GPS课第三章卫星运动基础及GPS卫星.ppt

第三章 卫星运动基础及GPS卫星星历 本章需学习的内容： 3.1 概述 3.2 卫星的无摄运动(弄清二体问题的六个轨道参数) 3.3 卫星的受摄运动 3.4 GPS卫星星历(星历参数有哪些) 3.1 概 述 一.卫星的受力： 卫星受到的各种具体作用力： 地球对卫星的引力 日月对卫星的引力 大气阻力 太阳光压 地球潮汐力等 可将作用力归纳分为两类： 地球质心引力（中心引力）； 地球非中心引力—摄动力（与地球质心引力相比，仅为10e-3量级）。 3.1 概 述 二.卫星的运动： 1.二体问题--仅考虑地球质心引力的卫星运动称为二体问题。 2.受摄运动—考虑到摄动力的作用的卫星运动。 3.1 概 述 三.GPS定位对轨道精度的要求： 利用GPS卫星进行定位，要求达到目10e-7的相对定位精度，则要求GPS卫星定轨的精度达到2m。交付民用的广播星历轨道误差为30m，对GPS基线测量的影响为1.2*10e-6。对于高精度定位，必须提高卫星定轨精密。 3.2 卫星的无摄运动—二体问题 3.2.1 二体问题（无摄运动） （1）将地球和卫星当作两个质点在万有引力作用下的运动称为二体运动； （2）开普勒定律确定了卫星的运行轨道； （3）采用开普勒轨道参数（轨道根数）描述卫星轨道与地球赤道的相对位置关系及卫星的位置。 卫星绕地球运动满足开普勒定律 （1）开普勒第一定律 卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合。此定律阐明了卫星运行轨道的基本形态及其与地心的关系。由万有引力定律可得卫星绕地球质心运动的轨道方程。r为卫星的地心距离，a为开普勒椭圆的长半径，e为开普勒椭圆的偏心率；v为真近点角，它描述了任意时刻卫星在轨道上相对近地点的位置，是时间的函数。 （2）开普勒第二定律：卫星的地心向径在单位时间内所扫过的面积相等。表明卫星在椭圆轨道上的运行速度是不断变化的，在近地点处速度最大，在远地点处速度最小。 （3）开普勒第三定律：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，等于GM的倒数。 假设卫星运动的平均角速度为n，则n=2?/T，可得 当开普勒椭圆的长半径确定后，卫星运行的平均角速度也随之确定，且保持不变。 3.2 卫星的无摄运动—二体问题 无摄卫星轨道的描述 前述参数a、e、v唯一地确定了卫星轨道的形状、大小以及卫星在轨道上的瞬时位置。但卫星轨道平面与地球体的相对位置和方向还无法确定。确定卫星轨道与地球体之间的相互关系，可以表达为确定开普勒椭圆在天球坐标系中的位置和方向，尚需三个参数。 卫星的无摄运动一般可通过一组适宜的参数来描述，但这组参数的选择并不唯一，其中应用最广泛的一组参数称为开普勒轨道参数或开普勒轨道根数。 3.2 卫星的无摄运动—二体问题 a 为轨道的长半径,e 为轨道椭圆偏心率，这两个参数确定了开普勒椭圆的形状和大小。 ?为升交点赤经：即地球赤道面上升交点与春分点之间的地心夹角。 i为轨道面倾角：即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。这两个参数唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。 3.2 卫星的无摄运动—二体问题 ?为近地点角距：即在轨道平面上，升交点与近地点之间的地心夹角，表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向。 v为卫星的真近点角：即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，确定卫星在轨道上的瞬时位置。 由上述6个参数所构成的坐标系统称为轨道坐标系，广泛用于描述卫星运动。 3.2.2 二体问题的运动方程 研究卫星绕地球的运动，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确定的微分方程（3-6）用直角坐标表示的二体问题微分方程： 微分方程的解为六个轨道参数。 3.2 卫星的无摄运动—二体问题 求解微分方程，可以很方便得到二体问题情况下，给定六个轨道参数，即可确定任意时刻t的卫星位置及其运动速度的通用表达式： 3.2 卫星的无摄运动—二体问题 3.2.3 二体问题微分方程的解 1.由微分方程求积分得轨道平面方程(3-8)，三个积分常数（I Ωh）-求定轨道平面； 2.在轨道平面上积分得轨道方程(3-11)另外三个积分常数（a e ω）-求定卫星在轨道上的位置； 3.用偏近点角E代替真近点角V。得公式（3-14）-对用到的参数进行处理； 4.由开普勒方程解出偏近点角E。 3.2 卫星的无摄运动—二体问题 卫星的无摄运动由二体问题的六个轨道参数决定。由二体问题的运动方程---微分方程（3-6）可以解出卫星运动的六个轨道参数。 由六个轨道参数可以解出卫星的位置: 3.3 卫星的受摄运动 3.3.1 受摄运动各种作用力特性 1.将地球和卫星当作