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时间:2019-05-09
《GPS原理及应用(第四章GPS卫星运动及坐标计算)》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第四章卫星运动的基础知识及GPS卫星的坐标计算中英文日报导航站www.anydaily.com§3.1概述1.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,描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。由于利用GPS进行导航和测量时,卫星作为位置已知的高空观测目标,在进行绝对定位时,卫星轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度;而在相对定位时,尽管卫星轨道误差的影响将会减弱,但当基线较长或精度要求较高时,轨道误差影响不可忽略。此外,为了制订GPS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。
2、中英文日报导航站www.anydaily.com2.影响卫星轨道的因素及其研究方法卫星在空间绕地球运行时,除了受地球重力场的引力作用外,还受到太阳、月亮和其它天体的引力影响,以及太阳光压、大气阻力和地球潮汐力等因素影响。卫星实际运行轨道十分复杂,难以用简单而精确的数学模型加以描述。在各种作用力对卫星运行轨道的影响中,地球引力场的影响为主,其它作用力的影响相对要小的多。若假设地球引力场的影响为1,其它引力场的影响均小于10-5。中英文日报导航站www.anydaily.com为了研究工作和实际应用的方便,通常把作用于卫
3、星上的各种力按其影响的大小分为两类:一类是假设地球为均质球体的引力(质量集中于球体的中心),称为中心力,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。另一类是摄动力或非中心力,包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力等。摄动力使卫星的运动产生一些小的附加变化而偏离理想轨道,同时偏离量的大小也随时间而改变。在摄动力的作用下的卫星运动称为受摄运动,相应的卫星轨道称为受摄轨道。中英文日报导航站www.anydaily.com§3.2卫星的无摄运
4、动卫星发射升至预定高度后,开始绕地球运行。假设地球为均质球体,根据万有引力定律,卫星的引力加速度为G为引力常数,M为地球质量,ms为卫星质量,r为卫星的地心向径。根据上式来研究地球和卫星之间的相对运动问题,在天体力学中称为两体问题。引力加速度决定了卫星绕地球运动的基本规律。卫星在上述地球引力场中的无摄运动,也称开普勒运动,其规律可通过开普勒定律来描述。中英文日报导航站www.anydaily.com1.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为一椭圆,该椭圆的一个焦点与地球质心重合。此定律阐明了卫星运行
5、轨道的基本形态及其与地心的关系。由万有引力定律可得卫星绕地球质心运动的轨道方程。r为卫星的地心距离,as为开普勒椭圆的长半径,es为开普勒椭圆的偏心率;fs为真近点角,它描述了任意时刻卫星在轨道上相对近地点的位置,是时间的函数。asbsMms近地点远地点fs中英文日报导航站www.anydaily.com(2)开普勒第二定律:卫星的地心向径在单位时间内所扫过的面积相等。表明卫星在椭圆轨道上的运行速度是不断变化的,在近地点处速度最大,在远地点处速度最小。近地点地心远地点中英文日报导航站www.anydaily.com(
6、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,等于GM的倒数。假设卫星运动的平均角速度为n,则n=2/Ts,可得当开普勒椭圆的长半径确定后,卫星运行的平均角速度也随之确定,且保持不变。中英文日报导航站www.anydaily.com2.无摄卫星轨道的描述前述参数as、es、fs唯一地确定了卫星轨道的形状、大小以及卫星在轨道上的瞬时位置。但卫星轨道平面与地球体的相对位置和方向还无法确定。确定卫星轨道与地球体之间的相互关系,可以表达为确定开普勒椭圆在天球坐标系中的位置和方向,尚需三个参数。卫
7、星的无摄运动一般可通过一组适宜的参数来描述,但这组参数的选择并不唯一,其中应用最广泛的一组参数称为开普勒轨道参数或开普勒轨道根数。中英文日报导航站www.anydaily.comas为轨道的长半径,es为轨道椭圆偏心率,这两个参数确定了开普勒椭圆的形状和大小。为升交点赤经:即地球赤道面上升交点与春分点之间的地心夹角。i为轨道面倾角:即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。这两个参数唯一地确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向。s为近地点角距:即在轨道平面上,升交点与近地点之间的地心夹角,表达了开普勒椭圆在轨道平面
8、上的定向。fs为卫星的真近点角:即轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。该参数为时间的函数,确定卫星在轨道上的瞬时位置。由上述6个参数所构成的坐标系统称为轨道坐标系,广泛用于描述卫星运动。中英文日报导航站www.anydaily.com开普勒轨道参数示意图yxz轨道春分点升交点近地点卫星地心赤道isfs中英文日报导航站www.anydail
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