第三章 - GPS卫星运动理论及其轨道确定课件.ppt

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根据广播星历计算卫星位置 计算卫星运行的平均角速度 计算t时刻卫星的平近点角 计算偏近点角 根据广播星历计算卫星位置 计算真近点角 计算升交距角(未经改正的) 计算卫星向径 根据广播星历计算卫星位置 计算摄动改正项 进行摄动改正 计算卫星在轨道平面坐标系中的位置 根据广播星历计算卫星位置 计算升交点经度 计算卫星在地固坐标系下的坐标 kuangcuilin@ GPS卫星摄动力示意图 卫星轨道的研究方法 通常把作用于卫星上的力按其影响的大小分为两类: 中心力(非摄动力):假设地球为均质球体的引力(质量集中于球体的中心)决定着卫星运动的基本规律和特征。 无摄轨道:只考虑中心力影响的理想卫星轨道。 非中心力(动力摄):地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力等。 受摄轨道:同时考虑摄动力作用下的卫星运动轨道。 受摄轨道的确定:先通过研究无摄运动确定无摄轨道,再研究各种摄动力对卫星运动的影响,并对卫星的无摄轨道加以修正,从而确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征。 内容要点 GPS卫星轨道的作用 GPS卫星的无摄运动 GPS卫星的受摄运动 GPS卫星轨道的确定 GPS卫星星历 卫星的无摄运动 卫星发射升至预定高度后,开始绕地球运行。假设地球为均质球体,根据万有引力定律,卫星的引力加速度为 G为引力常数,M为地球质量,ms为卫星质量,r为卫星的地心向径。根据上式来研究地球和卫星之间的相对运动问题,在天体力学中称为两体问题。引力加速度决定了卫星绕地球运动的基本规律。卫星在上述地球引力场中的无摄运动,也称开普勒运动,其规律可通过开普勒定律来描述。 定律:卫星的运行轨道是一个椭圆,该椭圆的一个焦点与地球的质心重合。 开普勒第一定律 远地点 近地点 c c 意义:阐明了卫星运行轨道的基本形态及其与地心的关系。 a 开普勒第二定律 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。 S2 t0 t1 t2 S1 t1-t0 = t2-t1 S1 = S2 远地点 近地点 意义: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。 开普勒第三定律 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 ,可得: 意义:表明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。 卫星轨道的描述 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。 开普勒轨道参数:共六个参数,三个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,三个确定了卫星轨道相对天球坐标系中的位置和方向。 卫星轨道的描述 as为轨道的长半径,es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。 ?s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。 fs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。 开普勒轨道参数示意图 卫星位置的计算 真近点角fs的计算 在描述卫星无摄运动的6个开普勒轨道参数中,只有真近点角是时间的函数,其余均为常数。故卫星瞬间位置的计算,关键在于计算真近点角。 as bs as r m? fs Es ases 近地点 为了计算真近点角,引入两个辅助参数: Es—偏近点角 Ms—平近点角 Ms是一个假设量,当卫星运动的平均角速度为n,则 Ms = n ( t - t0 ),t0为卫星过近地点的时刻,t为观测卫星时刻。 Es = Ms + essinEs (开普勒方程) 可得真近点角: as bs as r m? fs Es es 近地点 卫星无摄运动位置的计算 卫星无摄运动位置的计算 卫星在轨道直角坐标系中的位置: 取直角坐标系的原点与地球质心相重合,Xs轴指向近地点、Zs轴垂直于轨道平面向上 , Ys轴在轨道平面上垂直于Xs轴构成右手系,则卫星在任意时刻的坐标为 r fs 开普勒轨道根数→卫星空间坐标 卫星空间坐标→开普勒轨道根数 内容要点 GPS卫星轨道的作用 GPS卫星的无摄运动 GPS卫星的受摄运动 GPS卫星轨道的确定 G

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