GPS3第三章 卫星运动基础及GPS卫星星历专用课件.ppt

* * * 第三章卫星运动基础及GPS卫星星历 §3.1 概述 §3.2 卫星的无摄运动 §3.3 卫星的受摄运动 §3.4 GPS卫星星历 GPS用户为了确定自己的位置，需要GPS卫星 的精确位置信息。因此了解如何描述GPS轨道是十 分重要的。 轨道：卫星在空间运行的轨迹。 轨道参数：描述卫星位置及状态的参数；轨道参数 取决于卫星所受到的各种力的作用。 §3.1 概 述 一、卫星在空间的瞬时位置 卫星的受力情况： 地球的引力 日月引力 潮汐力 大气阻力 光压力 均质球体引力 非均匀球形部分引力 第一类力：地球的质心引力——中心引力 第二类力：摄动力——非中心引力，包括地球引 力场摄动力（地球非球形对称引起）、 日月引力、大气阻力、太阳光压、地球 潮汐力等。 无摄运动（二体问题）：仅考虑地球的质心引力 研究卫星相对于地球的运动。在天体力 学中，称之为二体问题。 无摄轨道：理想的卫星轨道。 受摄运动：在考虑第一类力（中心引力）的同时 也考虑第二类力（摄动力）的影响来 研究地球的运动。 受摄轨道：在受摄运动下所运行的轨迹。 二、卫星的运动 返回 卫星围绕着地球运行，作二体问题研究，必须满 足以下条件： ①必须在惯性系下考虑问题。 ②卫星作为质点。卫星的体积小，与其到地球的 距离相比，可忽略不计，即卫星可作为质点计。 ③地球作为质点。地球可分成均质地球和非均质 地球两部分。均质地球对外部点的引力等于球 心质点的引力。因此，如果把非均质地球的引 力作为摄动力的话，均质地球可作为一个质点。 §3.2 卫星的无摄运动 目的意义 ①均质球体引力决定着卫星运动的主要规律和 特征，它是卫星运动的近似描述； ②二体问题是惟一能得到严密解的问题，而多 体问题还不能得到严密解； ③二体问题是精确研究卫星运动的基础。 一、卫星运动的轨道参数 1、轨道是一个椭圆，可用一组参数来表示。 a（椭圆的长半径）、e（偏心率）——形状参数 Ω（升交点赤径）：即在地球赤道平面上，升交 点N与春分点γ之间的地心夹角。 i（轨道面的倾角）： 即卫星轨道平面地球 赤道面之间的夹角。 Ω、i唯一的确定了卫 星轨道平面地球体之间的 相对向。 Ω、i、ω——轨道定向参数。 V（真近点角）：在轨道平面上 卫星与近地点之间的地心角距。 确定了任一时刻卫星在轨道上 的位置。——位置参数。 （ a，e，Ω，i，ω，V）六参数称为开普勒轨 道参数，或称轨道根数。 ω（近地点角距）： 轨道平面上近地点A与升 交点N之间的地心角距。表达 了开普勒椭圆在轨道平面上的 定向。 在无摄运动的条件下，卫星的运动才可以用六 参数来描述。 Ω、i ：确定了轨道平面在地心坐标系中的位置 a，e：确定了轨道的形状 ω：确定了轨道中短半轴在坐标系中的指向 （a，e，Ω，i，ω）决定于卫星的发射条 件，为常数；V决定于卫星运行的时间，是时 间的函数。 V：决定于卫星运行的时间 二、二体问题的运动方程 根据万有引力定律： 研究卫星S绕地球O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 顿定律可以很方便地得到二体问题的运动方程。 牛顿第二定律： 从而， 有 在惯性坐标系下研究卫星相对于地球的运动， O-XYZ为惯性系 o z y x S rs r re E 分量形式： 将坐标原点平移到地球质心： o z y x S rs r re E 二体问题的运动方程： 由矢量积的微分法则： 可以得到卫星运动的轨道平面方程： 在二体问题中，卫星始终在一个平面上运 动，且该平面通过地球质心。 在惯性系中，向量的三个分量正是积分常数， 以符号A，B，C来表示，则在三维地心坐标系中： 三、开普勒定律 第一定律：卫星运动的轨道是一个椭圆，而该椭圆 的一个焦点与地球质心重合。 卫星绕地球质 心运动的轨道方程： r 第二定律：卫星到地心的距离在相等的时间内所扫过