GPS卫星运动理论及其轨道确定

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1、说明及致谢课件中引用了大量来自网络及他人课件的图片资料。由于其来源复杂，在此未能一一列出。资料的版权均属原作者。本课件只用于教学，不作其它用途。特此说明！GPSSatelliteGPSandLaserCollocatedStationLaserStationDORISStationGPSStationCHAMPGRACEJASON-1GPS卫星运动理论及其轨道确定内容要点GPS卫星轨道的作用GPS卫星的无摄运动GPS卫星的受摄运动GPS卫星轨道的确定GPS卫星星历几个定义轨道：卫星在空间运行的轨迹。轨道参数：描述卫星轨道位置和状态的参数。GPS

2、卫星轨道的作用轨道信息是GPS卫星导航定位的基础GPS卫星轨道的作用精密的轨道信息是扩展GPS应用的前提。影响卫星轨道的因素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。GPS卫星摄动力示意图卫星轨道的研究方法通常把作用于卫星上的力按其影响的大小分

3、为两类：中心力（非摄动力）：假设地球为均质球体的引力（质量集中于球体的中心）决定着卫星运动的基本规律和特征。无摄轨道：只考虑中心力影响的理想卫星轨道。非中心力（动力摄）：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。受摄轨道：同时考虑摄动力作用下的卫星运动轨道。受摄轨道的确定：先通过研究无摄运动确定无摄轨道，再研究各种摄动力对卫星运动的影响，并对卫星的无摄轨道加以修正，从而确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征。内容要点GPS卫星轨道的作用GPS卫星的无摄运动GPS卫星的受摄运动GPS卫星轨道的确定GPS卫星星历卫星的无摄运动

4、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。定律：卫星的运行轨道是一个椭圆，该椭圆的一个焦点与地球的质心重合。开普勒第一定律远地点近地点cc意义：阐明了卫星运行轨道的基本形态及其与地心的关系。a开普勒第二定律定律：卫星的地心向径，即地球质心与

5、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。S2t0t1t2S1t1-t0=t2-t1S1=S2远地点近地点意义：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。开普勒第三定律定律：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，可得：意义：表明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。卫星轨道的描述卫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

6、开普勒轨道根数。开普勒轨道参数：共六个参数，三个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，三个确定了卫星轨道相对天球坐标系中的位置和方向。卫星轨道的描述as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上的定向。fs为卫星的真近点角：即轨道平面

7、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。开普勒轨道参数示意图卫星位置的计算真近点角fs的计算在描述卫星无摄运动的6个开普勒轨道参数中，只有真近点角是时间的函数，其余均为常数。故卫星瞬间位置的计算，关键在于计算真近点角。asbsasrmfsEsases近地点为了计算真近点角，引入两个辅助参数：Es—偏近点角Ms—平近点角Ms是一个假设量，当卫星运动的平均角速度为n，则Ms=n(t-t0)，t0为卫星过近地点的时刻，t为观测卫星时刻。Es=Ms+essinEs(开普勒方程)可得真近点角：asbsasrmfs

8、Eses近地点卫星无摄运动位置的计算卫星无摄运动位置的计算卫星在轨道直角坐标系中的位置：取直角坐标系的原点与地球质心相重合，Xs轴指向近地点、Zs轴垂