补充内容-卫星运动基础.

1补充内容卫星运动基础为了理解卫星运行的基本规律和卫星的星历，简要介绍卫星运行的基本知识和GPS卫星星历。2主要内容§1.导航卫星的正常轨道§2.导航卫星的摄动轨道§3.GPS卫星星历介绍3概述4一、卫星轨道在GPS定位中的意义卫星在空间运行的轨迹称为轨道，而描述卫星轨道位置和状态的参数，称为轨道参数。轨道误差会直接影响所求用户接收机位置的精度。概述卫星轨道在GPS定位中的意义0102030405060708090100轨道误差2m轨道误差20m基线长10m基线长100m基线长1000m5一、卫星轨道在GPS定位中的意义意义：»满足精密定位的需要»制定GPS测量的观测计划»便于捕获GPS卫星信号概述卫星轨道在GPS定位中的意义6二、影响卫星轨道的因素及其研究方法人造地球卫星在空间绕地球运行时，会受到各种作用力的影响：-地球重力场的引力-太阳、月亮和其他天体的引力-太阳光压-大气阻力-地球潮汐力概述影响卫星轨道的因素及其研究方法7二、影响卫星轨道的因素及其研究方法为了研究工作和实际应用的方便，将各种作用力按其影响分为两类：1、中心力——假设地球为匀质球体的引力2、非中心力——摄动力，包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力、地球潮汐力概述影响卫星轨道的因素及其研究方法8二、影响卫星轨道的因素及其研究方法对应两类作用力，产生了两种研究方法：1、二体问题——忽略所有摄动力，仅考虑地球质心引力2、受摄运动——在二体问题基础上，再加上摄动力来推求卫星运动轨道概述影响卫星轨道的因素及其研究方法9§1导航卫星的正常轨道（无摄运动）10一、卫星运动的开普勒三定律无摄运动卫星运动的开普勒定律1、开普勒第一定律：卫星运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与地球的质心相重合。11一、卫星运动的开普勒三定律无摄运动卫星运动的开普勒定律2、开普勒第二定律：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。12一、卫星运动的开普勒三定律无摄运动卫星运动的开普勒定律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，而该常量等于地球引力常数GM的倒数。13三、轨道参数（根数）无摄运动轨道参数——6个轨道参数i,Ω,ω,a,e,M1、轨道平面倾角i：卫星轨道平面与天球赤道平面之间的夹角。14三、轨道参数（根数）无摄运动轨道参数——6个轨道参数i,Ω,ω,a,e,M2、升交点赤径Ω：升交点N：由南向北飞行的卫星，其轨道与天球赤道的交点。从春分点轴向东度量到升交点的弧长，叫升交点赤径Ω。15三、轨道参数（根数）无摄运动轨道参数——6个轨道参数i,Ω,ω,a,e,M3、近地点角距ω：从升交点轴ON顺着卫星运行方向度量到近地点的弧长，叫近地点角距，又称近地点辐角。16三、轨道参数（根数）无摄运动轨道参数——6个轨道参数i,Ω,ω,a,e,M4、轨道椭圆长半轴a：近地点通过地球质心到远地点距离的1/2。17三、轨道参数（根数）无摄运动轨道参数——6个轨道参数i,Ω,ω,a,e,M5、轨道椭圆偏心率e：椭圆两个焦点之间距离一半与其长半轴的比值。18三、轨道参数（根数）无摄运动轨道参数——6个轨道参数i,Ω,ω,a,e,M6、平近点角M：卫星自近地点以平均角速度运行到某一时元t的弧长，叫平近点角M。真近点角f：在轨道上运行的卫星，其卫星向径OS与焦点O指向近地点P之间的夹角，即在轨道平面上，卫星与近地点之间的地心角距，叫真近点角。19三、轨道参数（根数）无摄运动轨道参数六个轨道参数及其定义中文名称符号意义轨道平面倾角i决定轨道平面的空间位置升交点赤径Ω轨道椭圆的长半轴a决定轨道椭圆的大小轨道椭圆的偏心率e决定轨道椭圆的形状近地点角距（辐角）ω决定近地点在轨道椭圆上的位置平近点角M卫星以平均角速度n0运行的角度2021四、无摄卫星轨道的描述无摄运动无摄卫星轨道的描述——用轨道参数表示的卫星在轨位置选用上述6个轨道参数来描述卫星运动的轨道，一般来说是合理而必要的。6个轨道参数i,Ω,ω,a,e,f所构成的坐标系统，称轨道坐标系统。在该系统中，6个参数一经确定，卫星在任一瞬间相对地球体的空间位置及速度便可唯一确定。22五、几个实用名词无摄运动几个实用名词1、卫星运行速度：卫星的运行速度，是卫星位置矢量的时间变化率。23五、几个实用名词无摄运动几个实用名词2、星下点：卫星S和地球质心O在任一时元t的连线OS与地球表面的相交点，叫做星下点。24五、几个实用名词无摄运动几个实用名词3、地迹：各个星下点的连线，叫做卫星地迹（星下点轨迹）。25五、几个实用名词无摄运动几个实用名词4、卫星高度：卫星高度分成地面高度和轨道高度。卫星的地面高度（飞行高度），是卫星在轨飞行时离开地球表面的距离，它随卫星的地心纬度不同而变化。卫星的轨道高度取决于近地点和远地点的地心距的平均高度。26§2导航卫星的摄动轨道（受摄运动）27一、卫星运动的摄动力受摄运动卫星运动的摄动力1、摄动：在轨运行的卫星受外力作用而产生轨道偏离椭圆的现象，以致卫星轨道变成一条复杂的封闭曲线。28一、卫星运动的摄动力受摄运动卫星运动的摄动力2、摄动力：是导致卫星摄动的作用力。29一、卫星运动的摄动力受摄运动卫星运动的摄动力3、摄动轨道：卫星在摄动力作用下的运行轨迹。30二、地球非球形引力的摄动及其影响受摄运动地球非球形引力的摄动及其影响1、地球的形状：地球质量并非均匀分布，地球形状既非球体又不规则。研究表明，地球近似于椭球，其长短半轴之差约为21.3km。地球北极高出椭球面19m左右，地球南极凹下椭球面约26m。地球非匀质和非球形都将导致卫星正常轨道的变化，其相应的作用力叫做地球非球形引力。31二、地球非球形引力的摄动及其影响受摄运动地球非球形引力的摄动及其影响2、非球形摄动：在各种摄动力中，以地球非球形引力的影响为最大。所以说，地球非球形引力是导致卫星轨道摄动的主要因素。32二、地球非球形引力的摄动及其影响受摄运动地球非球形引力的摄动及其影响3、地球非球形、非匀质摄动的影响：①引起轨道平面在空间的旋转②引起近地点在轨道面内旋转③引起平近点角Ms的变化33二、地球非球形引力的摄动及其影响受摄运动地球非球形引力的摄动及其影响4、两种特殊轨道：①太阳同步轨道太阳同步轨道:指卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道倾角接近90度。为使轨道平面始终与太阳保持固定的取向，因此轨道平面每天平均向地球公转方向（自西向东）转动0.9856度（即360度/年）。例：地球资源卫星、侦察卫星、气象卫星34二、地球非球形引力的摄动及其影响受摄运动地球非球形引力的摄动及其影响地球静止轨道在这样的轨道上运行的卫星将始终位于赤道某地的上空，相对于地球表面是静止的。这种轨道卫星的地面高度约为3.6万千米，覆盖范围广。在该轨道上运行的卫星，从地球处看它，好象是静止不动的。北斗1号卫星，通讯卫星35三、其他引力的摄动受摄运动其他引力的摄动1、日月引力2、太阳辐射压力3、地球潮汐作用力4、大气阻力36四、GPS卫星的受摄运动受摄运动GPS卫星的受摄运动GPS卫星所受作用力及其影响程度摄动源加速度/（m/s2）卫星轨道受摄度/m3h弧段2d弧段地球的非对称性5×10-5200014000其他调和项3×10-75~80100~1500日、月点质影响5×10-65~1501000~3000地球潮汐位固体潮1×10-9——0.5~1.0海洋潮汐1×10-9——0.0~2.0太阳光辐射压力1×10-75~10100~800卫星体反射压力1×10-8——1.0~1.537二、GPS卫星特点与作用受摄运动GPS卫星特点与作用特点：1、轨道受摄运动较小，特别是大气阻力的作用，较接近于正常轨道。2、卫星能见地面面积大。3、在波束覆盖区域内GPS信号强度基本相同。38二、GPS卫星特点与作用受摄运动GPS卫星特点与作用作用：1、发射导航定位信号，便于导航电文报告卫星的现势位置，以及其他卫星的概略位置。2、接收来自地面注入站的注入信号，更新卫星拟发送的导航定位信号。3、接收来自地面注入站的调动指令。39三、GPS卫星的空间位置分布及其影响受摄运动GPS卫星的空间位置分布及其影响GPS定位星座与用户在时元t构成的几何图形是一个星座四面体，它对导航定位的精度有一定的影响。40三、GPS卫星的空间位置分布及其影响受摄运动GPS卫星的空间位置分布及其影响几何精度因子GDOP：GDOP=k/VGDOP：卫星导航定位的几何精度因子V：几何锥体的体积K：比例系数41三、GPS卫星的空间位置分布及其影响受摄运动GPS卫星的空间位置分布及其影响由公式GDOP=k/V可以看出：GPS定位星座和用户构成的几何图形越好，即V越大，GDOP就越小，它对用户测定精度的损失就越小。由于GDOP与星座四面体的体积成反比，故应选择体积较大的GPS星座四面体，以便获得较小的GDOP值，减少用户位置测定精度的损失。42§3GPS卫星星历43一、概述卫星星历概述卫星星历,ephemeris,描述有关卫星轨道的信息。利用GPS定位，就是根据已知的卫星轨道信息和用户的观测资料，通过数据处理来确定接收机的位置及其载体的航行速度。所以，精确的轨道信息，是精密定位的基础。44一、概述卫星星历概述GPS卫星星历的提供方式，一般有两种：1、预报星历（广播星历）2、后处理星历（精密星历）45二、预报星历（广播星历）卫星星历预报星历预报星历，是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户的，用户接收机接收到这些信号，经过解码便可获得所需要的卫星星历，所以这种星历也叫做广播星历。46三、后处理星历（精密星历）卫星星历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，而是由第三者提供给用户的GPS星历。47四、区别卫星星历区别预报星历：用户在观测时可以通过导航电文实时得到，这对导航或实时定位非常重要。但它是外推星历，精度较低。后处理星历：不能实时提供，而是在事后向用户提供观测时的卫星星历，避免了预报星历外推的误差。