆有点象钟摆，当它的纵轴一旦偏离铅垂线，卫星就慢慢地来回摆动，而不是立即停下来。此时还要靠翼上的磁阻尼棒来吸收摆动的能量，使
14、振幅逐渐降到以内。卫星内有一套复杂的电子系统。它包括：一套接收装置，一个5MHz高稳定度的振荡器，两个1.5W发射机一个相应调制的编码装置，套含有35K的磁芯存贮系统，个定向天线以及控制线路等。除存贮系统外，约行6200个电子元件，共46000个焊点。 卫星振荡器的频率为5MHz，经过倍频、分频后，通过定向天线，同时连续播发400 MHz和150MHz两种稳定的相干频率。卫星的接收装置用来接收地面注入站发来的时间和轨道参数以及指令并将这些数据存入存贮器。根据预定的程序和指令，通过相位调制编码装置，调制在载波上播发出去。在卫星通过期间，频率稳定度为。卫星振荡器经分频后，控制存贮照相调相编码器，使
15、卫星轨道参数编码后，按世界时(UTC)偶分数调相到载波上发射出去。所以播发的信号不仅提供了稳定的载波频率和卫星轨道参数，也提供了定时信号。卫星的接收机从地面注入站周期性地获得修正过的卫星轨道参数和时间改正数，此改正数也存在存贮器中，并且每隔进行一次调整。 一直到1977年有六颗子午卫星在轨道上运行。其中30180号卫星由于稳定杆断裂，定向不正确，1978年就停止了使用。1977年12月22日发射了一颗新型的子午卫星，编号为30110，它在试验阶段被称为了TIPS卫星，现在称为NOYA卫星。NOVA卫星发射的信号与OSCAR卫星完全一样但是接收到的信号电平要增加3-4dB，并且在两个频道上天线将都是左手极化的。除此，NOIA卫星还有一些重要的改进，主要是带有干扰补偿系统(DISCOS)，用于消除大气阻尼的影响；还有时间(频率)控制的改进，以及星载可编程序计算机等。 NOVA卫星除用于导航定位目的外，尚有其他军事用途。目前准备生产三颗，全部将为五颗。据1979年1月第二次国际卫星多普勒大地测量讨论会上霍斯金斯代表美国海军战略系统设计局(SSPO)报告称， 美国海军将于1990年前维持四颗卫星的导航系统，即包含两颗OSCAR卫星和两颗NOVA卫星，直到有新的导航卫星系统替代为止。由于卫星轨道在空中的进动，
