GPS第三章 衛(wèi)星運動基礎(chǔ)知識

1、GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系1第三章第三章 衛(wèi)星運動的基礎(chǔ)知識衛(wèi)星運動的基礎(chǔ)知識 及及GPSGPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系2一一. . 衛(wèi)星運動的基礎(chǔ)知識衛(wèi)星運動的基礎(chǔ)知識1).1).衛(wèi)星軌道在衛(wèi)星軌道在GPSGPS定位中的意義定位中的意義 衛(wèi)星在空間運行的軌跡稱為軌道，描述衛(wèi)星軌道位置和衛(wèi)星在空間運行的軌跡稱為軌道，描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)稱為軌道參數(shù)。由于利用狀態(tài)的

2、參數(shù)稱為軌道參數(shù)。由于利用GPSGPS進行導(dǎo)航和測量時，進行導(dǎo)航和測量時，衛(wèi)星作為位置已知的高空觀測目標(biāo)，在進行絕對定位時，衛(wèi)衛(wèi)星作為位置已知的高空觀測目標(biāo)，在進行絕對定位時，衛(wèi)星軌道誤差將直接影響用戶接收機位置的精度；而在相對定星軌道誤差將直接影響用戶接收機位置的精度；而在相對定位時，盡管衛(wèi)星軌道誤差的影響將會減弱，但當(dāng)基線較長或位時，盡管衛(wèi)星軌道誤差的影響將會減弱，但當(dāng)基線較長或精度要求較高時，軌道誤差影響不可忽略。此外，為了制訂精度要求較高時，軌道誤差影響不可忽略。此外，為了制訂GPSGPS測量的觀測計劃和便于捕獲衛(wèi)星發(fā)射的信號，也需要知道測量的觀測計劃和便于捕獲衛(wèi)星發(fā)射的信號，也需要知

3、道衛(wèi)星的軌道參數(shù)。衛(wèi)星的軌道參數(shù)。1.1.概述概述GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系3假設(shè)假設(shè): : 為觀測站至所測衛(wèi)星的距離為觀測站至所測衛(wèi)星的距離; ; 為衛(wèi)星軌道的誤差為衛(wèi)星軌道的誤差; ; 為兩觀測站間的基線長度為兩觀測站間的基線長度; ; 為由衛(wèi)星軌道誤差引起的基線長度誤差為由衛(wèi)星軌道誤差引起的基線長度誤差. .則根據(jù)經(jīng)驗其間關(guān)系可近似地表示為則根據(jù)經(jīng)驗其間關(guān)系可近似地表示為: :DDDD 由此可見，為了滿足精密定位的要求，衛(wèi)星的軌道必須具有由此可見，為了滿足精密定位的要求，衛(wèi)星的軌道必須

4、具有足夠的精度。足夠的精度。GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系4 2.2.影響衛(wèi)星軌道的因素及其研究方法影響衛(wèi)星軌道的因素及其研究方法 衛(wèi)星在空間繞地球運行時，除了受地球重力衛(wèi)星在空間繞地球運行時，除了受地球重力場的引力作用外，還受到太陽、月亮和其它天體場的引力作用外，還受到太陽、月亮和其它天體的引力影響，以及太陽光壓、大氣阻力和地球潮的引力影響，以及太陽光壓、大氣阻力和地球潮汐力等因素影響。衛(wèi)星實際運行軌道十分復(fù)雜，汐力等因素影響。衛(wèi)星實際運行軌道十分復(fù)雜，難以用簡單而精確的數(shù)學(xué)模型加以描述。難以

5、用簡單而精確的數(shù)學(xué)模型加以描述。 在各種作用力對衛(wèi)星運行軌道的影響中，以在各種作用力對衛(wèi)星運行軌道的影響中，以地球引力場的影響為主，其它作用力的影響相對地球引力場的影響為主，其它作用力的影響相對要小的多。若假設(shè)地球引力場的影響為要小的多。若假設(shè)地球引力場的影響為1 1，其它引，其它引力場的影響均小于力場的影響均小于10-510-5。GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系5 為了研究工作和實際應(yīng)用的方便，通常把作用于為了研究工作和實際應(yīng)用的方便，通常把作用于衛(wèi)星上的各種力按其影響的大小分為兩類：衛(wèi)星上的各

6、種力按其影響的大小分為兩類：一類是假一類是假設(shè)地球為均質(zhì)球體的引力（質(zhì)量集中于球體的中心），設(shè)地球為均質(zhì)球體的引力（質(zhì)量集中于球體的中心），稱為中心力，決定著衛(wèi)星運動的基本規(guī)律和特征，由稱為中心力，決定著衛(wèi)星運動的基本規(guī)律和特征，由此決定的衛(wèi)星軌道，可視為理想軌道，是分析衛(wèi)星實此決定的衛(wèi)星軌道，可視為理想軌道，是分析衛(wèi)星實際軌道的基礎(chǔ)。際軌道的基礎(chǔ)。另一類是攝動力或非中心力，包括地另一類是攝動力或非中心力，包括地球非球形對稱的作用力、日月引力、大氣阻力、光輻球非球形對稱的作用力、日月引力、大氣阻力、光輻射壓力以及地球潮汐力等。攝動力使衛(wèi)星的運動產(chǎn)生射壓力以及地球潮汐力等。攝動力使衛(wèi)星的運動產(chǎn)生

7、一些小的附加變化而偏離理想軌道，同時偏離量的大一些小的附加變化而偏離理想軌道，同時偏離量的大小也隨時間而改變。小也隨時間而改變。 在攝動力的作用下的衛(wèi)星運動稱為在攝動力的作用下的衛(wèi)星運動稱為受攝運動受攝運動，相，相應(yīng)的衛(wèi)星軌道稱為受攝軌道。而在理想狀態(tài)下的衛(wèi)星應(yīng)的衛(wèi)星軌道稱為受攝軌道。而在理想狀態(tài)下的衛(wèi)星軌道則稱為無攝軌道。軌道則稱為無攝軌道。GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系63.3.衛(wèi)星的無攝運動衛(wèi)星的無攝運動 衛(wèi)星發(fā)射升至預(yù)定高度后，開始繞地球運行。假衛(wèi)星發(fā)射升至預(yù)定高度后，開始繞地球運行。假

8、設(shè)地球為均質(zhì)球體，根據(jù)萬有引力定律，衛(wèi)星的引力設(shè)地球為均質(zhì)球體，根據(jù)萬有引力定律，衛(wèi)星的引力加速度為加速度為 G G為引力常數(shù)，為引力常數(shù)，M M為地球質(zhì)量，為地球質(zhì)量，m ms s為衛(wèi)星質(zhì)量，為衛(wèi)星質(zhì)量，r r為衛(wèi)星的地心向徑。根據(jù)上式來研究地球和衛(wèi)星之間為衛(wèi)星的地心向徑。根據(jù)上式來研究地球和衛(wèi)星之間的相對運動問題，在天體力學(xué)中稱為的相對運動問題，在天體力學(xué)中稱為二體問題二體問題。引。引力加速度決定了衛(wèi)星繞地球運動的基本規(guī)律。力加速度決定了衛(wèi)星繞地球運動的基本規(guī)律。衛(wèi)星在衛(wèi)星在上述地球引力場中的無攝運動，也稱上述地球引力場中的無攝運動，也稱開普勒運動開普勒運動，其，其規(guī)律可通過開普勒定律來描

9、述。規(guī)律可通過開普勒定律來描述。3()sG MmrrrGPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系7 （1 1）開普勒第一定律）開普勒第一定律 衛(wèi)星運行的軌道為一橢圓，該橢圓的一個焦點與衛(wèi)星運行的軌道為一橢圓，該橢圓的一個焦點與地球質(zhì)心重合。地球質(zhì)心重合。此定律闡明了衛(wèi)星運行軌道的基本形態(tài)及其此定律闡明了衛(wèi)星運行軌道的基本形態(tài)及其與地心的關(guān)系。與地心的關(guān)系。由萬有引力定律可得衛(wèi)星繞地球質(zhì)心運動的軌由萬有引力定律可得衛(wèi)星繞地球質(zhì)心運動的軌道方程。道方程。r r為衛(wèi)星的地心距離，為衛(wèi)星的地心距離，a as s為開

10、普勒橢圓的長半徑，為開普勒橢圓的長半徑，e es s為為開普勒橢圓的偏心率；開普勒橢圓的偏心率；f fs s為真近點角，為真近點角，它描述了任意時刻衛(wèi)星它描述了任意時刻衛(wèi)星在軌道上相對近地點的位置，是時間的函數(shù)。在軌道上相對近地點的位置，是時間的函數(shù)。1 1）. .衛(wèi)星運動的開普勒定律衛(wèi)星運動的開普勒定律2(1)1cosssssaerefasbsMm ms s近地點近地點遠地點遠地點fs地球質(zhì)心地球質(zhì)心GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系8 （2 2）開普勒第二定律：）開普勒第二定律： 衛(wèi)星的地心向徑

11、在單位時間內(nèi)所掃衛(wèi)星的地心向徑在單位時間內(nèi)所掃過的面積相等。過的面積相等。表明衛(wèi)星在橢圓軌道上的運表明衛(wèi)星在橢圓軌道上的運行速度是不斷變化的，在近地點處速度最大，行速度是不斷變化的，在近地點處速度最大，在遠地點處速度最小。在遠地點處速度最小。近地點近地點地心地心遠地點遠地點GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系9 （3 3）開普勒第三定律：）開普勒第三定律： 衛(wèi)星運行周期的平方與軌道橢圓長半徑的立方之衛(wèi)星運行周期的平方與軌道橢圓長半徑的立方之比為一常量，等于比為一常量，等于GMGM的倒數(shù)。的倒數(shù)。223

12、4ssTaGM假設(shè)衛(wèi)星運動的平均角速度為假設(shè)衛(wèi)星運動的平均角速度為n n，則，則n=2n=2 /T/Ts s，可得：，可得：1/23sGMna即當(dāng)開普勒橢圓的長半徑確定后，衛(wèi)星運行的平均即當(dāng)開普勒橢圓的長半徑確定后，衛(wèi)星運行的平均角速度也隨之確定，且保持不變。角速度也隨之確定，且保持不變。GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系102 2）. .無攝衛(wèi)星軌道的描述無攝衛(wèi)星軌道的描述 前述參數(shù)前述參數(shù)a as s、e es s、f fs s唯一地確定了衛(wèi)星軌道的形唯一地確定了衛(wèi)星軌道的形狀、大小以及衛(wèi)星在軌

13、道上的瞬時位置。狀、大小以及衛(wèi)星在軌道上的瞬時位置。但衛(wèi)星軌道但衛(wèi)星軌道平面與地球體的相對位置和方向還無法確定。確定衛(wèi)平面與地球體的相對位置和方向還無法確定。確定衛(wèi)星軌道與地球體之間的相互關(guān)系，可以表達為確定開星軌道與地球體之間的相互關(guān)系，可以表達為確定開普勒橢圓在天球坐標(biāo)系中的位置和方向，尚需三個參普勒橢圓在天球坐標(biāo)系中的位置和方向，尚需三個參數(shù)。數(shù)。 衛(wèi)星的無攝運動一般可通過一組適宜的參數(shù)來描衛(wèi)星的無攝運動一般可通過一組適宜的參數(shù)來描述，但這組參數(shù)的選擇并不唯一，其中應(yīng)用最廣泛的述，但這組參數(shù)的選擇并不唯一，其中應(yīng)用最廣泛的一組參數(shù)稱為一組參數(shù)稱為開普勒軌道參數(shù)或開普勒軌道根數(shù)。開普勒軌道

14、參數(shù)或開普勒軌道根數(shù)。GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系11開普勒軌道參數(shù)開普勒軌道參數(shù) a as s為軌道的長半徑，為軌道的長半徑，e es s為軌道橢圓偏心率，為軌道橢圓偏心率，這兩個參數(shù)確定了這兩個參數(shù)確定了開普勒橢圓的形狀和大小。開普勒橢圓的形狀和大小。 為升交點赤經(jīng)為升交點赤經(jīng)：即地球赤道面上升交點即地球赤道面上升交點（當(dāng)衛(wèi)星由南向北運（當(dāng)衛(wèi)星由南向北運行時其軌道與地球赤道面的一個交點）行時其軌道與地球赤道面的一個交點）與春分點之間的地心夾與春分點之間的地心夾角。角。i i為軌道面傾角：為

15、軌道面傾角：即衛(wèi)星軌道平面與地球赤道面之間的夾角。即衛(wèi)星軌道平面與地球赤道面之間的夾角。這兩個參數(shù)唯一地確定了衛(wèi)星軌道平面與地球體之間的相對定這兩個參數(shù)唯一地確定了衛(wèi)星軌道平面與地球體之間的相對定向。向。 s s為近地點角距：為近地點角距：即在軌道平面上，升交點與近地點之間的地即在軌道平面上，升交點與近地點之間的地心夾角，表達了開普勒橢圓在軌道平面上的定向。心夾角，表達了開普勒橢圓在軌道平面上的定向。 f fs s為衛(wèi)星的真近點角為衛(wèi)星的真近點角：即軌道平面上衛(wèi)星與近地點之間的地心：即軌道平面上衛(wèi)星與近地點之間的地心角距。該參數(shù)為時間的函數(shù)，確定衛(wèi)星在軌道上的瞬時位置。角距。該參數(shù)為時間的函數(shù)

16、，確定衛(wèi)星在軌道上的瞬時位置。 由上述由上述6 6個參數(shù)所構(gòu)成的坐標(biāo)系統(tǒng)稱為軌道坐標(biāo)系，廣泛用個參數(shù)所構(gòu)成的坐標(biāo)系統(tǒng)稱為軌道坐標(biāo)系，廣泛用于描述衛(wèi)星運動。于描述衛(wèi)星運動。GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系12yxz軌道軌道春分點春分點升交點升交點近地點近地點衛(wèi)星衛(wèi)星地心地心赤道赤道i sfs開普勒軌道參數(shù)圖解開普勒軌道參數(shù)圖解衛(wèi)星軌道衛(wèi)星軌道GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系13 3).3).真近點角真近

17、點角f fs s的計算的計算 在描述衛(wèi)星無攝運動的在描述衛(wèi)星無攝運動的6 6個開普勒軌道參數(shù)中，只有真近點個開普勒軌道參數(shù)中，只有真近點角是時間的函數(shù)，其余均為常數(shù)。故衛(wèi)星瞬間位置的計算，關(guān)角是時間的函數(shù)，其余均為常數(shù)。故衛(wèi)星瞬間位置的計算，關(guān)鍵在于計算真近點角。鍵在于計算真近點角。 為了計算真近點角，需引入兩個輔助參數(shù)：為了計算真近點角，需引入兩個輔助參數(shù)： E Es s偏近點角和偏近點角和M Ms s平近點角。其中偏近點角如圖所示平近點角。其中偏近點角如圖所示, ,過衛(wèi)星過衛(wèi)星質(zhì)心質(zhì)心m m作平行于橢圓短軸的直線作平行于橢圓短軸的直線, ,分別交于近地點和橢圓中心連分別交于近地點和橢圓中心

18、連線的線的mm點和以長半徑點和以長半徑a a所作大圓的所作大圓的mm點點, ,于是于是E Es s就是近地點至就是近地點至mm點的圓弧對應(yīng)的圓心角。點的圓弧對應(yīng)的圓心角。asbsasrm fsEsases近地點近地點mmGPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系14 平近點角平近點角M Ms s是一個假設(shè)量，當(dāng)衛(wèi)星運動是一個假設(shè)量，當(dāng)衛(wèi)星運動的平均角速度為的平均角速度為n n，則，則 M Ms s = n ( t - t= n ( t - t0 0 ) )，t t0 0為衛(wèi)星過近地點的時刻，為衛(wèi)星過近地點的

19、時刻，t t為觀測衛(wèi)星時刻。平為觀測衛(wèi)星時刻。平近點角與偏近點角間存在如下關(guān)系：近點角與偏近點角間存在如下關(guān)系： E Es s = M= Ms s + e + es ssinEsinEs s。由此可得真近點角：。由此可得真近點角：sssssEeeEfcos1coscosasbsasrm fsEsases近地點近地點mmGPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系15 4.4.無攝運動衛(wèi)星的瞬時位置無攝運動衛(wèi)星的瞬時位置 （1 1）在軌道直角坐標(biāo)系中衛(wèi)星的位置）在軌道直角坐標(biāo)系中衛(wèi)星的位置 取直角坐標(biāo)系的原點與

20、地球質(zhì)心相重合，取直角坐標(biāo)系的原點與地球質(zhì)心相重合， s s軸指軸指向近地點、向近地點、 s s軸垂直于軌道平面向上軸垂直于軌道平面向上 , , s s軸在軌道平軸在軌道平面上垂直于面上垂直于 s s軸構(gòu)成右手系，則衛(wèi)星在任意時刻的坐軸構(gòu)成右手系，則衛(wèi)星在任意時刻的坐標(biāo)為：標(biāo)為：0sincossssssffr s srfs衛(wèi)星衛(wèi)星近地點近地點GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系165.5.衛(wèi)星的受攝運動衛(wèi)星的受攝運動 衛(wèi)星在空中運動時，考慮了地球引力場攝衛(wèi)星在空中運動時，考慮了地球引力場攝動力、日月攝

21、動力、大氣阻力、光壓攝動力、動力、日月攝動力、大氣阻力、光壓攝動力、潮汐攝動力對衛(wèi)星運動狀態(tài)的影響的運動稱潮汐攝動力對衛(wèi)星運動狀態(tài)的影響的運動稱為衛(wèi)星的受攝運動。為衛(wèi)星的受攝運動。 在受攝運動中，衛(wèi)星軌道參數(shù)不再是常在受攝運動中，衛(wèi)星軌道參數(shù)不再是常數(shù)，而是隨時間變化的軌道參數(shù)，衛(wèi)星的瞬數(shù)，而是隨時間變化的軌道參數(shù)，衛(wèi)星的瞬時軌道不再是橢圓，軌道在空間的方向也不時軌道不再是橢圓，軌道在空間的方向也不是固定不變的。是固定不變的。 GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系17 衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運動軌道的信息

22、，衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運動軌道的信息，是一組對應(yīng)某一時刻的軌道根數(shù)及其變率。是一組對應(yīng)某一時刻的軌道根數(shù)及其變率。根據(jù)衛(wèi)星星歷可以計算出任一時刻的衛(wèi)星根據(jù)衛(wèi)星星歷可以計算出任一時刻的衛(wèi)星位置及其速度，位置及其速度，GPSGPS衛(wèi)星星歷分為衛(wèi)星星歷分為預(yù)報星預(yù)報星歷和后處理星歷歷和后處理星歷。二二.GPS.GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系18 預(yù)報星歷是通過衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航預(yù)報星歷是通過衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電文傳遞給用戶，經(jīng)解碼獲得所需的衛(wèi)星星歷，也稱電文傳遞

23、給用戶，經(jīng)解碼獲得所需的衛(wèi)星星歷，也稱廣播星歷廣播星歷，包括相對某一參考歷元的開普勒軌道參數(shù)，包括相對某一參考歷元的開普勒軌道參數(shù)和必要的軌道攝動項改正參數(shù)。和必要的軌道攝動項改正參數(shù)。參考歷元的衛(wèi)星開普參考歷元的衛(wèi)星開普勒軌道參數(shù)稱為參考星歷（或密切軌道參數(shù)），勒軌道參數(shù)稱為參考星歷（或密切軌道參數(shù)），是根是根據(jù)據(jù)GPSGPS監(jiān)測站約監(jiān)測站約1 1周的監(jiān)測資料推算的。參考星歷只代周的監(jiān)測資料推算的。參考星歷只代表衛(wèi)星在參考歷元的瞬時軌道參數(shù)（或密切軌道參表衛(wèi)星在參考歷元的瞬時軌道參數(shù)（或密切軌道參數(shù)）。在攝動力的影響下，衛(wèi)星的實際軌道將偏離其數(shù)）。在攝動力的影響下，衛(wèi)星的實際軌道將偏離其參考

24、軌道。參考軌道。偏離的程度主要取決于觀測歷元與所選參偏離的程度主要取決于觀測歷元與所選參考歷元間的時間差?？細v元間的時間差。預(yù)報星歷預(yù)報星歷GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系19 一般來說，如果用軌道參數(shù)的攝動項一般來說，如果用軌道參數(shù)的攝動項對已知的衛(wèi)星參考星歷加以改正，可以外對已知的衛(wèi)星參考星歷加以改正，可以外推出任意觀測歷元的衛(wèi)星星歷。推出任意觀測歷元的衛(wèi)星星歷。 如果觀測歷元與所選參考歷元間的時間如果觀測歷元與所選參考歷元間的時間差很大，為了保障外推軌道參數(shù)具有必要差很大，為了保障外推軌道參

25、數(shù)具有必要的精度，就必須采用更嚴密的攝動力模型的精度，就必須采用更嚴密的攝動力模型和考慮更多的攝動因素，由此帶來了建立和考慮更多的攝動因素，由此帶來了建立更嚴格攝動力模型的困難，因而可能降低更嚴格攝動力模型的困難，因而可能降低預(yù)報軌道參數(shù)的精度。預(yù)報軌道參數(shù)的精度。GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系20 為了保證衛(wèi)星預(yù)報星歷的必要精度，一般采用為了保證衛(wèi)星預(yù)報星歷的必要精度，一般采用限限制預(yù)報星歷外推時間間隔制預(yù)報星歷外推時間間隔的方法。為此，的方法。為此，GPSGPS跟蹤站跟蹤站每天利用觀測資料，

26、更新用以確定衛(wèi)星參考星歷的數(shù)每天利用觀測資料，更新用以確定衛(wèi)星參考星歷的數(shù)據(jù)，計算每天衛(wèi)星軌道參數(shù)的更新值，每天按時將其據(jù)，計算每天衛(wèi)星軌道參數(shù)的更新值，每天按時將其注入相應(yīng)的衛(wèi)星并存儲。據(jù)此注入相應(yīng)的衛(wèi)星并存儲。據(jù)此GPSGPS衛(wèi)星發(fā)播的廣播星衛(wèi)星發(fā)播的廣播星歷每小時更新一次。歷每小時更新一次。 如果將計算參考星歷的參考歷元如果將計算參考星歷的參考歷元t toeoe選在兩次更新選在兩次更新星歷的中央時刻，則外推時間間隔最大不會超過星歷的中央時刻，則外推時間間隔最大不會超過0.50.5小時，從而可以在采用同樣攝動力模型的情況下，有小時，從而可以在采用同樣攝動力模型的情況下，有效地保持外推軌道參

27、數(shù)的精度。效地保持外推軌道參數(shù)的精度。預(yù)報星歷的精度，目預(yù)報星歷的精度，目前一般估計為前一般估計為20-40m20-40m。GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系21 由于預(yù)報星歷每小時更新一次，在數(shù)據(jù)更由于預(yù)報星歷每小時更新一次，在數(shù)據(jù)更新前后，各表達式之間將會產(chǎn)生小的跳躍，其新前后，各表達式之間將會產(chǎn)生小的跳躍，其值可達數(shù)分米，一般可利用適當(dāng)?shù)臄M合技術(shù)值可達數(shù)分米，一般可利用適當(dāng)?shù)臄M合技術(shù)（如切比雪夫多項式）予以平滑。（如切比雪夫多項式）予以平滑。 GPSGPS用戶通過衛(wèi)星廣播星歷可以獲得的有關(guān)用戶

28、通過衛(wèi)星廣播星歷可以獲得的有關(guān)衛(wèi)星星歷參數(shù)共衛(wèi)星星歷參數(shù)共1616個，其中包括個，其中包括1 1個參考時刻，個參考時刻，6 6個相應(yīng)參考時刻的開普勒軌道參數(shù)和個相應(yīng)參考時刻的開普勒軌道參數(shù)和9 9個反映個反映攝動力影響的參數(shù)。攝動力影響的參數(shù)。GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系22導(dǎo)航電文中的星歷參數(shù)導(dǎo)航電文中的星歷參數(shù)t t0e0e參考歷元參考歷元M Ms0s0參考時刻的平近點角參考時刻的平近點角e es s軌道偏心率軌道偏心率a as s1/21/2軌道長半徑的平方根軌道長半徑的平方根 0 0參

29、考時刻的升交點赤經(jīng)參考時刻的升交點赤經(jīng)i i0 0參考時刻的軌道傾角參考時刻的軌道傾角 s s近地點角距近地點角距 升交點赤經(jīng)變化率升交點赤經(jīng)變化率 軌道傾角變化率軌道傾角變化率 nn由精密星歷計算得到的衛(wèi)星平均角速度由精密星歷計算得到的衛(wèi)星平均角速度與按給定參數(shù)計算所得的平均角速度之差。與按給定參數(shù)計算所得的平均角速度之差。iGPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系23C Cucuc , C , Cusus升交距角的余弦、正弦調(diào)和改正項振幅升交距角的余弦、正弦調(diào)和改正項振幅C Crcrc , C , C

30、rsrs衛(wèi)星地心距的余弦、正弦調(diào)和改正項振幅衛(wèi)星地心距的余弦、正弦調(diào)和改正項振幅C Cicic , C , Cisis軌道傾角的余弦正弦調(diào)和改正項振幅軌道傾角的余弦正弦調(diào)和改正項振幅AODEAODE星歷數(shù)據(jù)的齡期（外推星歷的外推時間間隔）星歷數(shù)據(jù)的齡期（外推星歷的外推時間間隔）a a0 0衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差a a1 1衛(wèi)星鐘速（頻率偏差系數(shù)）衛(wèi)星鐘速（頻率偏差系數(shù)）a a2 2衛(wèi)星鐘速變化率（漂移系數(shù)）衛(wèi)星鐘速變化率（漂移系數(shù)） 衛(wèi)星的預(yù)報星歷是用跟蹤站以往時間的觀測資料推衛(wèi)星的預(yù)報星歷是用跟蹤站以往時間的觀測資料推求的參考軌道參數(shù)為基礎(chǔ)，并加入軌道攝動項改正而外求的參考軌道參數(shù)為基礎(chǔ)，并加入軌

31、道攝動項改正而外推的星歷。推的星歷。用戶在觀測時可以通過導(dǎo)航電文實時得到用戶在觀測時可以通過導(dǎo)航電文實時得到，對導(dǎo)航和實時定位十分重要。但對精密定位服務(wù)則難以對導(dǎo)航和實時定位十分重要。但對精密定位服務(wù)則難以滿足精度要求。滿足精度要求。GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系24后處理星歷后處理星歷 后處理星歷是一些國家的某些部門根據(jù)各后處理星歷是一些國家的某些部門根據(jù)各自建立的跟蹤站所獲得的精密觀測資料，應(yīng)用自建立的跟蹤站所獲得的精密觀測資料，應(yīng)用與確定預(yù)報星歷相似的方法，計算的衛(wèi)星星歷。與確定預(yù)報星歷相

32、似的方法，計算的衛(wèi)星星歷。這種星歷通常是在事后向用戶提供的在用戶觀這種星歷通常是在事后向用戶提供的在用戶觀測時的衛(wèi)星精密軌道信息，因此稱測時的衛(wèi)星精密軌道信息，因此稱后處理星后處理星歷或精密星歷歷或精密星歷。該星歷的精度目前可達分米。該星歷的精度目前可達分米。后處理星歷一般不通過衛(wèi)星的無線電信號向用后處理星歷一般不通過衛(wèi)星的無線電信號向用戶傳遞，而是通過磁盤、電視、電傳、衛(wèi)星通戶傳遞，而是通過磁盤、電視、電傳、衛(wèi)星通訊等方式有償?shù)貫樗枰挠脩舴?wù)。訊等方式有償?shù)貫樗枰挠脩舴?wù)。GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測

33、繪與國土信息工程系25 建立和維持一個獨立的跟蹤系統(tǒng)建立和維持一個獨立的跟蹤系統(tǒng)來精密測定來精密測定GPSGPS衛(wèi)星的軌道，技術(shù)復(fù)雜，衛(wèi)星的軌道，技術(shù)復(fù)雜，投資大，因此，利用投資大，因此，利用GPSGPS預(yù)報星歷進行預(yù)報星歷進行精密定位工作仍是目前一個重要的研精密定位工作仍是目前一個重要的研究和開發(fā)領(lǐng)域。究和開發(fā)領(lǐng)域。GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系26 國際大地測量協(xié)會于國際大地測量協(xié)會于19941994年正式建立了全球國際年正式建立了全球國際GPSGPS地球動地球動力學(xué)服務(wù)力學(xué)服務(wù)( (Int

34、ernational GPS service for International GPS service for GeodynamicsGeodynamics -IGS -IGS），向全球用戶提供高精度的），向全球用戶提供高精度的GPSGPS星歷、地星歷、地球旋轉(zhuǎn)參數(shù)、球旋轉(zhuǎn)參數(shù)、IGSIGS跟蹤站的坐標(biāo)和速率、跟蹤站的坐標(biāo)和速率、GPSGPS跟蹤站的時鐘信息跟蹤站的時鐘信息以及電離層信息。這些信息可支持實現(xiàn)全球國際地球參數(shù)坐標(biāo)以及電離層信息。這些信息可支持實現(xiàn)全球國際地球參數(shù)坐標(biāo)系的建立和更新，監(jiān)測固體地球的形變等。我國已參與這一組系的建立和更新，監(jiān)測固體地球的形變等。我國已參與這一組織，并

35、將其數(shù)據(jù)用于青藏高原隆起的監(jiān)測及地震活躍區(qū)構(gòu)造帶織，并將其數(shù)據(jù)用于青藏高原隆起的監(jiān)測及地震活躍區(qū)構(gòu)造帶的位移監(jiān)測，從而為地球動力學(xué)、地形變、地震預(yù)報研究等提的位移監(jiān)測，從而為地球動力學(xué)、地形變、地震預(yù)報研究等提供了科學(xué)依據(jù)。供了科學(xué)依據(jù)。 隨著隨著IGSIGS的服務(wù)范圍不斷拓寬和支持多學(xué)科的科學(xué)研究與發(fā)的服務(wù)范圍不斷拓寬和支持多學(xué)科的科學(xué)研究與發(fā)展的需要，于展的需要，于19991999年年1 1月月1 1日將國際日將國際GPSGPS地球動力學(xué)服務(wù)機構(gòu)更名地球動力學(xué)服務(wù)機構(gòu)更名為國際為國際GPSGPS服務(wù)（服務(wù)（International GPS ServiceInternational GPS

36、 Service）機構(gòu)，刪去了）機構(gòu)，刪去了原名中的限定詞原名中的限定詞“地球動力學(xué)地球動力學(xué)”（GeodynamicsGeodynamics）。更名后的英）。更名后的英文縮寫仍為文縮寫仍為IGSIGS。 GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系27全球全球IGSIGS國際衛(wèi)星跟蹤站分布國際衛(wèi)星跟蹤站分布GPSGPS測量原理及應(yīng)用測量原理及應(yīng)用 重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院測繪與國土信息工程系28 全球最早的永久性全球最早的永久性GPSGPS跟蹤站之一，跟蹤站之一，19931993年由中美兩國合作共建。年由中美兩國合作共建?，F(xiàn)為現(xiàn)為IGSIGS的核心站，是的核心站，是中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)的國家基準(zhǔn)站。該站裝的國家基準(zhǔn)站。該站裝配配BenchMarkBenchMark接收機，接收機，Agilent 5071AAgilent 5071A原子鐘，原子鐘，衛(wèi)星通訊及綜合數(shù)字氣衛(wèi)星通訊及綜合數(shù)字氣象自動采集儀等精密儀象自動采集儀等精密儀器。建站器。建站1010年來，為維年來，為維護國家動態(tài)地心參考