第三章 卫星运动基础及GPS卫星星历

第三章卫星运动基础及GPS卫星星历基本要求：了解影响卫星受到的各种力、开普勒定律、卫星的无摄运动、卫星的受摄运动。掌握描述卫星轨道的六个参数、GPS卫星星历等基本内容。教学重点：开普勒定律、无摄卫星轨道的六参数、卫星星历、预报星历、后处理星历。§3.1概论一、卫星轨道在GPS定位中的意义二、影响卫星轨道的因素一、卫星轨道在GPS定位中的意义卫星的运行遵循一般自然天体的运行规律。自然天体分为：恒星、行星、卫星。利用卫星进行定位和导航，前提是卫星在太空的位置必须事先确定。卫星在空间运行的轨迹称为卫星轨道，而描述卫星轨道位置和状态的参数，称为轨道参数（轨道根数）。研究卫星轨道参数是确定卫星位置的基础。实践证明，卫星到接收机的距离越长，卫星轨道误差对GPS测量的精度影响越大。因此，有必要了解有关卫星受到的各种力、卫星运动的规律、轨道的描述等基础知识。二、影响卫星轨道的因素人造卫星绕地球运动，其运动状态取决于其受到的各种作用力：地球引力，太阳、月球对卫星的引力，大气阻力，太阳辐射光压和地球潮汐力等。其中，地球引力是主要的，其数量级是其他力的105倍。为研究方便，将以上力分作两类：中心力摄动力卫星受力归类第一类：假设地球为均质球体对卫星的引力（质量集中于球心），称为中心力，它决定着卫星运动的基本规律和特征，由中心力决定的轨道可视为理想卫星轨道，是我们分析卫星实际轨道的基础。第二类：摄动力，也称为非中心力，它包括地球非中心对称的引力场对卫星的非中心引力，日月引力，大气阻力，太阳光压，地球潮汐力等。摄动力的作用，使得卫星产生小的附加变化而偏离上述理想轨道。在摄动力作用下，卫星的运动称为受摄运动，相应的卫星轨道称为受摄轨道；只考虑地球质心引力作用的卫星运动称为无摄运动,相应的轨道称为无摄运动轨道。§3.2卫星的无摄运动卫星运动的开普勒定律无摄卫星轨道的参数一、开普勒定律开普勒其人开普勒（1571-1630年）是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。1571年12月27日，开普勒出生在德国威尔的一个贫民家庭。开普勒是一个早产儿，体质很差。他四岁时患上了天花和猩红热，虽侥幸死里逃生，身体却受到了严重的摧残，视力衰弱，一只手半残。但开普勒身上有一种顽强的进取精神。他放学后要帮助父母料理酒店，但一直坚持努力学习，成绩一直名列前茅。他1587年进入蒂宾根大学，在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林。在他的影响下，很快成为哥白尼学说的忠实维护者。大学毕业后，开普勒获得了天文学硕士的学位，被聘请到格拉茨新教神学院担任教师。后来离开学院，成了丹麦著名天文学家第谷(TychoBrahe)的学生和继承人，他与意大利的伽利略(Galileo)是同时代的两位巨人。开普勒从理论的高度上对哥白尼学说作了科学论证，使它更加提高了一大步。他所发现的行星运动定律“改变了整个天文学”，为后来牛顿(IsaacNewton)发现万有引力定律奠定了基础。开普勒也被后人赞誉为“天空的立法者”。开普勒根据第谷毕生观测所留下的宝贵资料，孜孜不倦地对行星运动进行深入的研究，提出了行星运动三定律。一、开普勒定律古人认为天体的运动是最完美、和谐的匀速圆周运动。开普勒首先对天体的匀速圆周运动的观点提出怀疑。各行星绕太阳运动和月球绕地球运动都遵循（行星）开普勒定律，人造地球卫星在地球引力的作用下，亦服从开普勒三定律。1、开普勒第一定律（椭圆定律）卫星运动的轨道为一椭圆，而且该椭圆的一个焦点与地球的质心重合。2、开普勒第二定律（面积定律）卫星的地心向径（即地球质心与卫星质心间的距离向量），在相同的时间内扫过的面积相等。用公式表示为：SAB=SCD=SEK或者：卫星在其轨道上的运动速度是不断变化的，在近地点处速度最快，在远地点处速度最慢。3、开普勒第三定律（调和定律）卫星绕地球一圈时间的平方和卫星椭圆轨道的长半轴的立方成正比。用公式表示为：其中a=卫星公转轨道半长轴、T=卫星公转周期、K=常数32KaT思考：1、卫星在太空中运行，受到那些力的作用？这些力按照对卫星运行轨道影响程度的大小，可作怎么的划分？2、叙述卫星运行的开普勒定律。二、无摄卫星轨道的参数卫星绕地球质心(以其为一个焦点)作椭圆形轨道运动，要确定该轨道的大小、位置、方向和卫星的位置，需要以下六个参数：a——轨道椭圆的长半轴e——轨道椭圆的偏心率确定了卫星轨道的大小和形状2222)(abae重要概念：升交点（N）：卫星s从南向北运动经过地球赤道面时，与赤道面的交点。近地点（P）Ω——升交点赤径，即地球赤道平面上，升交点N与春分点之间的地心夹角。ｉ——轨道面倾角，即卫星轨道平面与地球赤道平面之间的夹角。！以上两个参数，唯一确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。ｗ——近地点角距，即在轨道平面上近地点P与升交点N间的地心角距。！用以确定卫星轨道在轨道面上的位置。ｖ（或f）——卫星的真近点角，即在轨道平面上，卫星与近地点p间的地心角距。！用来确定卫星在轨道上的位置。（a,e,Ω,ｉ,ｗ,ｖ）即为确定卫星运动状态的开普勒轨道参数，也叫轨道根数。其中前五个参数，由卫星的发射条件决定。ｖ是时间的函数。已知了以上轨道参数，就能确定任意时刻卫星的位置。§3.3GPS卫星星历卫星星历的定义预报星历后处理星历一、定义卫星星历，是描述有关卫星轨道的信息。主要由一组对应某一时刻（参考星历）的轨道参数及其变率组成。利用GPS工作，就是根据已知的卫星轨道信息（可据此求出卫星在天球坐标系中的坐标，再转换为WGS84坐标）和用户观测资料（测距码或载波相位等信息），通过数据处理来定位和导航的。GPS卫星星历包括预报星历和后处理星历两种。二、预报星历由美国地面控制中心通过GPS卫星广播给用户的，因此也叫广播星历。通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动项改正参数。参考历元的卫星开普勒轨道参数，叫做参考星历，它是根据美国各GPS监测站约一周的观测资料推算的，实际上，卫星星历上的参考星历是实时更新的，以确保星历的精确度。参考历元一般取每周周日子夜零时零分。广播星历参数共16个，其中包括1个参考时刻（历元），6个轨道参数，9个反映轨道摄动力影响的参数。广播星历=参考历元的轨道参数（参考星历）+参考历元到观测历元的各参数的改正数要求了解16个参数的意义。卫星星历是通过两种波码传播的：C/A码和P码。C/A码星历精度约数十米，P码星历约几米。三、后处理星历是一些国家(加拿大、澳大利亚等)根据各自建立的卫星跟踪站所获取的对GPS卫星的精密观测资料，计算出的卫星星历。它是在观测发生后，向用户提供的观测时段的卫星星历，因此称为后处理星历或精密星历。它不是通过GPS卫星导航电文向用户传播的，而是利用磁带或电视、电讯、卫星通讯等方式有偿向用户提供的。跟踪站跟踪站跟踪站两种星历的区别星历类别发生时间传播途径提供者预报星历观测前导航电文美国后处理星历观测后磁带、电视、电信、卫星通讯等用户服务部门