第二节空间定位系统与遥感
空间定位系统是利用多颗导航卫星的无线电信号,对地球表面某地点进行定位，报时或对地表移动物体进行导航的技术系统。下面以GPS为例来介绍空间定位系统的工作原理。
8.2.1空间定位系统基本原理
GPS空间定位系统由3部分组成：
（1） GPS卫星（空间部分）；gps卫星的组成结构：每颗卫星都有高精度的原子钟，他们是卫星的核心设备。
（2） 地面监控系统（地面监控部分）；包括主控站、监测站与注入站。主控站控制整个地面站的工作，其作用相当于计算中心，它根据各监测站的数据，计算与编制各个卫星的星历与卫星钟的校正参量等任务。监测站负责跟踪接收各个卫星发射的导航信号，完成测量卫星至监测站的伪距离及其变化率等任务，并将数据预处理后送到主控站。注入站负责将主控站传递的卫星星历等信息注入给卫星。
（3） GPS接收机（用户部分）。 用于接收导航信号，计算出用户的空间三维位置或运动速度。
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空间定位的基本原理如下：
从理论上讲，知道三颗卫星至观测站之间的几何距离，并利用GPS接收机收到的这三颗卫星导航电文推算出卫星的瞬时坐标，就可以计算出观测站的位置。其方法如下，以卫星的瞬时坐标为球心，以卫星至观测站之间的几何距离为半径，可以作出一个球面，分别以三颗卫星的瞬时坐标为球心，卫星至观测站之间的距离为半径，可以作出三个球面，三个球面的交点就是观测站在空间中的位置。由于利用电磁波测距方式进行距离测量，发射和接收必须严格保持精密的时间同步，虽然卫星可以采用稳度达到1X10-13以上的原子钟进行定时修正和调整，使其时间精度达到纳秒级，但是一般GPS接收机安装的并非精密原子钟，接收到的时间存在误差，因此需要利用第四颗卫星进行时间上纠正，以保证时间上同步。这样，确定一个目标所处的三维位置，就需要同时接收4颗卫星的信号，测出4个伪距（由于计算GPS观测点至GPS卫星之间的距离中含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。），建立四个方程来求解4个未知数X、Y、Z、△t。这是一种伪随机码测距定位方法。
8.2.2 几种空间定位系统的简介
1.GPS
全球定位系统(Global Positioning System ，简称GPS)，该系统由美国国防部控制，每颗导航卫星以1575.42兆赫和1227.6兆赫两种频率为军事用户播发加密的高精度导航数据(称P码)，同时以1575.42兆赫的频率为民用用户播发精度较低的导航数据(称C/A码)，它通过不同导航信号提供军用与民用两种服务方式。
GPS卫星信号包括载波信息、P码、C/A码、和数据码(导航电文)等多种信息，根据这些信息测量GPS接收机到卫星的距离有多种方法。利用GPS定位，无论采取何种方法都是通过接收GPS卫星信号而获得某种观测量来实现的。
美国军用ＧＰＳ卫星导航仪能够接收精密码(Ｐ码)信号，其单点测距定位精度在10米之内，事后处理精度可达到厘米级，民用ＧＰＳ卫星导航仪接收导航卫星发射的粗码(Ｃ／Ａ码)，仅用于定位服务。美国出于其国家利益考虑，将粗码定位精度限制在100米.因此单点定位精度为数十米左右至100米，近年来，随着其他国家ＧＰＳ技术的发展与提高，美国放宽了对定位精度的限制。
目前GPS定位广泛采用的基本观测量主要有两种：码相位测量和载波相位测量。
2.GLONASS
全球轨道导航卫星系统（Global Orbiting Navigation Satellite
System，Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, GLONASS）,如图8-2
该系统是前苏联为满足授时、海陆空定位与导航、大地测量与制图、生态监测研究等建立的。自1982年至1987年，共发射了27颗GLONASS试验卫星。该系统与GPS系统极为相似。它由24颗卫星组成卫星星座（24颗工作卫星和3颗在轨备用卫星），均匀地分布在3个轨道平面内。卫星高度为19100km，轨道倾角为64.8°，卫星的运行周期为11
时15分。GLONASS卫星的这种空间配置，保证地球上任何地点、任何时刻均至少可以同时观测5颗卫星。GLONASS提供两种导航信号：标准精密导航信号（SP）和高精密导航信号（HP）。SP
定位与授时服务适用所有GLONASS 的国内用户。其水平定位精度为57-70米（99.7%置信），垂直定位精度为70米(99.7%置信)，速度矢量测量精度15
cm/s (99.7%置信)，时间测量精度在1 mks (99.7%置信)。
3.北斗双星定位系统
双星导航定位系统。又叫无线电测向卫星业务（RDSS）系统，这是我国经过多年努力研制成功的导航和个人通信技术结合的卫星定位系统。双星定位原理由陈芳允院士提出。此系统由二颗太空卫星(分别为“北斗一号”和“北斗二号”)，控制站和接收机组成。RDSS系统是一个区域性的具有全天候、高精度的定位和通信功能的快速实时系统，属于主动定位系统的一种。它只能进行二维定位，定位精度暂时保密，具备双向通信功能（GPS并不具备此项功能）。
8.2.3 空间定位系统在遥感中的应用
1.遥感图像的对地定位
由以上学习可知，遥感影像的几何校正需要一些地面控制点（GCP）,地面控制点的选取应控制点选用图像上易分辩且较精细的特征，很容易用目视方法辨别，如道路交叉点，河流弯曲或分叉处，海岸线弯曲、湖泊边缘，飞机场，城廓边缘等。这些地面控制点的坐标一般借助地形图来确定。但由于地形图的时效性，有时需要实地测量，空间定位系统可以准确、快速地测出地面控制点地坐标，这是传统测绘方法无法相比的。
2.航空遥感中航线的控制
在航空遥感中，飞机的姿态、飞行路线的控制对遥感任务而言是非常重要的。尤其是在多航线的面状遥感任务中，航线与航线之间的影像拼合主要取决于飞行路线的控制。空间定位系统可提供精确导航，使得航线之间平行，为遥感影像的高精度拼接和几何校正提供保证。
3.遥感实地验证时的导航定位
在遥感影像的第一次判断后的实地验证过程中，需要知道所处的地点对应于遥感影像上的位置。传统方法主要是依靠明显地物来作参照物，效率低，准确度低。应用空间定位系统可有效地解决这个问题。