【文章內(nèi)容簡介】 監(jiān)控站點(diǎn)，他們之間的轉(zhuǎn)換問題一般可以按照下面的步驟來分析：平天球坐標(biāo)歲差，章動影響真天球坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)春分點(diǎn)時角 Ω真地球坐標(biāo)極移旋轉(zhuǎn)平地球坐標(biāo) 時間系統(tǒng) 時間系統(tǒng)是衛(wèi)星定位測量過程中的一個重要概念。現(xiàn)時的 GPS 測量的方法是通過接收和處理 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，以確定用戶接收機(jī)和觀測衛(wèi)星間的距離，然后通過一定的數(shù)學(xué)方法以確定接收機(jī)所在的具體位置，為得到接收機(jī)和衛(wèi)星的準(zhǔn)確距離，必須獲得無線電信號從衛(wèi)星傳輸至接收機(jī)這一過程中的精確時間，因而利用衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行精密的定位和導(dǎo)航，必須要獲得高精度的時間信息，這需要一個精確的時間系統(tǒng)?，F(xiàn)行的衛(wèi)星定位測量中與之緊密相關(guān)的時間系統(tǒng)有三種:世界時，原子時和動力學(xué)時。成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計( 論文)16 世界時系統(tǒng) 以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的一種時間系統(tǒng)。根據(jù)不同的空間參考點(diǎn)，又可分為恒星時，太陽時，世界時三種。選定春分點(diǎn)(地球赤道平面與其繞太陽公轉(zhuǎn)軌道的一個交點(diǎn))作為參考點(diǎn)，由該點(diǎn)的周日視運(yùn)動所確定的時間，即為恒星時(siderealTime，sT)。規(guī)定從春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一恒星日，其 1/24 為一恒星時，由于其定義涉及到地方子午圈，因而恒星時具有地方性，又稱地方恒星時。當(dāng)從格林尼治子午線上觀測時，所得的恒星時稱為格林尼治恒星時。由于地球自轉(zhuǎn)受歲差、章動的影響，春分點(diǎn)的空間位置并不唯一，有真春分點(diǎn)和平春分點(diǎn)之分，這導(dǎo)致恒星時可分為真恒星時和平恒星時，因而對格林尼治恒星時有格林尼治真恒星時(GAST)和格林尼治平恒星時(GMsT)這兩者之間的關(guān)系為: （32）其中，△筍為黃經(jīng)章動， ‘為黃經(jīng)交角。以真太陽周日視運(yùn)動所確定的時間稱為真太陽時。但據(jù)天體運(yùn)動的開普勒定律，太陽視運(yùn)動的速度不是均勻的，以真太陽作為觀察地球自轉(zhuǎn)的參考點(diǎn)，不符合時間系統(tǒng)的基本要求，因而假定了一個參考點(diǎn)，其在天球上的視運(yùn)動速度，等于真太陽周年運(yùn)動的平均速度，這個假定的參考點(diǎn)，在天文學(xué)上被稱為平太陽。以平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔，定義為一個平太陽日，其 1/24 為一平太陽時(MeansolarTim 。 ，MT)。與恒星時一樣，平太陽時也具有地方性，常稱地方平太陽時。以地球上格林尼治子午圈所對應(yīng)的平太陽時且以平子夜起算時間系統(tǒng)，稱為世界時(universalTime，uT) 。世界時與平太陽時的尺度標(biāo)準(zhǔn)完全一致，僅僅是起算點(diǎn)有所不同。若有編表示平太陽相對格林尼治子午圈的時角，定義有世界時成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計( 論文)17UTO 可表示為: (3 3) 由于地球自轉(zhuǎn)的不均勻性，使地球自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生了極移現(xiàn)象因而 UTO 并不均勻，為補(bǔ)償這一缺陷，國際天文聯(lián)合會在世界時中引入地軸極移修正△兄和地球自轉(zhuǎn)變化的季節(jié)性改正參數(shù)雙由此可得世界時 UTI 和 uTZ: (34) (35)其中觀測瞬時地極相對國際協(xié)議地極原點(diǎn)(CIO)的極移修正 △兄的表達(dá)式為 (36)式 中 X’， 廠 為 觀 測 瞬 間 的 極 移 分 量 。凡 ， 汽 分 別 為 天 文 經(jīng) 度 和 緯 度 。 地球 自 轉(zhuǎn) 速 度 的 季 節(jié) 性 變 化 改 正 △ 兀 有 如 下 的 經(jīng) 驗(yàn) 公 式 :(37)t 為 自 本 年 起 始 日 起 算 的 年 小 數(shù) 部 分 (即 為 計 算 時 年 積 日 與 該 年 全 年 積 日的 比 例 )。 上 述 修 正 并 不 能 完 全 消 除 地 球 自 轉(zhuǎn) 速 度 變 化 率 和 地 球 自 轉(zhuǎn) 季 節(jié) 性 變化 的 影 響 ， 故 而 UT:并 不 是 嚴(yán) 格 均 勻 的 時 間 系 統(tǒng) 。 原子時系統(tǒng)原子時以物質(zhì)內(nèi)部原子躍遷時所輻射和吸收的電磁波頻率來定義的，其秒長定義為:位于海平面上的艷原子側(cè)”基態(tài)兩個超精細(xì)能級，在零磁場中躍遷輻射振蕩 9，192，631，770 周所持續(xù)的時間，為 1 原子秒，該原子時秒作為國際制秒(sI)的時間單位。原子時的起點(diǎn)是定在 1958 年 1 月 1 日 0 時 0 分 0 秒(UT2)，但與之又有微小誤差，關(guān)系為:成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計( 論文)18 (38)原子時具有很高的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，是現(xiàn)時段最為理想的時間系統(tǒng)。許多國家都建立了各自的原子時系統(tǒng)，國際時間局為消除差異，對 100 座時鐘作了對比分析，利用數(shù)據(jù)處理推算出了統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)——國際原子時(hiternationalAiomicTime，TAD。在目前的導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，均采用了原子時作為其高精度的時間基準(zhǔn)。 動力學(xué)時系統(tǒng)動力學(xué)時(DynamicTime，DT) 是天體力學(xué)中用以描述天體運(yùn)動的時間單位。當(dāng)以太陽系質(zhì)心建立起天休運(yùn)動方程時，所采用的時間參數(shù)稱為質(zhì)心力學(xué)時(BaryeeniricDynamicTime，TDB)。當(dāng)以地球質(zhì)心建立起天體運(yùn)動方程時，所采用的時間參數(shù)稱為地球力學(xué)時仃℃仃 estrialDynamicTime，TDT)。TDT 所采用的基本單位為 sl，與原子時一致。國際天文學(xué)聯(lián)合會定義 1977 年 1 月 1 日 TAI與 TDT 的嚴(yán)格關(guān)系為 :TDT=TAI+(s) (39) 協(xié)調(diào)世界時原子時尺度均勻穩(wěn)定，但與人類日常生活緊密相關(guān)的是以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時，在很多的科學(xué)研究中均采用的是世界時。世界時受地球速度長期性漸慢的影響，逐漸比原子時慢，為避免兩都之間誤差的擴(kuò)大，自 1972 年起，國際上開始采用一種以原子時秒子為基礎(chǔ)，在時刻上盡量接近于世界時的一種折衷的時間系統(tǒng)，稱為協(xié)調(diào)世界時(eoordinateuniversalTime，uTe)。其引入了閏秒的概念，當(dāng)協(xié)調(diào)時與世界時的時刻相差超過士 (s)時，便于協(xié)調(diào)時中引入閏秒士 l(s)，閏秒一般于 12 月 31 日或 6 月 30 日加入。協(xié)調(diào)時與 TAI 的關(guān)系如下:TAI=UTC+n1(s) (310)其中，n 為調(diào)整參數(shù)，其值由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織(lERs)發(fā)布。uTc 是目前幾乎所有國家發(fā)布時號的標(biāo)準(zhǔn)，相互之前的同步誤差約為士 。成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計( 論文)19 GPS 時間系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)(GPS)為保證導(dǎo)航和定位精度，建立了專門的時間系統(tǒng) —GPS時間系統(tǒng)(GPST)。其隸屬于原子時系統(tǒng)，秒長采用國際制秒 sI，但不同于TAI，兩都之前的關(guān)系為 :TAIGPST=19(s) (311)據(jù) 協(xié)調(diào)時與 TAI 的關(guān)系可得 :GPST=UTC+n119(s) (312)成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計( 論文)20第四章 衛(wèi)星運(yùn)動基本定律及其求解衛(wèi)星在空間繞地球運(yùn)動的時候，除了受到地球重力場引力的作用外，還受到了太陽，月亮和其它的天體引力以及太陽光壓，大氣的阻力和地球潮汐力的影響。衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)動軌道非常的復(fù)雜，很難用非常精確的數(shù)學(xué)模型加以描述。在各種力作用對衛(wèi)星影響的過程當(dāng)中，以地球的引力場的作用最大，而其它力的影響則相對的小得多。通常把作用到衛(wèi)星上的力按其影響的大小分成兩部分：一類是中心力；一類是攝動力，也稱為非中心力。假定地球?yàn)榫鶆蚯蝮w的地球引力，稱為在心力，它決定了衛(wèi)星運(yùn)動的基本規(guī)律和基本特征，由此決定地球的軌道，可以視為理想的軌道。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，光輻射壓力以及地球的潮汐力等。攝動力的作用，使衛(wèi)星偏離了既定的理想軌道。而在它影響下，衛(wèi)星的運(yùn)動稱為衛(wèi)星的受攝運(yùn)動。而上述理想狀態(tài)的衛(wèi)星運(yùn)動則稱為無攝運(yùn)動。衛(wèi)星在地球的引力場當(dāng)中所做的無攝運(yùn)動，也稱為開普勒運(yùn)動，其規(guī)律可以由開普勒三大定律來描述。 [7] 開普勒第一定律開普勒第一定律：衛(wèi)星運(yùn)動的軌道是個橢圓，而該橢圓的一個焦點(diǎn)和地球的質(zhì)心重合。這一個定律表明了，在中心引力的作用下，衛(wèi)星繞地球軌道運(yùn)行的軌道面，是一個通過地球質(zhì)心的精致平面。軌道橢圓一般稱期為開普勒橢圓，其形狀和大小都不變。在軌道上，衛(wèi)星離地球質(zhì)心遠(yuǎn)的一點(diǎn)叫做遠(yuǎn)地點(diǎn)，近的一點(diǎn)就做近地點(diǎn)。軌道圖形可以表示為如下圖 5： ms 遠(yuǎn)地點(diǎn) P’ 近地點(diǎn) P 衛(wèi)星繞地球質(zhì)心運(yùn)動的軌道方程為： bsas Mfs圖 41 衛(wèi)星的橢圓運(yùn)行軌道成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計( 論文)21R= (41)fseasSco12??在該式當(dāng)中，R 是衛(wèi)星的地心距離；as 為開普勒橢圓的長半徑；es 為開普勒橢圓的偏心率；fs 為真近點(diǎn)角，它描述了任意時刻，衛(wèi)星在軌道上面相對于近地點(diǎn)的位置，是時間的函數(shù)，其定義見上圖所示。開普勒定義定律闡述了衛(wèi)星運(yùn)動軌道的基本形態(tài)及其與地心的關(guān)系。 開普勒第二定律開普勒第二定律：衛(wèi)星的地心向徑，即地球質(zhì)心與衛(wèi)星質(zhì)心間的距離向量，在相同的時間內(nèi)所掃過的空間面積是相等的。 （如下圖 6 所示） （圖 2）與任何其它的運(yùn)動物體一樣，在軌道上面運(yùn)動的衛(wèi)星，也具有兩種的能量：位能和動能。位能就是指僅僅受到地球重力場的影響，其大小和衛(wèi)星的在軌高度有關(guān)。在近地點(diǎn)其位能最小，而在遠(yuǎn)地點(diǎn)其位能最大。衛(wèi)星在任一個時刻 t所具有的位能為 (G 為萬有引力常量，M 為地球的質(zhì)量,ms 為衛(wèi)星的質(zhì)rGms量)。動能則是由衛(wèi)星的運(yùn)動所引起的，其大小是衛(wèi)星的運(yùn)動速度的函數(shù)。如果取衛(wèi)星的運(yùn)動的速度為 vs,則其動能為 。根據(jù)能量守恒定律，衛(wèi)星的勢vs21能與動能的總量是不變的，即 =常量 (42)rGMss?21因此，當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行到近地點(diǎn)的時候，其動能最大；在遠(yuǎn)地點(diǎn)的時候，其動圖 42 衛(wèi)星地心向徑在相同的時間間隔內(nèi)掃描的面積成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計( 論文)22能最小，由此，開普勒第二定律所包涵的內(nèi)容是：衛(wèi)星在橢圓軌道上的運(yùn)行速度是不斷變化的，在近地點(diǎn)處的速度最大，而在遠(yuǎn)地點(diǎn)的速度最小。 開普勒第三定律開普勒第三定律：衛(wèi)星運(yùn)動周期的平方與軌道橢圓長半徑的立方之比為一個常數(shù)，而該常數(shù)等于地球引力常數(shù)和地球質(zhì)量的乘積 GM 的倒數(shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (43)GsAT?2432?在這個式子當(dāng)中， N,s則有:N= (44))/(2sradT?于是，開普勒第三定律 42 就可以寫成： (45)GNAs)232(?或者表示為常用的形式：N= (46)3顯然，當(dāng)開普勒的長半徑確定了過后，衛(wèi)星運(yùn)動的平均角速度就得到了確定，且保持不變。 衛(wèi)星的無攝運(yùn)動參數(shù)衛(wèi)星的無攝運(yùn)動，一般的可以由下面的 6 個參數(shù)（圖 7）來描述： As 衛(wèi)星軌道的長半徑 Es 衛(wèi)星軌道的偏心率 Ω升交點(diǎn)的赤徑 i衛(wèi)星軌道面的傾角成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計( 論文)23 ωs近地點(diǎn)角距，即升交點(diǎn)與近地點(diǎn)的夾角 fs衛(wèi)星的真近點(diǎn)角，在軌道平面上為衛(wèi)星與進(jìn)地點(diǎn)的地心角距。 圖 43 開普勒軌道參數(shù)當(dāng)這 6 個參數(shù)一旦確定后，衛(wèi)星在任意瞬時的相對于地球的空間位置及其速度，就被唯一的確定了！ 真近點(diǎn)角的概念及其求解在描述衛(wèi)星無攝運(yùn)動的 6 個參數(shù)當(dāng)中，只有 fs 是關(guān)于時間的函數(shù)，其他的都是一般的參數(shù)。所以，計算衛(wèi)星瞬時的位置的關(guān)鍵，計算出參數(shù) fs，并由此確定衛(wèi)星的空間位置及其和時間的關(guān)系。為此，需要引進(jìn)兩個參數(shù) Es 和 Ms 去計算真近點(diǎn)角。Es:偏近點(diǎn)角，如果定義過衛(wèi)星質(zhì)心做平行與橢圓短半軸的直線， M’為該直線與近地點(diǎn)到橢圓中心連線的交點(diǎn)，則橢圓平面上近地點(diǎn) P 到 M’的圓弧所對應(yīng)的圓心角就是 Es。Ms:平近點(diǎn)角。它是一個假設(shè)量，如果衛(wèi)星在軌道運(yùn)行的平速度為 n，則平近點(diǎn)角定義為：Ms=n(tt0) (47)t0 為衛(wèi)星過近地點(diǎn)的時刻，t 為觀察衛(wèi)星的時刻。成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計( 論文)24由上面的式子知道，衛(wèi)星的平近點(diǎn)角僅僅為衛(wèi)星平均速度的時間的函數(shù)，對于一個確定