卫星姿态角的测量方法

① 卫星大地测量学的观测方法

按其内容有：以恒星为背景测量卫星方向，人造卫星激光测距,多普勒频移测量定位,卫星雷达测高等。
以恒星为背景测量卫星方向 利用卫星反射的太阳光或卫星上反射镜反射的激光束进行摄影，通过像片处理归算，即可求得摄影瞬间卫星所在的空间方向。由摄影测量求得的卫星方向的精度，在良好的条件下可以达到±0.3″。
方向观测法是60年代主要使用的方法，它的观测数据曾用于几何法建立空间三角网。由于观测精度不易再提高，而且可供观测的卫星和观测的机会较少，所以已很少使用。
人造卫星激光测距 用安置在地面站的卫星激光测距仪向卫星发射激光脉冲，并接收由卫星反射镜反射回来的脉冲,测量脉冲往返所经过的时间,从而计算测站至卫星的距离。60年代初，曾试验用激光技术测量从地面站到月球的距离。利用月面漫反射进行测距的尝试，未能取得令人满意的结果。以后随着带激光反射镜的人造卫星的出现，以及仪器的改进，测距精度不断提高。第一代激光测距仪用目视跟踪观测，测距误差为±2米;第二代为自动跟踪，误差为分米级；第三代的测距仪精度达到厘米级。
人造卫星激光测距仪的工作原理如图3。固体激光器所发射的激光脉冲，由取样电路截取其极小部分能量，经光电转换后形成一个基准信号，送至测时装置，作为计时的开门脉冲。激光脉冲的大部分由光学系统发射至卫星。卫星上的反射镜将脉冲反射回到地面，为接收系统所接收，并由光电倍增管转换为电脉冲，经放大、整形后送至测时装置作为计时的关门脉冲。激光脉冲往返于测距仪与卫星间的传播时间，由计数器记录下来，据以计算出测距仪至卫星的距离。
卫星激光测距仪分为固定式和流动式两类。前者安装在地面的固定测站上，后者可安装在车辆上，具有高度机动性。两类测距仪的精度大致相同。
为了用计算机控制激光测距仪，使它自动跟踪卫星，须有精确的轨道预报。根据预报数据换算成观测时卫星的坐标，再计算出卫星的方位角、高度角和距离。输入计算机进行自动控制，跟踪卫星。
人造卫星激光测距技术已被广泛地应用于大地测量和地球动力学。70年代，地球和月球之间距离的测定有很大进展。月球激光测距除起到与卫星激光测距相同的作用外,还可以改善月球星历,推求地球引力参数GM。月球激光测距精度已达到±10厘米左右。
多普勒频移测量定位 多普勒频移测量的原理以多普勒效应为基础。装在卫星上的无线电发射机连续发射的电磁波频率为fs，地面站接收机所接收到的电磁波频率为fe。由于卫星对地面站的相对运动，根据多普勒效应有下列关系：
式中妆为卫星到地面站距离的变率，c为光速。引入接收机本地振荡频率f和卫星所发射电磁波波长λS=c/fS，上式写成如下形式： 由接收机将时间t1到t2的频移个数累加起来,亦即将上式求定积分，则有：式中N是接收机所记录的t1到t2之间频移个数。据此，即可由观测到的频移推算卫星至地面站的距离或距离变率。图4表示多普勒频移的变化情况。
为了提高精度，卫星发射两种相干频率，通过数据处理，可消除电离层影响的主要部分。多普勒频移测量可以全天候工作，且可以在较短时间内获得大量观测数据。
子午卫星系统，也称海军导航卫星系统(NNSS)，就是利用多普勒测量原理进行导航和定位的一种典型的系统。该系统的子午卫星不断发射供多普勒频移测量用的电磁波信号，频率分别为150和400兆赫，在 400兆赫载波上调制有时间信号和计算卫星空间位置用的“广播星历”。地面测站上的多普勒接收机在观测多普勒频移的同时，也接收这些信息。利用观测到的多普勒频移，以及卫星的瞬间位置和测站坐标之间的数学关系，可以计算出测站的地心坐标。用以进行子午卫星多普勒测量的仪器称为多普勒接收机。
地面测站大约每隔一小时可以观测到子午卫星通过一次。一般观测40～50次，利用广播星历和单点定位技术求得的测站地心坐标，其精度约为±3～±5米。此外还可采用联测定位技术（在两个测站上对子午卫星进行同步观测）和短弧定位技术（多测站上对子午卫星进行同步观测）。这两种定位技术都可以削弱卫星的星历误差和大气折射的影响，但前者将卫星广播星历视为已知值，后者则将它作为观测量处理。采用这两种技术按广播星历计算，可将每两点之间相对位置的误差减小到 1米以内。美国还于事后计算1～2颗子午卫星的精密星历。根据这种星历和单点定位技术计算的测站地心坐标的误差也在±1米以内。
子午卫星多普勒定位法不受天气影响，所用仪器轻，操作简便，现在已成为测定地面点地心坐标的主要方法。在天文大地网中，适当地测设多普勒测站，可以检核和改善网的质量，并把局部大地坐标系转换为全球统一的地心坐标系。卫星多普勒定位和地面水准测量结合，还可得出精度优于1米的相对高程异常。

② 卫星轨道及运行姿态

( 一) 卫星轨道参数与轨道类型

卫星围绕地球运行是按一定的轨道进行的，其运行规律像行星围绕太阳运行一样，满足开普勒三大定律。卫星轨道在空间的具体形状和位置，由六个轨道参数来确定，分别为升交点赤经Ω、近地点角距 ω、轨道倾角 i、卫星轨道的长半轴a、卫星轨道的偏心率 ( 或称扁率) e、卫星过近地点时刻 T ( 图 3-20) 。除此之外，卫星轨道还有其他一些参数，如卫星速度、卫星运行周期、卫星高度及重复周期等。以下将重点介绍一些常用卫星轨道参数。

图 3-20 卫星的空间轨道

1. 轨道高度

卫星轨道为一椭圆，按其高度可分为低轨、中轨和高轨三种轨道。

低轨卫星: 一般距离地面约 150 ～300km。低轨卫星可获取大比例尺、高分辨率的遥感影像，但寿命较短，一般只有几天到几周的工作时间，多用于侦察遥感。

中轨卫星: 一般距离地面约 1000km。这种卫星寿命较长，适用于各种环境遥感和资源遥感。

高轨卫星: 距离地面高度约 35860km。此时卫星的运行周期与地球自转周期相同，又称为地球同步卫星。

2. 卫星运行周期和卫星重复周期

卫星运行周期也称卫星轨道周期，是指卫星绕地一圈所需的时间，即从升交点开始运行到下一次过升交点时的时间间隔。

卫星重复周期 ( 卫星覆盖周期) 是指卫星从某地上空开始运行，经过若干时间的运行后，回到该地上空时所需要的天数。

3. 轨道倾角

轨道倾角 ( i) 是指卫星轨道面与地球赤道面之间的夹角，也即从升交点一侧的轨道量至赤道面。当 i =0°时，轨道平面与赤道平面重合，称为赤道轨道，若卫星运行方向与地球自转一致且运行周期与地球自转周期相等，称为地球静止轨道。当 i =90°时，轨道地面与赤道面有垂直，称为极地轨道，可以覆盖全球。介于上述两者情况之间的轨道则都为倾斜轨道。

4. 升 ( 降) 交点

卫星质心与地心连线同地球表面的交点称星下点，该点在卫星飞行过程中在地面移动的轨迹称星下点轨迹。当轨道倾角不为 0°时，它与赤道面有两个交点，分别为升交点和降交点。升交点为卫星由南向北运行时，轨道与地球赤道面的交点; 反之，由北向南飞行时的另一个交点称为降交点。

( 二) 卫星运行姿态

卫星在轨道上运行时，其姿态有三种情况: 偏航、俯仰和侧滚 ( 图 3-21) 。若以卫星质心为坐标原点，沿轨道前进的切线方向为 x 轴，垂直轨道面的方向为 y 轴，垂直 xy平面的为 z 轴。则绕 x 轴旋转的姿态角，称之为侧滚; 绕 y 轴旋转的姿态角，称俯仰;绕 z 轴旋转的姿态角，称偏航。这里的卫星姿态角与遥感影像几何变形有直接的关系。遥感过程中，必须对卫星的 x，y，z 三轴进行定向，以使其保持一定的空中姿态，保证传感器始终对准地面。

图 3-21 卫星三轴定向示意图