第13章 卫星导航-绪论(4课时).pdf

卫星导航原理及其应用 空间科学与技术学院 导航控制系 卫星导航原理及其应用 卫星导航原理及其应用 人类第一颗 卫星 1957 年，前苏联成功发射第一枚人造卫星 “斯普特尼克”1 号(Sputnik-1)。 卫星导航原理及其应用 绪论 卫星进入轨道后，美国Johns Hopkins大学应 用物理实验室的两位科学家在跟踪这颗苏联卫星时 无意中发现，收到的无线电信号有多普勒频移效应 ，即卫星在飞近地面时，接收机收到的无线电频率 逐渐增高，飞远时逐渐降低。 科学家研究后产生灵感，卫星轨道可由地面站 测得的多普勒频移曲线确定，若知道卫星的精确轨 道，不就能确定地面接收机的位置了吗? 卫星导航原理及其应用 绪论 卫星轨道相关知识 卫星轨道定义 卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨 道位置和状态的参数称为轨道参数。 利用卫星进行导航和测量时，卫星是作为位置 已知的高空观测目标。 卫星导航原理及其应用 绪论 卫星轨道相关知识 卫星轨道在卫星导航定位中有什么作用 1）进行绝对定位时，卫星轨道误差将直接影响用户 接收机位置的精度。 2 ）进行相对定位时，卫星轨道误差的影响将会减弱 ，但当精度要求较高时，轨道误差影响不可忽略。 3 ）为了制订卫星测量的观测计划和便于捕获卫星发 射的信号，也需要知道卫星的轨道参数。 卫星导航原理及其应用 绪论 卫星轨道相关知识 影响卫星轨道的因素 卫星在空间绕地球运行时，除受地球重力场的 引力作用外，还受到太阳、月球和其它天体的引力 以及太阳光波压力、大气阻力和地球潮汐力等因素 影响。在这些力的共同作用下，卫星在空间运行的 实际轨道极其复杂，很难用简单并且精确的数学模 型表示。其中地球引力场的影响为主，其它作用力 的影响相对要小的多。 卫星导航原理及其应用 绪论 卫星轨道相关知识 卫星轨道的研究方法(1) 为研究工作和实际应用的方便，通常把卫星所 受的作用力按其影响的大小分两类。 第一类是地球质心引力。 假设地球为均匀密度球体，可等效为质量全部集中在地 球质心这一质点的引力，也称为中心力。它决定着卫星运动 的基本规律和特征，由此决定的卫星轨道，可视为理想轨道 ，是分析卫星实际轨道的基础。 卫星导航原理及其应用 绪论 卫星轨道相关知识 卫星轨道的研究方法(2) 第二类是摄动力，也称非中心力。 它包括因地球非球形对称的地球引力场摄动力、日月引 力、太阳光压、地球潮汐力、大气阻力等。 摄动力与中心力相比，仅使卫星的运动产生一些小的附 加变化而偏离理想轨道，同时偏离量大小也随时间而改变。 卫星的体积很小，更可将其看作质量集中于其质心的质点。 卫星导航原理及其应用 绪论 卫星轨道相关知识 卫星轨道的研究方法(3) 只考虑地球质心引力作用下的卫星轨道称为无 摄轨道，同时考虑各种摄动力作用下的卫星轨道称 为受摄轨道。在摄动力的作用下的卫星运动称为受 摄运动。虽然受摄轨道更接近于实际轨道，但忽略 所有摄动力，可以极为方便地研究卫星相对于地球 的运动。这种只考虑在中心力作用下卫星运动的问 题，在天体力学中称为二体问题。 卫星导航原理及其应用 绪论 卫星轨道相关知识 二体问题下的卫星运动(1) 设卫星质量为m，处于ECI坐标系，位置矢量为 r。G是万有引力常数，M是地球质量，在二体问题 假设下，根据牛顿第二定律可知，卫星所受力为 mM  式中a是卫星加速度, r   F  ma  G r r 3 r 卫星导航原理及其应用 绪论 卫星轨道