卫星运动基础与轨道计算.ppt

基本概念 卫星轨道定义 卫星运行轨道卫星轨道运动原于牛顿引力理论引力特点引力作用距离远引力与物体间介质无关引力传播瞬息即至 无传播速度卫星运动二体运动 只研究二个天体的作用限制二体运动 不考虑被吸引物体质量被吸引体在引力作用运动状态 研究思路 将地球作为均质球体 质量集中在质心 中心力 对卫星的引力 求卫星运行的理想轨道再考虑摄动力 非中心力 对卫星轨道的影响地球非对称作用力日 月阻力光辐射压力地球海水潮汐 固体潮汐 天体力学的理论基础 牛顿万有引力定律开普勒三大定律 牛顿万有引力定律 开普勒三大定律 卫星运动微分方程 根据牛顿万有引力定律其中 G为引力常数 M为地球质量 m为卫星质量 r为卫星的地心向径卫星的质量m相对地球的质量M可以忽略 于是有令K GM 上式也可以表示为 开普勒第一定律 在中心力场作用下 卫星绕地球运行 轨道面是过地球质心平面 卫星运行轨道是椭圆 地球质心在椭圆一个焦点上 上式积分后得面积积分为积分常数 垂直于运动平面证明二体运动是平面运动 开普勒第二定律 卫星质心与地球质心的向量 在相同时间内扫过的面积相等积分得 卫星运动轨道方程 椭圆轨道参数a 长半轴 b 短半轴c 焦点与椭圆中心间距e 偏心率 p 焦参数 卫星运动轨道方程 卫星轨道方程 讨论 e 0 r p即a b 轨道为圆e 1 为椭圆轨道为抛物线 卫星飞离地球为双曲线 发射参数与轨道方程的关系 第一 二 三宇宙速度 卫星运动轨道 开普勒第三定律 卫星运动周期T的平方与轨道椭圆长半径a的立方之比为一常数 该常数为地球引力常数GM的倒数 卫星速度与r有关 r越大周期越长 速度越慢 同步卫星 r 42156km或35765km时 卫星运动周期和地球自转周期相等 静止卫星 卫星相对于地球任何一点位置固定不变卫星在赤道上空 卫星轨道面和赤道面倾角为零 当卫星紧贴地面 即高度为零时 要求卫星发射周期为T时 只要求出H近 H远即可设计卫星高度 开普勒轨道参数 开普勒轨道参数 a 轨道椭圆的长半轴 e 轨道椭圆的偏心宰 以上两个参数确定开普勒椭圆的形状和大小Q 升交点的赤经 即在地球赤道平面土 升交点与春分点之间的地心夹角 升交点即当卫星由南向北运行时 其轨道与地球赤道面的一个交点 i 轨道面的倾角 即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角 以上两个参数唯一确定卫星轨道平面与地球体之间的相对定向 w 近地点角距 即在轨道平面上升交点与近地点之间的地心角距这一参数表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向 f 卫星的真近点角 即在轨道平面上 卫星与近地点之间的地心角距 该参数为时间的函数 它确定了卫星在轨道上的瞬时位置 前5个参数与时间无关 由卫星的发射条件决定的 开普勒轨道参数 开普勒方程求解 1 求偏近点角E 开普勒方程求解 2 开普勒方程 开普勒方程求解 积分 得开普勒方程 开普勒方程求解 4 由偏近点E求真近点角 开普勒方程求解 5 开普勒方程求解由由迭代法求解 开普勒方程求解 6 求卫星在轨道面的直角坐标系中的坐标 开普勒方程求解 7 轨道面坐标转向升交点为轴 开普勒方程求解 8 卫星在天球坐标系中位置 开普勒方程求解 9 卫星在地球坐标系中位置X指向格林尼治平子午线 开普勒方程求解 10 加上极移修正 GPS卫星轨道 卫星历书 卫星概略星历 用于计算卫星空间位置 便于捕获卫星广播星历 卫星运行轨道参数 可用于计算卫星空间三维坐标精密星历 GPS卫星轨道参数 GPS卫星轨道摄动参数 GPS卫星轨道 GPS卫星位置计算1 计算卫星运行的平均角速度n首先按下式计算 根据电文给出的摄动改正数 计算经摄动修正后的平均角速度n 2 计算归化观测时间电文中给出的GPS卫星轨道参数是对应于参考时刻的 因此 于某时刻t观测卫星 需将观测时刻t归化为 式中称作参考时刻为基准的归化观测时间 在计算时 应注意是由每星期历元 星期六 星期日子夜零点 开始计量的 当 302400s时 应减去604800s 当 302400s时 应加上604800s 3 计算观测时刻的卫星平近点角Mk式中M0 电文中给出的参考时刻的平近点角 4 计算观测时刻的偏近点角根据卫星电文给出的偏心率e和算得的Mk 用开普勒方程进行迭代解算 解算方法是 首先赋予初值为 代入上式解算第一步迭代值 因GPS轨道偏心率e较小 约在0 01左右 故一般两次迭代即可求得 注意 式中 均以rad 弧度 为单位 若 采用角度制 则按下式计算 5 计算真近点角可用公式或用公式 6 计算升交距角式中w 为卫星电文给出的近地点角距 7 计算摄动改正项 8 计算经摄动改正的升交矩角 卫星矢径和轨道倾角 9 计算卫星在轨道坐标系的位置 10 计算观测时刻t的升交点经度卫星轨道参数是以地心赤道坐标系 惯性系 为基准的 其升交点赤经是由春分点起算 因此 要将 转换为WGS 84坐标系的坐标 首先要计算出升交点在观测时刻t的大地经度 观测时刻的升交点的大地经度等于该时刻升交点赤经与格林尼治恒星时GAST 春分点与起始子午线间的角矩 之差 即且知 观测时刻的升交点赤经为 式中 参考时刻的升交点赤经 交点赤经的变化率 卫星电文仅提供了一个星期的历元开始时刻的格林尼治恒星时GATS因为地球自转 GAST随之不断增加 其速率即为地球自转的角速度 故观测时刻t的格林尼治恒星时为 若令因则上式变为 11 计算卫星在WGS 84坐标系的位置此式为计算观测时刻卫星在WGS 84坐标系中三维位置的公式 最后应指出两点 1 以上所有计算 其时间均为统一的GPS时 2 卫星位置计算只考虑了地球自转的影响 没有顾及章动 岁差和极移等影响 因而是不严密的 但对广播星历来说 其精度没有什么影响 而且计算简便 卫星广播星历值 a0 0 231899321079E 06 a1 0 a2 0 Ms0 0 290282040486E 00 参考时刻的平近点角delta n 0 451411660250E 08 平均运行速度差es 0 678421219345E 02 轨道偏心率sqrt as 0 515365263176E 04 轨道长半轴的方根OMEGA 0 0 137835982556E 01 100 0 180 0 pi 参考时刻的升交点赤经i0 0 958512160302E 00 30 0 180 0 pi 参考时刻的轨道倾角omega s 0 258419417299E 01 50 0 180 0 pi 近地点角距OMEGA 0 819426989566E 08 升交点赤经变率i 0 253939149013E 09 轨道倾角变率 Cuc 0 189989805222E 06 改正项振幅Cus 0 912137329578E 05 Crc 0 201875E 03 Crs 0 40625E 01 Cic 0 130385160446E 07 Cis 0 949949026108E 07 WN 931 GPS周数IODC 0 353E3 t0 0 72E 04 0 星历参数的参考历元AODE 0 97E 02 星历数据的龄期求在1997年11月9号2时20分0秒时的卫星坐标结果为 空间三维坐标系单位米 X 3828438 4331110Y 24424345 052844Z 9206891 1034245 星历数据文件格式 本机格式定义 接收机存储数据的格式存储方式 二进制内容 观测值 广播星历 电离层信息 气象元素特点不同厂家的接收机具有不同的本机格式与接收机配套的数据处理软件 随机软件 商用软件 一般可以直接读取自身本机格式的数据 而不能读取其它厂家的本机格式的数据不利于多种型号的接收机联合作业 RINEX格式定义 与接收机无关的数据交换格式 ReceiverINdependentExchange历史 1989年由AstronomicalInstitute UniversityofBerne的WernerGurtner提出了第一个版本 当时的目的是处理EUREF89数据 现在为2 10版存储方式 ASCII内容 观测值 星历 导航信息 气象数据 钟数据等特点通用性强 已成为事实上的标准利于多种型号的接收机联合作业大多数软件能够处理 文件类型 观测数据文件 GPS观测值导航电文文件 GPS卫星导航电文气象数据文件 在测站处所测定的气象数据GLONASS导航电文文件 GLONASS卫星导航电文GEO导航电文文件 增强系统中搭载有类GPS信号发生器的地球同步卫星 GEO 的导航电文卫星和接收机钟文件 卫星和接收机时钟信息的 命名规则 命名方法 8 3文件名命名规则例 wh022931 02o wh022293 02n ssssdddf yyt 4字符测站名 年积日 一天内的文件序号 时段号 为0 9 A Z 若为0 则表示文件包含当天的所有观测数据 两位年号 98 199800 200011 2011 文件类型 O 观测值N 星历M 气象数据G GLONASS星历H 同步卫星GPS载荷的导航电文C 钟文件 文件结构 组织形式按节 记录 行 字段和列所有文件均分为两节 文件头和数据记录每个记录占一行 不超过80列宽文件头中每个记录的第61 80列为标签 说明记录内容 文件结构 观测值文件结构 文件结构 GPS导航电文文件结构 文件结构 气象数据文件结构 文件格式说明 参见 ftp igscb jpl nasa gov pub data format rinex210 txt 文件格式说明 格式说明符 文件格式说明 RINEX观测值文件的内容 2 10OBSERVATIONDATAM MIXED RINEXVERSION TYPEBLANKORG GPS R GLONASS T TRANSIT M MIXEDCOMMENTXXRINEXOV9 9AIUB24 MAR 0114 43PGM RUNBY DATEEXAMPLEOFAMIXEDRINEXFILECOMMENTA9080MARKERNAME9080 1 34MARKERNUMBERBILLSMITHABCINSTITUTEOBSERVER AGENCYX1234A123XXZZZREC TYPE VERS234YYANT TYPE4375274 587466 4589095 APPROXPOSITIONXYZ 9030 0000 0000ANTENNA DELTAH E N11WAVELENGTHFACTL1 2126G14G15G16G17G18G19WAVELENGTHFACTL1 20RCVCLOCKOFFSAPPL4P1L1L2P2 TYPESOFOBSERV18 000INTERVAL2001324131036 0000000TIMEOFFIRSTOBSENDOFHEADER01324131036 000000003G12G9G6 12345678923629347 915 3008 35323629364648 1209 35820891541 29220607600 189 4309 39420607605 84801324131050 000000044122G9G12WAVELENGTHFACTL1 2 WAVELENGTHFACTORCHANGEDFOR2SATELLITES COMMENTNOW8SATELLITESHAVEWLFACT1AND2 COMMENTCOMMENT01324131054 000000005G12G9G6R21R22 12345678923619095 450 53875 6328 41981 37523619112 00820886075 667 28688 0279 22354 53520886082 10120611072 68918247 789914219 77020611078 41021345678 57612345 567522123456 78923456 7895 文件头 文件体 文件格式说明 RINEX星历文件的内容 2 10N GPSNAVDATARINEXVERSION TYPEXXRINEXNV2 10AIUB3 SEP 9915 22PGM RUNBY DATEEXAMPLEOFVERSION2 10FORMATCOMMENT 1676D 07 2235D 07 1192D 06 1192D 06IONALPHA 1208D 06 1310D 06 1310D 06 1966D 06IONBETA 133179128170D 06 107469588780D 125529601025DELTA UTC A0 A1 T W13LEAPSECONDSENDOFHEADER69992175144 0 839701388031D 03 165982783074D 10 000000000000D 00 910000000000D 02 934062500000D 02 116040547840D 08 162092304801D 00 484101474285D 05 626740418375D 02 652112066746D 05 515365489006D 04 409904000000D 06 242143869400D 07 329237003460D 00 596046447754D 07 111541663136D 01 326593750000D 03 206958726335D 01 638312302555D 08 307155651409D 09 000000000000D 00 102500000000D 04 000000000000D 00 000000000000D 00 000000000000D 00 000000000000D 00 910000000000D 02 406800000000D 06 000000000000D 001399921900 0 490025617182D 03 204636307899D 11 000000000000D 00 133000000000D 03 963125000000D 02 146970407622D 08 292961152146D 01 498816370964D 05 200239347760D 02 928156077862D 05 515328476143D 04 414000000000D 06 279396772385D 07 243031939942D 01 558793544769D 07 110192796930D 01 271187500000D 03 232757915425D 01 619632953057D 08 785747015231D 11 000000000000D 00 102500000000D 04 000000000000D 00 000000000000D 00 000000000000D 00 000000000000D 00 389000000000D 03 410400000000D 06 000000000000D 00 文件头 文件体 文件格式说明 RINEX气象数据文件的内容 2 10METEOROLOGICALDATARINEXVERSION TYPEXXRINEXMV9 9AIUB3 APR 9600 10PGM RUNBY DATEEXAMPLEOFAMETDATAFILECOMMENTA9080MARKERNAME3PRTDHR TYPESOFOBSERVPAROSCIENTIFIC740 16B0 2PRSENSORMOD TYPE ACCHAENNI0 1TDSENSORMOD TYPE ACCROTRONICI 240W5 0HRSENSORMOD TYPE ACC0 00 00 01234 5678PRSENSORPOSXYZ HENDOFHEADER96410015987 110 689 596410030987 210 990 096410045987 111 689 0 文件头 文件体 常用标准数据格式 RINEX格式 文件格式说明 精密星历 IGS简介 IGS是一个国际性服务组织 由国际大地测量协会IAG于1992 1993年筹建 1994年正式成立 原称 InternationalGlobalPositioningSystem GPS ServiceforGeodynamics IGS 1999年1月1日改名为 InternationalGPSService IGS 其目的是为大地测量和地球物理研究活动提供观测数据和数据产品支持和服务 IGS的数据和数据分析产品是通过分布于全球的380个GPS永久跟踪站 2004年11月24日 图2 3 22 其内容是 GPS卫星精密星历 地球自转参数 IGS跟踪站在ITRF框架下的坐标及速度 GPS卫星和IGS跟踪站钟差信息 电离层信息 对流层信息 全球IGS站 http ig