GPS原理及其應(yīng)用demo-3

1、GPS原理及其應(yīng)用地理信息系統(tǒng)專業(yè) 20011130103土地資源管理專業(yè) 20019450102三、衛(wèi)星運動基礎(chǔ)及GPS衛(wèi)星星歷3.1 概述人衛(wèi)軌道理論內(nèi)容：研究人造地球衛(wèi)星的軌道特點:需要考慮地球引力的高階項的影響需要同時考慮保守力和非保守力的作用研究內(nèi)容除定軌外，還包括軌道設(shè)計、衛(wèi)星回收等問題作用在衛(wèi)星上的外力地球引力地球質(zhì)心引力(也稱地球中心引力或非攝動力）地球非球形引力(也稱地球形狀攝動力)日、月及其它天體的引力大氣阻力太陽光壓其它作用力（如：地磁、地球潮汐攝動等）衛(wèi)星軌道無攝軌道受攝軌道對軌道的分析研究：由無攝軌道到受攝軌道二體問題：忽略所有攝動力，僅考慮地球質(zhì)心引力研究衛(wèi)星相對于

2、地球的運動3.2 衛(wèi)星的無攝運動開普勒（1571 1630）衛(wèi)星運動三定律：衛(wèi)星運行的軌道是一個橢圓，而該橢圓的一個焦點與地球的質(zhì)心重合；衛(wèi)星的地心向徑，在相同的時間內(nèi)所掃過的面積相等；衛(wèi)星運行周期的平方，與軌道橢圓長半徑的立方之比為一常量橢圓軌道的長半徑a橢圓軌道的偏心率 e橢圓軌道平面的傾角（軌道平面與地球赤道面的夾角）i橢圓軌道升交點角（赤經(jīng)）橢圓軌道近地點角距真近點角：fKepler六個軌道根數(shù)二體問題基本物理方程力學(xué)方程運動方程求解衛(wèi)星的真近點角f偏近點角E平近點角M開普勒方程，如何求E?衛(wèi)星的瞬時位置在軌道直角坐標系中衛(wèi)星的位置在天球坐標系中衛(wèi)星的位置在地球坐標系中衛(wèi)星的位置概述攝

3、動因素包括：地球形狀攝動，日、月引力，大氣阻力攝動，光壓攝動，潮汐攝動等。攝動的量級：設(shè)地球正球引力為1，則其它攝動的量級約為110-3，其中以J2的影響最大。3.3 衛(wèi)星的受攝運動U:位函數(shù)R:攝動位函數(shù)1 地球引力場攝動力的影響引起軌道平面在空間的旋轉(zhuǎn)引起近地點在軌道面內(nèi)旋轉(zhuǎn)引起平近點角變化2 日月引力、太陽光壓的影響3 衛(wèi)星受攝運動對軌道參數(shù)的影響3.4 GPS衛(wèi)星星歷預(yù)報星歷（廣播星歷）在接收GPS導(dǎo)航定位信號時可同時獲得，但是精度較低通常以衛(wèi)星軌道根數(shù)的方式給出，包括相對于某一參考歷元的Kepler軌道參數(shù)和必要的軌道攝動改正項參數(shù)精密星歷通常由GPS服務(wù)機構(gòu)提供（如IGS），精度高

4、，但是往往有一定的時間延遲，適合于GPS數(shù)據(jù)的后處理應(yīng)用通常以地球坐標系（直角坐標）的方式給出廣播星歷廣播星歷主要參數(shù)是：星歷參數(shù)詳細說明觀測時升交點經(jīng)度觀測時升交點赤經(jīng)觀測時GAST星歷中升交點赤經(jīng) GPS衛(wèi)星位置的計算根據(jù)廣播星歷計算衛(wèi)星位置計算思路首先計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系下的位置然后將上述坐標分別繞X軸旋轉(zhuǎn)-i角、繞Z軸旋轉(zhuǎn)-k( )角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標軌道平面坐標系計算過程計算衛(wèi)星運行的平均角速度計算t時刻衛(wèi)星的平近點角計算偏近點角計算真近點角計算過程（續(xù)）計算升交距角計算衛(wèi)星向徑計算攝動改正項計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系中的位置計算過程（續(xù)）計算升交點經(jīng)度計算衛(wèi)星在地固坐標系

5、下的坐標RINEX Navigation File16 04 2 2 0 0 0.0 1.622177660470D-05-3.410605131650D-13 0.0D+00 2.260000000000D+02 4.0D+00 4.750912180280D-09-3.0D+00 2.440065145490D-07 2.0D-03 6.336718797680D-06 5.0D+03 8.640000000000D+04 8.0D-08 8.0D-01 3.725290298460D-09 9.610307917500D-01 2.563437500000D+02-1.523975627

6、820D+00-7.997833141850D-09 2.121516941120D-10 1.0D+00 1.256000000000D+03 0.0D+00 2.0D+00 0.0D+00-9.778887033460D-09 7.380000000000D+02 8.639900000000D+04根據(jù)精密星歷計算衛(wèi)星位置精密星歷的特點按一定時間間隔給出衛(wèi)星在地固坐標系下的三維位置、三維速度和鐘差任意時刻t衛(wèi)星位置的計算原理：插值法方法：拉格朗日插值法精密星歷* 2004 1 15 0 0 0.00000000P 1 5945.509635 15759.608404 20698.9493

7、74 324.533285P 2 1141.101111 22665.359989 14690.489309 -257.156064P 3 -10344.447068 24021.826531 -3968.233325 77.825932P 4 22798.349665 -6520.820872 12310.795279 -43.522805P 5 -12628.924903 -23445.674881 -1192.036791 13.422888P 6 -13958.380086 -7542.103497 21489.237683 -2.952584P 7 18939.291158 -12511.028058 -13257.166627 635.667094P 8 26246.825668 -918.226411 -5165.342142 383.670428思考題1：畫圖說明Kepler六參數(shù)的定義思考題2：廣播星歷中的 是什么意義？在衛(wèi)星坐標的計算中主要是什么作用？計算題1：計算地球同步軌道衛(wèi)星的軌道高度？（地球半徑取6371km，GM取398600km3/s2）計算題2：已知衛(wèi)星軌道參數(shù)為：e=0.006784212; a=2656