GPS卫星运动基础及GPS卫星星历课件.pptx

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1、 卫星的受力情况：地球的引力 日月引力 潮汐力 大气阻力 光压力 均质球体引力非均匀球形部分引力第一类力：地球的质心引力中心引力第二类力：摄动力非中心引力，包括地球引 力场摄动力（地球非球形对称引起）、日月引力、大气阻力、太阳光压、地球 潮汐力等。第1 页/共29 页无摄运动（二体问题）：仅考虑地球的质心引力 研究卫星相对于地球的运动。在天体力 学中，称之为二体问题。无摄轨道：理想的卫星轨道。受摄运动：在考虑第一类力（中心引力）的同时 也考虑第二类力（摄动力）的影响来 研究地球的运动。受摄轨道：在受摄运动下所运行的轨迹。二、卫星的运动返回第2 页/共29 页 卫星围绕着地球运行，作二体问题研究

2、，必须满足以下条件：必须在惯性系下考虑问题。卫星作为质点。卫星的体积小，与其到地球的 距离相比，可忽略不计，即卫星可作为质点计。地球作为质点。地球可分成均质地球和非均质 地球两部分。均质地球对外部点的引力等于球 心质点的引力。因此，如果把非均质地球的引 力作为摄动力的话，均质地球可作为一个质点。3.2 卫星的无摄运动第3 页/共29 页 目的意义均质球体引力决定着卫星运动的主要规律和 特征，它是卫星运动的近似描述；二体问题是惟一能得到严密解的问题，而多 体问题还不能得到严密解；二体问题是精确研究卫星运动的基础。第4 页/共29 页一、卫星运动的轨道参数1、轨道是一个椭圆，可用一组参数来表示。a

3、（椭圆的长半径）、e（偏心率）形状参数（升交点赤径）：即在地球赤道平面上，升交 点N与春分点之间的地心夹角。i（轨道面的倾角）：即卫星轨道平面地球赤道面之间的夹角。、i唯一的确定了卫星轨道平面地球体之间的相对向。第5 页/共29 页、i、轨道定向参数。V（真近点角）：在轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。确定了任一时刻卫星在轨道上的位置。位置参数。（a，e，i，V）六参数称为开普勒轨道参数，或称轨道根数。（近地点角距）：轨道平面上近地点A与升交点N之间的地心角距。表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向。第6 页/共29 页 在无摄运动的条件下，卫星的运动才可以用六参数来描述。、i：确定了轨道平面

4、在地心坐标系中的位置a，e：确定了轨道的形状：确定了轨道中短半轴在坐标系中的指向（a，e，i，）决定于卫星的发射条件，为常数；V决定于卫星运行的时间，是时间的函数。V：决定于卫星运行的时间第7 页/共29 页二、二体问题的运动方程根据万有引力定律：研究卫星S绕地球O的运动，主要是研究卫星运动状态随时间的变化规律，根据物理学中牛顿定律可以很方便地得到二体问题的运动方程。牛顿第二定律：从而，有第8 页/共29 页在惯性坐标系下研究卫星相对于地球的运动，O-XYZ为惯性系ozyxSrsrreE第9 页/共29 页分量形式：第10 页/共29 页将坐标原点平移到地球质心：ozyxSrsrreE第1 1

5、 页/共29 页二体问题的运动方程：由矢量积的微分法则：第12 页/共29 页可以得到卫星运动的轨道平面方程：在二体问题中，卫星始终在一个平面上运动，且该平面通过地球质心。在惯性系中，向量的三个分量正是积分常数，以符号A，B，C来表示，则在三维地心坐标系中：第13 页/共29 页三、开普勒定律第一定律：卫星运动的轨道是一个椭圆，而该椭圆 的一个焦点与地球质心重合。卫星绕地球质心运动的轨道方程：r第14 页/共29 页第二定律：卫星到地心的距离在相等的时间内所扫过 的面积相等。结论：卫星在椭圆轨道上的运行速度在变化，近地点 时速度最大，远地点时速度最小。结论：在中心引力场中，卫星绕地球运行的轨道

6、面，是一个通过地球质心的静止平面。轨道椭圆一 般称开普勒椭圆，其形状和大小不变。第15 页/共29 页第三定律：卫星运行周期的平方，与轨道椭圆长半 径的立方之比为一常量。（常量）卫星运行的平均角速度：结论：卫星运行的平均角速度为一常量。第16 页/共29 页真近点角V的计算：要想知道卫星与地球之间的距离r，必须知道V。求V，需要引入两个辅助量E(偏近点角)，M(平近点角)。第17 页/共29 页 M(平近点角)为一假设量，假设卫星运行到近地点时的时刻为t0，对于t时刻M应为：由开普勒第三定律知：卫星运行的平均角速度为一常数，所以卫星于任意时刻的平近点角都可由上式计算。第18 页/共29 页M(

7、平近点角)与E(偏近点角)之间有以下重要关系：则：可用递进迭代的方法求出E，由图可知：得出V与E之间的关系：返回第19 页/共29 页3.3 卫星的受摄运动摄动源轨道摄动3小时弧段 2日弧段地球的非对称性 约2km 约14km日月引力 100m左右 1000-3000m太阳辐射压力 5-10m 100-800m大气阻力 可忽略不计地球潮汐力（海潮、固体潮）可忽略不计注：大气阻力对于低轨卫星必须考虑，但GPS定位卫星均属高轨卫星，可忽略不计。摄动力对GPS 定位的影响第20 页/共29 页卫星在摄动力的作用下，会产生摄动改正。a，e，i，V（M），（为六参数的变化率）t0时刻：（a0，e0，0，

8、i0，0，M0）均已知t时刻：（a，e，i，M）待求。t=t-t0a=t a=a0+a 在受摄力的作用下，轨道参数是时间的一个变量函数。在二体问题下，加上各项摄动改正，就可得到任一时刻比较精确的轨道参数。返回第21 页/共29 页3.4 GPS卫星星历GPS卫星星历：描述卫星运动轨道的信息（一组对 应某一时刻的轨道参数及其变化率）。一、预报星历预报星历：通过卫星发射的含有轨道信息的导航电 文传递给用户的，用户接收机接收到这 些信号，经过解码器便可获得所需要的 卫星星历（通常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，它是根据监测站约一周的观 测资料推算的）。第22 页/

9、共29 页优点：实时。缺点：精度较低，一般约20-40m.预报星历的内容包括：参考历元瞬间的开普勒6个参数，反映摄动力影响的9个参数，以及参考时刻和星历数据龄期，共计17个星历参数。第23 页/共29 页年 11月 9日 2时 0秒1997第24 页/共29 页预报星历的编制和传送过程：监测站监测卫星的运行状态 主控站编制卫星星历注入站将卫星星历注入卫星卫星向用户发送卫星星历用户接收机接收卫星星历（监测站接收机）周期 1小时循环闭合的过程 第25 页/共29 页二、后处理星历后处理星历：根据地面跟踪站所获得的精密观测资 料计算而得到的星历，是一种不包含 外推误差的实测星历。监测站如：在我国领土

10、内，有一些高精 度坐标的地面控制点，用地 面点交会出t时刻卫星的精确 位置。这种星历不是通过GPS 卫星的导航电文向用户传递，而是利用磁带或通过电视、电 传、卫星通讯等方式有偿的为 所需要的用户服务。第26 页/共29 页优点：轨道参数非常准确，也称精密星历。缺点：不能做到实时。后处理星历的编制和传送过程：建立卫星跟踪系统，随时监测卫星运动状态计算卫星星历用磁带或通过电视、电传、卫星通讯等方式，向用户提供以往观测时刻的星历。第27 页/共29 页课后作业：1、简述卫星在轨道上运动所受的力的作用。2、简述卫星在轨运动的开普勒三定律。3、不同的摄动源对卫星的运动有哪些影响？4、何谓GPS卫星星历？5、简述预报星历的编制和传送过程。6、简述后处理星历的编制和传送过程。返回第28 页/共29 页感谢您的欣赏！第29 页/共29 页