第3章卫星运动基础与轨道计算

1、第3章 卫星运动基础与轨道计算中国矿业大学（北京）基本概念u卫星轨道 定义:卫星运行轨道 卫星轨道运动原于牛顿引力理论u引力特点 引力作用距离远 引力与物体间介质无关 引力传播瞬息即至，无传播速度u卫星运动 二体运动：只研究二个天体的作用 限制二体运动：不考虑被吸引物体质量被吸引体在引力作用运动状态研究思路u将地球作为均质球体，质量集中在质心（中心力）对卫星的引力，求卫星运行的理想轨道u再考虑摄动力（非中心力）对卫星轨道的影响 地球非对称作用力 日、月阻力 光辐射压力 地球海水潮汐，固体潮汐天体力学的理论基础u牛顿万有引力定律u开普勒三大定律牛顿万有引力定律开普勒三大定律卫星运动微分方程u根据

2、牛顿万有引力定律u其中： G为引力常数，M为地球质量， m为卫星质量，r为卫星的地心向径u卫星的质量m相对地球的质量M可以忽略，于是有u令K=GM，上式也可以表示为：2230d rrKdtr开普勒第一定律u在中心力场作用下，卫星绕地球运行，轨道面是过地球质心平面，卫星运行轨道是椭圆，地球质心在椭圆一个焦点上。u上式积分后得面积积分u 为积分常数，垂直于运动平面u证明二体运动是平面运动22322221()00d rrkrrdtrd rdrdrd rddrdrrrrvdtdtdtdtdtdtdt rvhh开普勒第二定律u卫星质心与地球质心的向量，在相同时间内扫过的面积相等积分得：2111222ds

3、ddrr rhdtdtdt211()2Sh ttdP(t)()p tt卫星运动轨道方程椭圆轨道参数a：长半轴；b：短半轴c：焦点与椭圆中心间距e：偏心率；p：焦参数222abc21bae2(1)pae0,1pre1preprc0r卫星运动轨道方程u卫星轨道方程： u 讨论：ue=0, r=p 即a=b, 轨道为圆ue302400s时，应减去604800s；当 RINEX RINEX格式格式 文件格式说明文件格式说明精密星历IGS简介uIGS是一个国际性服务组织，由国际大地测量协会IAG于19921993年筹建，1994年正式成立，原称“International Global Position

4、ing System (GPS) Service for Geodynamics (IGS)”，1999年1月1日改名为“International GPS Service (IGS)”, 其目的是为大地测量和地球物理研究活动提供观测数据和数据产品支持和服务。uIGS的数据和数据分析产品是通过分布于全球的380个GPS永久跟踪站(2004年11月24日，图2.3.22)，其内容是：GPS卫星精密星历、地球自转参数、IGS跟踪站在ITRF框架下的坐标及速度、GPS卫星和IGS跟踪站钟差信息、电离层信息、对流层信息。全球IGS站/network/al

5、lmaps.html我国大陆的IGS站u我国大陆的IGS站有wuhn(武汉)、bjfs(北京)、shao(上海)、xian(西安)、lhas(拉萨)、kumn(昆明)、urum(乌鲁木齐) 。精密星历格式u SP3格式u定义 Standard Product #3 一种精密星历格式，IGS精密星历采用此格式u历史 1985年美国NGS（National Geodetic Survey）公布SP1、ECF1、SP2、ECF2 1989年加入EF13 以上格式均未考虑卫星钟信息 1989年提出SP3、ECF3和EF18，1991年正式发布精密星历格式u存储方式 ASCIIu内容 精密星历（每隔15

6、分钟给出1个卫星的位置，有时还给出卫星的速度）u特点 提供精密星历精密星历格式u命名规则u命名方法： 8+3文件名u命名规则u例：igs11065.sp3(.Z)，igr11065.sp3(.Z)tttwwwwd.sp3精密星历的类型GPS周星期0：星期日16：星期一 星期六总为sp3精密星历格式u文件结构 命名方法： 8+3文件名 命名规则 例：igs11065.sp3(.Z)，igr11065.sp3(.Z)tttwwwwd.sp3精密星历的精密星历的类型类型GPS周周星期星期0：星期日：星期日16：星期一：星期一 星期六星期六总为总为sp3精密星历格式u文件格式说明 参见：ftp:/ig

7、/pub/data/format/sp3_docu.txtu内容文件格式说明u参见：/pub/data/format/sp3_docu.txtu内容#aP2001 3 18 0 0 0.00000000 96 ORBIT IGS97 HLM IGS# 1106 0.00000000 900.00000000 51986 0.0000000000000+ 28 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 14 17 18 19 20+ 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0 0

8、0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 4 5 5 5 4 5 5 4 5 4 5 5 5 5 5 5 4+ 5 5 5 4 4 4 4 7 5 4 4 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%c cc cc ccc

9、ccc cccc cccc cccc cccc ccccc ccccc ccccc ccccc%c cc cc ccc ccc cccc cccc cccc cccc ccccc ccccc ccccc ccccc%f 0.0000000 0.000000000 0.00000000000 0.000000000000000%f 0.0000000 0.000000000 0.00000000000 0.000000000000000%i 0 0 0 0 0 0 0 0 0%i 0 0 0 0 0 0 0 0 0/* RAPID ORBIT COMBINATION FROM WEIGHTED

10、AVERAGE OF: /* cod emr esa gfz igu jpl ngs sio usn /* REFERENCED TO GPS CLOCK AND TO WEIGHTED MEAN POLE: /* CLK ANT Z-OFFSET (M): II/IIA 1.023; IIR 0.000 * 2001 3 18 0 0 0.00000000P 1 1137.662333 24450.419935 10434.025839 168.957503P 2 22554.164846 6701.404774 -12156.548088 -354.131603P 3 -12835.803

11、249 19823.526060 12033.738279 12.655252P 4 26036.203647 -5147.508988 -2778.935922 693.981565P 5 -8981.105708 -20915.047563 -13823.748269 291.406843P 6 -7243.996679 -19828.275194 16147.726225 -0.315725P 7 15634.362803 -542.356344 -21103.968489 578.771698文件头文件头文件体文件体文件格式说明u内容#aP2001 3 18 0 0 0.0000000

12、0 96 ORBIT IGS97 HLM IGS# 1106 0.00000000 900.00000000 51986 0.0000000000000+ 28 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 14 17 18 19 20+ 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 4 5 5 5 4 5 5 4 5 4 5 5 5

13、 5 5 5 4+ 5 5 5 4 4 4 4 7 5 4 4 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0%c cc cc ccc ccc cccc cccc cccc cccc ccccc ccccc ccccc ccccc%c cc cc ccc ccc cccc cccc cccc cccc ccccc ccccc ccccc ccccc%f 0.0000000 0.000000000 0.00000

14、000000 0.000000000000000%f 0.0000000 0.000000000 0.00000000000 0.000000000000000%i 0 0 0 0 0 0 0 0 0%i 0 0 0 0 0 0 0 0 0/* RAPID ORBIT COMBINATION FROM WEIGHTED AVERAGE OF: /* cod emr esa gfz igu jpl ngs sio usn /* REFERENCED TO GPS CLOCK AND TO WEIGHTED MEAN POLE: /* CLK ANT Z-OFFSET (M): II/IIA 1.

15、023; IIR 0.000 * 2001 3 18 0 0 0.00000000P 1 1137.662333 24450.419935 10434.025839 168.957503P 2 22554.164846 6701.404774 -12156.548088 -354.131603P 3 -12835.803249 19823.526060 12033.738279 12.655252P 4 26036.203647 -5147.508988 -2778.935922 693.981565P 5 -8981.105708 -20915.047563 -13823.748269 29

16、1.406843P 6 -7243.996679 -19828.275194 16147.726225 -0.315725P 7 15634.362803 -542.356344 -21103.968489 578.771698文件头文件头文件体文件体轨道内插u常用内插方法 如拉格朗日多项式内插（Lagrange Polynomial Interpolation） 三次样条内插（Cubic Spline Interpolation） 三角多项式内插（Trigonometric Polynomial Interpolation） 切比雪夫多项式内插（Tshebyshev Polynomial I

17、nterpolation）轨道内插u拉格朗日多项式内插数据文件下载u下载数据文件/pub /pub/gps/gpsdataftp:/igs.ensg.ign.fr/pub/igs/ /pub/product/u观测值文件：RINEX O文件u星历文件: RINEX N文件u文件目录结构： 类型type, 年year, 年积日day of year, 周GPS week, 周天day of week, 站名标识site ID数据文件下载观测值文件命名规则：ssssdddf.yyD.Z, ssssdddf.yyO.Z (/pub/rinex/)星历文件命名规则：ssssdddf.yyN.Z (/pub/nav/)全球星历文件命名规则：brdcdddf.yyN.Z (ftp:/cdd