卫星运动基础及GPS卫星星历.ppt

GPS原理及应用 讲授 杨利兵 测绘本科生课程 石家庄经济学院Tel第三讲卫星运动基础及GPS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 4GPS卫星星历 为什么要研究卫星运动规律 在利用GPS进行导航和测量时 卫星是做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 例子 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概述 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 卫星轨道误差对所测基线精度的影响 观测站至所测卫星的距离 卫星轨道的误差D 两观测站间的基线长度 D 由 引起的基线长度误差 3 1概述 卫星受到的作用力 地球对卫星的引力 太阳 月亮对卫星的引力 大气阻力 太阳光压 地球潮汐力等 如果将地球引力视为1 则其它作用力均小于10 5 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概述 地球质心引力 中心引力 摄动力 非中心引力及其它 二体问题 摄动力是中心引力的10 3量级二体问题 将地球和卫星视为两个质点 仅考虑地球质心引力研究卫星运动规律 无摄运动 受摄运动 3 1概述 研究卫星的无摄运动规律 描述卫星轨道的基本特征 研究卫星运动的步骤 3 1概述 3 2卫星的无摄运动 卫星运动的开普勒定律卫星运动的开普勒轨道参数 开普勒第一定律 卫星运动的轨道是一个椭圆 该椭圆的一个焦点与地球的质心相重合 开普勒椭圆 3 2卫星的无摄运动 开普勒第二定律 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 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卫星的无摄运动 开普勒第三定律 卫星围绕地球运动周期的平方与轨道椭球长半径的立方成正比 其比值等于地球引力常数的GM倒数 确定卫星轨道形状 大小和卫星在轨道上的瞬时位置 开普勒轨道参数 1 2 3 2卫星的无摄运动 确定卫星轨道平面与地球的相对位置和方向 开普勒轨道参数 2 2 注 描述卫星无摄运动的参数并非唯一 3 2卫星的无摄运动 计算卫星的位置 3 2卫星的无摄运动 通过开普勒轨道6个参数可以确定出卫星在轨道平面上的瞬间位置和速度 真近点角的计算 3 2卫星的无摄运动 以椭圆轨道O 为圆心 以椭圆半径a为半径作一辅助圆O AS A 偏近点角 E 平近点角 M M n t 真近点角 V 卫星平均角速度 卫星过近地点时刻 已知 真近点角的计算 3 2卫星的无摄运动 偏近点角 E 平近点角 M 真近点角 V 开普勒方程 M E esinE 二体问题的解 1 3 3 2卫星的无摄运动 根据万有引力定律及牛顿第二定律导出卫星与地球的运动方程 卫星S相对于地球质心O的加速度 卫星与地球间引力的大小 建立卫星无摄运动的微分方程 二体问题的解 2 3 3 2卫星的无摄运动 卫星加速度分量 解算微分方程得到卫星坐标 二体问题的解 3 3 3 2卫星的无摄运动 卫星在轨位置 3 3卫星的受摄运动 考虑了摄动力后 卫星的轨道参数随时间变化 不再为常数 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瞬时轨道参数 卫星运动的真实轨道称为卫星的摄动轨道或瞬时轨道 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 卫星的受摄运动轨道 3 3卫星的受摄运动 3 3卫星的受摄运动 研究卫星受摄运动的方法 按卫星受到的各种作用力导出其数学表达式建立受摄运动的微分方程解算微分方程 3 3卫星的受摄运动 卫星受到的摄动力 地球引力场摄动力影响约为10 3量级 其他摄动力影响大多小于或接近于10 6量级 地球非球形引力的摄动 北凸南凹的梨形地球 3 3卫星的受摄运动 地球非球形引力的摄动对卫星轨道的影响 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 进而使升交点的赤经 产生周期性变化 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 引起平近点角的变化 3 3卫星的受摄运动 地球非球形引力引起的卫星摄动轨道 3 3卫星的受摄运动 日月引力又称第三体引力不仅影响卫星的运行 而且影响地球自转 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对卫星产生的摄动加速度约为5 10 6m s2太阳引力的影响 仅约为月球引力的0 46倍 日月引力的摄动 3 3卫星的受摄运动 太阳光压的影响 反照压力 被地球反射的太阳光产生的压力 为辐射压力的1 可忽略 太阳光压 对卫星产生的加速度 约为10 7m s2量级 3 3卫星的受摄运动 太阳辐射压力 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 海潮大气潮 地球潮汐摄动力 地球潮汐摄动力 对于在36000km高度的卫星 GPS卫星高度为20200km 摄动量约为1 10 10 故常被忽略 3 3卫星的受摄运动 对低轨道卫星影响较大对于GPS卫星 高度为20200km 的影响可忽略 大气阻力 3 3卫星的受摄运动 3 4GPS卫星星历 卫星星历 一组对应某一时刻的轨道参数及其变率由星历可计算出任一时刻的卫星位置及其速度预报星历 广播星历 后处理星历 精密星历 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正项参数 通过导航电文传递给用户 每小时更新一次 参考星历 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 可外推出任意观测历元的卫星星历 3 4GPS卫星星历 预报星历 3 4GPS卫星星历 预报星历的参数 2 1 个参考时刻参数6个对应参考时刻的开普勒轨道参数9个反映摄动力影响的参数 3 4GPS卫星星历 预报星历 续 C A码星历 精度低 民用P码星历 精度高 军事目的 3