GPS卫星定位坐标计算及程序设计.pptx

本文的主要研究内容本文的主要研究内容本文的主要研究内容本文的主要研究内容1.卫星定位的时间和坐标系统；2.GPS卫星运动原理和卫星信号；3.GPS单点绝对定位原理；4.程序设计；5.实例计算和精度分析。1.1.卫星定位的时间和坐标系统卫星定位的时间和坐标系统卫星定位的时间和坐标系统卫星定位的时间和坐标系统1.1 时间参考系统要测量时间，必须建立一个时间基准，即时间的单位（尺度）和原点（起始历元）。其中，时间的尺度是关键，而原点可以根据实际应用加以选定。时间测量基准不同，则描述的时刻和时间间隔都不相同，从而得到了不同的时间系统。描述时间的系统有多种，与GPS定位相关的主要有恒星时、原子时和力学时3种。历元表示历元表示历元表示历元表示1.格里高利历(Year,Month,Day-YMD):格里高利历也就是平时我们所认识的日历，表示法为：年、月、日、时、分、秒。2.儒略日（Julian Day-JD）：是指从-4712年1月1日（即公元前4713年1月1日）正午开始的天数。由J.J.Scaliger在1583年提出。它的特点是连续，利于数学表达，但是不直观。3.新儒略日（Modified Julian Day-MJD）：从儒略日中减去2400000.5天来得到，给出的是从1858年11月17日子夜开始的天数。特点是数值比儒略日小。4.年积日（Day Of Year-DOY）：从当前1月1日开始的天数。5.GPS时（GPS Time）：以1980年1月6日子夜为起点，用周数和周内秒数来表示，为GPS系统内部计时法。1.21.21.21.2坐标参考系统坐标参考系统坐标参考系统坐标参考系统GPS定位常采用空间直角坐标系，一般取地球质心为坐标系的原点。空间直角坐标系采用位置矢量在3个坐标轴上的投影参数（x，y，z）表示空间点的位置。采用空间直角坐标系，可以方便的通过平移和旋转从一个坐标系转换至另一坐标系。定义一个空间直角坐标系，需要确定：坐标原点的位置；3个坐标轴的指向；长度单位。天球坐标系天球坐标系天球坐标系天球坐标系所谓天球，是指以地球质心为中心，以无穷大为半径的一个假想球体。地球自转轴的延长线称为天轴，天轴与天球的2个交点称为天极，即北天极和南天极。该坐标系的定义是：以地球质心为坐标原点O，其z轴指向北天极，x轴指向春分点，y轴垂直于xOz平面并构成右手坐标系。地球坐标系地球坐标系地球坐标系地球坐标系地球空间直角坐标系以地球质心为坐标原点O，其z轴指向地球北极，x轴指向格林尼治平子午面与地球赤道的交点E，y轴垂直于xOz平面并构成右手坐标系。大地坐标系的定义是：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合，大地维度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼治平子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。WGS-84WGS-84WGS-84WGS-84大地坐标系大地坐标系大地坐标系大地坐标系GPS定位测量中所采用的协议地球坐标系，称为WGS-84世界大地坐标系。该坐标系由美国国防部研制，自1987年1月10日开始使用，WGS-84坐标系的原点为地球质心O，z轴指向BIH1984.0时元定义的协议地极（CTP），x轴指向BIH1984.0时元定义的零子午面与CTP相应的赤道的交点，y轴垂直于xOz面，且与z、x轴构成右手系。2.GPS2.GPS2.GPS2.GPS卫星卫星卫星卫星运动原理和卫星信号运动原理和卫星信号运动原理和卫星信号运动原理和卫星信号2.1卫星的运动在理想状态下卫星的运动称为无摄运动，卫星在地球引力场中作无摄运动，也称开普勒运动，其规律可通过开普勒定律来描述。卫星运动的轨道参数，当6个轨道参数一经确定后，卫星在任一瞬间相对于地球体的空间位置及其速度，便可唯一的确定。2.2GPS2.2GPS2.2GPS2.2GPS卫星星历卫星星历卫星星历卫星星历卫星的星历是描述有关卫星运动轨道的信息。GPS卫星星历按精度可分为广播星历和精密星历。广播星历就是卫星GPS将含有轨道信息的导航电文发送给用户接收机，然后经过解码获得的卫星星历。GPS用户通过卫星广播星历，可以获得16个卫星星历参数，其中，1个参考时刻，6个相应参考时刻的开普勒轨道参数和9个摄动力影响的参数。用广播星历参数计算卫星位置用广播星历参数计算卫星位置用广播星历参数计算卫星位置用广播星历参数计算卫星位置计算思路首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-角，求出卫星在地固系下的坐标1、计算卫星运行的平均角速度n用广播星历参数计算卫星位置用广播星历参数计算卫星位置用广播星历参数计算卫星位置用广播星历参数计算卫星位置2、计算归化时间3、计算t时刻卫星的平近点角 M0为广播星历中给出的参考时刻toe的平近点角度。4、计算t时刻卫星的偏近点角5、计算真近点角 用广播星历参数计算卫星位置用广播星历参数计算卫星位置用广播星历参数计算卫星位置用广播星历参数计算卫星位置6、计算升交角距8、计算摄动改正项：9、对 进行摄动改正10、计算卫星在轨道面坐标系中的位置用广播星历参数计算卫星位置用广播星历参数计算卫星位置用广播星历参数计算卫星位置用广播星历参数计算卫星位置11、计算观测时刻升交点的经度 则：12、计算卫星在地心坐标系中空间直角坐标：精密星历精密星历精密星历精密星历精密星历是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定广播星历相似的方法计算的卫星星历。它可以向用户提供在用户观测时间的卫星星历，避免了广播星历外推的误差。精密星历可以通过国际GPS服务站（IGS）获得，IGS星历用SP3格式给出15min等间隔时间点上的卫星坐标和速度，属于ITRF参考框架。通过Internet网，可以从IGS的数据处理中心或中央局的信息系统中免费得到IGS精密星历及其他产品。2.3GPS2.3GPS2.3GPS2.3GPS卫星的信号卫星的信号卫星的信号卫星的信号导航电文 导航电文是包含有关卫星的星历、卫星工作状态时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和C/A码捕获P码等导航信息的数据码（或D码），是利用GPS进行定位的数据基础。导航电文的内容包括遥测码（TLW）、转换码（HOW）、第一数据块、第二数据块和第三数据块5部分。RINEXRINEXRINEXRINEX数据格式数据格式数据格式数据格式 目前，RINEX格式已成为各厂商、学校、研究单位在编制软件时采用的标准输入格式。RINEX格式是纯ASCII码文本文件，共包含4个文件：（1）观测数据文件：ssssdddf.yyo （2）导航文件：ssssdddf.yyn （3）气象数据文件：ssssdddf.yym （4）GLONASS数据文件：ssssdddf.yyg 其中：ssss4个字母的测站名；ddd第一组数据的年积日；f当天的观测期序；yy年。3.GPS3.GPS3.GPS3.GPS单点绝对定位原理单点绝对定位原理单点绝对定位原理单点绝对定位原理3.1GPS绝对定位原理 GPS绝对定位的实质是基于测量学中的空间距离后方交会在GPS观测中，我们得到卫星的位置和卫星到测点的距离（伪距），然后就以卫星为球心，以距离为半径做球面。如果同时观测了3颗卫星，我们便得到3个球面。用数学语言说，即可组成包括3个未知数（X，Y，Z）的3个方程式。这三个球面相交的一点，就是要求的测点的位置，也就是说，对这3个方程式求解，便得到该点的坐标。接收机测量的是伪距，其中包括3个坐标分量未知数和1个钟差未知数。为了实时求解这4个未知数，以实现绝对定位，必须至少同时观测和得到4颗卫星的伪距观测值。3.23.2绝对定位基本方程绝对定位基本方程绝对定位基本方程绝对定位基本方程设 为伪距观测量，R为接收机到卫星的真距离 为接收机钟差，则观测方程为 (3-1)式中，假定伪距观测量 已经过星历中的对流层和电层改正；为卫星的瞬时地心坐标，可由卫星星历电文中求出；为接收机的地心坐标，是待求量。为了求解方便和数据处理的需要，将上式进行微分，作线性化处理，并将接收机的概略坐标 作为初始值代入，得到3.23.2绝对定位基本方程绝对定位基本方程绝对定位基本方程绝对定位基本方程 (3-2)式中，为接收机钟差对应的空间距离，从式（3-2）中看出，三个坐标分量的系数是接收机到卫星的单位矢径分别向三个坐标轴投影的方向余弦。采用符号 (3-3)3.23.2绝对定位基本方程绝对定位基本方程绝对定位基本方程绝对定位基本方程规定上标为卫星号，下标i 为测站号，则组成伪距定位的基本方程 (3-4)采用矩阵表示 3.23.2绝对定位基本方程绝对定位基本方程绝对定位基本方程绝对定位基本方程则式（3-4）变为 (3-5)对式（3-5）求解，便得到接收机地心坐标的唯一解4.4.4.4.程序设计程序设计程序设计程序设计1、GPS时间转换程序2、利用广播星历计算卫星坐标程序3、地面点近似坐标计算程序5.5.5.5.实例计算和精度分析实例计算和精度分析实例计算和精度分析实例计算和精度分析以2009年5月7日南京工业大学江浦校区控制网20号控制点观测数据为例，来说明如何利用该程序计算卫星坐标和地面点的近似坐标。该数据利用华测GPS接收机观测，观测时间为2小时。5.5.5.5.实例计算和精度分析实例计算和精度分析实例计算和精度分析实例计算和精度分析利用本程序计算得到的20号控制点的坐标如表5-1所示：表5-1 本程序计算的20号点坐标利用中海达GPS数据处理软件HDS2003计算得到的20号控制点的坐标如表5-2所示：表5-2 HDS2003计算的20号点坐标XYZ-2591889.8785644747381.6094673368880.807992XYZ-2591898.5579484747382.9274483368882.9031905.5.实例计算和精度分析实例计算和精度分析实例计算和精度分析实例计算和精度分析二者坐标差如表5-3所示：表5-3 坐标差点位误差 =9.025444m。因此，认为本程序的定位精度为10m是合理的。dXdYdZ8.679384-1.317981-2.095198致谢致谢致谢致谢感谢在写作过程中*老师的帮助和指导！同时感谢*老师的帮助！谢谢大家！谢谢大家！谢谢大家！谢谢大家！