GPS概论-第三章-卫星运动基础及GPS卫星星历

1全球定位系统概论资源与环境学院林承达[e-mail]2第三章卫星运动基础及GPS卫星星历卫星轨道在GPS定位中的意义卫星在空间运行的轨迹称为轨道，而描述卫星轨道位置和状态的参数，称为轨道参数33.1概述•卫星轨道作用力：–地球引力，太阳、月亮的引力大气阻力、太阳光压，地球潮汐力等。地球引力最重要。4影响卫星轨道的因素及其研究方法•中心力：决定着卫星运动的基本规律和特征•摄动力（非中心力）：无摄运动和受摄运动5对于卫星运行轨道的分析一般分为两步•首先，在上述理想的地球引力厂中，只考虑地球质心引力的作用，来研究卫星的无摄运动规律，并描述卫星轨道的基本特征•其次，研究各种摄动力对卫星运动的影响，并对卫星的无摄轨道加以修正，从而确定卫星受摄运动轨道的瞬时特征63.2无摄运动•二体问题–忽略所有的摄动力，仅考虑地球质心引力研究卫星行对于地球的运动，在天体力学中称为二体问题73.2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。8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。•第二定律：卫星与地心连线在相同时间内扫过的面积相等。•第三定律：卫星运行的周期平方与轨道长半径立方成比例。21332232...............4ssssaGMnGManGMaT9扫过的面积相等10无摄运动的轨道参数•轨道形状与大小：轨道长半径as；扁心率es；•轨道椭圆在轨道平面上的定向：近地点角距ω；•卫星在轨道平面上的位置：真近点角V（变量）；•轨道平面与地球体之间的相对定向：升交点赤经Ω；轨道面倾角i。•辅助参数平近点角M和偏近点角E。•M=n(t-t0)…………t0为卫星过近地点时刻。•参数说明•近地点角距——近地点与升交点的地心夹角。•真近点角——卫星与近地点的地心夹角。•升交点赤经——升交点与春分点的地心夹角。•轨道面倾角——卫星轨道面与天球赤道面的夹角。•升交距角——卫星与升交点的地心夹角，即真近点角与近地点角距之和。11开普勒六参数偏近点角E12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。0sincos0sincos000000uurzyxVVrzyx13•受摄运动的卫星位置是在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Ω′；•2）引起近地点角距变化，变率ω′；•3）引起平近点角M变化，变率M′或n′或Δn；•2、其它影响。•引起切向、法向、径向偏移。增加6个参数Cus，Cuc，Cis，Cic，Crs，Crc。3.3卫星的受摄运动14卫星的受摄运动（1）•卫星运动的摄动力•地球体的非球性及其质量分布不均匀而引起的作用力，既地球的非中心引力•太阳的引力和月球的引力•太阳的直接与间接辐射压力•大气的阻力•地球潮汐的作用力•磁力等15卫星的受摄运动（2）•地球引力场摄动力的影响•日月引力的影响•太阳光压的影响163.4GPS卫星的星历•定义：描述卫星的有关的轨道信息。•GPS提供两种星历：预报星历（广播星历）和后处理星历（精密星历）17GAST(t)0ΩoeΩot时格林威治t时升交点地心春分点ooe3.4GPS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历。•1、预报星历•由卫星向用户播发。可用于实时定位。分C/A码星历和P码星历。•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：1）开普勒六参数e,i0,ωs,Ω0,M0Ω0——星期日子夜零时的格林威治子午面与参考时刻toe时的升交点所在子午面之间的夹角。18•2)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：0~604800s。•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toe的时间间隔，AODE=toe-tL。•注：不属于星历的其它信息表2.3前3行，后5行，与星历同属导航电文。•1）卫星钟差改正参数：Δts=a0+a1(t-toC)+a2(t-toC)2•toC——星钟参考时刻。•2）GPD——星期数，取值范围0~1024，1980.1.6~1999.8.22，1999.8.22~2019.4.6192、后处理星历•国际组织、国家、城市、仪器制造商等由自已的跟踪站观测数据推算，由网络、手机、电视、光盘、磁带等介质以免费或收费的方式向用户提供。一般不能实时定位。•利用精密星历及其它手段进行精密单点定位，精度可达0.1m。20星历参数详解①：轨道长半轴的平方根A为平均角速度其中：参考时刻的平近点角nttnMtMMoe)()(00nnnsmWGSaaGMnn0231433010986005.384)(系中定义为称为地球引力常数，在平均角速度的计算值：平均角速度的改正值21星历参数详解②etEtEearctgttEetMtEe)(cos)(sin1)()(sin)()(2真近点角：偏心率oeeoeeoeeoeeoeWoeeWoeoekeWoeoeWoekeWoettttttttGASTtGASTtttGASTtttGASTtGASTtttGASTttGASTGPS)()(])()([][][)]([)()()()()()()()()()(000为升交点赤经，则为升交点经度，为地球自转角速度，设之差周开始时格林尼治赤经与：参考时刻升交点赤经22星历参数详解23星历参数详解ittiitiioe)()(00：参考时刻的轨道倾角)()(tt未经改正的升交距交：近地点角距))(2sin())(2cos()())(2sin())(2cos()())(2sin())(2cos()(tCtCtitCtCtrtCtCtuCCCCCCisicrsrcusucisicrsrcusuc轨道倾角的改正项升交距角、轨道向径和弦调和改正的振幅：轨道倾角的余弦和正，弦调和改正的振幅：轨道半径的余弦和正，弦调和改正的振幅：升交距角的余弦和正，：星历参考时刻oet24全球定位系统与数字地球25数字地球•信息时代的需求•我们处在一个信息资源爆炸的时代，信息产业的发展日益迅猛，已成为当代经济发展的重要特点。26全球定位系统与数字地球•数字地球的产生数字地球是美国副总统戈尔于1998年1月在加利福尼亚科学中心开幕典礼上发表的题为“数字地球—新世纪人类星球之认识”演说时，提出的一个与GIS、网络、虚拟现实等高新技术密切相关的概念。1998年江泽民在接见两院院士代表时的讲话中指出：当今世界，以信息技术为主要标志的科技进步日新月异，高科技成果向现实生产力的转化越来越快，初见端倪的知识经济预示人类的经济社会生活将发生新的巨大变化。27全球定位系统与数字地球•数字地球的概念以理解为对真实地球及其相关现象统一的数字化重现和认识。其核心思想是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题，最大限度地利用资源，并使普通百姓能够通过一定方式方便地获得他们所想了解的有关地球的信息。通俗地讲，就是用数字的方法将地球、地球上的活动及整个地球环境的时空变化装入电脑中，实现在网络上的流通，并使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常的工作、学习、生活、娱乐服务。28全球定位系统与数字地球•数字地球的特点多源、多比例尺、多分辨率数据无缝集成的网络信息系统面向全社会公众开放的网络信息系统虚拟现实技术支持下的多维网络信息系统29全球定位系统与数字地球•数字地球的技术基础1、信息高速公路和计算机宽带高速网2、高分辨率卫星影像3、空间信息技术与空间数据基础设施4、大容量数据存贮及元数据5、科学计算6、可视化和虚拟现实技术30全球定位系统与数字地球•数字地球中的“3S”技术数字地球的核心是地球空间信息科学，地球空间信息科学的技术体系中最基础和基本的技术核心是3S技术及其集成。1、空间定位(GPS)技术2、航空航天遥感(RS)技术3、地理信息系统(GIS)技术4、三S集成技术三S集成是指将上述三种对地观测新技术及其他相关技术有机地集成在一起。集成，是英文Integration的中译文，是指一种有机的结合，在线的连接、实时的处理和系统的整体性。GPS、RS、GIS集成的方式可以在不同技术水平上实现。31数字校园•我校校园建设目：提供学校事业发展必需的基础设施条件，创造高质量的学习环境、研究环境和生活环境。创建园林式学校，为实现“生态校园”、“数字校园”、“开放校园”奠定基础。323S技术概述33地理信息系统•地理信息系统(GeographicInformationSystem,GIS)•aGIS是一计算机系统，既然是系统，就要具有系统的基本功能，数据采集、管理、分析和表达，所以每个GIS系统都是由若干具有一定功能的模块组成。•bGIS的处理对象是有关的地理分布数据，也就是空间数据，为了能对这些空间数据进行定位，定性和定量的描述，决定了GIS要对空间数据按统一地理坐标进行编码，这是GIS与其他信息系统不同的根本所在。34资源管理GIS最初就是起源于资源清查，是GIS的最基本的职能，目前趋于成熟的主要应用领域。资源清查包括土地资源，森林资源和矿产资源的清查、管理、土地利用规划，野生动物的保护等。GIS的主要任务是将各种来源的数据和信息有机地汇集在一起，并通过统计，叠量分析等功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和资源现状分析，从而为资源的合理开发、利用提供依据。GIS在国际上典范中有：A、加拿大应用GIS完成全国土地资源潜力和估算B、利用GIS进行世界小麦大面积估产的高准确率---这些说明GIS在资源清查方面的应用趋于成熟。35在进行区域和城镇规划的过程中，要处理许多不同性质和不同特点的问题，涉及多方面要素，如资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等，GIS将这些数据信息归算到城市的统一系统之中，最后进行城市和区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划，城市建设用地适宜性评价，城市环境选质量评价，道路交通规划，公共设施配置及城市环境动态监测等，这些功能的实现是以GIS的一些数据处理和分析算法加以保证的，如GIS的空间搜索方法，多信息叠加处理和一系列的分析软件，回归分析，投入产出计算，模糊加权评价等。区域和城乡规划36灾害监测GIS方法和多时相的遥感数据，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和淹没损失估算，确定泄洪区内人员撤退、财产转移和救灾物资供应的最佳路线，为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。37环境评估38作战指挥39交通运输40GoogleEarth上获取的中国军事机场4142遥感（RS）•广义：遥远的感知。泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测。•狭义：应用探测仪器,不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。43遥感的工作过程信息的获取信息的接受信息的处理信息的应用44遥感的分类1、按遥感平台分地面遥感：传感器设置在地面平台上航空遥感：传感器设置在航空器上航天遥感：传感器设置在环地球的航天器上航宇遥感：传感器设置在星际飞船上45遥感的分类2、按传感器的探测波段分紫外遥感：探测波段0.05~0.38μm可见光遥感：探测波段0.38~0.76μm红外遥感：