第2章-卫星运动基础及GPS卫星星历课件

测绘工程教研室孙小荣第二章卫星运动基础及GPS卫星星历GPS定位技术与应用

地球引力Fc太阳光压力Fp太阳引力Fs月球引力Fm大气阻力Fd地球潮汐力FtGPS卫星的受力GPS卫星受力海水受月球和太阳等天体的引力作用而发生的周期性涨落现象，引起地球质量分布的变化，引起地球引力的变化哪个最大？卫星轨迹有规律吗？卫星轨道卫星在空间运行的轨迹为什么要研究GPS卫星的运动？其它作用力小于地球引力的10-5量级2023/7/27地球质心引力（中心引力）假设地球为密度均匀或由无限多密度均匀的同心球层所构成的圆球的引力决定GPS卫星运动的基本规律摄动力（非中心引力）内容地球非球形对称的引力太阳引力月球引力大气阻力太阳光压力地球潮汐力摄动力是地球质心引力的10-3量级，使GPS卫星运动产生一些小的变化而偏离理想轨道GPS卫星受力地球形状不规则、密度不均匀引起地球引力2023/7/27卫星的无摄运动二体问题只考虑地球质心引力作用，研究卫星相对于地球的运动（将地球和卫星视为两个质点）二体问题的作用卫星运动虽然是一种近似描述，但能得到卫星运动的严密分析解，从而可以在此基础上加上摄动力来推求卫星受摄运动的轨道2023/7/27研究卫星运动规律的步骤无摄运动规律摄动力的影响受摄运动规律太阳引力太阳光压力非球形引力地球潮汐力大气阻力GPS卫星受力月球引力2023/7/27开普勒行星运动定律第一定律卫星运动轨迹是椭圆，地球质心位于椭圆的一个焦点上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，在相同的时间内所扫过的面积相等远地点

P′近地点

P约翰内斯·开普勒JohannesKepler国籍德国生卒日期1571.12.27－1630.11.15研究领域天文学、光学、数学、物理学和哲学

主要成就发现了行星运动三定律卫星的无摄运动2023/7/27开普勒行星运动定律第三定律卫星运动周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量n与a有关，与时间无关，是个常量卫星的无摄运动aOO'2023/7/27开普勒轨道参数（根数）描述卫星轨道位置和状态的参数作用确定轨道椭圆的形状、大小确定卫星在其轨道椭圆上的位置确定卫星轨道与地球的相对位置和方向OSPn卫星的无摄运动确定卫星位置需要知道哪些因素？2023/7/27开普勒轨道参数卫星轨道大小远地点P′近地点P开普勒第一定律轨道位置和方向真近点角卫星轨道形状真近点角V卫星在轨位置卫星的无摄运动椭圆长半径a椭圆偏心率e2023/7/27O春分点i升交点近地点S轨道面倾角i近地点角距注：描述卫星无摄运动的轨道参数并非唯一？升交点赤经方向和位置轨道Pn卫星的无摄运动2023/7/27：时间的函数卫星的瞬时位置aeiV卫星发射条件决定V如何计算V卫星的无摄运动2023/7/27真近点角V的计算远地点

P′近地点

Pyxrc卫星的无摄运动卫星运动的轨道方程2023/7/27r偏近点角E真近点角V

c卫星轨道辅助圆卫星的无摄运动远地点

P′近地点

P2023/7/27平近点角M开普勒方程M=E-esinE偏近点角E

真近点角V

M=n(-)n:卫星平均角速度:卫星过近地点时刻t建立E和M的关系E为时间的函数卫星的无摄运动E=M+esinE迭代计算2023/7/27研究卫星运动规律的步骤无摄运动规律摄动力的影响受摄运动规律开普勒

太阳引力太阳光压力非球形引力地球潮汐力大气阻力卫星的受摄运动月球引力2023/7/27各种作用力的特性及其影响地球引力摄动力地球形状不规则及密度分布不均匀引起10-3量级日、月引力卫星和地球同时受到日、月的引力量级5×10-6影响达1-3km太阳辐射压力量级：4.5×10-6影响达1km在地影区，不受太阳辐射压力卫星的受摄运动2023/7/27各种作用力的特性及其影响地球潮汐力影响为1m大气阻力对低轨卫星影响较大对GPS卫星很小（2万km）考虑摄动力作用轨道参数随时间变化轨道是一条复杂的非封闭曲线GPS卫星的高度高和低哪个好？卫星的受摄运动OiSPn2023/7/27GPS卫星星历描述卫星运动轨道的信息对应于某一时刻（历元）的轨道参数及其变率分类预报星历（广播星历）参数（17个）时间二参数开普勒六参数轨道摄动九参数坐标系统WGS-84后处理星历（精密星历）按一定时间间隔给出卫星的位置（X,Y,Z）坐标系统ITRS2023/7/27广播星历参数详解2023/7/27广播星历参数详解O春分点i升交点近地点SPn2023/7/27广播星历参数详解O春分点oe升交点Pn格林尼治天文台GGASTwoGPS周起点GPS周某历元GASTL2023/7/27广播星历参数详解YZXWrw近地点轨道iVu2023/7/27GPS卫星位置的计算----广播星历计算思路计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标将上述坐标分别绕x轴旋转-i角、绕z轴旋转-L角，求出卫星在WGS-84坐标系下的坐标轨道平面坐标系O春分点i升交点近地点SXZYxry升交点近地点O2023/7/27计算卫星运行的平均角速度n计算归化时间tk计算t时刻卫星的平近点角Mk周内秒GPS卫星位置的计算----广播星历t是卫星信号的发射时刻2023/7/27GPS卫星位置的计算----广播星历计算t时刻卫星的偏近点角Ek计算真近点角Vk计算升交距角Φk（未经改正的）计算摄动量：2023/7/27GPS卫星位置的计算----广播星历计算经过摄动改正的计算卫星在轨道平面坐标系中的坐标计算t时刻升交点经度Lk2023/7/27GPS卫星位置的计算----广播星历计算卫星在WGS-84坐标系下的坐标O春分点i升交点近地点SXZY2023/7/27后处理星历后处理星历，是一些国家的某些部门，根据各自建立的跟踪站所获得的对GPS卫星的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法计算的卫星星历。它不是GPS卫星直接播发的，而是由第三方提供给用户的GPS星历。ftp:///pubftp:///pub/gps/gpsdataftp://igs.ensg.ign.fr/pub/igs/ftp:///pub/product/2023/7/27后处理星历精密星历格式*2004115000.00000000P15945.50963515759.60840420698.949374324.533285P21141.10111122665.35998914690.489309-257.156064P3-10344.44706824021.826531-3968.23332577.825932P422798.349665-6520.82087212310.795279-43.522805P5-12628.924903-23445.674881-1192.03679113.422888P6-13958.380086-7542.10349721489.237683-2.952584P718939.291158-12511.028058-13257.166627635.667094P826246.825668-918.226411-5165.342142383.6704282023/7/27任意时刻t