GPS3第三章 卫星运动基础及GPS卫星星历课件.ppt

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1、第三章卫星运动基础及GPS卫星星历§3.1概述§3.2卫星的无摄运动§3.3卫星的受摄运动§3.4GPS卫星星历GPS用户为了确定自己的位置，需要GPS卫星的精确位置信息。因此了解如何描述GPS轨道是十分重要的。轨道：卫星在空间运行的轨迹。轨道参数：描述卫星位置及状态的参数；轨道参数取决于卫星所受到的各种力的作用。§3.1概述一、卫星在空间的瞬时位置卫星的受力情况：地球的引力日月引力潮汐力大气阻力光压力均质球体引力非均匀球形部分引力第一类力：地球的质心引力——中心引力第二类力：摄动力——非中心引力，包括地球引力场摄动力（地球非球形对称引起）、日月引力

2、、大气阻力、太阳光压、地球潮汐力等。无摄运动（二体问题）：仅考虑地球的质心引力研究卫星相对于地球的运动。在天体力学中，称之为二体问题。无摄轨道：理想的卫星轨道。受摄运动：在考虑第一类力（中心引力）的同时也考虑第二类力（摄动力）的影响来研究地球的运动。受摄轨道：在受摄运动下所运行的轨迹。二、卫星的运动返回卫星围绕着地球运行，作二体问题研究，必须满足以下条件：①必须在惯性系下考虑问题。②卫星作为质点。卫星的体积小，与其到地球的距离相比，可忽略不计，即卫星可作为质点计。③地球作为质点。地球可分成均质地球和非均质地球两部分。均质地球对外部点的引力等于球心质点

3、的引力。因此，如果把非均质地球的引力作为摄动力的话，均质地球可作为一个质点。§3.2卫星的无摄运动目的意义①均质球体引力决定着卫星运动的主要规律和特征，它是卫星运动的近似描述；②二体问题是惟一能得到严密解的问题，而多体问题还不能得到严密解；③二体问题是精确研究卫星运动的基础。一、卫星运动的轨道参数1、轨道是一个椭圆，可用一组参数来表示。a（椭圆的长半径）、e（偏心率）——形状参数Ω（升交点赤径）：即在地球赤道平面上，升交点N与春分点γ之间的地心夹角。i（轨道面的倾角）：即卫星轨道平面地球赤道面之间的夹角。Ω、i唯一的确定了卫星轨道平面地球体之间的相对

4、向。Ω、i、ω——轨道定向参数。V（真近点角）：在轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。确定了任一时刻卫星在轨道上的位置。——位置参数。（a，e，Ω，i，ω，V）六参数称为开普勒轨道参数，或称轨道根数。ω（近地点角距）：轨道平面上近地点A与升交点N之间的地心角距。表达了开普勒椭圆在轨道平面上的定向。在无摄运动的条件下，卫星的运动才可以用六参数来描述。Ω、i：确定了轨道平面在地心坐标系中的位置a，e：确定了轨道的形状ω：确定了轨道中短半轴在坐标系中的指向（a，e，Ω，i，ω）决定于卫星的发射条件，为常数；V决定于卫星运行的时间，是时间的函数。V：决定于

5、卫星运行的时间二、二体问题的运动方程根据万有引力定律：研究卫星S绕地球O的运动，主要是研究卫星运动状态随时间的变化规律，根据物理学中牛顿定律可以很方便地得到二体问题的运动方程。牛顿第二定律：从而，有在惯性坐标系下研究卫星相对于地球的运动，O-XYZ为惯性系ozyxSrsrreE分量形式：将坐标原点平移到地球质心：ozyxSrsrreE二体问题的运动方程：由矢量积的微分法则：可以得到卫星运动的轨道平面方程：在二体问题中，卫星始终在一个平面上运动，且该平面通过地球质心。在惯性系中，向量的三个分量正是积分常数，以符号A，B，C来表示，则在三维地心坐标系中：

6、三、开普勒定律第一定律：卫星运动的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与地球质心重合。卫星绕地球质心运动的轨道方程：r第二定律：卫星到地心的距离在相等的时间内所扫过的面积相等。结论：卫星在椭圆轨道上的运行速度在变化，近地点时速度最大，远地点时速度最小。结论：在中心引力场中，卫星绕地球运行的轨道面，是一个通过地球质心的静止平面。轨道椭圆一般称开普勒椭圆，其形状和大小不变。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。（常量）卫星运行的平均角速度：结论：卫星运行的平均角速度为一常量。真近点角V的计算：要想知道卫星与地球之间的距离r，必须

7、知道V。求V，需要引入两个辅助量E(偏近点角)，M(平近点角)。M(平近点角)为一假设量，假设卫星运行到近地点时的时刻为t0，对于t时刻M应为：由开普勒第三定律知：卫星运行的平均角速度为一常数，所以卫星于任意时刻的平近点角都可由上式计算。M(平近点角)与E(偏近点角)之间有以下重要关系：则：可用递进迭代的方法求出E，由图可知：得出V与E之间的关系：返回§3.3卫星的受摄运动摄动源轨道摄动3小时弧段2日弧段地球的非对称性约2km约14km日月引力100m左右1000-3000m太阳辐射压力5-10m100-800m大气阻力可忽略不计地球潮汐力（海潮、固

8、体潮）可忽略不计注：大气阻力对于低轨卫星必须考虑，但GPS定位卫星均属高轨卫星，可忽略不计。摄动力对GPS定