第三章卫星运动基础及GS卫星的坐标计算

第三章卫星运动基础及GPS卫星的坐标计算3.1概述3.2卫星的无摄运动3.3卫星的受摄运动3.4GPS卫星星历3.5GPS卫星的坐标计算5/24/2023三、卫星运动基础及GPS卫星的坐标计算3.1概述轨道参数：卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。人卫轨道理论的研究意义：进行GPS导航和测量时，GPS卫星是作为瞬时空间位置已知的高空观测目标，须要轨道参数描述。在进行绝对定位时，卫星轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度；而在相对定位时，尽管卫星轨道误差的影响将会减弱，但当基线较长或精度要求较高时，轨道误差影响不可忽略。此外，为了制订GPS测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号，也需要知道卫星的轨道参数。5/24/20235/24/2023作用在卫星上的外力地球引力地球质心引力：将地球作为匀质球体(中心力或非摄动力）地球非球形引力(也称地球形状摄动力)日、月及其它天体的引力大气阻力太阳光压其它作用力（如：地磁、地球潮汐摄动等）摄动力，也称非中心力5/24/2023卫星轨道无摄轨道：受非摄动力作用的卫星轨道。理想状态的卫星轨道。受摄轨道：受摄动力作用的卫星轨道。对轨道的分析研究：由无摄轨道到受摄轨道分2步：二体问题：忽略所有摄动力，仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动规律研究各种摄动力的影响，修正无摄轨道，确定受摄运动轨道的瞬时特征。5/24/20233.2卫星的无摄运动开普勒（1571－1630）卫星运动三定律：卫星运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与地球的质心重合；卫星的地心距真近点角椭圆扁心率椭圆长半径2、卫星的地心向径，在相同的时间内所扫过的面积相等；卫星在近地点处速度最大，远地点最小。3、卫星运行周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量卫星运动的平均角速度5/24/20235/24/2023a：椭圆轨道的长半径e：椭圆轨道的偏心率i：椭圆轨道平面的倾角（轨道平面与地球赤道面的夹角）Ω：升交点的赤经：椭圆轨道近地点角距f：卫星的真近点角(与时间T有关)，卫星与近地点之间的地心角距。Kepler六个轨道根数5/24/2023英文名称中文名称符号意义Inclinationoforbitalplane轨道平面倾角i决定轨道平面的空间位置Rightascensionoftheascendingnode升交点赤经ΩSemi-majoraxisoforbitalellipse轨道椭圆的长半径a决定轨道椭圆的大小Nunerialeccentricityofellipse轨道椭圆的偏心率e决定轨道椭圆的形状Argumentofperigee近地点角距（幅角）ω决定近地点在轨道椭圆上的位置Meananomaly平近点角M卫星以平均角速度n0运行的角度5/24/2023概述摄动因素包括：地球形状摄动，日、月引力，大气阻力摄动，光压摄动，潮汐摄动等。3.3卫星的受摄运动5/24/2023大气阻力月球引力太阳引力地球中心引力太阳直接与间接辐射压力地球非中心引力5/24/20233.4GPS卫星星历预报星历（广播星历）用跟踪站以往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础，并加入轨道摄动项改正而外推的星历。用户在观测时可以通过导航电文实时得到，对导航和实时定位十分重要。但是精度较低通常以卫星轨道根数的方式给出，包括相对于某一参考历元的Kepler轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数5/24/2023精密星历这种星历通常是在事后向用户提供的在用户观测时的卫星精密轨道信息，因此称后处理星历或精密星历。该星历的精度目前可达分米。通常由GPS服务机构提供（如IGS），精度高，但是往往有一定的时间延迟，适合于GPS数据的后处理应用通常以地球坐标系（直角坐标）的方式给出5/24/2023广播星历广播星历——主要参数是：（AODE）星历表数据龄期轨道半径的正弦调和项改正的振幅（m）卫星平均角速度修正量。即由精密星历计算得到的平均角速度,与按给定参数计算得到的平均角速度之差（弧度）。toe参考时刻的平近点角纬度幅角U=（+f）余弦调和项改正的振幅（弧度）。轨道偏心率纬度幅角U=（+f）正弦调和项改正的振幅（弧度）。轨道长半轴的方根星历参数的参考历元，星历表基准时间。从星期六／星期日子夜开始度量。轨道倾角的余弦调和项改正的振幅（弧度）。参考时刻的升交点赤经（oe）与GPS周开始时格林尼治赤经GASTW之差轨道倾角的正弦调和项改正的振幅（弧度）。参考时刻的轨道倾角轨道半径的余弦调和项改正的振幅（m）近地点角距升交点赤经变率（s/rad）轨道倾角变率（s/rad）GPS用户通过卫星广播星历可以获得的有关卫星星历参数共16个5/24/2023星历参数详细说明5/24/20235/溉19逢/2妙02球3从星余期日墓子夜遮零点异开始华度量鞋的星短历参欧考时繁刻5/恶19虾/2弹02植33.痒5GP杠S卫星胖的坐少标计级算根据娘广播荐星历拌计算丑卫星柿位置计算抵思路首先恢计算点卫星坑在轨算道平锣面坐宣标系晚下的著位置然后揪将上誉述坐鞭标分典别绕X轴旋醒转-i角、席绕Z轴旋靠转-车k(衣)角，稻求出态卫星顶在地跃固系炭下的五坐标5/敏19贯/2漫02胳3卫星晌的瞬表时位蚂置在轨吨道直光角坐里标系璃中卫斧星的且位置指向爹近地聋点与地她球质权心重逮合Z轴垂苹直于倒轨道括平面在轨懒道平胸面垂条直x轴构逗成右花手系升交浸距角u=伐ω+羡f5/领19暂/2言02爸3在天托球坐邪标系半中卫厦星的架位置绕z顺转ω使x轴由步近地哭点改给为升劣交点绕x顺转i使z与Z重合绕z顺转Ω使x与X重合天球小坐标齐系轨道螺直角妥坐标勉系5/霜19岸/2胃02形3轨道绑平面猪坐标厘系5/僚19捐/2翻02连35/愉19纺/2纳02虽3计算变过程计算影卫星胸运行搭的平睁均角批速度计算t时刻号卫星迎的平亮近点竖角计算叫偏近痒点角计算昏真近戏点角5/险19扑/2膀02要3求解咳卫星坡的真饶近点滔角f偏近汁点角E平近骆点角M卫星晌在轨疗道上声运动挤的平酒均角卧速度由开横普勒蔬方程恒，如何枯求E(拴p4蔽8迭代老法）?5/额19凤/2夜02没3计算领过程患（续扒）计算墓升交妄距角计算屠卫星亦向径计算冷摄动目改正竿项计算迷卫星今在轨示道平档面坐扒标系啦中的吼位置近地勾点角蚁距5/厉19魔/2鸟02歌3计算岁过程昨（续滋）计算泳升交迎点经嘴度5/瞒19汇/2花02者3观测构时升践交点耳经度观测行时升棒交点填赤经5/寨19妄/2逝02番3观测诸时GA嚼ST星历拘中升抽交点剂赤经地球布的自嘴转速喘度t0:一周朴开始掘的GP浊S时5/嘱19鲁/2供02茧3计算鄙在地拴球坐讨标系姓中卫亩星的衣位置瞬时助地球刑坐标震系瞬时沿天球衰坐标捷系春分察点的燥格林煤尼治袜时协议渠地球页坐标叹系瞬时顷地球昏坐标臂系考虑迹地极致的移扣动R2（-xp）R1（-yp）5/捐19就/2两02束3计算在地疾球坐南标系木中卫糠星的转位置5/昂19筐/2划02荡3RI坛NE漂X呆Na尾vi故ga棵ti炭on蔑F毁il稀e16惭0驰4拢2坦2喂0州0互0喷.0派1慎.6尤22浮17洋76姿60黄47都0D东-0角5-宗3.攻41扇06修05任13展16著50董D-套13荡0明.0甚00靠00遭00任00单00夹0D钳+0载02.反26展00率00战00凤00险00辞D+骆02赚4施.0尖93之75委00区00妈00权0D群+0肯0直4.梨75铜09纱12魂18发02站80窗D-浙09化-3踩.0赢65森36患43犯87颗09底0D怪+0纪02.魔44坚00沉65猜14抹54凝90宽D-轿07莲2筒.0两88捧21浴20榴58早88读0D派-0跳3甚6.恼33报67水18峡79配76杆80艳D-惯06盆5供.1贵53雕75住27建86筐64峰0D检+0巷38.索64蒸00川00绵00蚁00千00剖D+慢04悼8观.0嫂09时37牌41潜41呈69积0D梳-0毯8停8.稿07病41捕30葵67械51迹50侨D-搁01犹3您.7落25卧29惭02梁98馆46席0D呈-0就99.即61绑03燥07竖91材75撤00值D-华01饼2僻.5绣63晓43尿75沙00段00趋0D择+0足2-请1.猎52草39脊75庸62拆78饲20芽D+浙00聚-7僚.9凶97皆83蚂31差41退85弊0D波-0鉴92.祖12写15腐16疮94冠11刘20佣D-速10红1院.0私00愉00门00贼00蛛00木0D则+0拒0时1.咬25养60钟00吴00垦00经00德D+隐03评0氧.0救00薪00搜00香00府00探0D帜+0统02.肃00跪00旦00葡00创00秧00脆D+侮00庆0顿.0醋00乔00列00迹00宇00泰0D园+0卧0-肤9.禾77机88脚87肯03抄34拉60蜜D-谋09返7趁.3素80丧00债00朗00步00垒0D颂+0俊28.医63糟99馒00升00籍00疲00楼D+市04

导航碗电文泼文件别的数六据记的录格阅式说炼明卫星趋的PR塔N号/历元(年月咬日时孙分秒)/卫星益种的返偏差(s偏)/卫星成种的霞漂移(s锦/s双)/卫星厚种的辩漂移荷速度(s狮/s2)广播申轨道3广播脖轨道1广播找轨道2广播淋轨道4广播来轨道55/施19胞/2蒜02丑3根据额精密韵星历掏计算豆卫星诞位置精密物星历换的特承点按一瞧定时成间间造隔给造出卫头星在衡地固辆坐标岂系下搞的三衬维位碌置、尿三维勤速度舱和钟晨差任意寸时刻t卫星黄位置凡的计郑算原理寻：插裙值法方法添：拉趴格朗织日插浮值法5/懂19押/2席02内3精密逆星历*20市04仇1宵15追0屿0刺0.葬00锦00抹00灭00P甩1接5洽94绣5.奔50闯96伯35遗15忙75董9.汤60粪84蹲04绢20券69括8.竞94柿93巧74断32伟4.幼53绝32鞋85P桃2胶1名14宁1.铜10闷11糖11稻22绪66铃5.览35栋99门89吨14臭69架0.腔48晌93酷09齐-堆25冷7.记15轮60减64P伯3皆-姑10尸34江4.奸44吊70拒68惭24留02杨1.然82基65各31颜-3抗96斑8.委23董33颤25裤7版7.呢82阁59脏32P衰4士22训79堪8.箩34拌96制65嗽-6蝇52万0.响82据08蓄72益12烤31厨0.会79仍52恒79悉-4师3.贡52优28盘05P念5源-朝12飘62吴8.编92控49船03头-允23雨44结5.疮67掘48秀81疲-1仆19评2.哲03幅67地91像1器3.范42叫28匹88P剩6沈-启13造95巧8.腹38杏00颠86围-7女54便2.穴10鹊34目97等21伐48吐9.勤23昌76荡83陪-喜2.杆95冶25泰84P柏7窝18扇93惕9.伐29谢11傍58机-德12全51暂1.停02蜡80草58疫-讯13灾25静7.币16吩66棵27遇63狠5.宽66稠70妙94P浮8撇26抢24启6.然82诊56惜68俗-叛91线8.宴22远64救11午-5存16飘5.毕34祖21肠42挥38赵3.杂67艳04腿285/拦19孩/2遣02恋3［1］试眨述描走述GP泻S卫星统正常辆轨道串运动盗的开斧普勒西三大欢定律畜。［2］试匆画图照并用炕文字每说明僚开普据勒Ke价pl霜er轨道6参数护。［3］广驳播星裕历中渐的涌有什屿么意货义？根在卫铃星坐作标的查计算拐中主慨要作默用是坛什么肥？伞［4］简剖述地旬球人蛇造卫给星轨殃道运狱动所昌受到召的各并种摄蛮动力舅。鞭［5］地很球引需力场册摄动透力对颗卫星尚的轨斧道运六动有蚀什么惜影响?［6］日停、月屠引力露对卫允星的茫轨道准运动纽奉有什翼么影害响?［7］简狐述太泄阳光愉压产栗生的蠢摄动昂力加滔速度鱼，并镜说明鸟它对潮卫星非轨道亡运动荒有何韵影响?［8］综浊述考木虑摄屿动力束影响牢的GP性S卫星饮轨道葛参数黄。［9］试酷写出藏计算GP瞎S卫星寨瞬时沾位置价的步咸骤。思考握题5/爱19卸/2菠02亩3计算些题计算洗地球沾同步及轨道隐卫星女的轨铺道高绿度？蝇（地夏球半淋径取63达71匙km，GM取39贷86阿00粮km3/s2）已知董卫星霜轨道炮参数幅为：e=叠0.阴00豆67对84虚21来2;翁a套=2壮65抓60落12阶8.雾93腰7m浙,M(平近因点角)=狡-0双.2满90焦28粉2r华ad裁;卫i=疤0.恼95泰85膝12献ra陵d,ω=素-2春.5他84鹊19厦4r怠ad违;松Ω=吨-1精.3再78裕36鸽0r未adt=摘4h颤(G乐AS酷T)粘;随GM迷=3头98是60快05起*1侨08(m3s-2)求卫闸星在绑地球甚坐标泼系中皆的坐冈标?5/索19巨/2斤02坛34.主1页GP扔S卫星馆信号第四轮章、GP铁S卫星角的导诱航电洗文和希卫星耐信号有关伍码的棚基本鸭概念二进遗制数差：0,诞1码：载表达剧不同陕信息饼的二蒜进制矩数及蹦其组尘合码元征，比慨特：资码的健度量些单位秀，一里位二枯进制糟数称1码元市或1比特数码阅率，衬码率方：二凶进制丛数字哑化信艘息的捉传输慨中，劳每秒旺传输糖的比鄙特数味，单穗位为BP格S或(b凤it脆/s纲)5/雨19虹/2准02以3随机辨噪声深码：纯码元穿幅度输的取浪值完看全无抄规律尤的码贤序列殃，也同称随串机码售序列随机冻噪声削码的惩自相吃关性伪随五机噪培声码兆（Ps团eu缠do凯R能an年do广m阿No含is优e-蜓PR经N）：不仅往具有县类似亦随机地噪声姜码的桶良好润自相秀关特盛性，惑而且绩具有浩确定础的编巩码规弟则，配周期慎性的跨且易阴复制tu015/医19剥/2远02似3码长以：二米进制符数中雀码元旗的个旅数周期刊：产迅生一飘序列PR叔N码的太时间码元棉宽：即产生敲一个止码的净时间嚼或对糟应的绸距离tu15被tutu=2r-1r=宵4=1此51234可经帅历15种不泽同的殖状态糊即所裤产生果的码酷长Nu=1员5末级吴输出菠的二斧进制日数为:1执11狭10凑00述10监01偏10蛇10C/剪A码码率伴：1.医02秆3M暂Hz；周期械：1m凡s；1周期泊含码压元数症：10广23；码搭元宽谨度：29牧3.蒙05论m；P（Y）码；码率啄：10遍.2骑3M已Hz；周期所：7天；1周期钱含码伏元数妻：61种87售10摔40阻00亏00妹0；码元听宽度摘：29造.3赶0m；5/踪蝶19居/2锹02务3表4-辰1四级卡反馈倘移位扫寄存都器状凝态序挣列状态编号

各级状态④③②①模二加反馈③+④末级输出的二进制数

11111012111001311000141000115000100600100070100108100111900110010011010111101011121010111301011014101111150111105/丈19垒/2执02糕3P码：2组各工有2个12级反观馈移神位寄诵存器统构成龙，码盆长Nu=2漠.3汉5X苍1014C/虹A码：2个10级反号馈移秀位寄戴存器冷相组验合产叼生，姥码长Nu=1鼓010-1汪=1尝02拾35/累19幕/2兵02挎3GP尊S卫星暂信号茧的结球构包括菌载波伪（Ca馒rr构ie遭r）、测距屈码（Co欢de）和卫成星（梨导航圾）电诉文（Me句ss真ag匠e）载波星：L1L2测距耍码：C/检A码（徐目前墙只被软调制吧在L1上）P(英Y)码（灾被分竿别调暗制在L1和L2上）数据侨码：肚卫星邻（导闲航）事电文5/酒19遣/2讲02怨3GP赞S卫星伐的基吨准频侵率f0由卫文星上辩的原更子钟斑直接刃产生频率鱼为10借.2献3M些Hz卫星淘信号巧的所炉有成未分均殖是该竞基准狐频率役的倍责频或永分频λ=扰c/锡f5/午19持/2场02留3÷2且04出60调00叉0波长块：24仔.4俯2c蛙m波长坏：19伐.0传3c君m5/无19腔/2歪02敢3f0x120f0x154f0基本妄频率控制沟产生虎三种牧信号灾分量Tw预o吹Ca老rr桨ie餐r玻Fr弯eq答ue屡nc扶ie披s（载波记频率碌）L1云i组s士15颈4棵x艇f0=肉15筛75裁.4房诚2杂MH乓z,啊w爬hi量ch灭h涌as蚂a寨w泡av轨el仪en脂gt范h团of骂0吸.1退9吐mL2哭i剥s握12讽0门x衡f0=店12乔27椒.6线M荡Hz要,笔wh陆ic欲h接ha菊s夸a难wa哀ve批le冰ng病th迁o士f变0.喘24骑m5/危19扭/2狼02海3载波作用搭载昆其它畜调制熟信号测距测多足普勒因频移类型目前L1频率踏：15这4缺f0=弊15滚75判.4告3M密Hz；波长竟：19踏.0押3c贯mL2金–频率持：12赚0陶f0=熊12咬27该.6逃0M哪Hz；波长摩：24根.4兰2c轰m现代谷化后增加L5屋–频率疗：11颤5帐f0=骄11翁76厕.4查5M遥Hz；波长弯：25再.4淹8c洗m5/禽19脂/2店02驼3测距叉码作用例：测意距性质极：为遇伪随帆机噪危声码类型目前C/犯A码（Co错ar岸se戒/A繁cq壳ui路si块ti骑on乎C踪蝶od兄e）–粗码/捕获吹码；码率锤：1.险02晚3M勿Hz；周期季：1m孟s；1周期秃含码肾元数派：10由23；码鹊元宽心度：29聋3.阵05略m梦(0再.柔97悔75姥2μ运s)；仅被妖调制鼻在L1上P（Y）码（Pr止ec谅is载io吉n忽Co矮de）–精码槽；码率典：10刺.2栏3M荐Hz；周期悉：7天；1周期睁含码匆元数佩：6.乘19叶×1愉012；码尾元宽枕度：29寨.3思0m裁(0东.0役97雾75择2μ协s)；被调嫩制在L1和L2上现代桑化后在L2上调黑制C/每A码在L1和L2增加绪调制M码2个10级反迁馈移惩位寄斜存器值相组葛合产开生，破码长Nu=1奋010-1退=1下02灯32组各梳有2个12级反冲馈移蚁位寄弓存器颂构成质，码从长Nu=2全.3航5X乐10145/趣19银/2桶02四3C/润A码的门码元若宽度册较大泪，测第距误由差2.9米（靠码宽29馅3.波1米）P码的适码元搭宽度童较小，测距腹误差0.序29米（雾码宽29摘.繁3米）5/晌19稍/2既02滴34.结2敌GP院S卫星猴导航阶电文卫星叨（导休航）卵电文定义族：包改含有则关卫衡星的用星历释、卫磁星工茂作状稿态、降时间斧系统纺、卫颗星钟莫运行您状态下、轨糕道摄史动改虎正、纵大气风折射跑改正武和由C/下A码捕粉获P码等决导航舍信息烤的数融据码曲（D码）作用帖：向至用户岂播发检卫星早星历俭、卫忌星钟国参数锻、卫煮星状巩态信带息及并其它周信息基本色结构5/缓19秤/2救02猴3按帧静播发社，播氏发速父度50顷BP敌S每主粉帧含5个子屿帧,共25主帧每子收帧10个字疮，每毛字30债bi楼t,每子擦帧30愚0b祸it交,持续匹播发6s主帧味之间奖，1、2、3子帧逢每小贸时更借新一展次，4，5子帧鼠仅在房诚卫星持注入股新的眠导航吃数据呀后才字更新5/衬19悲/2丹02极3整个觉导航俘电文悲的内愁容重选复一骨次需顾要多蜂长时糕间?5/爸19草/2涝02脖3导航樱电文阀的基梦本内清容第三坚数据立块第二团数据害块第一宋数据圣块5/这19封/2梦02活3卫星遥（导屡航）身电文仅（续樱）遥测巡寿字（TL躺M次–瞒Te烛le饭me善tr罪y洒Wo友rd）每一苍子帧昆的第1个字用作姥捕获问导航乔电文舟的前背导转换坝码（兵交接戚字）益（HO条W毅–舱Ha缘瑞nd同O纺ve妖r绝Wo绳rd）每一淘子帧赖的第2个字主要测内容游：捕揭获P码的Z计数蛙（从辫每周航开始秤子夜敬零时旱起算凉的时惧间计脑数，企表示偏下一这子帧拔开始喜瞬间芳的GP沃S时，挪为实块用方隙便一盲般为肌发播突的子茶帧数1子帧/6隐s）12346s12s18s24s604794s100799星期六/星期日子夜星期六/星期日子夜0时GPS时Z计数0时P码字听码X1的周膛期（1.撇5秒）协的重五复数钩。因俗此，家当知雄道了Z计数雹，便哈能较订快地乎捕获诵到P码。5/尘19养/2斯02糟3卫星仅（导佳航）投电文镇（续迅）第一桶数据世块第1子帧掌的第3~装10个字内容躲：WN中–排G骂PS周,今19塑80敬/0封1/折06协调传时零旧点起队算L2所调对制测贴距码驻标识匠符–踢“1搜0”表示C/蔽A码，羽“01分”表示P(斩Y)码传输闪参数N塘–浓UR滩ATGD–信号煌在卫开星内毛部的遮时延星钟悄数据堆龄期AO真DC星钟撇改正缎参数a0（钟偏田），a1（钟速问），a2（钟漂愉）第一佛数据刺块的洽参考赠时刻最近躺一次微更新介星历除数据尤的时越间5/筒19通/2极02欣3卫星丽（导捐航）劣电文垫（续沉）第二稍数据色块第2、3子帧狭的第3~秋10个字内容伙：为轮发送暂信号爹卫星加的星枯历乎－谎广播另星历星历位参数从星柄期日气子夜阀零点惭开始盘度量淹的星豆历参巡寿考时银刻5/事19牵/2横02艰3卫星木（导海航）界电文汁（续猪）第三绳数据泻块第4、5子帧氏的第3~死10个字内容墨：所牧有卫府星历扮书（刚概略抹星历忙）第三券数据颗块的薯内容框每12贱.5分钟散重复钓一次5/楼19蹲/2评02衣3卫星消信号涉的调泊制模二阅和运算讲规则二进粮制信此号：蝴“1”袜(码状素态)表示俩二进背制“0”迫(码值)，“-1模”表示妥二进郑制“1”，则5/询19益/2钓02丧3二进垦制信恋号的谣相位开调制调相州技术5/筒19代/2随02填3卫星扬信号非的调泡制框图5/兼19姓/2议02剧3L1载波C/品A码P码（Y码）数据烂码L2载波P码（Y码）数据碧码A摆ca鹿rr炸ie贝r占wa烛ve皆c爬an胖b榴e蔬ch武ar港ac麦te前ri薯ze针d泊by觉i横ts签w沟av吸el瘦en备gt窄h钱(l)票or拦f兆re合qu港en逃cy弓(庆f)Th赔e终fr罗eq驼ue邮nc怜y无an致d趣wa滥ve桨le庙ng抱th仓a宇re璃r鹿el郊at酿ed翻b岁y勉th仆e倾fo策ll县ow拔in冻g警ex遵pr徒es辆si详on均:l=c魔/f诸;视a毫nd捷f叠