GPS概論-第三章-衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)及GPS衛(wèi)星星歷課件

全球定位系統(tǒng)概論資源與環(huán)境學(xué)院林承達(dá)linchengda@

1全球定位系統(tǒng)概論資源與環(huán)境學(xué)院1第三章衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)及GPS衛(wèi)星星歷 衛(wèi)星軌道在GPS定位中的意義 衛(wèi)星在空間運(yùn)行的軌跡稱為軌道，而描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)，稱為軌道參數(shù)2第三章衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)及GPS衛(wèi)星星歷 衛(wèi)星軌道在GPS定位中3.1概述衛(wèi)星軌道作用力：地球引力，太陽、月亮的引力大氣阻力、太陽光壓，地球潮汐力等。地球引力最重要。33.1概述衛(wèi)星軌道作用力：3影響衛(wèi)星軌道的因素及其研究方法中心力：決定著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律和特征攝動(dòng)力（非中心力）：無攝運(yùn)動(dòng)和受攝運(yùn)動(dòng)4影響衛(wèi)星軌道的因素及其研究方法中心力：決定著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)對(duì)于衛(wèi)星運(yùn)行軌道的分析一般分為兩步首先，在上述理想的地球引力廠中，只考慮地球質(zhì)心引力的作用，來研究衛(wèi)星的無攝運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并描述衛(wèi)星軌道的基本特征其次，研究各種攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的影響，并對(duì)衛(wèi)星的無攝軌道加以修正，從而確定衛(wèi)星受攝運(yùn)動(dòng)軌道的瞬時(shí)特征5對(duì)于衛(wèi)星運(yùn)行軌道的分析一般分為兩步首先，在上述理想的地球引力3.2無攝運(yùn)動(dòng)二體問題忽略所有的攝動(dòng)力，僅考慮地球質(zhì)心引力研究衛(wèi)星行對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)，在天體力學(xué)中稱為二體問題63.2無攝運(yùn)動(dòng)二體問題63.2無攝運(yùn)動(dòng) 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)不僅受地心引力的作用，而且還受到非地心引力、日月引力、行星引力、太陽光壓、地球潮汐、大氣阻力等影響。除地心引力外的其它作用力稱為攝動(dòng)力。只考慮地心引力的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)叫無攝運(yùn)動(dòng)，考慮其它作用力的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)叫受攝運(yùn)動(dòng)。73.2無攝運(yùn)動(dòng) 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)不僅受地心引力的作用，而且還衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的開普勒定律第一定律：衛(wèi)星軌道是橢圓，一個(gè)焦點(diǎn)是地心。第二定律：衛(wèi)星與地心連線在相同時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等。第三定律：衛(wèi)星運(yùn)行的周期平方與軌道長半徑立方成比例。8衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的開普勒定律第一定律：衛(wèi)星軌道是橢圓，一個(gè)焦點(diǎn)是地心掃過的面積相等9掃過的面積相等9無攝運(yùn)動(dòng)的軌道參數(shù)軌道形狀與大?。很壍篱L半徑as；扁心率es；軌道橢圓在軌道平面上的定向：近地點(diǎn)角距ω；衛(wèi)星在軌道平面上的位置：真近點(diǎn)角V（變量）；軌道平面與地球體之間的相對(duì)定向：升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω；軌道面傾角i。輔助參數(shù)平近點(diǎn)角M和偏近點(diǎn)角E。M=n(t-t0)…………t0為衛(wèi)星過近地點(diǎn)時(shí)刻。參數(shù)說明

近地點(diǎn)角距——近地點(diǎn)與升交點(diǎn)的地心夾角。真近點(diǎn)角——衛(wèi)星與近地點(diǎn)的地心夾角。升交點(diǎn)赤經(jīng)——升交點(diǎn)與春分點(diǎn)的地心夾角。軌道面傾角——衛(wèi)星軌道面與天球赤道面的夾角。升交距角——衛(wèi)星與升交點(diǎn)的地心夾角，即真近點(diǎn)角與近地點(diǎn)角距之和。10無攝運(yùn)動(dòng)的軌道參數(shù)軌道形狀與大?。很壍篱L半徑as；扁心率es開普勒六參數(shù)偏近點(diǎn)角E11開普勒六參數(shù)偏近點(diǎn)角E11無攝衛(wèi)星位置計(jì)算在軌道直角坐標(biāo)系中的位置：衛(wèi)星在天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系中的位置通過坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換求得。但在轉(zhuǎn)換前需加攝動(dòng)改正。12無攝衛(wèi)星位置計(jì)算在軌道直角坐標(biāo)系中的位置受攝運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星位置是在無攝位置的基礎(chǔ)上加相應(yīng)的改正數(shù)求得。1、地球赤道隆起的影響1）引起升交點(diǎn)赤經(jīng)變化，變率Ω′；2）引起近地點(diǎn)角距變化，變率ω′；3）引起平近點(diǎn)角M變化，變率M′或n′或Δn；2、其它影響。引起切向、法向、徑向偏移。增加6個(gè)參數(shù)Cus，Cuc，Cis，Cic，Crs，Crc。3.3衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)13受攝運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星位置是在無攝位置的基礎(chǔ)上加衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)（1）衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的攝動(dòng)力地球體的非球性及其質(zhì)量分布不均勻而引起的作用力，既地球的非中心引力太陽的引力和月球的引力太陽的直接與間接輻射壓力大氣的阻力地球潮汐的作用力磁力等14衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)（1）衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的攝動(dòng)力14衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)（2）地球引力場(chǎng)攝動(dòng)力的影響日月引力的影響太陽光壓的影響15衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)（2）地球引力場(chǎng)攝動(dòng)力的影響153.4GPS衛(wèi)星的星歷定義：描述衛(wèi)星的有關(guān)的軌道信息。GPS提供兩種星歷：預(yù)報(bào)星歷（廣播星歷）和后處理星歷（精密星歷）163.4GPS衛(wèi)星的星歷定義：描述衛(wèi)星的有關(guān)的軌道信息。163.4GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運(yùn)行軌道的參數(shù)，分預(yù)報(bào)星歷和后處理星歷。1、預(yù)報(bào)星歷由衛(wèi)星向用戶播發(fā)?？捎糜趯?shí)時(shí)定位。分C/A碼星歷和P碼星歷。內(nèi)容：分三部分，開普勒六參數(shù)、軌道攝動(dòng)九參數(shù)、時(shí)間二參數(shù)。

預(yù)報(bào)星歷的內(nèi)容：1）開普勒六參數(shù)e,i0,ωs,Ω0,M0Ω0——星期日子夜零時(shí)的格林威治子午面與參考時(shí)刻toe時(shí)的升交點(diǎn)所在子午面之間的夾角。173.4GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運(yùn)行軌道2)軌道攝動(dòng)九參數(shù)

3）時(shí)間二參數(shù)toe——星期日子夜零時(shí)起算的星歷參考時(shí)刻。取值范圍：0~604800s。AODE——數(shù)據(jù)齡期，即用于推算星歷的監(jiān)測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的最后觀測(cè)時(shí)刻tL到toe的時(shí)間間隔，AODE=toe-tL。注：不屬于星歷的其它信息表2.3前3行，后5行，與星歷同屬導(dǎo)航電文。1）衛(wèi)星鐘差改正參數(shù)：Δts=a0+a1(t-toC)+a2(t-toC)2toC——星鐘參考時(shí)刻。2）GPD——星期數(shù)，取值范圍0~1024，1980.1.6~1999.8.22，1999.8.22~2019.4.6182)軌道攝動(dòng)九參數(shù)182、后處理星歷國際組織、國家、城市、儀器制造商等由自已的跟蹤站觀測(cè)數(shù)據(jù)推算，由網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)、電視、光盤、磁帶等介質(zhì)以免費(fèi)或收費(fèi)的方式向用戶提供。一般不能實(shí)時(shí)定位。利用精密星歷及其它手段進(jìn)行精密單點(diǎn)定位，精度可達(dá)0.1m。192、后處理星歷國際組織、國家、城市、儀星歷參數(shù)詳解①20星歷參數(shù)詳解①20星歷參數(shù)詳解②21星歷參數(shù)詳解②21星歷參數(shù)詳解22星歷參數(shù)詳解22星歷參數(shù)詳解23星歷參數(shù)詳解23全球定位系統(tǒng)與數(shù)字地球24全球定位系統(tǒng)與數(shù)字地球24數(shù)字地球信息時(shí)代的需求我們處在一個(gè)信息資源爆炸的時(shí)代，信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日益迅猛，已成為當(dāng)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要特點(diǎn)。25數(shù)字地球信息時(shí)代的需求25全球定位系統(tǒng)與數(shù)字地球數(shù)字地球的產(chǎn)生數(shù)字地球是美國副總統(tǒng)戈?duì)栍?998年1月在加利福尼亞科學(xué)中心開幕典禮上發(fā)表的題為“數(shù)字地球—新世紀(jì)人類星球之認(rèn)識(shí)”演說時(shí)，提出的一個(gè)與GIS、網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)等高新技術(shù)密切相關(guān)的概念。1998年江澤民在接見兩院院士代表時(shí)的講話中指出："當(dāng)今世界，以信息技術(shù)為主要標(biāo)志的科技進(jìn)步日新月異，高科技成果向現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化越來越快，初見端倪的知識(shí)經(jīng)濟(jì)預(yù)示人類的經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活將發(fā)生新的巨大變化"。26全球定位系統(tǒng)與數(shù)字地球數(shù)字地球的產(chǎn)生數(shù)字地球是美國副總統(tǒng)戈?duì)柸蚨ㄎ幌到y(tǒng)與數(shù)字地球數(shù)字地球的概念以理解為對(duì)真實(shí)地球及其相關(guān)現(xiàn)象統(tǒng)一的數(shù)字化重現(xiàn)和認(rèn)識(shí)。其核心思想是用數(shù)字化的手段來處理整個(gè)地球的自然和社會(huì)活動(dòng)諸方面的問題，最大限度地利用資源，并使普通百姓能夠通過一定方式方便地獲得他們所想了解的有關(guān)地球的信息。通俗地講，就是用數(shù)字的方法將地球、地球上的活動(dòng)及整個(gè)地球環(huán)境的時(shí)空變化裝入電腦中，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的流通，并使之最大限度地為人類的生存、可持續(xù)發(fā)展和日常的工作、學(xué)習(xí)、生活、娛樂服務(wù)。

27全球定位系統(tǒng)與數(shù)字地球數(shù)字地球的概念以理解為對(duì)真實(shí)地球及其相全球定位系統(tǒng)與數(shù)字地球數(shù)字地球的特點(diǎn)多源、多比例尺、多分辨率數(shù)據(jù)無縫集成的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)面向全社會(huì)公眾開放的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下的多維網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)28全球定位系統(tǒng)與數(shù)字地球數(shù)字地球的特點(diǎn)28全球定位系統(tǒng)與數(shù)字地球數(shù)字地球的技術(shù)基礎(chǔ)1、信息高速公路和計(jì)算機(jī)寬帶高速網(wǎng)2、高分辨率衛(wèi)星影像3、空間信息技術(shù)與空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施4、大容量數(shù)據(jù)存貯及元數(shù)據(jù)5、科學(xué)計(jì)算6、可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)29全球定位系統(tǒng)與數(shù)字地球數(shù)字地球的技術(shù)基礎(chǔ)29全球定位系統(tǒng)與數(shù)字地球數(shù)字地球中的“3S”技術(shù)數(shù)字地球的核心是地球空間信息科學(xué)，地球空間信息科學(xué)的技術(shù)體系中最基礎(chǔ)和基本的技術(shù)核心是"3S"技術(shù)及其集成。1、空間定位(GPS)技術(shù)2、航空航天遙感(RS)技術(shù)3、地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)4、"三S"集成技術(shù)

"三S"集成是指將上述三種對(duì)地觀測(cè)新技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)有機(jī)地集成在一起。集成，是英文Integration的中譯文，是指一種有機(jī)的結(jié)合，在線的連接、實(shí)時(shí)的處理和系統(tǒng)的整體性。GPS、RS、GIS集成的方式可以在不同技術(shù)水平上實(shí)現(xiàn)。"

30全球定位系統(tǒng)與數(shù)字地球數(shù)字地球中的“3S”技術(shù)數(shù)字地球的核數(shù)字校園我校校園建設(shè)目：提供學(xué)校事業(yè)發(fā)展必需的基礎(chǔ)設(shè)施條件，創(chuàng)造高質(zhì)量的學(xué)習(xí)環(huán)境、研究環(huán)境和生活環(huán)境。創(chuàng)建園林式學(xué)校，為實(shí)現(xiàn)“生態(tài)校園”、“數(shù)字校園”、“開放校園”奠定基礎(chǔ)。

31數(shù)字校園我校校園建設(shè)目：提供學(xué)校事業(yè)發(fā)展必需的基礎(chǔ)設(shè)施條件，3S技術(shù)概述323S技術(shù)概述32地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem,GIS)aGIS是一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，既然是系統(tǒng)，就要具有系統(tǒng)的基本功能，數(shù)據(jù)采集、管理、分析和表達(dá)，所以每個(gè)GIS系統(tǒng)都是由若干具有一定功能的模塊組成。bGIS的處理對(duì)象是有關(guān)的地理分布數(shù)據(jù)，也就是空間數(shù)據(jù)，為了能對(duì)這些空間數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，定性和定量的描述，決定了GIS要對(duì)空間數(shù)據(jù)按統(tǒng)一地理坐標(biāo)進(jìn)行編碼，這是GIS與其他信息系統(tǒng)不同的根本所在。33地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)(GeographicInform資源管理GIS最初就是起源于資源清查，是GIS的最基本的職能，目前趨于成熟的主要應(yīng)用領(lǐng)域。資源清查包括土地資源，森林資源和礦產(chǎn)資源的清查、管理、土地利用規(guī)劃，野生動(dòng)物的保護(hù)等。GIS的主要任務(wù)是將各種來源的數(shù)據(jù)和信息有機(jī)地匯集在一起，并通過統(tǒng)計(jì)，疊量分析等功能，按多種邊界和屬性條件，提供區(qū)域多種條件組合形式的資源統(tǒng)計(jì)和資源現(xiàn)狀分析，從而為資源的合理開發(fā)、利用提供依據(jù)。GIS在國際上典范中有：A、加拿大應(yīng)用GIS完成全國土地資源潛力和估算B、利用GIS進(jìn)行世界小麥大面積估產(chǎn)的高準(zhǔn)確率---這些說明GIS在資源清查方面的應(yīng)用趨于成熟。34資源管理GIS最初就是起源于資源清查，是GIS的最基在進(jìn)行區(qū)域和城鎮(zhèn)規(guī)劃的過程中，要處理許多不同性質(zhì)和不同特點(diǎn)的問題，涉及多方面要素，如資源、環(huán)境、人口、交通、經(jīng)濟(jì)、教育、文化和金融等，GIS將這些數(shù)據(jù)信息歸算到城市的統(tǒng)一系統(tǒng)之中，最后進(jìn)行城市和區(qū)域多目標(biāo)的開發(fā)和規(guī)劃，包括城鎮(zhèn)總體規(guī)劃，城市建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)，城市環(huán)境選質(zhì)量評(píng)價(jià)，道路交通規(guī)劃，公共設(shè)施配置及城市環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等，這些功能的實(shí)現(xiàn)是以GIS的一些數(shù)據(jù)處理和分析算法加以保證的，如GIS的空間搜索方法，多信息疊加處理和一系列的分析軟件，回歸分析，投入產(chǎn)出計(jì)算，模糊加權(quán)評(píng)價(jià)等。區(qū)域和城鄉(xiāng)規(guī)劃35在進(jìn)行區(qū)域和城鎮(zhèn)規(guī)劃的過程中，要處理許多不同性質(zhì)和不災(zāi)害監(jiān)測(cè)GIS方法和多時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)，可以有效地用于森林火災(zāi)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、洪水災(zāi)情監(jiān)測(cè)和淹沒損失估算，確定泄洪區(qū)內(nèi)人員撤退、財(cái)產(chǎn)轉(zhuǎn)移和救災(zāi)物資供應(yīng)的最佳路線，為救災(zāi)搶險(xiǎn)和防洪決策提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息。36災(zāi)害監(jiān)測(cè)GIS方法和多時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)，可以有效地用于森林火災(zāi)環(huán)境評(píng)估37環(huán)境評(píng)估37作戰(zhàn)指揮38作戰(zhàn)指揮38交通運(yùn)輸39交通運(yùn)輸39GoogleEarth上獲取的中國軍事機(jī)場(chǎng)40GoogleEarth上獲取的中國軍事機(jī)場(chǎng)404141遙感（RS）廣義：遙遠(yuǎn)的感知。泛指一切無接觸的遠(yuǎn)距離探測(cè)，包括對(duì)電磁場(chǎng)、力場(chǎng)、機(jī)械波（聲波、地震波）等的探測(cè)。狹義：應(yīng)用探測(cè)儀器,不與探測(cè)目標(biāo)相接觸，從遠(yuǎn)處把目標(biāo)的電磁波特性記錄下來，通過分析，揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測(cè)技術(shù)。42遙感（RS）廣義：遙遠(yuǎn)的感知。泛指一切無接觸的遠(yuǎn)42遙感的工作過程信息的獲取信息的接受信息的處理信息的應(yīng)用43遙感的工作過程信息的獲取信息的接受信息的處理信息的應(yīng)用43遙感的分類1、按遙感平臺(tái)分地面遙感：傳感器設(shè)置在地面平臺(tái)上航空遙感：傳感器設(shè)置在航空器上航天遙感：傳感器設(shè)置在環(huán)地球的航天器上航宇遙感：傳感器設(shè)置在星際飛船上44遙感的分類1、按遙感平臺(tái)分44遙感的分類2、按傳感器的探測(cè)波段分紫外遙感：探測(cè)波段0.05~0.38μm可見光遙感：探測(cè)波段0.38~0.76μm紅外遙感：探測(cè)波段0.76~1000μm微波遙感：探測(cè)波段1㎜~10m多波段遙感：在可見光波段和紅外線波段的范圍內(nèi)，在分成若干窄波段來探測(cè)45遙感的分類2、按傳感器的探測(cè)波段分45遙感的分類3、按遙感的應(yīng)用領(lǐng)域分外層空間遙感大氣層遙感陸地遙感海洋遙感資源遙感、環(huán)境遙感、農(nóng)業(yè)遙感、林業(yè)遙感、漁業(yè)遙感、地質(zhì)遙感、氣象遙感、城市遙感、工程遙感、災(zāi)害遙感、軍事遙感。

46遙感的分類3、按遙感的應(yīng)用領(lǐng)域分46474748484949505051515252