测量第三章星历

1、第三章第三章 卫星运动基础卫星运动基础及及GPS卫星星历卫星星历Slide 2outlineu卫星的运动卫星的运动u卫星星历卫星星历Slide 3第一节第一节 概述概述u基本概念基本概念u卫星运动的研究历史卫星运动的研究历史u卫星运动的研究方法卫星运动的研究方法Slide 4一、基本概念一、基本概念u卫星轨道卫星轨道卫星在空间运行的轨迹卫星在空间运行的轨迹u轨道参数轨道参数描述卫星轨道位置和状态的参数描述卫星轨道位置和状态的参数u卫星星历卫星星历描述有关卫星运行轨道的信息描述有关卫星运行轨道的信息Slide 5研究卫星运动规律的意义研究卫星运动规律的意义l轨道机制决定着很多飞行器的基本设计:l

2、电力 (阴影?距离太阳有多远?)l姿态控制 (扰动环境)l推进系统 (发射, 轨道机动 直接影响结构)l辐射环境 (电子设计)l所有相关软件l基本问题: l任意时刻卫星在什么地点?轨道参数Slide 6轨道对定位的影响轨道对定位的影响相对精度相对精度 (10(10- -6 6) ) 卫星轨道误差卫星轨道误差 (m)(m) 基线长度基线长度 (km)(km) 基线误差基线误差 (cm)(cm) 1 20 10 100 1000 1 10 100 0.1 2 10 100 1000 0.1 1 10 Slide 7二、研究卫星基本运动规律的历史二、研究卫星基本运动规律的历史l古希腊哲学家亚里士多德

3、认为，一切万物的运动都是基于圆形或球形的。此后，这种观点持续了几个世纪。u第谷第谷 (1546 - 1601): 著名的天文观测者著名的天文观测者u对天体进行了精确，细致的观测对天体进行了精确，细致的观测u约翰尼斯约翰尼斯.开普勒开普勒 (1571 - 1630)u利用第谷多年积累的观测资料，仔细分析研究利用第谷多年积累的观测资料，仔细分析研究，发现了行星沿椭圆轨道运行，发现了行星沿椭圆轨道运行u提出行星运动三定律（即开普勒定律）提出行星运动三定律（即开普勒定律）Slide 8Keplers Laws开普勒第一定律开普勒第一定律卫星卫星运行的轨道是一个椭圆，运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个

4、焦点与地而该椭圆的一个焦点与地球的质心相重合。球的质心相重合。开普勒第二定律开普勒第二定律卫星卫星的地心向径，即地球质心的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内所扫过的在相同的时间内所扫过的面积相等面积相等开普勒第三定律开普勒第三定律卫星卫星运动周期的平方与轨道椭运动周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一圆长半径的立方之比为一常量，而该常量等于地球常量，而该常量等于地球引力常数引力常数GM的倒数。的倒数。GMaTsS2324Slide 9牛顿力学定律是天体力学的基础牛顿力学定律是天体力学的基础u艾萨克艾萨克.牛顿牛顿 (1643 - 1727) 的

5、运动定律和的运动定律和万有引力定律给开普勒三定律提供了物理的万有引力定律给开普勒三定律提供了物理的解释。解释。u万有引力定律也成为了天体力学的理论基础万有引力定律也成为了天体力学的理论基础。天体力学即。天体力学即应用力学规律来研究天体的运应用力学规律来研究天体的运动和形状动和形状。amF122212bodyurmGmF12212bodyurGmaSlide 10三、影响卫星轨道的因素三、影响卫星轨道的因素 作用力作用力 作用力来源作用力来源 结结 果果 卫星运动卫星运动 卫星轨道卫星轨道 中心力 假设地球为均质球体的引力（质量集中在球体的中心） 决定卫星运动的基本规律和特征 无摄运动 理想轨道

6、 （无摄轨道） 摄动力 （非中心力） 地球非球型对称的作用力、 太阳、月亮和其它天体引力、 大气阻力、太阳光压、地球潮汐力等 卫星偏离理想轨道 受摄运动 受摄轨道 （偏离量的大小随时间变化） Slide 11研究流程研究流程研 究 卫 星的 无 摄 运动 规 律 ，描 述 卫 星轨 道 的 基本特征确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征研 究 各 种摄 动 力 的影 响 ， 对卫 星 的 无摄 轨 道 修正Slide 12第二节第二节 卫星的无摄运动卫星的无摄运动u卫星的中心力：地球引力卫星的中心力：地球引力u根据牛顿万有引力定律，计算引力加速度根据牛顿万有引力定律，计算引力加速度: :G为引力常数；

7、M为地球质量； 为卫星质量；r为卫星的地心向径。m0202)/()/(rrGMmFrrGMmFes0202)/()/(rrGmarrGMaes02)/ )(rrmMGaaaes0202)/()/(rrrrGMa333/rZZrYYrXX （3.2.23.2.2）Slide 13无摄运动无摄运动二体问题（二体问题（3.2.33.2.3）ssssfeearcos1)1 (2u卫星的平面方程卫星的平面方程u卫星的轨道方程卫星的轨道方程u开普勒方程开普勒方程0CZBYAX)()(sin)(tntEetESlide 14卫星轨道的描述卫星轨道的描述近地点近地点i卫星卫星yxz升交点升交点春分点春分点轨道

8、轨道赤道赤道 sfsl - -为开普勒椭圆的长半为开普勒椭圆的长半径径le es s 轨道椭圆的轨道椭圆的偏心率偏心率l 升交点赤经，即在地升交点赤经，即在地球赤道平面上升交点与春分球赤道平面上升交点与春分点之间的地心夹角，它是卫点之间的地心夹角，它是卫星由南向北运行时，其轨道星由南向北运行时，其轨道通过赤道面的交点通过赤道面的交点li i 轨道倾角，即卫星轨轨道倾角，即卫星轨道平面与地球赤道面之间的道平面与地球赤道面之间的夹角夹角l s s 近地点角距，即在轨近地点角距，即在轨道平面上升交点与近地点之道平面上升交点与近地点之间的地心角距间的地心角距lf fs s 卫星的真近点角，即卫星的真近

9、点角，即在轨道平面上卫星与近地点在轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距之间的地心角距sa（3.2.13.2.1）Slide 15真近点角真近点角 偏近点角偏近点角 平近点角平近点角)2tan()1 ()1 ()2tan()cos1/()(coscosEeeVEeeEV)()(sin)(tntEetEp27Slide 16第三节第三节 卫星的受摄运动卫星的受摄运动u卫星运动的摄动力卫星运动的摄动力地球的非中心引力地球的非中心引力太阳的引力和月球的引力太阳的引力和月球的引力太阳的直接与间接辐射压力太阳的直接与间接辐射压力太阳的阻力太阳的阻力地球的潮汐作用地球的潮汐作用磁力等磁力等ncFmsFF、r

10、FaFSlide 17受摄运动的研究受摄运动的研究受摄加速度受摄加速度dtdMdtdwdtddtdidtdedtda,)(,RWTS或p29（3.3.23.3.2）Slide 18摄动力对卫星的影响摄动力对卫星的影响 摄动力对摄动力对 GPS 卫星的影响卫星的影响 轨道摄动轨道摄动(m) 摄动源摄动源 加速度加速度 (m/sec2) 3 小时弧段小时弧段 2 日弧段日弧段 地球的非对称性 lC20 l其它调和相 5105 7103 2km 5-80 14km 100-1500 日、月点质影响 6105 5-150 1000-3000 地球潮汐位 l固体潮 l 海洋潮汐 9101 9101 _

11、_ 0.5-1.0 0.0-2.0 太阳辐射压 7101 5-10 100-800 反照压 8101 _ 1.0-1.5 Slide 19描述卫星运动的参数描述卫星运动的参数Slide 20第四节第四节 GPSGPS卫星星历卫星星历u卫星星历卫星星历描述卫星运动轨道的信息。描述卫星运动轨道的信息。u星历的分类：星历的分类：（1）预报星历）预报星历广播星历广播星历（2）后处理星历）后处理星历精密星历精密星历Slide 21一、星历的内容（一、星历的内容（1717）Slide 22星历的内容（星历的内容（1717）IODEIMieatoe000isicrsrcusucCCCCCCn：星历的基准时间

12、：半长轴的平方根：偏心率：参考时刻的倾角：升交点赤经：近地点角距：平近点角：轨道倾角变化率：星历表数据量：升交点赤经变化率：平均角速度的校正：纬度幅角余弦的校正：纬度幅角正弦的校正：轨道半径余弦的校正：轨道半径正弦的校正：倾角余弦的校正：倾角正弦的校正Slide 23二、广播星历二、广播星历/ /预报星历预报星历u包含在卫星向地面发射的导航电文中；包含在卫星向地面发射的导航电文中； 2 NAVIGATION DATA RINEX VERSION / TYPECCRINEXN V1.6.0 UX CDDIS 16-JAN-00 20:32 PGM / RUN BY / DATE IGS BROA

13、DCAST EPHEMERIS FILE COMMENT 0.2980D-07 0.2980D-07 -0.1192D-06 0.0000D+00 ION ALPHA 0.1516D+06 -0.1638D+06 0.0000D+00 0.6554D+05 ION BETA 0.838190317154D-08 0.222044604925D-13 503808 1149 DELTA-UTC: A0,A1,T,W 13 LEAP SECONDS END OF HEADER 1 02 1 16 16 0 0.0 0.211737118661D-03 0.147792889038D-11 0.00

14、0000000000D+00 0.160000000000D+03-0.923125000000D+02 0.448090093322D-08-0.150005755213D+01 -0.460073351860D-05 0.528647471219D-02 0.406056642532D-05 0.515370207596D+04 0.316800000000D+06 0.614672899246D-07-0.423702392951D+00 0.162050127983D-06 0.967604434620D+00 0.303406250000D+03-0.172598812748D+01-0.818819821418D-08 -0.140720147273D-09 0.100000000000D+01 0.114900000000D+04 0.000000000000D+00 0.280000000000D+01 0.000000000000D+00-0.325962901115D-08 0.16