[科普中国]-卫星观测站

卫星观测站指固定的地球物理观测站，在点上要对地球物理场进行长期的观测，观察并测量（天文、地理、气象、方向等）的站点场所。卫星观测站多从事于环境数据收集工作，用以研究自然灾害，空气质量，土地评估以及传染病研究。

流动式卫星观测站是目前世界上正在发展着的新型测距站。它采用单光电子接收，具有激光发射、功率低、接收望远镜口径小等特点。因而系统的体积重量显著减小，流动方便，可以车载、机运、迅速转移、快速安装就绪，能用计算机自动控制跟踪、自动数据处理，是目前测地学者们认为得心应手的测量手段。1

流动站外形如图所示，这是公路上运输时的姿态。接收望远镜、转台、激光器以及探测部分做在一个2.1×1.8×1.9立方米的包装箱内。在测量工作状态下如图。车厢与拖车脱开。转台的包装箱用滚动方法移到10米以外的预定观测点处。转台有自己的三个支撑点着地。当转台与车厢有9米远的距离时可以获得15°的最低观测仰角。(之后的设计改为从车厢侧面拖出转台的方案)。车厢本身是隔热的，内设空调装置。有一个约4×2×2立方米的颇大的观测室，还有一个小的休息间。整个系统从运输状态到工作状态，包括精确定向、各项功能标校等可在24小时之内完成。

转台为地平式如图所示。

除望远镜镜筒外其主要结构都是钢材焊接，总重不超过0.5吨。方位轴的轴向轴承与径向轴承是分开来的。三个圆锥形的滚轮承受转动部分的全部重量。二个直流伺服电机通过高级消隙齿轮传动。角度读出系统是增量式码盘，，它比两个轴的转速快，是36倍的主轴转速。每转一周码盘给出50000个脉冲，每脉冲间隔对让0.72弧秒。码盘转一周对应10度角，给出一个零指示，使计数器复位。

转台的引导靠数字伺服系统。它将光学码盘取出信号进行处理，然后提供给伺服放大器一个控制电压。两轴各自的实际位置、实际位置与预测位置的偏差以及实际速度都显示出来。预测位置及速度都由都由固定程序控制器产生。它采用内插技术在给定时间间隔内将预制位置变为指令送到伺服系统。1

转台光学系统包括一个收发共用的直径0.4米的望远镜、收发共用的曲折光路、收发分束镜、发射光束角调整镜等。YAP倍频激光器与望远镜基座（转台）相连。光束定向靠转台上的两个定位销。在发射光束进入转台前利用移动式负透镜先将光束镜角调到规定之值。通过发射角调整镜后，光束又通过两个具有布儒斯特角的玻璃片将光束劈成两个半圆形，这种处置是为发射时避开主镜中心被遮挡的部分，使远处出现“空洞”。

流动站的接收系统比大多数现有系统要复杂，但操作起来比较简单。光路如图所示。

来自望远镜的接收光束在双色分束器处分开。激光波长附近的光反射到探测器内部，其余部分透过，送到目镜。反射的光聚焦在入口光阑孔上。该光阑有十种可供选择的孔径，代表十种不同的视场。改变它可将视场从10秒到1度变化。入口光阑前有一个斩光盘以每秒10圈的速度旋转，与激光发射频率相同。其目的是使回波到达时盘上小孔刚好转到光阑前面使回波通过;而在激光发射时光脉冲不泄漏，同时也限制了背景噪声。通过入口光阑的光投射到凹面镜上，准直成小50毫米的平行光束，然后由每毫米30条线的分级光栅色散。入射与出射光夹角为2°。在激光波长上最高效率的衍射为第n级。其实，这是一个光栅单色仪装置。1弧分的视场与0.35毫微米波长对应。与固定波长滤光片不同，它的带宽与入口光阑尺寸成正比。1毫弧度视场对应1.2毫微米带宽。

采用分级光栅的优点如下:

(1)温度稳定性高。硼硅酸盐玻璃热胀系数为4x10-6在50℃范围内波长变化只有0.1毫微米。如用石英材料更好。

(2)只要转动光栅就可以进行波长的扫描。几度的转动可以得到效率不变的10毫微米波长扫描。

(3)适于昼夜观测。白天为压低背景噪声要求视场变小，同时带宽也变窄了。

从出射狭缝输出的光束到可调节分束/衰减器上。透过部分用来精密测距;反射部分聚焦在四象限分束器上。这部分能量是原来光束的外围部分。中间部分透过，射到校正反射镜组上。它将由光栅表面长度引入的光程差约100毫米减少到20毫米左右，最后通过中继透镜组，把光聚焦在光电倍增管阴极面上。

随着卫星大地测量学的发展及其观测精度的不断提高, 为了应用卫星观测成果有效地改善地面三角网( 以下简称地面网) 的精度, 对于卫星网的最低精度, 或卫星观测站之间的最短距离的研究和讨论引起了人们的广泛兴趣。

不难理解, 为改善地面网的精度而布设卫星网时, 卫星观测站的最低精度, 主要决定于以下因素:

— 地面网本身的精度;

— 对地面网精度改善程度的要求;

— 卫星观测站之间的距离。

应当指出, 所谓卫星观测站的最低精度, 或卫星观测站之问的最短短距离, 是同一个问题的不同提法。 前者是 在卫星观测站之间距离确定的情况下, 对卫星观测站的 精度要 求, 而后者是在卫星网精度确定的情况下, 对卫星观测站之间距离的要求。2

由于卫星网和地面网不仅其建网的原理和方法相异, 而且成果所属的坐标系统也不相同。所以, 综合处理这样两类不同性质的观测数据, 便是所述两网联合平差的主要特点。

因为, 在三维空间直角坐标系统进行联合平差, 不仅可以充分地利用卫星网观测所提供的信息, 同时其平差模型的形式简明, 计算方便, 所以得到广泛的应用。不过, 如果地面网大地高程的精度较低, 再加之难以可靠地获得它的精度信息, 则大地高程的误差, 便可能损害在三维坐标系统中联合平差结果的精度。所以, 对于一些大地高程精度较低的地面网来说, 如何选择其平差的方法( 例如在三维或二维系统迸行联合平差) 便受到普遍的关注。很明显, 两网的联台平差, 是在三维坐标系或在。维坐标系进行为亘, 决定因素主要是大地高程的精度。

随着大地高程权值的减小, 高程误差对平差后大地坐标残差的影响也将随之减小, 其中尤以对大地纬度残差的影响为明显。综合以上的讨论可得, 在三维坐标系进行联合平差时, 高程和平面位置观测量的精度具有同样的重要意义。

但是, 这并不意味着大地高程必须与平面位置的精度相当。这里重要的问题在于, 可靠地获得它们各自的精度信息。即使大地高程的精度较低, 只要能够可靠地确定它们的方差与协方差, 一般也应当加以利用。3