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1、GPS原理及其应用,徐晓华,地理信息系统专业 20011130103 土地资源管理专业 20019450102,三、卫星运动基础及GPS卫星星历,3.1 概述,人卫轨道理论 内容：研究人造地球卫星的轨道 特点: 需要考虑地球引力的高阶项的影响 需要同时考虑保守力和非保守力的作用 研究内容除定轨外，还包括轨道设计、卫星回收等问题,作用在卫星上的外力,地球引力 地球质心引力(也称地球中心引力或非摄动力） 地球非球形引力(也称地球形状摄动力) 日、月及其它天体的引力 大气阻力 太阳光压 其它作用力（如：地磁、地球潮汐摄动等）,卫星轨道,无摄轨道 受摄轨道 对轨道的分析研究：由无摄轨道到受摄轨道 二体
2、问题：忽略所有摄动力，仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动,3.2 卫星的无摄运动,开普勒（1571 1630）卫星运动三定律： 卫星运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与地球的质心重合； 卫星的地心向径，在相同的时间内所扫过的面积相等； 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,椭圆轨道的长半径a 椭圆轨道的偏心率 e 椭圆轨道平面的倾角（轨道平面与地球赤道面的夹角）i 椭圆轨道升交点角（赤经） 椭圆轨道近地点角距 真近点角：f,Kepler六个轨道根数,二体问题基本物理方程 力学方程 运动方程,求解卫星的真近点角f,偏近点角E 平近点角M,开普勒方程， 如何求E?,
3、卫星的瞬时位置,在轨道直角坐标系中卫星的位置,在天球坐标系中卫星的位置,在地球坐标系中卫星的位置,概述 摄动因素包括：地球形状摄动，日、月引力，大气阻力摄动，光压摄动，潮汐摄动等。 摄动的量级：设地球正球引力为1，则其它摄动的量级约为110-3，其中以J2的影响最大。,3.3 卫星的受摄运动,U:位函数 R:摄动位函数,1 地球引力场摄动力的影响,引起轨道平面在空间的旋转 引起近地点在轨道面内旋转 引起平近点角变化,2 日月引力、太阳光压的影响 3 卫星受摄运动对轨道参数的影响,3.4 GPS卫星星历,预报星历（广播星历） 在接收GPS导航定位信号时可同时获得，但是精度较低 通常以卫星轨道根数
4、的方式给出，包括相对于某一参考历元的Kepler轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数 精密星历 通常由GPS服务机构提供（如IGS），精度高，但是往往有一定的时间延迟，适合于GPS数据的后处理应用 通常以地球坐标系（直角坐标）的方式给出,广播星历,广播星历主要参数是：,星历参数详细说明,观测时升交点经度,观测时升交点赤经,观测时GAST,星历中升交点赤经,GPS卫星位置的计算 根据广播星历计算卫星位置 计算思路 首先计算卫星在轨道平面坐标系下的位置 然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-k( )角，求出卫星在地固系下的坐标,轨道平面坐标系,计算过程,计算卫星运行的平均角速度,计算t时刻
5、卫星的平近点角,计算偏近点角,计算真近点角,计算过程（续）,计算升交距角,计算卫星向径,计算摄动改正项,计算卫星在轨道平面坐标系中的位置,计算过程（续）,计算升交点经度,计算卫星在地固坐标系下的坐标,RINEX Navigation File 16 04 2 2 0 0 0.0 1.622177660470D-05-3.410605131650D-13 0.000000000000D+00 2.260000000000D+02 4.093750000000D+00 4.750912180280D-09-3.065364387090D+00 2.440065145490D-07 2.088212
6、058880D-03 6.336718797680D-06 5.153752786640D+03 8.640000000000D+04 8.009374141690D-08 8.074130675150D-01 3.725290298460D-09 9.610307917500D-01 2.563437500000D+02-1.523975627820D+00-7.997833141850D-09 2.121516941120D-10 1.000000000000D+00 1.256000000000D+03 0.000000000000D+00 2.000000000000D+00 0.00
7、0000000000D+00-9.778887033460D-09 7.380000000000D+02 8.639900000000D+04,根据精密星历计算卫星位置 精密星历的特点 按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差 任意时刻t卫星位置的计算 原理：插值法 方法：拉格朗日插值法,精密星历 * 2004 1 15 0 0 0.00000000 P 1 5945.509635 15759.608404 20698.949374 324.533285 P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064 P 3 -
8、10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932 P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805 P 5 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888 P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584 P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094 P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428,思考题1：画图说明Kepler六参数的定义 思考题2：广播星历中的 是什么意义？在卫星坐标的计算中主要是什么作用？,计算题1：计算地球同步轨道卫星的轨道高度？（地球半径取6371km， GM取398600km3/s2） 计算题2：已知卫星轨道参数为： e=0.006784212; a=26560128.937m, M(平近点角)=-0.290282rad; i=0.958512rad, =-2.584194rad; =-1.378360rad t=4h(GAST); GM=3986005*108(m3s-2) 求卫星在地球坐标系中的坐标?,
