卫星运动基础及卫星星历讲稿.ppt

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1、卫星运动基础及卫星星历第一页，讲稿共三十七页哦第三章卫星运动基础及第三章卫星运动基础及GPS卫星星历卫星星历3.1 概述3.2 卫星的无摄运动3.3 卫星的受摄运动3.4 GPS卫星星历第二页，讲稿共三十七页哦p在利用GPS进行导航和测量时，卫星是作为位置已知的高空观测目标，所以其轨道误差将影响定位精度。p为了制订GPS测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号，需要知道卫星的轨道参数3.1 3.1 概述概述p相关名词 -卫星轨道：卫星在空间运行的轨迹。-轨道参数：描述卫星轨道状态和位置的参数。第三页，讲稿共三十七页哦p 地球对卫星的引力；p 太阳、月亮对卫星的引力；p 大气阻力；p 太阳光压；p

2、 地球潮汐力等。p如果将地球引力视为1，则其它作用力均小于10-5。p在多种力的作用下，卫星在空间运行的轨迹极其复杂，难以用简单而精确的数学模型表达3.1 3.1 概述概述第四页，讲稿共三十七页哦p地球质心引力地球质心引力n将地球看作密度均匀或由无限多密度均匀的同心球层所构成的圆球，可以证明它对球外一点的引力等效于质量集中于球心的质点所产生的引力，这种引力叫做中心引力中心引力。p摄动力摄动力n地球实际为非球形对称，近似为椭球体，这种非球形对称的地球引力场便对卫星产生非中心的引力，加上日、月引力，大气阻力、太阳光压，地球潮汐力等便产生了非中非中心引力心引力。3.1 3.1 概述概述第五页，讲稿共

3、三十七页哦3.1 3.1 概述概述第六页，讲稿共三十七页哦3.1 3.1 概述概述第七页，讲稿共三十七页哦3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动第八页，讲稿共三十七页哦3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动第九页，讲稿共三十七页哦开普勒第二定律开普勒第二定律v卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内扫过的面积相等。p 根据能量守恒定理，卫星在近地点处速度最大，动能最大，势能最小；在远地点时速度最小，动能最小，势能最大。3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动第十页，讲稿共三十七页哦开普勒第三定律开普勒第三定律p卫星围绕地球运动周期的平方与轨道椭球长半径的

4、立方成正比，其比值等于地球引力常数的GM倒数.3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动第十一页，讲稿共三十七页哦真近点角真近点角3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动第十二页，讲稿共三十七页哦3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动第十三页，讲稿共三十七页哦 3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动依据万有引力定律可知，用 表示卫星与地球所受到的引力作用，则有 式中：G万有引力常数，G=(66724.1)10-14 Nm2/kg2；M,m地球和卫星的质量；r卫星的在轨位置矢量。设 为地球和卫星在万有引力作用下所产生的加速度0202)/(,)/(rrGmFrrmGFeMs202

5、0(/),(/)sMeMaGrraGrr esFF,esaa,第十四页，讲稿共三十七页哦 3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 设 为卫星S相对于质心O的加速度，则：由于M远大于m，通常不考虑m的影响，则有：取地球引力常数=GM=1，此时（3-4）式可写成为：a2()seG Mmaaarr（33）3GMarr（34）21arr（35）第十五页，讲稿共三十七页哦 3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 (,)(,)rg a e itdrg a e idt （37）333XXrYYrZZr （3 6）设以O为原点的直角坐标系为O-XYZ，S点的坐标为（X，Y，Z），则卫星S的地心向径

6、r=（X，Y，Z），加速度 ，代入（3-4）得二体问题的运动方程：左边(3-6)方程解的一般形式为：),(ZYXa 第十六页，讲稿共三十七页哦 3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 二体问题微分方程的解是与轨道参数有关的卫星运动二体问题微分方程的解是与轨道参数有关的卫星运动的状态方程，即卫星位置、速度与轨道参数和时间的关系的状态方程，即卫星位置、速度与轨道参数和时间的关系式。式。1 1、卫星运动的轨道平面方程、卫星运动的轨道平面方程 直接由微分方程（3-6）求积分，可得卫星运动的轨道平面方程：式中，X,Y,Z是卫星在地心天球坐标系中的坐标，0AXBYCZ（38）22cossincoss

7、incos(1)AhiBhiChihae（39）第十七页，讲稿共三十七页哦 3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 2 2、卫星运动的轨道方程、卫星运动的轨道方程 卫星运动的轨道方程为：由于 ，所以（3-10）式可以真近点角V表示：另外由二体运动的微分方程可求出常用的表示卫星运动速度U的活力积分：V2()/(1cos()hre（310）2(1)/(1cos)raeeV（311）2(2/1/)Ura（3 12）第十八页，讲稿共三十七页哦 3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 3 3、用偏近点角、用偏近点角E E代替真近点角代替真近点角V V 从表示偏近点角E与真近点角V的关系的图3

8、-2，不难证明:另外还可导出V和E的关系：coscos1cos1tan()tan()212EeVeEVeEe（314）cos(cos)ORrVaEe（313）第十九页，讲稿共三十七页哦 3.2 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 4 4、开普勒方程、开普勒方程 设卫星的运动周期为T，则卫星平均角速度为：由此得到开普勒第三定律的数学表达式：建立轨道坐标系：坐标原点O在地心，X轴指向椭圆轨道近地点P，Y轴为轨道椭圆的短轴，Z轴为轨道椭圆的法向。在此坐标系下可以得出著名的开普勒轨道方程：()sinn tEeE（317）23n a（3 16）2/nT（3 15）第二十页，讲稿共三十七页哦3.3 3.

9、3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动p 考虑了摄动力后，卫星的轨道参数随时间变化考虑了摄动力后，卫星的轨道参数随时间变化，不再为常数。，不再为常数。p 卫星在地球质心引力和各种摄动力总的影响下的轨卫星在地球质心引力和各种摄动力总的影响下的轨道参数称为道参数称为瞬时轨道参数瞬时轨道参数。p 卫星运动的真实轨道称为卫星的卫星运动的真实轨道称为卫星的摄动轨道摄动轨道或或瞬时轨瞬时轨道道。瞬时轨道不是椭圆，轨道平面在空间的方。瞬时轨道不是椭圆，轨道平面在空间的方向也不是固定不变的。向也不是固定不变的。第二十一页，讲稿共三十七页哦卫星的受摄运动轨道3.3 3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动第二十二页，讲稿

10、共三十七页哦3.3 3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动第二十三页，讲稿共三十七页哦3.3 3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动第二十四页，讲稿共三十七页哦3.3 3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动第二十五页，讲稿共三十七页哦地球非球形引力的摄动对卫星轨道的影响p引起轨道面在空间的旋转 使升交点沿地球赤道产生缓慢的移动，进而使升交点的赤径 产生周期性变化。p引起近地点在轨道面内旋转 使得开普勒椭圆在轨道面内定向改变，引起轨道近地点角距 的缓慢变化。p引起平近点角的变化3.3 3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动第二十六页，讲稿共三十七页哦p日月引力又称第三体引力p不仅影响卫星的运行，而且影响

11、地球自转，因此，日月引力摄动应为日月引力对卫星轨道及其对地球作用之差p对卫星产生的摄动加速度约为510-6m/s2p太阳引力的影响，仅约为月球引力的0.46倍3.3 3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动第二十七页，讲稿共三十七页哦3.3 3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动第二十八页，讲稿共三十七页哦p地球固体潮 在日月引力作用下，地球产生的如潮汐般的变形。p海潮p大气潮3.3 3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动第二十九页，讲稿共三十七页哦p对低轨道卫星影响较大p对于GPS卫星(高度为20,200km)的影响可忽略3.3 3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动第三十页，讲稿共三十七页哦3.4

12、GPS3.4 GPS卫星星历卫星星历第三十一页，讲稿共三十七页哦以跟踪站已往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础以跟踪站已往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数。正项参数。通过导航电文传递给用户，每小时更新一次。通过导航电文传递给用户，每小时更新一次。参考星历参考星历：相应参考历元的开普勒轨道参数。：相应参考历元的开普勒轨道参数。用轨道参数的摄动项对已知的参考星历加以改正，可外推出任用轨道参数的摄动项对已知的参考星历加以改正，可外推出任意观测历元的卫星星历。意观测历元的卫星星历。3.4 GPS3.4 GPS卫星星历卫星星历第三十二页，讲稿共三十七页哦3.4 GPS3.4 GPS卫星星历卫星星历第三十三页，讲稿共三十七页哦第三十四页，讲稿共三十七页哦3.4 GPS3.4 GPS卫星星历卫星星历第三十五页，讲稿共三十七页哦3.4 GPS3.4 GPS卫星星历卫星星历第三十六页，讲稿共三十七页哦本章小结介绍了卫星的无摄运动；介绍了卫星的无摄运动；介绍了卫星的受摄运动；介绍了卫星的受摄运动；介绍了介绍了GPSGPS的卫星星历的卫星星历。第三十七页，讲稿共三十七页哦