第三章衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)及GPS衛(wèi)星星歷3.2GPS衛(wèi)星的無攝運(yùn)動(dòng)3.3GPS衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)3.4GPS衛(wèi)星星歷3.1GPS衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)概論第三章衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)及GPS衛(wèi)星星歷3.2GPS衛(wèi)3.1衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)概論1.作用在衛(wèi)星上的力作用在衛(wèi)星上的力衛(wèi)星軌道軌道理論地球引力（1）：地球正球（質(zhì)點(diǎn)）的引力人衛(wèi)理論軌道人衛(wèi)正常軌道理論（二體問題）攝動(dòng)力地球引力（2）：形狀攝動(dòng)力日、月引力大氣阻力光壓力其它作用力軌道攝動(dòng)人衛(wèi)正常攝動(dòng)理論總和人衛(wèi)真實(shí)軌道人衛(wèi)軌道理論3.1衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)概論1.作用在衛(wèi)星上的力作用在衛(wèi)星上的力衛(wèi)星3.1衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)概論3.1衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)概論3.1衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)概論二體問題：研究兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)在萬有引力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律問題稱為二體問題。衛(wèi)星軌道：衛(wèi)星在空間運(yùn)行的軌跡稱為衛(wèi)星軌道。衛(wèi)星軌道參數(shù)：描述衛(wèi)星軌道狀態(tài)和位置的參數(shù)稱為軌道參數(shù)。無攝運(yùn)動(dòng)：僅考慮地球質(zhì)心引力作用的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)稱為無攝運(yùn)動(dòng)。無攝軌道：無攝運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星軌道稱為無攝軌道。2.與衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)有關(guān)的幾個(gè)概念3.1衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)概論二體問題：研究兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)在萬有引力作用下的3.1衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)概論3衛(wèi)星運(yùn)行軌道的分析步驟首先，在理想的地球引力場(chǎng)下，只考慮地球質(zhì)心引力作用下，研究衛(wèi)星的無攝運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并描述衛(wèi)星軌道的基本特征其次，研究各種攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的影響，并對(duì)衛(wèi)星的無攝軌道加以修正，確定衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的瞬時(shí)特征3.1衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)概論3衛(wèi)星運(yùn)行軌道的分析步驟首先，在理想的第三章衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)衛(wèi)星星歷ppt課件3.2衛(wèi)星的無攝運(yùn)動(dòng)1衛(wèi)星無攝運(yùn)動(dòng)的理論基礎(chǔ)（1）牛頓萬有引力定律：二體問題（2）衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的開普勒定律：無攝運(yùn)動(dòng)開普勒第一定律衛(wèi)星運(yùn)行的軌道是一個(gè)橢圓，而橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)和地球的質(zhì)心相重合3.2衛(wèi)星的無攝運(yùn)動(dòng)1衛(wèi)星無攝運(yùn)動(dòng)的理論基礎(chǔ)（1）牛頓3.2衛(wèi)星的無攝運(yùn)動(dòng)1衛(wèi)星無攝運(yùn)動(dòng)的理論基礎(chǔ)開普勒第二定律衛(wèi)星的地心向徑，即地球的質(zhì)心與衛(wèi)星質(zhì)心間的距離向量，在相同的時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等開普勒第三定律衛(wèi)星運(yùn)行周期的平方，與軌道橢圓長半徑的立方之比為一常量，該常量等于地球引力常數(shù)的倒數(shù)3.2衛(wèi)星的無攝運(yùn)動(dòng)1衛(wèi)星無攝運(yùn)動(dòng)的理論基礎(chǔ)開普勒第二衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的開普勒定律開普勒第一定律開普勒第三定律開普勒第二定律衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的開普勒定律開普勒第一定律開普勒第三定律開普勒第二定3.2衛(wèi)星的無攝運(yùn)動(dòng)2衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)參數(shù)英文名稱中文名稱符號(hào)意義Inclinationoforbitalplane軌道平面傾角i決定軌道平面的空間位置Rightascensionoftheascendingnode升交點(diǎn)赤經(jīng)ΩSemi-majoraxisoforbitalellipse軌道橢圓的長半徑a決定軌道橢圓的大小Nunerialeccentricityofellipse軌道橢圓的偏心率e決定軌道橢圓的形狀A(yù)rgumentofperigee近地點(diǎn)角距（幅角）ω決定近地點(diǎn)在軌道橢圓上的位置Meananomaly平近點(diǎn)角M衛(wèi)星以平均角速度n0運(yùn)行的角度3.2衛(wèi)星的無攝運(yùn)動(dòng)2衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)參數(shù)英文名稱中文名稱符號(hào)在圖3-1中所示的二體問題中，依據(jù)萬有引力定律可知，地球O作用于衛(wèi)星S上的引力F為：（3-1）式中：G——萬有引力常數(shù)，

G=(6672±4.1)×10-14N·m2/kg2；

M,m——地球和衛(wèi)星的質(zhì)量；

r——衛(wèi)星的在軌位置矢量。由牛頓第二定律可知，衛(wèi)星與地球的運(yùn)動(dòng)方程：（3-2）3.2衛(wèi)星的無攝運(yùn)動(dòng)3衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的二體運(yùn)動(dòng)地球重力在圖3-1中所示的二體問題中，依據(jù)萬有引力定律可知，3.2

設(shè)為衛(wèi)星S相對(duì)于O的加速度，則：

（3-3）由于M遠(yuǎn)大于m，通常不考慮m的影響，則有：（3-4）取地球引力常數(shù)μ=GM=1，此時(shí)（3-4）式可寫成為：（3-5）設(shè)以O(shè)為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系為O-XYZ，S點(diǎn)的坐標(biāo)為（X，Y，Z），則衛(wèi)星S的地心向徑r=（X，Y，Z），加速度，

3衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的二體運(yùn)動(dòng)設(shè)為衛(wèi)星S相對(duì)于O的加速度，則：3衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的二體運(yùn)3衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的二體運(yùn)動(dòng)（3-6）（3-7）代入（3-4）得二體問題的運(yùn)動(dòng)方程：式(3-6)方程解的一般形式為：3衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的二體運(yùn)動(dòng)（3-6）（3-7）代入（3-4）得二4二體問題微分方程的解1、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道平面方程直接由微分方程（3-6）求積分，可得衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道平面方程：（3-8）式中，X,Y,Z是衛(wèi)星在地心天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，A、B、C為待定積分常數(shù)

（3-9）2、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道方程衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道方程為：（3-10）由于，所以（3-10）式可以真近點(diǎn)角V表示：（3-11）

另外由二體運(yùn)動(dòng)的微分方程可求出常用的表示衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度U的活力積分：（3-12）

4二體問題微分方程的解1、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道平面方程衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)參數(shù)Ω

：升交點(diǎn)赤經(jīng)i：軌道面傾角a：衛(wèi)星軌道橢圓長半軸e：衛(wèi)星軌道橢圓離心率ω

：近地點(diǎn)角距f：真近點(diǎn)角，隨時(shí)間變化衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)參數(shù)Ω：升交點(diǎn)赤經(jīng)i：軌道面傾角a：衛(wèi)星軌第三章衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)衛(wèi)星星歷ppt課件5真近點(diǎn)角的計(jì)算

在衛(wèi)星的無攝運(yùn)動(dòng)中，6個(gè)軌道參數(shù)中只有真近點(diǎn)角是時(shí)間的函數(shù)，為了計(jì)算衛(wèi)星的瞬時(shí)位置，需計(jì)算出衛(wèi)星的真近點(diǎn)角輔助參數(shù)偏近點(diǎn)角E平近點(diǎn)角在軌道上的天體現(xiàn)在的位置投影在垂直于橢圓半長軸的外接圓上，并從橢圓的中心量度和近拱點(diǎn)（periapsis）方向之間的角度相對(duì)于參考時(shí)刻，在觀測(cè)時(shí)刻t，衛(wèi)星以平均角速度n繞地心在軌道平面上轉(zhuǎn)過的角度M5真近點(diǎn)角的計(jì)算在衛(wèi)星的無攝運(yùn)動(dòng)中，6個(gè)軌道真近點(diǎn)角和偏近點(diǎn)角

真近點(diǎn)角f

偏近點(diǎn)角Eraae

平近點(diǎn)角Mb平近點(diǎn)角真近點(diǎn)角偏近點(diǎn)角5真近點(diǎn)角的計(jì)算真近點(diǎn)角和偏近點(diǎn)角真近點(diǎn)角f偏近點(diǎn)角Eraae平近平近點(diǎn)角真近點(diǎn)角和偏近點(diǎn)角的關(guān)系平近點(diǎn)角和偏近點(diǎn)角的關(guān)系平近點(diǎn)角真近點(diǎn)角和偏近點(diǎn)角的關(guān)系平近點(diǎn)角和偏近點(diǎn)角的關(guān)系5真近點(diǎn)角的計(jì)算迭代法直到前后兩次的差小于某一預(yù)先設(shè)定的微小量為止5真近點(diǎn)角的計(jì)算迭代法直到前后兩次的差小于某一預(yù)先設(shè)定3.3GPS衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)受攝運(yùn)動(dòng)：在攝動(dòng)力影響下衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)攝動(dòng)力：

1地球幾何形狀非真球體以及質(zhì)量非均勻分布而引起的非中心引力

2月球和太陽的引力

3太陽的輻射壓力

4大氣阻力

5地球潮汐的作用力3.3GPS衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)受攝運(yùn)動(dòng)：攝動(dòng)力：3.3GPS衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)地球攝動(dòng)力影響1軌道平面在空間的旋轉(zhuǎn)2近地點(diǎn)在軌道平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)3平近地點(diǎn)角發(fā)生變化太陽光壓的影響日月引力的影響3.3GPS衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)地球攝動(dòng)力影響1軌道3.4GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷：

是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的信息。也可以說衛(wèi)星星歷就是一組對(duì)應(yīng)某一時(shí)刻的軌道根數(shù)及其變率。GPS衛(wèi)星星歷分為預(yù)報(bào)星歷和后處理星歷。預(yù)報(bào)星歷：

又叫廣播星歷。通常包括相對(duì)某一參考?xì)v元的開普勒軌道根數(shù)和必要的軌道攝動(dòng)改正項(xiàng)參數(shù)。后處理星歷：

是一些國家某些部門，根據(jù)各自建立的衛(wèi)星跟蹤站所獲得對(duì)GPS衛(wèi)星的精密觀測(cè)資料，采用確定廣播星歷相似的方法而計(jì)算以前任一觀測(cè)時(shí)刻的衛(wèi)星星歷。

參考星歷：

相應(yīng)參考?xì)v元的衛(wèi)星開普勒軌道根數(shù)也叫參考星歷。3.4GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷：GPS衛(wèi)星星歷傳送方式：

（1）C/A碼星歷，其中星歷精度為數(shù)十米。（2）P碼星歷，精度提高到5m左右。GPS衛(wèi)星星歷參數(shù)：

參數(shù)個(gè)數(shù)：16

參數(shù)分類：

參考?xì)v元1

開普勒軌道參數(shù)6

攝動(dòng)改正參數(shù)93.4GPS衛(wèi)星星歷GPS衛(wèi)星星歷傳送方式：GPS衛(wèi)星星歷參數(shù)：3.3.4GPS衛(wèi)星星歷GPS衛(wèi)星廣播星歷預(yù)報(bào)參數(shù)及其定義如下：（參見SNR/8000用戶手冊(cè)）toe——星歷表參考?xì)v元（秒），IODE（AODE）——星歷表數(shù)據(jù)齡期（N），M0——按參考?xì)v元toe計(jì)算的平近點(diǎn)角（弧度），△N——衛(wèi)星平均角速度的攝動(dòng)改正數(shù)（弧度），e——軌道偏心率，——軌道長半徑的平均根（0.5m），Ω0——按參考?xì)v元toe計(jì)算的升交點(diǎn)赤經(jīng)（弧度），i0——按參考?xì)v元toe計(jì)算的軌道傾角（弧度），ω——近地點(diǎn)角距（弧度），——軌道傾角的變化率（弧度/秒）Cuc——緯度幅角的余弦調(diào)和項(xiàng)改正的振幅（弧度），Cus——緯度幅角正弦調(diào)和項(xiàng)改正的振幅（弧度），

3.4GPS衛(wèi)星星歷GPS衛(wèi)星廣播星歷預(yù)報(bào)參數(shù)及其定義如3.4GPS衛(wèi)星星歷Crc——軌道半徑的余弦調(diào)和項(xiàng)改正的振幅（米），Crs——軌道半徑的正弦調(diào)和項(xiàng)改正的振幅（米），Cic——道傾角的余弦調(diào)角和項(xiàng)改正的振幅（弧度），Cis——軌道傾角的正弦調(diào)角和項(xiàng)改正的振幅（弧度），GPD——周數(shù)（周），Tgd——電離層延遲改正（秒），IODC——星鐘的數(shù)據(jù)齡期（N），ɑ0——衛(wèi)星鐘差（秒）——時(shí)間偏差，ɑ1——衛(wèi)星鐘速（秒/秒）——頻率偏差系數(shù)，ɑ2——衛(wèi)星鐘速變率（秒/秒2）——漂移系數(shù)，衛(wèi)星精度——（N），衛(wèi)星健康——（N）。其中△n中包括了軌道根數(shù)W?！鱪中主要是二階帶諧項(xiàng)引起的W的長期漂移，包括了日、月引力攝動(dòng)和太陽光壓攝動(dòng)。在Ω中主要是二階帶諧項(xiàng)引起Ω的長期漂移，也包括了極移的影響。3.4GPS衛(wèi)星星歷Crc——軌道半徑的余弦調(diào)和項(xiàng)改正的第三章