衛星姿態角的測量方法

① 衛星大地測量學的觀測方法

按其內容有：以恆星為背景測量衛星方向，人造衛星激光測距,多普勒頻移測量定位,衛星雷達測高等。
以恆星為背景測量衛星方向 利用衛星反射的太陽光或衛星上反射鏡反射的激光束進行攝影，通過像片處理歸算，即可求得攝影瞬間衛星所在的空間方向。由攝影測量求得的衛星方向的精度，在良好的條件下可以達到±0.3″。
方向觀測法是60年代主要使用的方法，它的觀測數據曾用於幾何法建立空間三角網。由於觀測精度不易再提高，而且可供觀測的衛星和觀測的機會較少，所以已很少使用。
人造衛星激光測距 用安置在地面站的衛星激光測距儀向衛星發射激光脈沖，並接收由衛星反射鏡反射回來的脈沖,測量脈沖往返所經過的時間,從而計算測站至衛星的距離。60年代初，曾試驗用激光技術測量從地面站到月球的距離。利用月面漫反射進行測距的嘗試，未能取得令人滿意的結果。以後隨著帶激光反射鏡的人造衛星的出現，以及儀器的改進，測距精度不斷提高。第一代激光測距儀用目視跟蹤觀測，測距誤差為±2米;第二代為自動跟蹤，誤差為分米級；第三代的測距儀精度達到厘米級。
人造衛星激光測距儀的工作原理如圖3。固體激光器所發射的激光脈沖，由取樣電路截取其極小部分能量，經光電轉換後形成一個基準信號，送至測時裝置，作為計時的開門脈沖。激光脈沖的大部分由光學系統發射至衛星。衛星上的反射鏡將脈沖反射回到地面，為接收系統所接收，並由光電倍增管轉換為電脈沖，經放大、整形後送至測時裝置作為計時的關門脈沖。激光脈沖往返於測距儀與衛星間的傳播時間，由計數器記錄下來，據以計算出測距儀至衛星的距離。
衛星激光測距儀分為固定式和流動式兩類。前者安裝在地面的固定測站上，後者可安裝在車輛上，具有高度機動性。兩類測距儀的精度大致相同。
為了用計算機控制激光測距儀，使它自動跟蹤衛星，須有精確的軌道預報。根據預報數據換算成觀測時衛星的坐標，再計算出衛星的方位角、高度角和距離。輸入計算機進行自動控制，跟蹤衛星。
人造衛星激光測距技術已被廣泛地應用於大地測量和地球動力學。70年代，地球和月球之間距離的測定有很大進展。月球激光測距除起到與衛星激光測距相同的作用外,還可以改善月球星歷,推求地球引力參數GM。月球激光測距精度已達到±10厘米左右。
多普勒頻移測量定位 多普勒頻移測量的原理以多普勒效應為基礎。裝在衛星上的無線電發射機連續發射的電磁波頻率為fs，地面站接收機所接收到的電磁波頻率為fe。由於衛星對地面站的相對運動，根據多普勒效應有下列關系：
式中妝為衛星到地面站距離的變率，c為光速。引入接收機本地振盪頻率f和衛星所發射電磁波波長λS=c/fS，上式寫成如下形式： 由接收機將時間t1到t2的頻移個數累加起來,亦即將上式求定積分，則有：式中N是接收機所記錄的t1到t2之間頻移個數。據此，即可由觀測到的頻移推算衛星至地面站的距離或距離變率。圖4表示多普勒頻移的變化情況。
為了提高精度，衛星發射兩種相干頻率，通過數據處理，可消除電離層影響的主要部分。多普勒頻移測量可以全天候工作，且可以在較短時間內獲得大量觀測數據。
子午衛星系統，也稱海軍導航衛星系統(NNSS)，就是利用多普勒測量原理進行導航和定位的一種典型的系統。該系統的子午衛星不斷發射供多普勒頻移測量用的電磁波信號，頻率分別為150和400兆赫，在 400兆赫載波上調制有時間信號和計算衛星空間位置用的「廣播星歷」。地面測站上的多普勒接收機在觀測多普勒頻移的同時，也接收這些信息。利用觀測到的多普勒頻移，以及衛星的瞬間位置和測站坐標之間的數學關系，可以計算出測站的地心坐標。用以進行子午衛星多普勒測量的儀器稱為多普勒接收機。
地面測站大約每隔一小時可以觀測到子午衛星通過一次。一般觀測40～50次，利用廣播星歷和單點定位技術求得的測站地心坐標，其精度約為±3～±5米。此外還可採用聯測定位技術（在兩個測站上對子午衛星進行同步觀測）和短弧定位技術（多測站上對子午衛星進行同步觀測）。這兩種定位技術都可以削弱衛星的星歷誤差和大氣折射的影響，但前者將衛星廣播星歷視為已知值，後者則將它作為觀測量處理。採用這兩種技術按廣播星歷計算，可將每兩點之間相對位置的誤差減小到 1米以內。美國還於事後計算1～2顆子午衛星的精密星歷。根據這種星歷和單點定位技術計算的測站地心坐標的誤差也在±1米以內。
子午衛星多普勒定位法不受天氣影響，所用儀器輕，操作簡便，現在已成為測定地面點地心坐標的主要方法。在天文大地網中，適當地測設多普勒測站，可以檢核和改善網的質量，並把局部大地坐標系轉換為全球統一的地心坐標系。衛星多普勒定位和地面水準測量結合，還可得出精度優於1米的相對高程異常。

② 衛星軌道及運行姿態

( 一) 衛星軌道參數與軌道類型

衛星圍繞地球運行是按一定的軌道進行的，其運行規律像行星圍繞太陽運行一樣，滿足開普勒三大定律。衛星軌道在空間的具體形狀和位置，由六個軌道參數來確定，分別為升交點赤經Ω、近地點角距 ω、軌道傾角 i、衛星軌道的長半軸a、衛星軌道的偏心率 ( 或稱扁率) e、衛星過近地點時刻 T ( 圖 3-20) 。除此之外，衛星軌道還有其他一些參數，如衛星速度、衛星運行周期、衛星高度及重復周期等。以下將重點介紹一些常用衛星軌道參數。

圖 3-20 衛星的空間軌道

1. 軌道高度

衛星軌道為一橢圓，按其高度可分為低軌、中軌和高軌三種軌道。

低軌衛星: 一般距離地面約 150 ～300km。低軌衛星可獲取大比例尺、高解析度的遙感影像，但壽命較短，一般只有幾天到幾周的工作時間，多用於偵察遙感。

中軌衛星: 一般距離地面約 1000km。這種衛星壽命較長，適用於各種環境遙感和資源遙感。

高軌衛星: 距離地面高度約 35860km。此時衛星的運行周期與地球自轉周期相同，又稱為地球同步衛星。

2. 衛星運行周期和衛星重復周期

衛星運行周期也稱衛星軌道周期，是指衛星繞地一圈所需的時間，即從升交點開始運行到下一次過升交點時的時間間隔。

衛星重復周期 ( 衛星覆蓋周期) 是指衛星從某地上空開始運行，經過若干時間的運行後，回到該地上空時所需要的天數。

3. 軌道傾角

軌道傾角 ( i) 是指衛星軌道面與地球赤道面之間的夾角，也即從升交點一側的軌道量至赤道面。當 i =0°時，軌道平面與赤道平面重合，稱為赤道軌道，若衛星運行方向與地球自轉一致且運行周期與地球自轉周期相等，稱為地球靜止軌道。當 i =90°時，軌道地面與赤道面有垂直，稱為極地軌道，可以覆蓋全球。介於上述兩者情況之間的軌道則都為傾斜軌道。

4. 升 ( 降) 交點

衛星質心與地心連線同地球表面的交點稱星下點，該點在衛星飛行過程中在地面移動的軌跡稱星下點軌跡。當軌道傾角不為 0°時，它與赤道面有兩個交點，分別為升交點和降交點。升交點為衛星由南向北運行時，軌道與地球赤道面的交點; 反之，由北向南飛行時的另一個交點稱為降交點。

( 二) 衛星運行姿態

衛星在軌道上運行時，其姿態有三種情況: 偏航、俯仰和側滾 ( 圖 3-21) 。若以衛星質心為坐標原點，沿軌道前進的切線方向為 x 軸，垂直軌道面的方向為 y 軸，垂直 xy平面的為 z 軸。則繞 x 軸旋轉的姿態角，稱之為側滾; 繞 y 軸旋轉的姿態角，稱俯仰;繞 z 軸旋轉的姿態角，稱偏航。這里的衛星姿態角與遙感影像幾何變形有直接的關系。遙感過程中，必須對衛星的 x，y，z 三軸進行定向，以使其保持一定的空中姿態，保證感測器始終對准地面。

圖 3-21 衛星三軸定向示意圖