空间定位几种常用的空间定位技术

D2(t2)
fs发送信号；R测站对t1,t2
时刻分别在S1,S2处的同一 颗卫星进行多普勒测量；可
D1(t1)
以计算［t1,t2］时段的多普 勒计数N1,2及距离差:
△ D1,2=D2-D1
= λS［ N1,2 –(f0-fs)(t2-t1)］
S2(t2) D2-D1
41
几何原理：
接收机R必然位于 以S1、S2为焦点的旋转
双曲面上，曲面上任何 一个点到S1、S2两点的 距离差均等于△ D1,2；
同理可以有S2、S3
为焦点的旋转双曲面 (N2,3 ,△ D2,3)。
还可以有S3、S4为
焦点的旋转双曲面 (N3,4 ,△ D3,4)。
三个曲面的交点卫
测站 R。
S1 S2
△D1,2
S3
R
△D2,3
S1 S2
△D1,2
S3
△D2,3
• 在光学谐振腔内沿腔轴方向传播的光 受安置在两端的反射镜反射而往返传 播，在此过程中不断引起其他原子的 受激跃迁，产生同频率的光子，使光 迅速放大。
• 与腔轴不平行的光则在往返几次后逸 出腔外，从而形成方向性极好的激光。
3
§4.3、激光测卫和激光测月
• 激光具有下列特点 ⑴高功率激光器的输出功率可达GW级。 ⑵激光的谱线很窄，便于在接收系统中用窄带滤
空间大地测量理论基础
第四章、几种常用的空间定位技术(2)
B A
S2 S1 B
A
S1
S2
S3 S4
B
A
1
第四章、几种常用的空间定位技术(2)
§4.1、甚长基线干涉测量 §4.2、人卫摄影观测 §4.3、激光测卫和激光测月 §4.4、多普勒定位（Transit,DORIS） §4.5、卫星测高
2
§4.3、激光测卫和激光测月
可达1cm左右
5
§4.3、激光测卫和激光测月
一、激光测卫（SLR) 2、原理(续) D=C.⊿t/2+ ⊿D ⊿D为测距改正数
激光测 距仪
带反射棱镜的 激光卫星
6
§4.3、激光测卫和激光测月
二、激光测距卫星
1、激光测距专用卫星 • Lageos卫星 • Starlette卫星
Starlette
7
t1
f0
fS ) ( fS
f R )]dt
( f0
f s )(t2 t1 )
fS c
( D2
D1 )
t1
f0
fs fR
t2
t
40
三、多普勒定位原理
1、已知量：利用地面跟踪 站对卫星已经观测并确定了 轨道（以时间为自变量，以 S1(t1)
卫星坐标为变量的方程参 数），卫星坐标成为已知量。
2、观测量：某卫星S以频率
8
§4.3、激光测卫和激光测月
三、人卫激光测距仪 1 激光仪分类 1)按激光类型来分 • 脉冲式 • 相位式激光测距仪：是用无线
电波段的频率，对激光束进行 幅度调制并测定调制光往返测 线一次所产生的相位延迟，再 根据调制光的波长，换算此相 位延迟所代表的距离。即用间 接方法测定出光经往返测线所 需的时间，如右下图所示。 t=φ/ω， D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω =c/(4πf) (Nπ+Δφ)=c/4f (N+ΔN)
用大功率激光测距 仪向安置在月球表面上 的反射棱镜发射激光脉 冲信号，测定信号的往 返传播时间，进而求出 仪器到反射棱镜之间距 离的方法和技术称为激 光测月。
17
§4.3、激光测卫和激光测月
2、月球表面上的反射棱镜
L1 A15 L2 A11 A14
18
Apollo-11
19
Apollo-14
20
31
§4.4、多普勒定位（Transit,DORIS）
空间定位过程中，空中观测目
标经常以光波、电波的形式将其信
号传送到观测站；所以观测站就使
D
用这些波信号来测量目标到测站的
距离。
波的参数：
波长λ:波运行一周的距离（米）。 λ 频率f:单位时间内出现整周波的次
数（兆赫）。
波传输速度：C= f×λ(米/秒） 波传输距离：D=△t×f×λ(米)
发出波个数不变：n=fS×△t
D=C×△t
距离变短: C△t-V△t
引起接收波长变短：
λR=(C△t-V△t)/n 引起接收频率变大：
S
S
R
V△t
C△t-V△t
S,R相向运动
fR =C/λR = fS×C/(C-V)
33
3、信号发射源S与信号接 收处R作背向运动时：
△t不变，传播速度C不变
发出波个数不变：
D2(t2)
2、符号问题： fS<fR
即:fS-fR<0
D1(t1)
处理方法:
f0=fs+f,f为频率加常数， 使得f0〉fR
S2(t2) D2-D1
39
3、多普勒计数N：
用f0代替fs （ f0〉fR ）， f 获得的多普勒频移积分 称为多普勒计数。
N
( f t2
t1
0
fR )dt
t2 [(
• 美国Texas州的McDonald天文台
25
3、激光测月的激光观测站
• 美国Hawaii州的Haleakala天文台
26
3、激光测月的激光观测站
• 法国的Grasse观测站
27
3、激光测月的激光观测站
• 澳大利亚Orrorral站
28
3、激光测月的激光观测站
• 德国的Wettzell观测站
29
4、用途
• 激光测月观测台的地心坐 标
• 极移，地球自转及全球的 板块运动
• 进一步完善岁差和章动理 论
• 月球的运行轨道及月球的 天平动
• 月球重力场的低阶系数
L1
A15 L2
A11
A14
30
第四章、几种常用的空间定位技术(2)
§4.1、甚长基线干涉测量 §4.2、人卫摄影观测 §4.3、激光测卫和激光测月 §4.4、多普勒定位（Transit,DORIS） §4.5、卫星测高
D=△t×f×λ=C×△t
问题：fS≠fR
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一、多普勒效应：
一）多普勒效应的几个现象：
1、信号发射源S与信号接收处 R保持相对静止：
D=△t×f×λ=C×△t
fS=fR， λS=λR
S
D=△t× fS ×λ=C×△t
2、信号发射源S与信号接收处
R作相向运动时：
R S,R相对静止
△t不变，传播速度C不变
S4
R
42
3、观测方程：
△ D1,2=λS［N1,2–(f0-fs)(t2-t1)］=λS［N1,2 –△f(t2-t1)］ △f= △f0+d △f
△ D1,2=λS［N1,2 –△f0 (t2-t1)］- λS d△f (t2-t1)
△ D1,2= D2-D1 建立距离与位置参数的关系并线性化：
一、激光测距的基本原理
1.激光
激光LASER（Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation） 是指光的受激辐射以实现光放大。
• 当激光物质处于粒子数反转分布状态 时，由自发辐射而产生的光子将引起 其它原子受激跃迁，从而使光得到受 激放大。
Apollo-15
21
Lunakhod 1
22
Lunakhod 2
23
3、激光测月的激光观测站
• 美国Texas州的McDonald 天文台
• 美国Hawaii州的Haleakala 天文台
• 法国的Grasse观测站 • 澳大利亚Orrorral站 • 德国的Wettzell观测站
24
3、激光测月的激光观测站
光片来消除天空背景的噪声，从而大大提高信 噪比。 ⑶激光的发散角极小，在很远的距离上光能量仍 能集中在一个很小的范围内，有的激光测距系 统发散角只有2″，在月球表面上光斑直径也只 有4km。
4
§4.3、激光测卫和激光测月
一、激光测卫测距原理
2、原理
用安装在地面测站的激光测 距仪向安装了后向反射棱镜的 激光卫星发射激光脉冲信号， 该信号被棱镜反射后返回测站， 精确测定信号的往返传播时间， 进而求出仪器到卫星质心间的 距离的方法和技术称为卫星激 光测距或激光测卫 （SLR:Satellite Laser Ranging) 。目前的测距精度
9
§4.3、激光测卫和激光测月
三、人卫激光测距仪 1 激光仪分类（续） 2）根据其构造及精度大体可以分为三
代 • 第一代
脉冲宽度在10～40ns，测距精度 约为1—6m。多数采用带调Q开关的 红宝石激光器。 • 第二代：
脉冲宽度2～5ns，测距精度为 30～100cm,多数采用了脉冲分析法 第三代：
测站表示正在工作的测站，大约有44个站。
14
美国：Mcdonald 德国：GFZ
15
2、用途 1）确定地心坐标， 绝对定位精度很高。 2）定轨 3）测定极移、地球 自转、板块运动、 地壳形变等 4）确定地球重力场
16
§4.3、激光测卫和激光测月
六、激光测月（LLR) Lunar Laser Ranging 1、原理
§4.3、激光测卫和激光测月
二、激光测距卫星(续) 2、非专用卫星
• ATS-6 • 海洋卫星Seasat-1 • 海洋地形试验卫星
Topex/Poseidon • 部分GPS卫星等。
这些卫星之所以安 装激光反射棱镜，主要 是把激光测距也作为一 种定轨的手段。
ATS-6
Tope x
Seasat-1 GPS卫星
距离变化与径向速度有关: C△t+Vcosα×△t
α
V
D=C×△t S
引起接收波长加长：
S
R
λR=(C△t+ Vcosα.△t)/n 引起接收频率变小：
Vcosα△t C△t+ Vcosα△t
S,R任意运动
fR =C/λR =fS×C/(C+ Vcosα)
35
二）多普勒效应的定义
当电波、声波等信
号源S和信号接收处R间
C△t+V△t
n=fS×△t 距离加长: C△t+V△t S
S
R
引起接收波长加长：
λR=(C△t+V△t)/n 引起接收频率变小：
V△t
D=C×△t
S,R背向运动
fR =C/λR = fS×C/(C+V)
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4、信号发射源S与信号接收 处R作任意运动时：
△t不变，传播速度C不变
发出波个数不变：
n=fS×△t
fS
fR
fS
(1 D/ C)
fS
D C
fS
S2(t2)
D
D2(t2)
38
二）多普勒测量 1、原理（续）
N'
t2 f dt
t1
( f t2
t1
S
fR )dt
t2 t1
Leabharlann Baidu
D c
f S dt
fS c
( D2
D1 )
其中：D1，D2分别为t1，t2时刻
信号接收者与信号源之间的距离。
S1(t1)
的
11
§4.3、激光测卫和激光测月
四、激光测距观测值误差改正 1）测距仪仪器常数改正
– 不同仪器之间的常数改正 – 地面大气延迟改正 2）观测时间改正△t= △t1+ △t2+ △t3 △t1为工作钟与标准时间之间的差异； △t2为工作钟取样时刻和激光脉冲信号的发射时刻之间的差 异，也称为触发延迟改正 △t3为信号传播时间改正，从激光脉冲离开测距仪至到达卫 星间的时间，△t3=S/c 3）大气延迟改正 4）卫星上的反射棱镜偏心改正 5）潮汐改正 6）相对论改正
作相对运动时，接收到
的信号频率fR 就会发
生变化而与发射频率fS 不等。
α
V
D=C×△t S
这个现象由奥地利 S
R
数学和物理学家多普勒
Vcosα△t C△t+ Vcosα△t
（1803 - 1853）在
S,R任意运动
1842年首先发现，所以
将这个现象称为多普勒
效应。
36
二、多普勒测量原理
一）多普勒频移
脉冲宽度为0.1～0.2ns,测距精度 为1～3cm，多数采用锁模Nd:YAG 激光器 。能在计算机控制下实现对 卫星的自动跟踪和单光子检测技术。
10
§4.3、激光测卫和激光测月
三、人卫激光测距仪 2.人卫激光测距仪的结构
整个测距仪是由： （1）激光器 （2）望远镜 （3）光电头 （4）脉冲测量系统 （5）时频系统 （6）伺服系统 （7）计算机等部分组成
12
五、SLR的用途现状及前景
1、激光测卫站
1）中国已经建立的武汉、上海、长春、北京和昆明 等5个激光测卫站。
2）流动激光测卫站：乌鲁木齐，拉萨
长春
TROS, Urumqi, China
北京
武汉
上海
TROS, Lhasa, Tibet
昆明
13
1、激光测卫站
2）国际上 目前在工作的SLR站如图所示，图中红色三角形
信号的发射频率fS与信号接收频率fR之差：
△f=- fS - fR称为多普勒频移。
R
C t
V cos
n
t
D=C×△t
(C V cos ) t
αV S
fS t
C V cos
S
R
Vcosα△t C△t+ Vcosα△t
fS
S,R任意运动
fR
C
R
C
C V cos
fS
37
二）多普勒测量
D ( X S X R )2 (YS YR )2 (ZS Z R )2 其中：( X S ,YS , ZS )为信号源的坐标; ( X R ,YR , ZR )为信号接收者的坐标。 线性化后有
1、原理
fR
C
C
V cos
fS
S1(t1)
V cos dD D(卫星径向速度)
dt
fR
C
C
D
fS
1
1 D/ C
fS
(1 D/ C)1 fS
(1 D/ C D2 / 2C 2......)
D1(t1)
当D2 / 2C 2 3.6 1010时
f R (1 D/ C) fS
f