卫星运动的基础及GPS卫星星历

卫星轨道在GPS定位中的意义
相关名词：
卫星轨道：卫星在空间运行的轨迹称为轨道
轨道参数：描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数

具体实例：

1.可见卫星轨道在GPS定位中具有重要意义。
2.此外，为了指定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。

影响卫星轨道的因素及其研究方法：
卫星受力：卫星受到的作用力，如果设地球引力视为1.则其他作用力均小于10∧-5。
中心力:假设地球为均质球体的引力（质量集中于球体的中心），称为中心力。
非中心力：包括地球非球型对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力以及地球潮汐力等。也称摄动力。摄动力使卫星的运动产生一些小的附加变化而偏离理想轨道，同时偏离量的大小也随时间而改变。
由此出现无摄运动和受摄运动。

无摄运动

Kepler轨道描述：
卫星精密轨道的计算涉及复杂的卫星轨道力学模型。假设以下条件成立:
1.地球是一个质点或密度分布均匀的球，其引力场是对称的。
2.卫星的质量与地球的质量相比可以忽略。
3.假定卫星在真空中运动，即没有大气阻力和太阳辐射压力作用。
4.没有太阳、月球和其他天体引力作用在卫星上。



真近点角的计算（表示为时间的函数）
在描述卫星无摄运动的6个开普勒轨道参数中，只有真近点角是时间的函数，其余为常数。故卫星瞬时位置的计算关键在于计算真近点角。

为了计算真近点角，引入两个辅助参数：偏近点角Es和平近点角Ms。Ms是一个假设量，当卫星运动的平均角速度为n，则Ms=n(t-t0)，t0为卫星过近地点的时刻，t为观测卫星时刻。

二体问题

无摄运动卫星的瞬时位置

1.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，ξs轴指向近地点、ζs轴垂直于轨道平面向上，ŋs轴在轨道平面上垂直ξs轴构成右手坐标系，则卫星在任意时刻的坐标为：

2.在天球坐标系中卫星的位置
在卫星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：升交点赤经Ω、轨道面倾角i和近地点角距ωs确定。

天球坐标系（x，y，z）与轨道坐标系（ξs，ζs，ŋs）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ζs顺转角度-ωs使ξs轴的指向由近地点改为交升点。
绕ξs轴顺转角度-i，使ζs轴与z轴重合。
绕ζs顺转角度-Ω，使x轴与ξs轴重合。

3.卫星在地球坐标系的位置
利用GPS 定位时，应使观测卫星和观测站的位置处于统一的坐标系统。
由于瞬时地球空间直角坐标系与瞬时天球空间直角坐标系的差别在于x轴的指向不同，若去其间的夹角为春分点的格林尼治恒星时GAST，则在地球坐标系中卫星的瞬时坐标（X，Y，Z）与天球坐标系中的瞬时坐标（x，y，z）存在如下关系：

卫星的受摄运动

受摄运动的卫星位置是在无摄位置的基础上加上相应的改正数求得。
1.地球赤道隆起的影响：
引起升交点赤经变化，变率Ω’；
引起近地点角距变化，变量ω’；
引起平近点角M变化，变率M’或n’或Δn；
2.其他影响

研究卫星摄受运动的方法
1.按卫星受到的各种作用力导出其数学表达式
2.建立受摄运动的微分方程式
3.解算微分方程，得出卫星的运动方程

各种力的特性及其影响
卫星轨道在运行中，除了到地球中心引力的作用，还收到：
地球的非中心引力；
太阳引开和月球引力；
太阳的直接或间接辐射；
大气阻力；
地球潮汐的作用力；
磁力。

地球的非中心引力：

日月引力的摄动：

太阳辐射压力:

地球潮汐作用力：

大气阻力：

卫星受摄运动方程：

GPS卫星星历

**卫星星历定义：**是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某时刻的轨道根数及其变率。
**星星历的作用：**根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度。
**星历分类：**预报星历和后处理星历。

**预报星历（广播星历）：**通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，经解码获得所需的卫星星历。
**预报星历：**包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动向改正参数。参考历元的卫星开普勒轨道参数称为参考星历（或密切轨道参数），是根据GPS监测站约1周的监测资料推算的。参考星历指代表卫星在参考历元的瞬时轨道参数（或密切轨道参数）。在摄动力的影响下，卫星的世界轨道将偏离其参考轨道。


GPS 卫星向全球用户播发的星历，是用两种波码进行传送的。
C/A码星历：精度低，民用
P码星历：精度高，军用



后处理星历：

GPS卫星位置计算：