第三章-衛(wèi)星運動基礎(chǔ)及GPS衛(wèi)星星歷ppt課件

1、第三章 衛(wèi)星運動基礎(chǔ)及GPS 衛(wèi)星星歷,基本要求： 了解影響衛(wèi)星受到的各種力、開普勒定律、衛(wèi)星的無攝運動、衛(wèi)星的受攝運動。掌握描述衛(wèi)星軌道的六個參數(shù)、GPS衛(wèi)星星歷等基本內(nèi)容。 教學(xué)重點： 開普勒定律、無攝衛(wèi)星軌道的六參數(shù)、衛(wèi)星星歷、預(yù)報星歷、后處理星歷,3.1 概論,一、衛(wèi)星軌道在GPS定位中的意義 二、影響衛(wèi)星軌道的因素,一、衛(wèi)星軌道在GPS定位中的意義,衛(wèi)星的運行遵循一般自然天體的運行規(guī)律。自然天體分為：恒星、行星、衛(wèi)星。 利用衛(wèi)星進行定位和導(dǎo)航，前提是衛(wèi)星在太空的位置必須事先確定。 衛(wèi)星在空間運行的軌跡稱為衛(wèi)星軌道，而描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)，稱為軌道參數(shù)（軌道根數(shù)）。 研究衛(wèi)星軌

2、道參數(shù)是確定衛(wèi)星位置的基礎(chǔ)。 實踐證明，衛(wèi)星到接收機的距離越長，衛(wèi)星軌道誤差對GPS測量的精度影響越大。 因此，有必要了解有關(guān)衛(wèi)星受到的各種力、衛(wèi)星運動的規(guī)律、軌道的描述等基礎(chǔ)知識,二、影響衛(wèi)星軌道的因素,人造衛(wèi)星繞地球運動，其運動狀態(tài)取決于其受到的各種作用力：地球引力，太陽、月球?qū)πl(wèi)星的引力，大氣阻力，太陽輻射光壓和地球潮汐力等。其中，地球引力是主要的，其數(shù)量級是其他力的105倍。 為研究方便，將以上力分作兩類： 中心力 攝動力,衛(wèi)星受力歸類,第一類：假設(shè)地球為均質(zhì)球體對衛(wèi)星的引力（質(zhì)量集中于球心），稱為中心力，它決定著衛(wèi)星運動的基本規(guī)律和特征，由中心力決定的軌道可視為理想衛(wèi)星軌道，是我們分

3、析衛(wèi)星實際軌道的基礎(chǔ)。 第二類：攝動力，也稱為非中心力，它包括地球非中心對稱的引力場對衛(wèi)星的非中心引力，日月引力，大氣阻力，太陽光壓，地球潮汐力等。攝動力的作用，使得衛(wèi)星產(chǎn)生小的附加變化而偏離上述理想軌道。 在攝動力作用下，衛(wèi)星的運動稱為受攝運動，相應(yīng)的衛(wèi)星軌道稱為受攝軌道；只考慮地球質(zhì)心引力作用的衛(wèi)星運動稱為無攝運動,相應(yīng)的軌道稱為無攝運動軌道,3.2 衛(wèi)星的無攝運動,衛(wèi)星運動的開普勒定律 無攝衛(wèi)星軌道的參數(shù),一、開普勒定律,開普勒其人 開普勒（1571-1630年）是德國近代著名的天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和哲學(xué)家。 1571年12月27日，開普勒出生在德國威爾的一個貧民家庭。開普勒是一個

4、早產(chǎn)兒，體質(zhì)很差。他四歲時患上了天花和猩紅熱，雖僥幸死里逃生，身體卻受到了嚴(yán)重的摧殘，視力衰弱，一只手半殘。但開普勒身上有一種頑強的進取精神。他放學(xué)后要幫助父母料理酒店，但一直堅持努力學(xué)習(xí)，成績一直名列前茅。 他1587年進入蒂賓根大學(xué)，在校中遇到秘密宣傳哥白尼學(xué)說的天文學(xué)教授麥斯特林。在他的影響下，很快成為哥白尼學(xué)說的忠實維護者。大學(xué)畢業(yè)后，開普勒獲得了天文學(xué)碩士的學(xué)位，被聘請到格拉茨新教神學(xué)院擔(dān)任教師。后來離開學(xué)院，成了丹麥著名天文學(xué)家第谷(Tycho Brahe)的學(xué)生和繼承人，他與意大利的伽利略(Galileo)是同時代的兩位巨人。開普勒從理論的高度上對哥白尼學(xué)說作了科學(xué)論證，使它更加

5、提高了一大步。他所發(fā)現(xiàn)的行星運動定律“改變了整個天文學(xué)”，為后來牛頓 (Isaac Newton)發(fā)現(xiàn)萬有引力定律奠定了基礎(chǔ)。開普勒也被后人贊譽為“天空的立法者”。 開普勒根據(jù)第谷畢生觀測所留下的寶貴資料，孜孜不倦地對行星運動進行深入的研究，提出了行星運動三定律,一、開普勒定律,古人認(rèn)為天體的運動是最完美、和諧的勻速圓周運動。開普勒首先對天體的勻速圓周運動的觀點提出懷疑 。 各行星繞太陽運動和月球繞地球運動都遵循（行星）開普勒定律，人造地球衛(wèi)星在地球引力的作用下，亦服從開普勒三定律。 1、開普勒第一定律（橢圓定律） 衛(wèi)星運動的軌道為一橢圓，而且該橢圓的一個焦點與地球的質(zhì)心重合,2、開普勒第二定

6、律（面積定律） 衛(wèi)星的地心向徑（即地球質(zhì)心與衛(wèi)星質(zhì)心間的距離向量），在相同的時間內(nèi)掃過的面積相等。 用公式表示為：SAB=SCD=SEK 或者：衛(wèi)星在其軌道上的運動速度是不斷變化的，在近地點處速度最快，在遠地點處速度最慢,3、開普勒第三定律（調(diào)和定律） 衛(wèi)星繞地球一圈時間的平方和衛(wèi)星橢圓軌道的長半軸的立方成正比。 用公式表示為： 其中a=衛(wèi)星公轉(zhuǎn)軌道半長軸、T=衛(wèi)星公轉(zhuǎn)周期、K=常數(shù),思考,1、衛(wèi)星在太空中運行，受到那些力的作用？這些力按照對衛(wèi)星運行軌道影響程度的大小，可作怎么的劃分？ 2、敘述衛(wèi)星運行的開普勒定律,二、無攝衛(wèi)星軌道的參數(shù),衛(wèi)星繞地球質(zhì)心(以其為一個焦點)作橢圓形軌道運動，要確

7、定該軌道的大小、位置、方向和衛(wèi)星的位置，需要以下六個參數(shù)： a軌道橢圓的長半軸 e軌道橢圓的偏心率 確定了衛(wèi)星軌道的大小和形狀,重要概念： 升交點（N）：衛(wèi)星s從南向北運動經(jīng)過地球赤道面時，與赤道面的交點。 近地點（P,升交點赤徑，即地球赤道平面上，升交點N與春分點之間的地心夾角。 軌道面傾角，即衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面之間的夾角。 ！以上兩個參數(shù)，唯一確定了衛(wèi)星軌道平面與地球體之間的相對定向,近地點角距，即在軌道平面上近地點P與升交點N間的地心角距。 ！用以確定衛(wèi)星軌道在軌道面上的位置。 （或f）衛(wèi)星的真近點角， 即在軌道平面上，衛(wèi)星與近地點p間的地心角距。 ！用來確定衛(wèi)星在軌道上的位置,

8、a,e, , , , ）即為確定衛(wèi)星運動狀態(tài)的開普勒軌道參數(shù)，也叫軌道根數(shù)。其中前五個參數(shù)，由衛(wèi)星的發(fā)射條件決定。是時間的函數(shù)。已知了以上軌道參數(shù)，就能確定任意時刻衛(wèi)星的位置,3.3 GPS衛(wèi)星星歷,衛(wèi)星星歷的定義 預(yù)報星歷 后處理星歷,一、定義,衛(wèi)星星歷，是描述有關(guān)衛(wèi)星軌道的信息。主要由一組對應(yīng)某一時刻（參考星歷）的軌道參數(shù)及其變率組成。 利用GPS工作，就是根據(jù)已知的衛(wèi)星軌道信息（可據(jù)此求出衛(wèi)星在天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，再轉(zhuǎn)換為WGS84坐標(biāo)）和用戶觀測資料（測距碼或載波相位等信息），通過數(shù)據(jù)處理來定位和導(dǎo)航的。 GPS衛(wèi)星星歷包括預(yù)報星歷和后處理星歷兩種,二、預(yù)報星歷,由美國地面控制中心通過

9、GPS衛(wèi)星廣播給用戶的，因此也叫廣播星歷。通常包括相對某一參考歷元的開普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝動項改正參數(shù)。 參考歷元的衛(wèi)星開普勒軌道參數(shù)，叫做參考星歷，它是根據(jù)美國各GPS監(jiān)測站約一周的觀測資料推算的，實際上，衛(wèi)星星歷上的參考星歷是實時更新的，以確保星歷的精確度。參考歷元一般取每周周日子夜零時零分。 廣播星歷參數(shù)共16個，其中包括1個參考時刻（歷元），6個軌道參數(shù)，9個反映軌道攝動力影響的參數(shù)。 廣播星歷=參考歷元的軌道參數(shù)（參考星歷）+參考歷元到觀測歷元的各參數(shù)的改正數(shù),要求了解16個參數(shù)的意義。 衛(wèi)星星歷是通過兩種波碼傳播的：C/A碼和P碼。 C/A碼星歷精度約數(shù)十米， P碼星歷約幾米,三、后處理星歷,是一些國家(加拿大、澳大利亞等)根據(jù)各自建立的