卫星运动基础及卫星星历.ppt

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1、卫星运动基础及卫星星历现在学习的是第1页，共37页第三章卫星运动基础及第三章卫星运动基础及GPS卫星星历卫星星历3.1 概述3.2 卫星的无摄运动3.3 卫星的受摄运动3.4 GPS卫星星历现在学习的是第2页，共37页为什么要研究卫星运动规律？为什么要研究卫星运动规律？p在利用GPS进行导航和测量时，卫星是作为位置已知的高空观测目标，所以其轨道误差将影响定位精度。p为了制订GPS测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号，需要知道卫星的轨道参数3.1 概述概述p相关名词-卫星轨道：卫星在空间运行的轨迹。-轨道参数：描述卫星轨道状态和位置的参数。现在学习的是第3页，共37页卫星受到的作用力卫星受到的

2、作用力p地球对卫星的引力；p太阳、月亮对卫星的引力；p大气阻力；p太阳光压；p地球潮汐力等。p如果将地球引力视为1，则其它作用力均小于10-5。p在多种力的作用下，卫星在空间运行的轨迹极其复杂，难以用简单而精确的数学模型表达。3.1 概述概述现在学习的是第4页，共37页卫星受到的作用力分类卫星受到的作用力分类p地球质心引力地球质心引力n将地球看作密度均匀或由无限多密度均匀的同心球层所构成的圆球，可以证明它对球外一点的引力等效于质量集中于球心的质点所产生的引力，这种引力叫做中心引力中心引力。p摄动力摄动力n地球实际为非球形对称，近似为椭球体，这种非球形对称的地球引力场便对卫星产生非中心的引力，加

3、上日、月引力，大气阻力、太阳光压，地球潮汐力等便产生了非中心引力非中心引力。3.1 概述概述现在学习的是第5页，共37页p地球质心引力地球质心引力（中心引力中心引力）p摄动力（摄动力（非中心引力及其它）非中心引力及其它）二体问题二体问题p摄动力摄动力是是中心引力中心引力的的10-3量级量级p二体问题二体问题：将地球和卫星视为两个质点，仅考将地球和卫星视为两个质点，仅考将地球和卫星视为两个质点，仅考将地球和卫星视为两个质点，仅考虑地球质心引力研究卫星运动规律虑地球质心引力研究卫星运动规律虑地球质心引力研究卫星运动规律虑地球质心引力研究卫星运动规律无摄运动无摄运动受摄运动受摄运动3.1 概述概述现

4、在学习的是第6页，共37页研究卫星的无无摄摄运运动动规律，描述卫星轨道的基本特征研究卫星运动的步骤研究卫星运动的步骤研究各种摄摄动动力力的影响，对卫星的无摄轨道修正确定卫星受摄运动轨道受摄运动轨道的瞬时特征3.1 概述概述现在学习的是第7页，共37页3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动p卫星运动的开普勒定律卫星运动的开普勒定律p卫星运动的轨道参数卫星运动的轨道参数p二体问题的运动方程二体问题的运动方程现在学习的是第8页，共37页开普勒第一定律开普勒第一定律pp卫星运动的轨道是一个椭圆，该椭圆的一个卫星运动的轨道是一个椭圆，该椭圆的一个卫星运动的轨道是一个椭圆，该椭圆的一个卫星运动的轨道是一个椭

5、圆，该椭圆的一个焦点与地球的质心相重合。焦点与地球的质心相重合。焦点与地球的质心相重合。焦点与地球的质心相重合。3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动现在学习的是第9页，共37页开普勒第二定律开普勒第二定律v卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内扫过的面积相等。p根据能量守恒定理，卫星在近地点处速度最大，动能最大，势能最小；在远地点时速度最小，动能最小，势能最大。3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动现在学习的是第10页，共37页开普勒第三定律开普勒第三定律p卫星围绕地球运动周期的平方与轨道椭球长半径的立方成正比，其比值等于地球引力常数的GM倒数.3.2 卫星的无摄运动卫

6、星的无摄运动现在学习的是第11页，共37页确定卫星轨道形状、大小和卫星确定卫星轨道形状、大小和卫星确定卫星轨道形状、大小和卫星确定卫星轨道形状、大小和卫星在轨道上的瞬时位置在轨道上的瞬时位置在轨道上的瞬时位置在轨道上的瞬时位置卫星运动的轨道参数（卫星运动的轨道参数（1/2）p a（椭圆长半径）（椭圆长半径）p e（偏心率）（偏心率）p V（真近点角）（真近点角）真近点角真近点角3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动现在学习的是第12页，共37页p（升交点赤径）（升交点赤径）p i（轨道面倾角）（轨道面倾角）p （近地点角距）（近地点角距）确定卫星轨道平面与地球的确定卫星轨道平面与地球的确定卫星轨

7、道平面与地球的确定卫星轨道平面与地球的相对位置和方向相对位置和方向相对位置和方向相对位置和方向卫星运动的轨道参数（卫星运动的轨道参数（2/2）注：描述卫星无摄运动的注：描述卫星无摄运动的注：描述卫星无摄运动的注：描述卫星无摄运动的参数并非唯一参数并非唯一参数并非唯一参数并非唯一3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动现在学习的是第13页，共37页二体问题的运动方程二体问题的运动方程 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动依据万有引力定律可知，用 表示卫星与地球所受到的引力作用，则有 式中：G万有引力常数，G=(66724.1)10-14 Nm2/kg2；M,m地球和卫星的质量；r卫星的在轨位置矢量。

8、设为地球和卫星在万有引力作用下所产生的加速度现在学习的是第14页，共37页二体问题的运动方程二体问题的运动方程 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 设为卫星S相对于质心O的加速度，则：由于M远大于m，通常不考虑m的影响，则有：取地球引力常数=GM=1，此时（3-4）式可写成为：现在学习的是第15页，共37页二体问题的运动方程二体问题的运动方程 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 设以O为原点的直角坐标系为O-XYZ，S点的坐标为（X，Y，Z），则卫星S的地心向径r=（X，Y，Z），加速度，代入（3-4）得二体问题的运动方程：左边(3-6)方程解的一般形式为：现在学习的是第16页，共37页二

9、体问题微分方程的解二体问题微分方程的解 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 二体问题微分方程的解是与轨道参数有关的卫星运二体问题微分方程的解是与轨道参数有关的卫星运动的状态方程，即卫星位置、速度与轨道参数和时间的动的状态方程，即卫星位置、速度与轨道参数和时间的关系式。关系式。1 1、卫星运动的轨道平面方程、卫星运动的轨道平面方程 直接由微分方程（3-6）求积分，可得卫星运动的轨道平面方程：式中，X,Y,Z是卫星在地心天球坐标系中的坐标，现在学习的是第17页，共37页二体问题微分方程的解二体问题微分方程的解 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 2 2、卫星运动的轨道方程、卫星运动的轨道方程卫

10、星运动的轨道方程为：由于，所以（3-10）式可以真近点角V表示：另外由二体运动的微分方程可求出常用的表示卫星运动速度U的活力积分：现在学习的是第18页，共37页二体问题微分方程的解二体问题微分方程的解 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 3 3、用偏近点角、用偏近点角E E代替真近点角代替真近点角V V 从表示偏近点角E与真近点角V的关系的图3-2，不难证明:另外还可导出V和E的关系：现在学习的是第19页，共37页二体问题微分方程的解二体问题微分方程的解 3.2 卫星的无摄运动卫星的无摄运动 4、开普勒方程、开普勒方程设卫星的运动周期为T，则卫星平均角速度为：由此得到开普勒第三定律的数学表达

11、式：建立轨道坐标系：坐标原点O在地心，X轴指向椭圆轨道近地点P，Y轴为轨道椭圆的短轴，Z轴为轨道椭圆的法向。在此坐标系下可以得出著名的开普勒轨道方程：现在学习的是第20页，共37页3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动p考虑了摄动力后，卫星的轨道参数随时间变化，不考虑了摄动力后，卫星的轨道参数随时间变化，不再为常数。再为常数。p卫星在地球质心引力和各种摄动力总的影响下的卫星在地球质心引力和各种摄动力总的影响下的轨道参数称为轨道参数称为瞬时轨道参数瞬时轨道参数。p卫星运动的真实轨道称为卫星的卫星运动的真实轨道称为卫星的摄动轨道摄动轨道或或瞬时瞬时轨道轨道。瞬时轨道不是椭圆，轨道平面在空间的方向。瞬

12、时轨道不是椭圆，轨道平面在空间的方向也不是固定不变的。也不是固定不变的。现在学习的是第21页，共37页卫星的受摄运动轨道3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动现在学习的是第22页，共37页研究卫星受摄运动的方法研究卫星受摄运动的方法1.1.按卫星受到的各种作用力导出其数学表达式按卫星受到的各种作用力导出其数学表达式按卫星受到的各种作用力导出其数学表达式按卫星受到的各种作用力导出其数学表达式2.2.建立受摄运动的微分方程建立受摄运动的微分方程建立受摄运动的微分方程建立受摄运动的微分方程3.3.解算微分方程解算微分方程解算微分方程解算微分方程3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动现在学习的是第23页，

13、共37页卫星受到的摄动力卫星受到的摄动力pp地球引力场摄动力影响约为地球引力场摄动力影响约为地球引力场摄动力影响约为地球引力场摄动力影响约为1010-3-3量级，其他摄动力量级，其他摄动力量级，其他摄动力量级，其他摄动力影响大多小于或接近于影响大多小于或接近于影响大多小于或接近于影响大多小于或接近于1010-6-6量级。量级。量级。量级。3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动现在学习的是第24页，共37页地球非球形引力的摄动地球非球形引力的摄动北凸南凹的梨形地球北凸南凹的梨形地球3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动现在学习的是第25页，共37页地球非球形引力的摄动对卫星轨道的影响p引起轨道面在空

14、间的旋转使升交点沿地球赤道产生缓慢的移动，进而使升交点的赤径产生周期性变化。p引起近地点在轨道面内旋转使得开普勒椭圆在轨道面内定向改变，引起轨道近地点角距的缓慢变化。p引起平近点角的变化3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动现在学习的是第26页，共37页p日月引力又称第三体引力p不仅影响卫星的运行，而且影响地球自转，因此，日月引力摄动应为日月引力对卫星轨道及其对地球作用之差p对卫星产生的摄动加速度约为510-6m/s2p太阳引力的影响，仅约为月球引力的0.46倍日月引力的摄动日月引力的摄动3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动现在学习的是第27页，共37页太阳辐射压力的影响太阳辐射压力的影响反照压

15、力（被地球反射的太阳光产生的压力，为辐反照压力（被地球反射的太阳光产生的压力，为辐射压力的射压力的1%1%，可忽略），可忽略）太阳光压太阳光压太阳光压太阳光压pp对卫星产生的加速度，约为对卫星产生的加速度，约为1010-7-7m/sm/s2 2量级量级太阳辐射压力太阳辐射压力3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动现在学习的是第28页，共37页p地球固体潮在日月引力作用下，地球产生的如潮汐般的变形。p海潮p大气潮地球潮汐摄动力地球潮汐摄动力pp地球潮汐摄动力，对于在地球潮汐摄动力，对于在36,000km36,000km高度的卫星高度的卫星（GPSGPS卫星高度为卫星高度为20,200km20,20

16、0km），摄动量约为），摄动量约为1 1 1010-10-10，故常被忽略。，故常被忽略。3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动现在学习的是第29页，共37页p对低轨道卫星影响较大p对于GPS卫星(高度为20,200km)的影响可忽略大气阻力大气阻力3.3 卫星的受摄运动卫星的受摄运动现在学习的是第30页，共37页3.4 GPS卫星星历卫星星历p卫星星历：一组对应某一时刻的轨道卫星星历：一组对应某一时刻的轨道参数及其变率参数及其变率p由星历可计算出任一时刻的卫星位置及由星历可计算出任一时刻的卫星位置及其速度其速度p预报星历（广播星历）预报星历（广播星历）p后处理星历（精密星历）后处理星历（精密星

17、历）现在学习的是第31页，共37页以跟踪站已往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础以跟踪站已往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数。摄动改正项参数。通过导航电文传递给用户，每小时更新一次。通过导航电文传递给用户，每小时更新一次。参考星历参考星历：相应参考历元的开普勒轨道参数。：相应参考历元的开普勒轨道参数。用轨道参数的摄动项对已知的参考星历加以改正，可用轨道参数的摄动项对已知的参考星历加以改正，可外推出任意观测历元的卫星星历。外推出任意观测历元的卫星星历。预报星历预报星历3.4 G

18、PS卫星星历卫星星历现在学习的是第32页，共37页预报星历的参数预报星历的参数p2个参考时刻参数个参考时刻参数p6个对应参考时刻的开普勒轨道参数个对应参考时刻的开普勒轨道参数p9个反映摄动力影响的参数个反映摄动力影响的参数3.4 GPS卫星星历卫星星历现在学习的是第33页，共37页现在学习的是第34页，共37页预报星历（续）预报星历（续）p C/A码星历：精度低码星历：精度低(数十米数十米)，民用，民用p P码星历：精度高码星历：精度高(5米米)，军事目的，军事目的3.4 GPS卫星星历卫星星历现在学习的是第35页，共37页后处理星历后处理星历pp预报星历精度较低，难以满足精密定位工作的需预报

19、星历精度较低，难以满足精密定位工作的需预报星历精度较低，难以满足精密定位工作的需预报星历精度较低，难以满足精密定位工作的需求。求。求。求。pp一些国家某些部门，根据各自建立的一些国家某些部门，根据各自建立的一些国家某些部门，根据各自建立的一些国家某些部门，根据各自建立的卫星跟踪站卫星跟踪站卫星跟踪站卫星跟踪站所获得的对所获得的对所获得的对所获得的对GPSGPS卫星的精密观测资料，应用与确卫星的精密观测资料，应用与确卫星的精密观测资料，应用与确卫星的精密观测资料，应用与确定广播星历相似的方法而定广播星历相似的方法而定广播星历相似的方法而定广播星历相似的方法而计算的卫星星历计算的卫星星历计算的卫星星历计算的卫星星历。pp观测事后，利用磁盘（卡）或通过电传通信等方观测事后，利用磁盘（卡）或通过电传通信等方观测事后，利用磁盘（卡）或通过电传通信等方观测事后，利用磁盘（卡）或通过电传通信等方式向用户有偿提供式向用户有偿提供式向用户有偿提供式向用户有偿提供3.4 GPS卫星星历卫星星历现在学习的是第36页，共37页本章小结介绍了卫星的无摄运动；介绍了卫星的无摄运动；介绍了卫星的受摄运动；介绍了卫星的受摄运动；介绍了介绍了GPS的卫星星历的卫星星历。现在学习的是第37页，共37页