GPS第三章 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)

1、GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系1第三章第三章 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí) 及及GPSGPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系2一一. . 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)1).1).衛(wèi)星軌道在衛(wèi)星軌道在GPSGPS定位中的意義定位中的意義 衛(wèi)星在空間運(yùn)行的軌跡稱為軌道，描述衛(wèi)星軌道位置和衛(wèi)星在空間運(yùn)行的軌跡稱為軌道，描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)稱為軌道參數(shù)。由于利用狀態(tài)的

2、參數(shù)稱為軌道參數(shù)。由于利用GPSGPS進(jìn)行導(dǎo)航和測(cè)量時(shí)，進(jìn)行導(dǎo)航和測(cè)量時(shí)，衛(wèi)星作為位置已知的高空觀測(cè)目標(biāo)，在進(jìn)行絕對(duì)定位時(shí)，衛(wèi)衛(wèi)星作為位置已知的高空觀測(cè)目標(biāo)，在進(jìn)行絕對(duì)定位時(shí)，衛(wèi)星軌道誤差將直接影響用戶接收機(jī)位置的精度；而在相對(duì)定星軌道誤差將直接影響用戶接收機(jī)位置的精度；而在相對(duì)定位時(shí)，盡管衛(wèi)星軌道誤差的影響將會(huì)減弱，但當(dāng)基線較長(zhǎng)或位時(shí)，盡管衛(wèi)星軌道誤差的影響將會(huì)減弱，但當(dāng)基線較長(zhǎng)或精度要求較高時(shí)，軌道誤差影響不可忽略。此外，為了制訂精度要求較高時(shí)，軌道誤差影響不可忽略。此外，為了制訂GPSGPS測(cè)量的觀測(cè)計(jì)劃和便于捕獲衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，也需要知道測(cè)量的觀測(cè)計(jì)劃和便于捕獲衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，也需要知

3、道衛(wèi)星的軌道參數(shù)。衛(wèi)星的軌道參數(shù)。1.1.概述概述GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系3假設(shè)假設(shè): : 為觀測(cè)站至所測(cè)衛(wèi)星的距離為觀測(cè)站至所測(cè)衛(wèi)星的距離; ; 為衛(wèi)星軌道的誤差為衛(wèi)星軌道的誤差; ; 為兩觀測(cè)站間的基線長(zhǎng)度為兩觀測(cè)站間的基線長(zhǎng)度; ; 為由衛(wèi)星軌道誤差引起的基線長(zhǎng)度誤差為由衛(wèi)星軌道誤差引起的基線長(zhǎng)度誤差. .則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)其間關(guān)系可近似地表示為則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)其間關(guān)系可近似地表示為: :DDDD 由此可見(jiàn)，為了滿足精密定位的要求，衛(wèi)星的軌道必須具有由此可見(jiàn)，為了滿足精密定位的要求，衛(wèi)星的軌道必須

4、具有足夠的精度。足夠的精度。GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系4 2.2.影響衛(wèi)星軌道的因素及其研究方法影響衛(wèi)星軌道的因素及其研究方法 衛(wèi)星在空間繞地球運(yùn)行時(shí)，除了受地球重力衛(wèi)星在空間繞地球運(yùn)行時(shí)，除了受地球重力場(chǎng)的引力作用外，還受到太陽(yáng)、月亮和其它天體場(chǎng)的引力作用外，還受到太陽(yáng)、月亮和其它天體的引力影響，以及太陽(yáng)光壓、大氣阻力和地球潮的引力影響，以及太陽(yáng)光壓、大氣阻力和地球潮汐力等因素影響。衛(wèi)星實(shí)際運(yùn)行軌道十分復(fù)雜，汐力等因素影響。衛(wèi)星實(shí)際運(yùn)行軌道十分復(fù)雜，難以用簡(jiǎn)單而精確的數(shù)學(xué)模型加以描述。難以

5、用簡(jiǎn)單而精確的數(shù)學(xué)模型加以描述。 在各種作用力對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行軌道的影響中，以在各種作用力對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行軌道的影響中，以地球引力場(chǎng)的影響為主，其它作用力的影響相對(duì)地球引力場(chǎng)的影響為主，其它作用力的影響相對(duì)要小的多。若假設(shè)地球引力場(chǎng)的影響為要小的多。若假設(shè)地球引力場(chǎng)的影響為1 1，其它引，其它引力場(chǎng)的影響均小于力場(chǎng)的影響均小于10-510-5。GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系5 為了研究工作和實(shí)際應(yīng)用的方便，通常把作用于為了研究工作和實(shí)際應(yīng)用的方便，通常把作用于衛(wèi)星上的各種力按其影響的大小分為兩類：衛(wèi)星上的各

6、種力按其影響的大小分為兩類：一類是假一類是假設(shè)地球?yàn)榫|(zhì)球體的引力（質(zhì)量集中于球體的中心），設(shè)地球?yàn)榫|(zhì)球體的引力（質(zhì)量集中于球體的中心），稱為中心力，決定著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律和特征，由稱為中心力，決定著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律和特征，由此決定的衛(wèi)星軌道，可視為理想軌道，是分析衛(wèi)星實(shí)此決定的衛(wèi)星軌道，可視為理想軌道，是分析衛(wèi)星實(shí)際軌道的基礎(chǔ)。際軌道的基礎(chǔ)。另一類是攝動(dòng)力或非中心力，包括地另一類是攝動(dòng)力或非中心力，包括地球非球形對(duì)稱的作用力、日月引力、大氣阻力、光輻球非球形對(duì)稱的作用力、日月引力、大氣阻力、光輻射壓力以及地球潮汐力等。攝動(dòng)力使衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生射壓力以及地球潮汐力等。攝動(dòng)力使衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生

7、一些小的附加變化而偏離理想軌道，同時(shí)偏離量的大一些小的附加變化而偏離理想軌道，同時(shí)偏離量的大小也隨時(shí)間而改變。小也隨時(shí)間而改變。 在攝動(dòng)力的作用下的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)稱為在攝動(dòng)力的作用下的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)稱為受攝運(yùn)動(dòng)受攝運(yùn)動(dòng)，相，相應(yīng)的衛(wèi)星軌道稱為受攝軌道。而在理想狀態(tài)下的衛(wèi)星應(yīng)的衛(wèi)星軌道稱為受攝軌道。而在理想狀態(tài)下的衛(wèi)星軌道則稱為無(wú)攝軌道。軌道則稱為無(wú)攝軌道。GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系63.3.衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng) 衛(wèi)星發(fā)射升至預(yù)定高度后，開(kāi)始繞地球運(yùn)行。假衛(wèi)星發(fā)射升至預(yù)定高度后，開(kāi)始繞地球運(yùn)行。假

8、設(shè)地球?yàn)榫|(zhì)球體，根據(jù)萬(wàn)有引力定律，衛(wèi)星的引力設(shè)地球?yàn)榫|(zhì)球體，根據(jù)萬(wàn)有引力定律，衛(wèi)星的引力加速度為加速度為 G G為引力常數(shù)，為引力常數(shù)，M M為地球質(zhì)量，為地球質(zhì)量，m ms s為衛(wèi)星質(zhì)量，為衛(wèi)星質(zhì)量，r r為衛(wèi)星的地心向徑。根據(jù)上式來(lái)研究地球和衛(wèi)星之間為衛(wèi)星的地心向徑。根據(jù)上式來(lái)研究地球和衛(wèi)星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，在天體力學(xué)中稱為的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，在天體力學(xué)中稱為二體問(wèn)題二體問(wèn)題。引。引力加速度決定了衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。力加速度決定了衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。衛(wèi)星在衛(wèi)星在上述地球引力場(chǎng)中的無(wú)攝運(yùn)動(dòng)，也稱上述地球引力場(chǎng)中的無(wú)攝運(yùn)動(dòng)，也稱開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)，其，其規(guī)律可通過(guò)開(kāi)普勒定律來(lái)描

9、述。規(guī)律可通過(guò)開(kāi)普勒定律來(lái)描述。3()sG MmrrrGPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系7 （1 1）開(kāi)普勒第一定律）開(kāi)普勒第一定律 衛(wèi)星運(yùn)行的軌道為一橢圓，該橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)與衛(wèi)星運(yùn)行的軌道為一橢圓，該橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)與地球質(zhì)心重合。地球質(zhì)心重合。此定律闡明了衛(wèi)星運(yùn)行軌道的基本形態(tài)及其此定律闡明了衛(wèi)星運(yùn)行軌道的基本形態(tài)及其與地心的關(guān)系。與地心的關(guān)系。由萬(wàn)有引力定律可得衛(wèi)星繞地球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的軌由萬(wàn)有引力定律可得衛(wèi)星繞地球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的軌道方程。道方程。r r為衛(wèi)星的地心距離，為衛(wèi)星的地心距離，a as s為開(kāi)

10、普勒橢圓的長(zhǎng)半徑，為開(kāi)普勒橢圓的長(zhǎng)半徑，e es s為為開(kāi)普勒橢圓的偏心率；開(kāi)普勒橢圓的偏心率；f fs s為真近點(diǎn)角，為真近點(diǎn)角，它描述了任意時(shí)刻衛(wèi)星它描述了任意時(shí)刻衛(wèi)星在軌道上相對(duì)近地點(diǎn)的位置，是時(shí)間的函數(shù)。在軌道上相對(duì)近地點(diǎn)的位置，是時(shí)間的函數(shù)。1 1）. .衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的開(kāi)普勒定律衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的開(kāi)普勒定律2(1)1cosssssaerefasbsMm ms s近地點(diǎn)近地點(diǎn)遠(yuǎn)地點(diǎn)遠(yuǎn)地點(diǎn)fs地球質(zhì)心地球質(zhì)心GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系8 （2 2）開(kāi)普勒第二定律：）開(kāi)普勒第二定律： 衛(wèi)星的地心向徑

11、在單位時(shí)間內(nèi)所掃衛(wèi)星的地心向徑在單位時(shí)間內(nèi)所掃過(guò)的面積相等。過(guò)的面積相等。表明衛(wèi)星在橢圓軌道上的運(yùn)表明衛(wèi)星在橢圓軌道上的運(yùn)行速度是不斷變化的，在近地點(diǎn)處速度最大，行速度是不斷變化的，在近地點(diǎn)處速度最大，在遠(yuǎn)地點(diǎn)處速度最小。在遠(yuǎn)地點(diǎn)處速度最小。近地點(diǎn)近地點(diǎn)地心地心遠(yuǎn)地點(diǎn)遠(yuǎn)地點(diǎn)GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系9 （3 3）開(kāi)普勒第三定律：）開(kāi)普勒第三定律： 衛(wèi)星運(yùn)行周期的平方與軌道橢圓長(zhǎng)半徑的立方之衛(wèi)星運(yùn)行周期的平方與軌道橢圓長(zhǎng)半徑的立方之比為一常量，等于比為一常量，等于GMGM的倒數(shù)。的倒數(shù)。223

12、4ssTaGM假設(shè)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的平均角速度為假設(shè)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的平均角速度為n n，則，則n=2n=2 /T/Ts s，可得：，可得：1/23sGMna即當(dāng)開(kāi)普勒橢圓的長(zhǎng)半徑確定后，衛(wèi)星運(yùn)行的平均即當(dāng)開(kāi)普勒橢圓的長(zhǎng)半徑確定后，衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度也隨之確定，且保持不變。角速度也隨之確定，且保持不變。GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系102 2）. .無(wú)攝衛(wèi)星軌道的描述無(wú)攝衛(wèi)星軌道的描述 前述參數(shù)前述參數(shù)a as s、e es s、f fs s唯一地確定了衛(wèi)星軌道的形唯一地確定了衛(wèi)星軌道的形狀、大小以及衛(wèi)星在軌

13、道上的瞬時(shí)位置。狀、大小以及衛(wèi)星在軌道上的瞬時(shí)位置。但衛(wèi)星軌道但衛(wèi)星軌道平面與地球體的相對(duì)位置和方向還無(wú)法確定。確定衛(wèi)平面與地球體的相對(duì)位置和方向還無(wú)法確定。確定衛(wèi)星軌道與地球體之間的相互關(guān)系，可以表達(dá)為確定開(kāi)星軌道與地球體之間的相互關(guān)系，可以表達(dá)為確定開(kāi)普勒橢圓在天球坐標(biāo)系中的位置和方向，尚需三個(gè)參普勒橢圓在天球坐標(biāo)系中的位置和方向，尚需三個(gè)參數(shù)。數(shù)。 衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng)一般可通過(guò)一組適宜的參數(shù)來(lái)描衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng)一般可通過(guò)一組適宜的參數(shù)來(lái)描述，但這組參數(shù)的選擇并不唯一，其中應(yīng)用最廣泛的述，但這組參數(shù)的選擇并不唯一，其中應(yīng)用最廣泛的一組參數(shù)稱為一組參數(shù)稱為開(kāi)普勒軌道參數(shù)或開(kāi)普勒軌道根數(shù)。開(kāi)普勒軌道

14、參數(shù)或開(kāi)普勒軌道根數(shù)。GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系11開(kāi)普勒軌道參數(shù)開(kāi)普勒軌道參數(shù) a as s為軌道的長(zhǎng)半徑，為軌道的長(zhǎng)半徑，e es s為軌道橢圓偏心率，為軌道橢圓偏心率，這兩個(gè)參數(shù)確定了這兩個(gè)參數(shù)確定了開(kāi)普勒橢圓的形狀和大小。開(kāi)普勒橢圓的形狀和大小。 為升交點(diǎn)赤經(jīng)為升交點(diǎn)赤經(jīng)：即地球赤道面上升交點(diǎn)即地球赤道面上升交點(diǎn)（當(dāng)衛(wèi)星由南向北運(yùn)（當(dāng)衛(wèi)星由南向北運(yùn)行時(shí)其軌道與地球赤道面的一個(gè)交點(diǎn)）行時(shí)其軌道與地球赤道面的一個(gè)交點(diǎn)）與春分點(diǎn)之間的地心夾與春分點(diǎn)之間的地心夾角。角。i i為軌道面傾角：為

15、軌道面傾角：即衛(wèi)星軌道平面與地球赤道面之間的夾角。即衛(wèi)星軌道平面與地球赤道面之間的夾角。這兩個(gè)參數(shù)唯一地確定了衛(wèi)星軌道平面與地球體之間的相對(duì)定這兩個(gè)參數(shù)唯一地確定了衛(wèi)星軌道平面與地球體之間的相對(duì)定向。向。 s s為近地點(diǎn)角距：為近地點(diǎn)角距：即在軌道平面上，升交點(diǎn)與近地點(diǎn)之間的地即在軌道平面上，升交點(diǎn)與近地點(diǎn)之間的地心夾角，表達(dá)了開(kāi)普勒橢圓在軌道平面上的定向。心夾角，表達(dá)了開(kāi)普勒橢圓在軌道平面上的定向。 f fs s為衛(wèi)星的真近點(diǎn)角為衛(wèi)星的真近點(diǎn)角：即軌道平面上衛(wèi)星與近地點(diǎn)之間的地心：即軌道平面上衛(wèi)星與近地點(diǎn)之間的地心角距。該參數(shù)為時(shí)間的函數(shù)，確定衛(wèi)星在軌道上的瞬時(shí)位置。角距。該參數(shù)為時(shí)間的函數(shù)

16、，確定衛(wèi)星在軌道上的瞬時(shí)位置。 由上述由上述6 6個(gè)參數(shù)所構(gòu)成的坐標(biāo)系統(tǒng)稱為軌道坐標(biāo)系，廣泛用個(gè)參數(shù)所構(gòu)成的坐標(biāo)系統(tǒng)稱為軌道坐標(biāo)系，廣泛用于描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)。于描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)。GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系12yxz軌道軌道春分點(diǎn)春分點(diǎn)升交點(diǎn)升交點(diǎn)近地點(diǎn)近地點(diǎn)衛(wèi)星衛(wèi)星地心地心赤道赤道i sfs開(kāi)普勒軌道參數(shù)圖解開(kāi)普勒軌道參數(shù)圖解衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系13 3).3).真近點(diǎn)角真近

17、點(diǎn)角f fs s的計(jì)算的計(jì)算 在描述衛(wèi)星無(wú)攝運(yùn)動(dòng)的在描述衛(wèi)星無(wú)攝運(yùn)動(dòng)的6 6個(gè)開(kāi)普勒軌道參數(shù)中，只有真近點(diǎn)個(gè)開(kāi)普勒軌道參數(shù)中，只有真近點(diǎn)角是時(shí)間的函數(shù)，其余均為常數(shù)。故衛(wèi)星瞬間位置的計(jì)算，關(guān)角是時(shí)間的函數(shù)，其余均為常數(shù)。故衛(wèi)星瞬間位置的計(jì)算，關(guān)鍵在于計(jì)算真近點(diǎn)角。鍵在于計(jì)算真近點(diǎn)角。 為了計(jì)算真近點(diǎn)角，需引入兩個(gè)輔助參數(shù)：為了計(jì)算真近點(diǎn)角，需引入兩個(gè)輔助參數(shù)： E Es s偏近點(diǎn)角和偏近點(diǎn)角和M Ms s平近點(diǎn)角。其中偏近點(diǎn)角如圖所示平近點(diǎn)角。其中偏近點(diǎn)角如圖所示, ,過(guò)衛(wèi)星過(guò)衛(wèi)星質(zhì)心質(zhì)心m m作平行于橢圓短軸的直線作平行于橢圓短軸的直線, ,分別交于近地點(diǎn)和橢圓中心連分別交于近地點(diǎn)和橢圓中心

18、連線的線的mm點(diǎn)和以長(zhǎng)半徑點(diǎn)和以長(zhǎng)半徑a a所作大圓的所作大圓的mm點(diǎn)點(diǎn), ,于是于是E Es s就是近地點(diǎn)至就是近地點(diǎn)至mm點(diǎn)的圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角。點(diǎn)的圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角。asbsasrm fsEsases近地點(diǎn)近地點(diǎn)mmGPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系14 平近點(diǎn)角平近點(diǎn)角M Ms s是一個(gè)假設(shè)量，當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)是一個(gè)假設(shè)量，當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的平均角速度為的平均角速度為n n，則，則 M Ms s = n ( t - t= n ( t - t0 0 ) )，t t0 0為衛(wèi)星過(guò)近地點(diǎn)的時(shí)刻，為衛(wèi)星過(guò)近地點(diǎn)的

19、時(shí)刻，t t為觀測(cè)衛(wèi)星時(shí)刻。平為觀測(cè)衛(wèi)星時(shí)刻。平近點(diǎn)角與偏近點(diǎn)角間存在如下關(guān)系：近點(diǎn)角與偏近點(diǎn)角間存在如下關(guān)系： E Es s = M= Ms s + e + es ssinEsinEs s。由此可得真近點(diǎn)角：。由此可得真近點(diǎn)角：sssssEeeEfcos1coscosasbsasrm fsEsases近地點(diǎn)近地點(diǎn)mmGPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系15 4.4.無(wú)攝運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星的瞬時(shí)位置無(wú)攝運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星的瞬時(shí)位置 （1 1）在軌道直角坐標(biāo)系中衛(wèi)星的位置）在軌道直角坐標(biāo)系中衛(wèi)星的位置 取直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)與

20、地球質(zhì)心相重合，取直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)與地球質(zhì)心相重合， s s軸指軸指向近地點(diǎn)、向近地點(diǎn)、 s s軸垂直于軌道平面向上軸垂直于軌道平面向上 , , s s軸在軌道平軸在軌道平面上垂直于面上垂直于 s s軸構(gòu)成右手系，則衛(wèi)星在任意時(shí)刻的坐軸構(gòu)成右手系，則衛(wèi)星在任意時(shí)刻的坐標(biāo)為：標(biāo)為：0sincossssssffr s srfs衛(wèi)星衛(wèi)星近地點(diǎn)近地點(diǎn)GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系165.5.衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng) 衛(wèi)星在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，考慮了地球引力場(chǎng)攝衛(wèi)星在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，考慮了地球引力場(chǎng)攝動(dòng)力、日月攝

21、動(dòng)力、大氣阻力、光壓攝動(dòng)力、動(dòng)力、日月攝動(dòng)力、大氣阻力、光壓攝動(dòng)力、潮汐攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響的運(yùn)動(dòng)稱潮汐攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響的運(yùn)動(dòng)稱為衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)。為衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)。 在受攝運(yùn)動(dòng)中，衛(wèi)星軌道參數(shù)不再是常在受攝運(yùn)動(dòng)中，衛(wèi)星軌道參數(shù)不再是常數(shù)，而是隨時(shí)間變化的軌道參數(shù)，衛(wèi)星的瞬數(shù)，而是隨時(shí)間變化的軌道參數(shù)，衛(wèi)星的瞬時(shí)軌道不再是橢圓，軌道在空間的方向也不時(shí)軌道不再是橢圓，軌道在空間的方向也不是固定不變的。是固定不變的。 GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系17 衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的信息

22、，衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的信息，是一組對(duì)應(yīng)某一時(shí)刻的軌道根數(shù)及其變率。是一組對(duì)應(yīng)某一時(shí)刻的軌道根數(shù)及其變率。根據(jù)衛(wèi)星星歷可以計(jì)算出任一時(shí)刻的衛(wèi)星根據(jù)衛(wèi)星星歷可以計(jì)算出任一時(shí)刻的衛(wèi)星位置及其速度，位置及其速度，GPSGPS衛(wèi)星星歷分為衛(wèi)星星歷分為預(yù)報(bào)星預(yù)報(bào)星歷和后處理星歷歷和后處理星歷。二二.GPS.GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系18 預(yù)報(bào)星歷是通過(guò)衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航預(yù)報(bào)星歷是通過(guò)衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電文傳遞給用戶，經(jīng)解碼獲得所需的衛(wèi)星星歷，也稱電文傳遞

23、給用戶，經(jīng)解碼獲得所需的衛(wèi)星星歷，也稱廣播星歷廣播星歷，包括相對(duì)某一參考?xì)v元的開(kāi)普勒軌道參數(shù)，包括相對(duì)某一參考?xì)v元的開(kāi)普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝動(dòng)項(xiàng)改正參數(shù)。和必要的軌道攝動(dòng)項(xiàng)改正參數(shù)。參考?xì)v元的衛(wèi)星開(kāi)普參考?xì)v元的衛(wèi)星開(kāi)普勒軌道參數(shù)稱為參考星歷（或密切軌道參數(shù)），勒軌道參數(shù)稱為參考星歷（或密切軌道參數(shù)），是根是根據(jù)據(jù)GPSGPS監(jiān)測(cè)站約監(jiān)測(cè)站約1 1周的監(jiān)測(cè)資料推算的。參考星歷只代周的監(jiān)測(cè)資料推算的。參考星歷只代表衛(wèi)星在參考?xì)v元的瞬時(shí)軌道參數(shù)（或密切軌道參表衛(wèi)星在參考?xì)v元的瞬時(shí)軌道參數(shù)（或密切軌道參數(shù)）。在攝動(dòng)力的影響下，衛(wèi)星的實(shí)際軌道將偏離其數(shù)）。在攝動(dòng)力的影響下，衛(wèi)星的實(shí)際軌道將偏離其參考

24、軌道。參考軌道。偏離的程度主要取決于觀測(cè)歷元與所選參偏離的程度主要取決于觀測(cè)歷元與所選參考?xì)v元間的時(shí)間差。考?xì)v元間的時(shí)間差。預(yù)報(bào)星歷預(yù)報(bào)星歷GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系19 一般來(lái)說(shuō)，如果用軌道參數(shù)的攝動(dòng)項(xiàng)一般來(lái)說(shuō)，如果用軌道參數(shù)的攝動(dòng)項(xiàng)對(duì)已知的衛(wèi)星參考星歷加以改正，可以外對(duì)已知的衛(wèi)星參考星歷加以改正，可以外推出任意觀測(cè)歷元的衛(wèi)星星歷。推出任意觀測(cè)歷元的衛(wèi)星星歷。 如果觀測(cè)歷元與所選參考?xì)v元間的時(shí)間如果觀測(cè)歷元與所選參考?xì)v元間的時(shí)間差很大，為了保障外推軌道參數(shù)具有必要差很大，為了保障外推軌道參

25、數(shù)具有必要的精度，就必須采用更嚴(yán)密的攝動(dòng)力模型的精度，就必須采用更嚴(yán)密的攝動(dòng)力模型和考慮更多的攝動(dòng)因素，由此帶來(lái)了建立和考慮更多的攝動(dòng)因素，由此帶來(lái)了建立更嚴(yán)格攝動(dòng)力模型的困難，因而可能降低更嚴(yán)格攝動(dòng)力模型的困難，因而可能降低預(yù)報(bào)軌道參數(shù)的精度。預(yù)報(bào)軌道參數(shù)的精度。GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系20 為了保證衛(wèi)星預(yù)報(bào)星歷的必要精度，一般采用為了保證衛(wèi)星預(yù)報(bào)星歷的必要精度，一般采用限限制預(yù)報(bào)星歷外推時(shí)間間隔制預(yù)報(bào)星歷外推時(shí)間間隔的方法。為此，的方法。為此，GPSGPS跟蹤站跟蹤站每天利用觀測(cè)資料，

26、更新用以確定衛(wèi)星參考星歷的數(shù)每天利用觀測(cè)資料，更新用以確定衛(wèi)星參考星歷的數(shù)據(jù)，計(jì)算每天衛(wèi)星軌道參數(shù)的更新值，每天按時(shí)將其據(jù)，計(jì)算每天衛(wèi)星軌道參數(shù)的更新值，每天按時(shí)將其注入相應(yīng)的衛(wèi)星并存儲(chǔ)。據(jù)此注入相應(yīng)的衛(wèi)星并存儲(chǔ)。據(jù)此GPSGPS衛(wèi)星發(fā)播的廣播星衛(wèi)星發(fā)播的廣播星歷每小時(shí)更新一次。歷每小時(shí)更新一次。 如果將計(jì)算參考星歷的參考?xì)v元如果將計(jì)算參考星歷的參考?xì)v元t toeoe選在兩次更新選在兩次更新星歷的中央時(shí)刻，則外推時(shí)間間隔最大不會(huì)超過(guò)星歷的中央時(shí)刻，則外推時(shí)間間隔最大不會(huì)超過(guò)0.50.5小時(shí)，從而可以在采用同樣攝動(dòng)力模型的情況下，有小時(shí)，從而可以在采用同樣攝動(dòng)力模型的情況下，有效地保持外推軌道參

27、數(shù)的精度。效地保持外推軌道參數(shù)的精度。預(yù)報(bào)星歷的精度，目預(yù)報(bào)星歷的精度，目前一般估計(jì)為前一般估計(jì)為20-40m20-40m。GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系21 由于預(yù)報(bào)星歷每小時(shí)更新一次，在數(shù)據(jù)更由于預(yù)報(bào)星歷每小時(shí)更新一次，在數(shù)據(jù)更新前后，各表達(dá)式之間將會(huì)產(chǎn)生小的跳躍，其新前后，各表達(dá)式之間將會(huì)產(chǎn)生小的跳躍，其值可達(dá)數(shù)分米，一般可利用適當(dāng)?shù)臄M合技術(shù)值可達(dá)數(shù)分米，一般可利用適當(dāng)?shù)臄M合技術(shù)（如切比雪夫多項(xiàng)式）予以平滑。（如切比雪夫多項(xiàng)式）予以平滑。 GPSGPS用戶通過(guò)衛(wèi)星廣播星歷可以獲得的有關(guān)用戶

28、通過(guò)衛(wèi)星廣播星歷可以獲得的有關(guān)衛(wèi)星星歷參數(shù)共衛(wèi)星星歷參數(shù)共1616個(gè)，其中包括個(gè)，其中包括1 1個(gè)參考時(shí)刻，個(gè)參考時(shí)刻，6 6個(gè)相應(yīng)參考時(shí)刻的開(kāi)普勒軌道參數(shù)和個(gè)相應(yīng)參考時(shí)刻的開(kāi)普勒軌道參數(shù)和9 9個(gè)反映個(gè)反映攝動(dòng)力影響的參數(shù)。攝動(dòng)力影響的參數(shù)。GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系22導(dǎo)航電文中的星歷參數(shù)導(dǎo)航電文中的星歷參數(shù)t t0e0e參考?xì)v元參考?xì)v元M Ms0s0參考時(shí)刻的平近點(diǎn)角參考時(shí)刻的平近點(diǎn)角e es s軌道偏心率軌道偏心率a as s1/21/2軌道長(zhǎng)半徑的平方根軌道長(zhǎng)半徑的平方根 0 0參

29、考時(shí)刻的升交點(diǎn)赤經(jīng)參考時(shí)刻的升交點(diǎn)赤經(jīng)i i0 0參考時(shí)刻的軌道傾角參考時(shí)刻的軌道傾角 s s近地點(diǎn)角距近地點(diǎn)角距 升交點(diǎn)赤經(jīng)變化率升交點(diǎn)赤經(jīng)變化率 軌道傾角變化率軌道傾角變化率 nn由精密星歷計(jì)算得到的衛(wèi)星平均角速度由精密星歷計(jì)算得到的衛(wèi)星平均角速度與按給定參數(shù)計(jì)算所得的平均角速度之差。與按給定參數(shù)計(jì)算所得的平均角速度之差。iGPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系23C Cucuc , C , Cusus升交距角的余弦、正弦調(diào)和改正項(xiàng)振幅升交距角的余弦、正弦調(diào)和改正項(xiàng)振幅C Crcrc , C , C

30、rsrs衛(wèi)星地心距的余弦、正弦調(diào)和改正項(xiàng)振幅衛(wèi)星地心距的余弦、正弦調(diào)和改正項(xiàng)振幅C Cicic , C , Cisis軌道傾角的余弦正弦調(diào)和改正項(xiàng)振幅軌道傾角的余弦正弦調(diào)和改正項(xiàng)振幅AODEAODE星歷數(shù)據(jù)的齡期（外推星歷的外推時(shí)間間隔）星歷數(shù)據(jù)的齡期（外推星歷的外推時(shí)間間隔）a a0 0衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差a a1 1衛(wèi)星鐘速（頻率偏差系數(shù)）衛(wèi)星鐘速（頻率偏差系數(shù)）a a2 2衛(wèi)星鐘速變化率（漂移系數(shù)）衛(wèi)星鐘速變化率（漂移系數(shù)） 衛(wèi)星的預(yù)報(bào)星歷是用跟蹤站以往時(shí)間的觀測(cè)資料推衛(wèi)星的預(yù)報(bào)星歷是用跟蹤站以往時(shí)間的觀測(cè)資料推求的參考軌道參數(shù)為基礎(chǔ)，并加入軌道攝動(dòng)項(xiàng)改正而外求的參考軌道參數(shù)為基礎(chǔ)，并加入軌

31、道攝動(dòng)項(xiàng)改正而外推的星歷。推的星歷。用戶在觀測(cè)時(shí)可以通過(guò)導(dǎo)航電文實(shí)時(shí)得到用戶在觀測(cè)時(shí)可以通過(guò)導(dǎo)航電文實(shí)時(shí)得到，對(duì)導(dǎo)航和實(shí)時(shí)定位十分重要。但對(duì)精密定位服務(wù)則難以對(duì)導(dǎo)航和實(shí)時(shí)定位十分重要。但對(duì)精密定位服務(wù)則難以滿足精度要求。滿足精度要求。GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系24后處理星歷后處理星歷 后處理星歷是一些國(guó)家的某些部門(mén)根據(jù)各后處理星歷是一些國(guó)家的某些部門(mén)根據(jù)各自建立的跟蹤站所獲得的精密觀測(cè)資料，應(yīng)用自建立的跟蹤站所獲得的精密觀測(cè)資料，應(yīng)用與確定預(yù)報(bào)星歷相似的方法，計(jì)算的衛(wèi)星星歷。與確定預(yù)報(bào)星歷相

32、似的方法，計(jì)算的衛(wèi)星星歷。這種星歷通常是在事后向用戶提供的在用戶觀這種星歷通常是在事后向用戶提供的在用戶觀測(cè)時(shí)的衛(wèi)星精密軌道信息，因此稱測(cè)時(shí)的衛(wèi)星精密軌道信息，因此稱后處理星后處理星歷或精密星歷歷或精密星歷。該星歷的精度目前可達(dá)分米。該星歷的精度目前可達(dá)分米。后處理星歷一般不通過(guò)衛(wèi)星的無(wú)線電信號(hào)向用后處理星歷一般不通過(guò)衛(wèi)星的無(wú)線電信號(hào)向用戶傳遞，而是通過(guò)磁盤(pán)、電視、電傳、衛(wèi)星通戶傳遞，而是通過(guò)磁盤(pán)、電視、電傳、衛(wèi)星通訊等方式有償?shù)貫樗枰挠脩舴?wù)。訊等方式有償?shù)貫樗枰挠脩舴?wù)。GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)

33、繪與國(guó)土信息工程系25 建立和維持一個(gè)獨(dú)立的跟蹤系統(tǒng)建立和維持一個(gè)獨(dú)立的跟蹤系統(tǒng)來(lái)精密測(cè)定來(lái)精密測(cè)定GPSGPS衛(wèi)星的軌道，技術(shù)復(fù)雜，衛(wèi)星的軌道，技術(shù)復(fù)雜，投資大，因此，利用投資大，因此，利用GPSGPS預(yù)報(bào)星歷進(jìn)行預(yù)報(bào)星歷進(jìn)行精密定位工作仍是目前一個(gè)重要的研精密定位工作仍是目前一個(gè)重要的研究和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。究和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系26 國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)于國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)于19941994年正式建立了全球國(guó)際年正式建立了全球國(guó)際GPSGPS地球動(dòng)地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)力學(xué)服務(wù)( (Int

34、ernational GPS service for International GPS service for GeodynamicsGeodynamics -IGS -IGS），向全球用戶提供高精度的），向全球用戶提供高精度的GPSGPS星歷、地星歷、地球旋轉(zhuǎn)參數(shù)、球旋轉(zhuǎn)參數(shù)、IGSIGS跟蹤站的坐標(biāo)和速率、跟蹤站的坐標(biāo)和速率、GPSGPS跟蹤站的時(shí)鐘信息跟蹤站的時(shí)鐘信息以及電離層信息。這些信息可支持實(shí)現(xiàn)全球國(guó)際地球參數(shù)坐標(biāo)以及電離層信息。這些信息可支持實(shí)現(xiàn)全球國(guó)際地球參數(shù)坐標(biāo)系的建立和更新，監(jiān)測(cè)固體地球的形變等。我國(guó)已參與這一組系的建立和更新，監(jiān)測(cè)固體地球的形變等。我國(guó)已參與這一組織，并

35、將其數(shù)據(jù)用于青藏高原隆起的監(jiān)測(cè)及地震活躍區(qū)構(gòu)造帶織，并將其數(shù)據(jù)用于青藏高原隆起的監(jiān)測(cè)及地震活躍區(qū)構(gòu)造帶的位移監(jiān)測(cè)，從而為地球動(dòng)力學(xué)、地形變、地震預(yù)報(bào)研究等提的位移監(jiān)測(cè)，從而為地球動(dòng)力學(xué)、地形變、地震預(yù)報(bào)研究等提供了科學(xué)依據(jù)。供了科學(xué)依據(jù)。 隨著隨著IGSIGS的服務(wù)范圍不斷拓寬和支持多學(xué)科的科學(xué)研究與發(fā)的服務(wù)范圍不斷拓寬和支持多學(xué)科的科學(xué)研究與發(fā)展的需要，于展的需要，于19991999年年1 1月月1 1日將國(guó)際日將國(guó)際GPSGPS地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)機(jī)構(gòu)更名地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)機(jī)構(gòu)更名為國(guó)際為國(guó)際GPSGPS服務(wù)（服務(wù)（International GPS ServiceInternational GPS

36、 Service）機(jī)構(gòu)，刪去了）機(jī)構(gòu)，刪去了原名中的限定詞原名中的限定詞“地球動(dòng)力學(xué)地球動(dòng)力學(xué)”（GeodynamicsGeodynamics）。更名后的英）。更名后的英文縮寫(xiě)仍為文縮寫(xiě)仍為IGSIGS。 GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系27全球全球IGSIGS國(guó)際衛(wèi)星跟蹤站分布國(guó)際衛(wèi)星跟蹤站分布GPSGPS測(cè)量原理及應(yīng)用測(cè)量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測(cè)繪與國(guó)土信息工程系28 全球最早的永久性全球最早的永久性GPSGPS跟蹤站之一，跟蹤站之一，19931993年由中美兩國(guó)合作共建。年由中美兩國(guó)合作共建?，F(xiàn)為現(xiàn)為IGSIGS的核心站，是的核心站，是中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的國(guó)家基準(zhǔn)站。該站裝的國(guó)家基準(zhǔn)站。該站裝配配BenchMarkBenchMark接收機(jī)，接收機(jī)，Agilent 5071AAgilent 5071A原子鐘，原子鐘，衛(wèi)星通訊及綜合數(shù)字氣衛(wèi)星通訊及綜合數(shù)字氣象自動(dòng)采集儀等精密儀象自動(dòng)采集儀等精密儀器。建站器。建站1010年來(lái)，為維年來(lái)，為維護(hù)國(guó)家動(dòng)態(tài)地心參考