第3章衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)與軌道計(jì)算

1、第3章 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)與軌道計(jì)算中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）基本概念u衛(wèi)星軌道 定義:衛(wèi)星運(yùn)行軌道 衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)原于牛頓引力理論u引力特點(diǎn) 引力作用距離遠(yuǎn) 引力與物體間介質(zhì)無(wú)關(guān) 引力傳播瞬息即至，無(wú)傳播速度u衛(wèi)星運(yùn)動(dòng) 二體運(yùn)動(dòng)：只研究二個(gè)天體的作用 限制二體運(yùn)動(dòng)：不考慮被吸引物體質(zhì)量被吸引體在引力作用運(yùn)動(dòng)狀態(tài)研究思路u將地球作為均質(zhì)球體，質(zhì)量集中在質(zhì)心（中心力）對(duì)衛(wèi)星的引力，求衛(wèi)星運(yùn)行的理想軌道u再考慮攝動(dòng)力（非中心力）對(duì)衛(wèi)星軌道的影響 地球非對(duì)稱作用力 日、月阻力 光輻射壓力 地球海水潮汐，固體潮汐天體力學(xué)的理論基礎(chǔ)u牛頓萬(wàn)有引力定律u開(kāi)普勒三大定律牛頓萬(wàn)有引力定律開(kāi)普勒三大定律衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)微分方程u根據(jù)

2、牛頓萬(wàn)有引力定律u其中： G為引力常數(shù)，M為地球質(zhì)量， m為衛(wèi)星質(zhì)量，r為衛(wèi)星的地心向徑u衛(wèi)星的質(zhì)量m相對(duì)地球的質(zhì)量M可以忽略，于是有u令K=GM，上式也可以表示為：2230d rrKdtr開(kāi)普勒第一定律u在中心力場(chǎng)作用下，衛(wèi)星繞地球運(yùn)行，軌道面是過(guò)地球質(zhì)心平面，衛(wèi)星運(yùn)行軌道是橢圓，地球質(zhì)心在橢圓一個(gè)焦點(diǎn)上。u上式積分后得面積積分u 為積分常數(shù)，垂直于運(yùn)動(dòng)平面u證明二體運(yùn)動(dòng)是平面運(yùn)動(dòng)22322221()00d rrkrrdtrd rdrdrd rddrdrrrrvdtdtdtdtdtdtdt rvhh開(kāi)普勒第二定律u衛(wèi)星質(zhì)心與地球質(zhì)心的向量，在相同時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積相等積分得：2111222ds

3、ddrr rhdtdtdt211()2Sh ttdP(t)()p tt衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道方程橢圓軌道參數(shù)a：長(zhǎng)半軸；b：短半軸c：焦點(diǎn)與橢圓中心間距e：偏心率；p：焦參數(shù)222abc21bae2(1)pae0,1pre1preprc0r衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道方程u衛(wèi)星軌道方程： u 討論：ue=0, r=p 即a=b, 軌道為圓ue302400s時(shí)，應(yīng)減去604800s；當(dāng) RINEX RINEX格式格式 文件格式說(shuō)明文件格式說(shuō)明精密星歷IGS簡(jiǎn)介uIGS是一個(gè)國(guó)際性服務(wù)組織，由國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)IAG于19921993年籌建，1994年正式成立，原稱“International Global Position

4、ing System (GPS) Service for Geodynamics (IGS)”，1999年1月1日改名為“International GPS Service (IGS)”, 其目的是為大地測(cè)量和地球物理研究活動(dòng)提供觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品支持和服務(wù)。uIGS的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品是通過(guò)分布于全球的380個(gè)GPS永久跟蹤站(2004年11月24日，圖2.3.22)，其內(nèi)容是：GPS衛(wèi)星精密星歷、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、IGS跟蹤站在ITRF框架下的坐標(biāo)及速度、GPS衛(wèi)星和IGS跟蹤站鐘差信息、電離層信息、對(duì)流層信息。全球IGS站/network/al

5、lmaps.html我國(guó)大陸的IGS站u我國(guó)大陸的IGS站有wuhn(武漢)、bjfs(北京)、shao(上海)、xian(西安)、lhas(拉薩)、kumn(昆明)、urum(烏魯木齊) 。精密星歷格式u SP3格式u定義 Standard Product #3 一種精密星歷格式，IGS精密星歷采用此格式u歷史 1985年美國(guó)NGS（National Geodetic Survey）公布SP1、ECF1、SP2、ECF2 1989年加入EF13 以上格式均未考慮衛(wèi)星鐘信息 1989年提出SP3、ECF3和EF18，1991年正式發(fā)布精密星歷格式u存儲(chǔ)方式 ASCIIu內(nèi)容 精密星歷（每隔15

6、分鐘給出1個(gè)衛(wèi)星的位置，有時(shí)還給出衛(wèi)星的速度）u特點(diǎn) 提供精密星歷精密星歷格式u命名規(guī)則u命名方法： 8+3文件名u命名規(guī)則u例：igs11065.sp3(.Z)，igr11065.sp3(.Z)tttwwwwd.sp3精密星歷的類(lèi)型GPS周星期0：星期日16：星期一 星期六總為sp3精密星歷格式u文件結(jié)構(gòu) 命名方法： 8+3文件名 命名規(guī)則 例：igs11065.sp3(.Z)，igr11065.sp3(.Z)tttwwwwd.sp3精密星歷的精密星歷的類(lèi)型類(lèi)型GPS周周星期星期0：星期日：星期日16：星期一：星期一 星期六星期六總為總為sp3精密星歷格式u文件格式說(shuō)明 參見(jiàn)：ftp:/ig

7、/pub/data/format/sp3_docu.txtu內(nèi)容文件格式說(shuō)明u參見(jiàn)：/pub/data/format/sp3_docu.txtu內(nèi)容#aP2001 3 18 0 0 0.00000000 96 ORBIT IGS97 HLM IGS# 1106 0.00000000 900.00000000 51986 0.0000000000000+ 28 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 14 17 18 19 20+ 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0 0

8、0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 4 5 5 5 4 5 5 4 5 4 5 5 5 5 5 5 4+ 5 5 5 4 4 4 4 7 5 4 4 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%c cc cc ccc

9、ccc cccc cccc cccc cccc ccccc ccccc ccccc ccccc%c cc cc ccc ccc cccc cccc cccc cccc ccccc ccccc ccccc ccccc%f 0.0000000 0.000000000 0.00000000000 0.000000000000000%f 0.0000000 0.000000000 0.00000000000 0.000000000000000%i 0 0 0 0 0 0 0 0 0%i 0 0 0 0 0 0 0 0 0/* RAPID ORBIT COMBINATION FROM WEIGHTED

10、AVERAGE OF: /* cod emr esa gfz igu jpl ngs sio usn /* REFERENCED TO GPS CLOCK AND TO WEIGHTED MEAN POLE: /* CLK ANT Z-OFFSET (M): II/IIA 1.023; IIR 0.000 * 2001 3 18 0 0 0.00000000P 1 1137.662333 24450.419935 10434.025839 168.957503P 2 22554.164846 6701.404774 -12156.548088 -354.131603P 3 -12835.803

11、249 19823.526060 12033.738279 12.655252P 4 26036.203647 -5147.508988 -2778.935922 693.981565P 5 -8981.105708 -20915.047563 -13823.748269 291.406843P 6 -7243.996679 -19828.275194 16147.726225 -0.315725P 7 15634.362803 -542.356344 -21103.968489 578.771698文件頭文件頭文件體文件體文件格式說(shuō)明u內(nèi)容#aP2001 3 18 0 0 0.0000000

12、0 96 ORBIT IGS97 HLM IGS# 1106 0.00000000 900.00000000 51986 0.0000000000000+ 28 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 14 17 18 19 20+ 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 4 5 5 5 4 5 5 4 5 4 5 5 5

13、 5 5 5 4+ 5 5 5 4 4 4 4 7 5 4 4 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%c cc cc ccc ccc cccc cccc cccc cccc ccccc ccccc ccccc ccccc%c cc cc ccc ccc cccc cccc cccc cccc ccccc ccccc ccccc ccccc%f 0.0000000 0.000000000 0.00000

14、000000 0.000000000000000%f 0.0000000 0.000000000 0.00000000000 0.000000000000000%i 0 0 0 0 0 0 0 0 0%i 0 0 0 0 0 0 0 0 0/* RAPID ORBIT COMBINATION FROM WEIGHTED AVERAGE OF: /* cod emr esa gfz igu jpl ngs sio usn /* REFERENCED TO GPS CLOCK AND TO WEIGHTED MEAN POLE: /* CLK ANT Z-OFFSET (M): II/IIA 1.

15、023; IIR 0.000 * 2001 3 18 0 0 0.00000000P 1 1137.662333 24450.419935 10434.025839 168.957503P 2 22554.164846 6701.404774 -12156.548088 -354.131603P 3 -12835.803249 19823.526060 12033.738279 12.655252P 4 26036.203647 -5147.508988 -2778.935922 693.981565P 5 -8981.105708 -20915.047563 -13823.748269 29

16、1.406843P 6 -7243.996679 -19828.275194 16147.726225 -0.315725P 7 15634.362803 -542.356344 -21103.968489 578.771698文件頭文件頭文件體文件體軌道內(nèi)插u常用內(nèi)插方法 如拉格朗日多項(xiàng)式內(nèi)插（Lagrange Polynomial Interpolation） 三次樣條內(nèi)插（Cubic Spline Interpolation） 三角多項(xiàng)式內(nèi)插（Trigonometric Polynomial Interpolation） 切比雪夫多項(xiàng)式內(nèi)插（Tshebyshev Polynomial I

17、nterpolation）軌道內(nèi)插u拉格朗日多項(xiàng)式內(nèi)插數(shù)據(jù)文件下載u下載數(shù)據(jù)文件/pub /pub/gps/gpsdataftp:/igs.ensg.ign.fr/pub/igs/ /pub/product/u觀測(cè)值文件：RINEX O文件u星歷文件: RINEX N文件u文件目錄結(jié)構(gòu)： 類(lèi)型type, 年year, 年積日day of year, 周GPS week, 周天day of week, 站名標(biāo)識(shí)site ID數(shù)據(jù)文件下載觀測(cè)值文件命名規(guī)則：ssssdddf.yyD.Z, ssssdddf.yyO.Z (/pub/rinex/)星歷文件命名規(guī)則：ssssdddf.yyN.Z (/pub/nav/)全球星歷文件命名規(guī)則：brdcdddf.yyN.Z (ftp:/cdd