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卫星大地测量与传统大地测量
卫星大地测量是利用人造地球卫星测定地球上任何点(包括地面上和海洋上)的位置并计算其间的距离,以及测定地球重力场和地球形状、大小等。其特点是:精度高,比传统大地测量高2~3个数量级;速度快,点间不必通视,不用建造觇标,可以全天候测量;测程远,可以测量几十、几百至数千公里的边长,可用于海岛和洲际联测;仪器放在卫星上,能对地球上任何地方测量。
卫星大地测量的出现,为大地测量的发展作出了巨大贡献:一是建立了世界大地坐标系。传统大地测量边长仅几十公里,各个国家和地区只能建立局部大地基准。通过卫星大地测量联测,可将局部大地坐标系归算为全球大地坐标系。二是精化了地球形状。根据卫星大地测量资料,可精确推得地球扁率,进而发现地球南、北半球并不对称。大地水准面在南半球极点处下陷约20多米,北半球极点处上升约10米。三是填补了海洋上的测量空白。利用卫星测高技术测量海洋大地水准面和重力场,填补了这一区域难以全面测量的空白。四是拓宽了大地测量学的应用领域。卫星大地测量测程远、精度高,就能监测年变化率为毫米、厘米级的地壳形变、海水面升降、地球板块运动和固体潮等地球动力学现象。为环境保护、防灾救援等提供信息。五是提供导航和实时定位资料。卫星测量速度快,不受天候限制,能为飞机、船舶、运载体提供导航和实时定位数据。六是提供检测手段。为传统大地测量提供尺度偏差和方位偏差的检测手段。
卫星发射场要测定许多重力点
卫星是通过火箭发射上天、进入轨道且围绕地球运动的。火箭在发射场上有一段近地低速飞行,此时火箭制导系统对地球重力场的高频信息非常敏感,由重力场引起的加速度误差,很快累积成速度误差,影响卫星正确入轨。因此,卫星发射场需要地球重力场的细微结构,为达到这个目的,必须在发射场测定足够精度和密度的重力点,建立场区局部重力场模型。其次是计算发射点的垂线偏差和高程异常,也需要精细的重力资料。其三是火箭发射的惯性仪表在发射场测试,测试结果与仪表位置的重力加速度密切相关。为此,都需要在卫星发射场区测定许多重力点。
二线阵影像交会定点
二线阵影像交会定点模式就是只利用前视和后视影像作前方交会,正视影像主要用于生成正射影像,当前、后视影像中有摄影死角时,正视影像可以起到弥补作用,但基高比下降一半。二线阵交会要用到的技术有多样:如美国的MapSat和OIS,首次建议采用三线阵CCD相机,卫星上设备还包括GPS和星相机,要求卫星平台稳定度为10-6°/s,可以不用地面控制点测制1:5万比例尺地形图;日本Alos卫星采用星敏感器和角度测量器测定的姿态角精度优于0.7″,配合双频GPS接收机,目标是在无地面控制点条件下测制1:2.5 万比例尺地形图;印度采用前倾5°、后倾26°的两个线阵CCD相机,但摄影测量处理要求地面控制点参与;也有的学者提出在二线阵CCD相机中除星相机和GPS外,再设置激光测距仪,实现精确绝对定向的设想。总之,二线阵模式,若无地面控制点支持,则对卫星的稳定度,外方位精度以及激光测距等硬件设备功能要求较高。
“定向片法”三线阵CCD影像光束法平差
上世纪80年代,德国学者首次在MOMS工程中创立了两种联合处理三线阵CCD影像的光束法平差方案,其中之一为“定向片法”的光束法平差。他们期望三线阵CCD影像光束法平差也能有框幅相片那样功能,从而降低卫星平台稳定度的要求,以及提高外方位元素观测值的利用效能,这种方案是将仅仅依靠三线阵影像本身无法解算CCD影像每一个采样周期(时刻)的外方位元素问题化解为只要解算“定向片”时刻的外方位元素,而任意CCD影像采样时刻的外方位元素则从其相邻的定向片值中内插。平差中设定基线/定向片距=整数+0.25,此处基线为前视或后视与正视相机摄影中心的距离。他们在三线阵CCD影像摄影测量理论,特别在重建外方位元素的光束法平差方面作出了卓有成效的贡献,我国留德学者张森林博士和唐粮博士都参加了这方面研究。在三线阵影像联合平差模式下,对卫星平台稳定度要求可以大大放宽,德国学者甚至说可以不作要求。他们在模拟计算研究中采用低频的正、余弦多项式表达姿态变化,但在MOMS工程模拟计算中发现光束法平差重建的立体模型存在很大的扭曲,并不像框幅相片光束法平差重建的立体模型只有很小的变形,也不像他们初期以航空摄影参数作的模拟计算的结果,尤其是高程误差之大更令人难以置信。他们将原因归结为航线影像宽度/卫星高度(简称宽高比)太小所致,因而得出在以下条件下利用MOMS-02的影像才能获得5米精度的DEM:即要有适当精度的外方位元素观测值和精度为50米的DEM;无外方位元素时,要有网状分布的地面控制点或精度为20米的DEM,并且强调不提倡无地面控制点。MOMS后期在俄罗斯空间站上以MOMS-2P实践,也取得相应结果,之后再未见在理论上的研究发展。卫星摄影中宽/高比小是传输型卫星普遍的问题,也许就是这个原因,MOMS之后没有见到卫星三线阵CCD影像光束法平差的应用。相反的,日本Alos卫星以无地面控制点测图,用的是三线阵相机,但仍按二线阵交会定点,而没有采用光束法平差。
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