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1、1第三章 卫星运动的基础知识与GPS 卫星信号第一部分:卫星的无摄运动与受摄运动一、卫星的无摄运动 卫星运动不仅受地心引力的作用,而且还受到非地心引力、日月引力、行星引力、太阳光压、地球潮汐、大气阻力等影响。除地心引力外的其它作用力称为摄动力。只考虑地心引力的卫星运动叫无摄运动,考虑其它作用力的卫星运动叫受摄运动。21、卫星运动的开普勒定律第一定律:卫星轨道是椭圆,一个焦点是地心。asbsMms近地点 远地点fs3第二定律:卫星与地心连线在相同时间内扫过的面积相等。卫星速度的变化4第三定律:卫星运行的周期平方与轨道长半径立方成比例。52、无摄运动的轨道参数F 轨道形状与大小:轨道长半径as;偏
2、心率es;F 轨道平面与地球体之间的相对定向:升交点赤经;轨道面倾角i。F 轨道椭圆在轨道平面上的定向:近地点角距;F 卫星在轨道平面上的位置:真近点角fs(变量);F 辅助参数平近点角Ms和偏近点角Es。67F F偏近点角Es8Ms=n(t-t0)t 是观测时刻,t0 是过近地点的时刻。A 平近点角93、偏近点角与真近点角的计算偏近点角:Es=Ms+es.sinEs真近点角:104、无摄卫星位置计算在轨道直角坐标系中的位置:卫星在天球坐标系和地球坐标系中的位置通过坐标系的转换求得。但在转换前需加摄动改正。11在轨道直角坐标系中卫星的位置:取直角坐标系的原点与地球质心相重合,xs轴指向升交点、
3、zs轴垂直于轨道平面向上,ys轴在轨道平面上垂直于xs轴构成右手系,则卫星在任意时刻的坐标为:12在地球坐标系中卫星的位置 在轨道平面直角坐标系中只确定了卫星在轨道平面上的位置,而轨道平面与地球体的相对定向尚需由轨道参数、i 和us确定。地球坐标系(x,y,z)与轨道坐标系(xs,ys,zs)具有相同的原点,差别在于坐标系的定向不同,为此需将轨道坐标系作如下旋转:绕xs轴顺转角度i,使zs轴与z轴重合。绕zs轴顺转角度,使x轴与xs轴重合。13z0本初子午面与赤道交点14用旋转矩阵表示如下:15考虑极移的影响,最后得到在协议地球坐标系中的空间直角坐标16二、卫星的受摄运动受摄运动的卫星位置是在
4、无摄位置的基础上加相应的改正数求得。1、地球赤道隆起的影响1)引起升交点赤经变化,变率;2)引起近地点角距变化,变率;3)引起平近点角M 变化,变率M 或n 或n;2.太阳和月亮摄动影响 由于太阳很远,其影响较小。月亮的影响是主要因素。此外,太阳、月亮引起的潮汐改变了地球内部物质的分布,不过是很小的。3.太阳辐射压摄动影响太阳光子对卫星的作用引起扰动加速度,其大小取决于卫星质量和光照面积的大小。当卫星位于阴影区时,该项影响为零。另外,还有大气阻力摄动、地球固体潮和海潮摄动等的影响,对GPS 卫星而言,他们的影响较小。17三、GPS卫星星历 卫星星历是描述卫星运行轨道的参数,分预报星历和后处理星
5、历。1、预报星历 由卫星向用户播发。可用于实时定位。内容:分三部分,开普勒六参数、轨道摄动九参数、时间二参数。预报星历的内容:预报星历的内容:1 1)开普勒六参数)开普勒六参数 A A0.5 0.5,e,i,e,i0 0,s,s,0 0,M,M0 0,0 0 星期日子夜零时的格林威治子午面与参考时刻 星期日子夜零时的格林威治子午面与参考时刻t toe oe时的升交点所 时的升交点所在子午面之间的夹角。在子午面之间的夹角。182)轨道摄动九参数3)时间二参数toe星期日子夜零时起算的星历参考时刻。取值范围:0604800s。AODE数据龄期,即用于推算星历的监测站观测数据的最后观测时刻tL到to
6、e的时间间隔,AODE=toe-tL。4)卫星钟差改正参数:ts=a0+a1(t-toC)+a2(t-toC)2toC星钟参考时刻。5)GPD星期数,取值范围01024,19202、后处理星历 为了满足大地测量学和地球动力学对高精度定位的要求,一些国家的有关部门,根据各自建立的GPS卫星跟踪站所获得的GPS卫星精密观测资料,采用确定预报星历的相似的方法,计算出任一时刻的卫星星历。目前,这样的组织至少有两个:一个是美国国防制图局(DMA),另一个是国际GPS动力学服务IGS(International GPS service for geodynamics)。DMA主要提供精密星历。其精密星历是
7、基于GPS系统5个监测站的平滑伪距数据产生的,以等间隔时间上位置和速度形式给出,位置精度在2m左右,供军方用户使用,一般民间用户不易得到。IGS是国际大地测量协会为支持大地测量和地球动力学研究活动1993年建立的国际科学服务组织,1994年正式运作。其机构包括GPS跟踪网站、数据中心、分析中心、分析协调员、中央局和管理委员会。其主要任务是利用GPS空间对地观测技术研究地壳运动、监测海(冰)面变化、地球自转、极移以及大地坐标系维持等地球科学问题。21第二部分:电磁波传播与GPS 卫星信号一、电磁波的基本知识1、参数 周期T、频率f、速度v、波长、相位 及其相互关系:T=1/f,=T.v,=2 ft。2、电磁波普1)全普与窗口2)卫星大地测量常用普全普与窗口 全普与窗口22卫星定位常用波谱符号频率GHz 平均波长(cm)P 0.220.30 115L 12 20S 24 10C 48 5X 812.5 3
限制150内