GPS实验报告一

北京航空航天大学38152105-朱剑飞GPS导航原理课程大作业（一）GPS导航测量数据处理分析报告院（系）名称宇航学院专业名称探测制导与控制技术班 级381521_学号38152105学生姓名朱剑飞指导老师陈统2011年 11 月 18 日北京航空航天大学38152105-朱剑飞实验内容与要求1、在STK中建立一个包括 4颗卫星的星座和一个地面站，计算至少3颗卫星与地面站有链路的时间段。给出图结果和数据文档。相关初始数据如下:卫星1的参数半长轴偏心率轨道倾角升交点赤经近地点幅角真近点角26559.8km0.00255.2875deg0deg0deg15deg卫星2轨道参数:半长轴偏心率轨道倾角升交点赤经近地点幅角真近点角26559.8km0.00255.2875deg30deg0deg0deg卫星3轨道参数:半长轴偏心率轨道倾角升交点赤经近地点幅角真近点角26559.8km0.00255.2875deg60deg0deg-15deg卫星4轨道参数:半长轴偏心率轨道倾角升交点赤经近地点幅角真近点角26559.8km0.00255.2875deg90deg0deg-30deg地面站位置：北纬 38deg，东经118deg仿真初始时间：2011年12月1日00:00:002、描述卫星轨道 6要素的含义；描述地球扁率J2项和太阳光压摄动对卫星轨道的影响；卫星长半轴 26000km，偏心率 0.002，轨道倾角 55deg，升交点赤经 60deg，近地 点幅角120deg，编程绘制地球惯性坐标系下12hr的卫星Kepler轨道；进一步编程计算考虑J2项摄动的卫星轨道，给出六个轨道要素的时间变化曲线(J2=1.08263e-3)；二、实验步骤及结果分析1. STK的使用a) 建立卫星(1) 打开STK8.0软件，新建一个 seenario。(2) 将当前时间设置为 1 Dee 2011 12:00:00(3) 添加satellite1 ，设置各项基本参数，如下：Semimajor Axis ( 长半轴 a) : 26559.8 kmEeeentricity ( 扁率 e): 0.002Inclination ( 轨道倾角 i): 55.2875 degLAN (升交点赤经)：0 degArgument of perigee (近地点幅角 ):0degTrue anomaly (真近点角 ):15 deg(4) 同样按照给出的数据设置satellite2、satellite3、satellite4 的参数b) 建立地面站(1) 添加Faeility1，设置各项基本参数，如下：Type : GeodeticLat: 38 degLong : 118 degAltitude : 0 kmc) 地算卫星与地面站之间链路(1) 在每个卫星上添加一个transmitter ，设置参数如下：Type: simple sourcetran smitterFreque ncy:5G HzEIRP: 35dWBModulatio n: QPSKData Rate: 1Mbps(2) 在地面站上添加一个receiver，设置参数如下：Type: simpleg/t : 6dB/K(3) 打开每个 transmitter的 Access 选项卡，选定 received ，点击 Link Budget按钮，生成报告数据STK结果图：39G36C3X3 002-SC2*0J 6GJ 501叶妙H附律X個1 Pk Xtl HMKWD22叶西卅tS 0 W QXTrrte rUTCGjICfOOOOWOOO B SDXVOOOOOOWO北京航空航天大学38152105-朱剑飞北京航空航天大学38152105-朱剑飞通过链路分析，可以得到四个数据文档。通过数据文档的分析，可得:卫星1与地面站链路时间: 卫星2与地面站链路时间: 卫星3与地面站链路时间: 卫星4与地面站链路时间:00:00:00-04:19:30.65500:00:00-03:54:41.25501:12:28.844-03:29:07.29801:02:53.958-05:31:52.31420:23:51.626-24:00:0020:14:18.972-24:00:0008:31:48.200-15:01:22.44509:17:03.540-14:35:32.108北京航空航天大学38152105-朱剑飞北京航空航天大学38152105-朱剑飞可以得出：至少有三个卫星与地面站接通的时间段为:01:02:53.958-03:54:41.255北京航空航天大学38152105-朱剑飞2. 绘制卫星轨迹a) 轨道六要素轨道六要素是描述和确定航天器轨道特征的量。(1) 轨道倾角i:航天器运行轨道所在的面叫轨道面，这个平面通过地心，它与地 球赤道平面的夹角称为轨道倾角。(2) 升交点赤径：从春分点方向轴量起的升交点的经度，顺地球自转方向为正.0 2。(3) 近地点角距：投影在天球上的椭圆轨道近地点与升交点对地心所张的角度。从 升交点顺航天器运行方向量到近地点。(4) 椭圆轨道的长半轴 a。(5) 椭圆偏心率e。(6) 航天器过近地点的时刻b) 地球扁率J2项和太阳光压摄动对卫星轨道的影响因为地球并非理想的等密度正球体， 所以各部分对卫星的引力不同。在地球摄动力 的影响下，GPS卫星轨道升交点 N在天球赤道上缓慢地进动， 从而升交点赤经 再也不 是常数。根据轨道力学的研究，其近似表达式为：式中， 为地球椭球长轴半径；为卫星椭圆轨道长轴半径；为地球重力场二阶带谐系数；n为卫星的平均角速度。运行中的GPS卫星，既受到太阳直射光压的辐射压力，又受到地球反射的太阳光 的辐射压力，反射光压力是直射光压力的1%2%，显然辐射光压力不仅与距离有关，也与卫星的截面积、 反射特性有关，其关系比较复杂。光压力的摄动加速度，一般可以 表示为式中： 为表示卫星被地球阴影区遮盖程度的参数，通常称为蚀因子，在阴影区；在阳光直射区；一般为；为太阳的光压；为卫星表面的反射因子；为卫星截面积与卫星质量之比。太阳光压力作用于 GPS卫星，也使卫星产生摄动加速度， 其大小约为量级。这一 量级的摄动运动，将使卫星在轨道上运行时，在3小时的轨道弧段上产生 5-10m 的偏差。在精密大地测量中，这一误差也不可忽略。c) 卫星长半轴26000km ，偏心率0.002，轨道倾角55deg，升交点赤经60deg ,近地点幅角120deg ，编程绘制地球惯性坐标系下12hr的卫星Kepler轨道北京航空航天大学38152105-朱剑飞地埒惯炷生称杀屮削机应K 10*北京航空航天大学38152105-朱剑飞北京航空航天大学38152105-朱剑飞y/md) 进一步编程计算考虑J2项摄动的卫星轨道，给出六个轨道要素的时间变化曲线(J2=1.08263e-3)考虎J2项在地球惯性坐标系中的轨這x/ri三、附录：代码1、%定义轨道参数a=2.6*10A6; e=0.02; i=55/2/pi; o=60/2/pi; w=120/2/pi;%在轨道直角坐标系中的表达E=0.00001:0.001:(2*pi);%偏近点角ee=E./E;s=a*(cos(E)-e*ee);a*(1-eA2)A(1/2)*si n( E);0*ee;%在地心惯性坐标系中的表达R1=cos(w),-si n(w),0;si n(w),cos(w),0;0,0,1;R2=1,0,0;0,cos(i),-si n( i);0,s in (i),cos(i);R3=cos(o),-s in (o),0;si n( o),cos(o),0;0,0,1;q=R3*R2*R1*s;plot3(q(1,:),q(2,:),q(3,:);title(地球惯性坐标系中的轨道);xlabel(x/m);ylabel(y/m);zlabel(z/m);2、程序源代码：%定义轨道参数a=2.6*10A3;e=0.02;i=55/2/pi;w=120/2/pi; n=2*pi/(12*60*60);ae=6378.1;%角动量h=(3.986*10A3*a*(1-eA2)A0.5;J2=1.08263*10A-3; K=n *J2*0.5*(ae/(a*(1-eA2)A2;%偏近点角E=0.00001:0.001:(2*pi);ee=E./E;%真近点角f=2*ata n(1+e)A0.5/(1-e)A0.5*ta n( E/2);%定义变量升交点赤经oo=ee;for i=1:6283t=(f(i+1)-f(i)*a*a*(1-eA2)A2/h/(1-e*cos(f(i);o(i)=60+60/2/pi-3*K*cos(i)*t;endo(6384)=60/2/pi;%在轨道直角坐标系中的表达s=a*(cos(E)-e*ee);a*(1-eA2)A(1/2)*si n( E);0*ee;%在地心惯性坐标系中的表达for i=1:6284R1= cos(w),-si n(w),0;si n(w),cos(w),0;0,0,1;R2=1,0,0;0,cos(i),-si n(i);0,si n( i),cos(i);R3=cos(o(i),-si n(o(i),0;s in (o(i),cos(o(i),0;0,0,1; q(:,1)=R3*R2*R1*s(:,1);endfigure,plot3(q(1,:),q(2,:),q(3,:);title( 考虑 J2 项在地球惯性坐标系中的轨道 );xlabel(x/m);ylabel(y/m);zlabel(z/m);