第三章-衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)及GPS衛(wèi)星星歷教學(xué)教材

第三章衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)(yùndòng)基礎(chǔ)及GPS衛(wèi)星星歷基本(jīběn)要求：了解影響衛(wèi)星受到的各種力、開普勒定律、衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng)、衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)。掌握描述衛(wèi)星軌道的六個(gè)參數(shù)、GPS衛(wèi)星星歷等基本(jīběn)內(nèi)容。教學(xué)重點(diǎn)：開普勒定律、無(wú)攝衛(wèi)星軌道的六參數(shù)、衛(wèi)星星歷、預(yù)報(bào)星歷、后處理星歷。第一頁(yè)，共21頁(yè)?！?.1概論(gàilùn)一、衛(wèi)星軌道在GPS定位中的意義(yìyì)二、影響衛(wèi)星軌道的因素第二頁(yè)，共21頁(yè)。一、衛(wèi)星軌道(guǐdào)在GPS定位中的意義衛(wèi)星的運(yùn)行(yùnxíng)遵循一般自然天體的運(yùn)行(yùnxíng)規(guī)律。自然天體分為：恒星、行星、衛(wèi)星。利用衛(wèi)星進(jìn)行定位和導(dǎo)航，前提是衛(wèi)星在太空的位置必須事先確定。衛(wèi)星在空間運(yùn)行(yùnxíng)的軌跡稱為衛(wèi)星軌道，而描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)，稱為軌道參數(shù)（軌道根數(shù)）。研究衛(wèi)星軌道參數(shù)是確定衛(wèi)星位置的基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，衛(wèi)星到接收機(jī)的距離越長(zhǎng)，衛(wèi)星軌道誤差對(duì)GPS測(cè)量的精度影響越大。因此，有必要了解有關(guān)衛(wèi)星受到的各種力、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、軌道的描述等基礎(chǔ)知識(shí)。第三頁(yè)，共21頁(yè)。二、影響衛(wèi)星(wèixīng)軌道的因素人造衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)取決于其受到的各種作用力：地球引力，太陽(yáng)、月球?qū)πl(wèi)星的引力，大氣阻力，太陽(yáng)輻射光壓和地球潮汐力等。其中，地球引力是主要的，其數(shù)量級(jí)是其他力的105倍。為研究方便，將以上力分作兩類：中心(zhōngxīn)力攝動(dòng)力第四頁(yè)，共21頁(yè)。衛(wèi)星(wèixīng)受力歸類第一類：假設(shè)地球?yàn)榫|(zhì)球體對(duì)衛(wèi)星(wèixīng)的引力（質(zhì)量集中于球心），稱為中心力，它決定著衛(wèi)星(wèixīng)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律和特征，由中心力決定的軌道可視為理想衛(wèi)星(wèixīng)軌道，是我們分析衛(wèi)星(wèixīng)實(shí)際軌道的基礎(chǔ)。第二類：攝動(dòng)力，也稱為非中心力，它包括地球非中心對(duì)稱的引力場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星(wèixīng)的非中心引力，日月引力，大氣阻力，太陽(yáng)光壓，地球潮汐力等。攝動(dòng)力的作用，使得衛(wèi)星(wèixīng)產(chǎn)生小的附加變化而偏離上述理想軌道。在攝動(dòng)力作用下，衛(wèi)星(wèixīng)的運(yùn)動(dòng)稱為受攝運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的衛(wèi)星(wèixīng)軌道稱為受攝軌道；只考慮地球質(zhì)心引力作用的衛(wèi)星(wèixīng)運(yùn)動(dòng)稱為無(wú)攝運(yùn)動(dòng),相應(yīng)的軌道稱為無(wú)攝運(yùn)動(dòng)軌道。第五頁(yè)，共21頁(yè)?！?.2衛(wèi)星(wèixīng)的無(wú)攝運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的開普勒定律(dìnglǜ)無(wú)攝衛(wèi)星軌道的參數(shù)第六頁(yè)，共21頁(yè)。一、開普勒定律(dìnglǜ)開普勒其人開普勒（1571-1630年）是德國(guó)近代著名的天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和哲學(xué)家。1571年12月27日，開普勒出生在德國(guó)威爾的一個(gè)貧民家庭。開普勒是一個(gè)早產(chǎn)兒，體質(zhì)很差。他四歲時(shí)患上了天花和猩紅熱，雖僥幸死里逃生，身體卻受到了嚴(yán)重的摧殘，視力衰弱，一只手半殘。但開普勒身上有一種頑強(qiáng)的進(jìn)取精神。他放學(xué)后要幫助父母料理酒店，但一直堅(jiān)持努力學(xué)習(xí)，成績(jī)一直名列前茅。

他1587年進(jìn)入蒂賓根大學(xué)，在校中遇到秘密宣傳哥白尼學(xué)說(shuō)的天文學(xué)教授麥斯特林。在他的影響下，很快成為哥白尼學(xué)說(shuō)的忠實(shí)維護(hù)者。大學(xué)畢業(yè)后，開普勒獲得了天文學(xué)碩士的學(xué)位，被聘請(qǐng)到格拉茨新教神學(xué)院擔(dān)任教師。后來(lái)離開學(xué)院，成了丹麥著名天文學(xué)家第谷(TychoBrahe)的學(xué)生和繼承人，他與意大利的伽利略(Galileo)是同時(shí)代的兩位巨人。開普勒從理論的高度上對(duì)哥白尼學(xué)說(shuō)作了科學(xué)論證，使它更加提高了一大步。他所發(fā)現(xiàn)的行星運(yùn)動(dòng)定律“改變了整個(gè)天文學(xué)”，為后來(lái)牛頓(IsaacNewton)發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律奠定了基礎(chǔ)。開普勒也被后人贊譽(yù)為“天空(tiānkōng)的立法者”。開普勒根據(jù)第谷畢生觀測(cè)所留下的寶貴資料，孜孜不倦地對(duì)行星運(yùn)動(dòng)進(jìn)行深入的研究，提出了行星運(yùn)動(dòng)三定律。第七頁(yè)，共21頁(yè)。一、開普勒定律(dìnglǜ)古人認(rèn)為天體的運(yùn)動(dòng)是最完美、和諧的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。開普勒首先對(duì)天體的勻速圓周運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)提出懷疑。各行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)和月球繞地球運(yùn)動(dòng)都遵循（行星）開普勒定律，人造地球衛(wèi)星在地球引力的作用下，亦服從開普勒三定律。1、開普勒第一定律（橢圓定律）衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道(guǐdào)為一橢圓，而且該橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)與地球的質(zhì)心重合。第八頁(yè)，共21頁(yè)。2、開普勒第二定律（面積定律）衛(wèi)星的地心向徑（即地球質(zhì)心與衛(wèi)星質(zhì)心間的距離(jùlí)向量），在相同的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積相等。用公式表示為：SAB=SCD=SEK或者：衛(wèi)星在其軌道上的運(yùn)動(dòng)速度是不斷變化的，在近地點(diǎn)處速度最快，在遠(yuǎn)地點(diǎn)處速度最慢。第九頁(yè)，共21頁(yè)。3、開普勒第三定律（調(diào)和定律）衛(wèi)星繞地球一圈時(shí)間的平方和衛(wèi)星橢圓軌道的長(zhǎng)半軸的立方成正比。用公式表示為：

其中a=衛(wèi)星公轉(zhuǎn)(gōngzhuàn)軌道半長(zhǎng)軸、T=衛(wèi)星公轉(zhuǎn)(gōngzhuàn)周期、K=常數(shù)

第十頁(yè)，共21頁(yè)。思考(sīkǎo)：1、衛(wèi)星在太空中運(yùn)行，受到那些力的作用？這些力按照(ànzhào)對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行軌道影響程度的大小，可作怎么的劃分？2、敘述衛(wèi)星運(yùn)行的開普勒定律。第十一頁(yè)，共21頁(yè)。二、無(wú)攝衛(wèi)星(wèixīng)軌道的參數(shù)

衛(wèi)星繞地球質(zhì)心(zhìxīn)(以其為一個(gè)焦點(diǎn))作橢圓形軌道運(yùn)動(dòng)，要確定該軌道的大小、位置、方向和衛(wèi)星的位置，需要以下六個(gè)參數(shù)：a——軌道橢圓的長(zhǎng)半軸e——軌道橢圓的偏心率確定了衛(wèi)星軌道的大小和形狀重要概念：升交點(diǎn)（N）：衛(wèi)星(wèixīng)s從南向北運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)地球赤道面時(shí)，與赤道面的交點(diǎn)。近地點(diǎn)（P）第十二頁(yè)，共21頁(yè)。Ω——升交點(diǎn)赤徑，即地球赤道平面上，升交點(diǎn)N與春分點(diǎn)之間的地心夾角。ｉ——軌道(guǐdào)面傾角，即衛(wèi)星軌道(guǐdào)平面與地球赤道平面之間的夾角。！以上兩個(gè)參數(shù)，唯一確定了衛(wèi)星軌道(guǐdào)平面與地球體之間的相對(duì)定向。第十三頁(yè)，共21頁(yè)。ｗ——近地點(diǎn)角距，即在軌道平面上近地點(diǎn)P與升交點(diǎn)N間的地心角距。！用以確定衛(wèi)星軌道在軌道面上的位置(wèizhi)。ｖ（或f）——衛(wèi)星的真近點(diǎn)角，即在軌道平面上，衛(wèi)星與近地點(diǎn)p間的地心角距。！用來(lái)確定衛(wèi)星在軌道上的位置(wèizhi)。第十四頁(yè)，共21頁(yè)。（a,e,Ω,ｉ,ｗ,ｖ）即為確定衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的開普勒軌道參數(shù)，也叫軌道根數(shù)。其中(qízhōng)前五個(gè)參數(shù)，由衛(wèi)星的發(fā)射條件決定。ｖ是時(shí)間的函數(shù)。已知了以上軌道參數(shù)，就能確定任意時(shí)刻衛(wèi)星的位置。第十五頁(yè)，共21頁(yè)?！?.3GPS衛(wèi)星(wèixīng)星歷衛(wèi)星星歷(xīnɡlì)的定義預(yù)報(bào)星歷(xīnɡlì)后處理星歷(xīnɡlì)第十六頁(yè)，共21頁(yè)。一、定義(dìngyì)衛(wèi)星星歷，是描述有關(guān)衛(wèi)星軌道(guǐdào)的信息。主要由一組對(duì)應(yīng)某一時(shí)刻（參考星歷）的軌道(guǐdào)參數(shù)及其變率組成。利用GPS工作，就是根據(jù)已知的衛(wèi)星軌道(guǐdào)信息（可據(jù)此求出衛(wèi)星在天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，再轉(zhuǎn)換為WGS84坐標(biāo)）和用戶觀測(cè)資料（測(cè)距碼或載波相位等信息），通過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)定位和導(dǎo)航的。GPS衛(wèi)星星歷包括預(yù)報(bào)星歷和后處理星歷兩種。第十七頁(yè)，共21頁(yè)。二、預(yù)報(bào)(yùbào)星歷由美國(guó)地面控制中心通過(guò)GPS衛(wèi)星廣播給用戶的，因此也叫廣播星歷(xīnɡlì)。通常包括相對(duì)某一參考?xì)v元的開普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝動(dòng)項(xiàng)改正參數(shù)。參考?xì)v元的衛(wèi)星開普勒軌道參數(shù)，叫做參考星歷(xīnɡlì)，它是根據(jù)美國(guó)各GPS監(jiān)測(cè)站約一周的觀測(cè)資料推算的，實(shí)際上，衛(wèi)星星歷(xīnɡlì)上的參考星歷(xīnɡlì)是實(shí)時(shí)更新的，以確保星歷(xīnɡlì)的精確度。參考?xì)v元一般取每周周日子夜零時(shí)零分。廣播星歷(xīnɡlì)參數(shù)共16個(gè)，其中包括1個(gè)參考時(shí)刻（歷元），6個(gè)軌道參數(shù)，9個(gè)反映軌道攝動(dòng)力影響的參數(shù)。廣播星歷(xīnɡlì)=參考?xì)v元的軌道參數(shù)（參考星歷(xīnɡlì)）+參考?xì)v元到觀測(cè)歷元的各參數(shù)的改正數(shù)第十八頁(yè)，共21頁(yè)。要求了解16個(gè)參數(shù)的意義(yìyì)。衛(wèi)星星歷是通過(guò)兩種波碼傳播的：C/A碼和P碼。C/A碼星歷精度約數(shù)十米，P碼星歷約幾米。第十九頁(yè)，共21頁(yè)。三、后處理星歷(xīnɡlì)是一些國(guó)家(加拿大、澳大利亞等)根據(jù)各自建立的衛(wèi)星跟蹤站所獲取的對(duì)GPS衛(wèi)星的精密觀測(cè)資料，計(jì)算出的衛(wèi)星星歷。它是在觀測(cè)發(fā)生后，向用戶提供的觀測(cè)時(shí)段的衛(wèi)星星歷，因