GPS衛(wèi)星定位坐標(biāo)計(jì)算及程序設(shè)計(jì).ppt

GPS衛(wèi)星定位坐標(biāo)計(jì)算及程序設(shè)計(jì)(VB或VC）,姓名：*學(xué)號(hào)：*指導(dǎo)老師：*,本文的主要研究?jī)?nèi)容,1.衛(wèi)星定位的時(shí)間和坐標(biāo)系統(tǒng)；2.GPS衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)原理和衛(wèi)星信號(hào)；3.GPS單點(diǎn)絕對(duì)定位原理；4.程序設(shè)計(jì)；5.實(shí)例計(jì)算和精度分析。,1.衛(wèi)星定位的時(shí)間和坐標(biāo)系統(tǒng),1.1時(shí)間參考系統(tǒng)要測(cè)量時(shí)間，必須建立一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，即時(shí)間的單位（尺度）和原點(diǎn)（起始?xì)v元）。其中，時(shí)間的尺度是關(guān)鍵，而原點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用加以選定。時(shí)間測(cè)量基準(zhǔn)不同，則描述的時(shí)刻和時(shí)間間隔都不相同，從而得到了不同的時(shí)間系統(tǒng)。描述時(shí)間的系統(tǒng)有多種，與GPS定位相關(guān)的主要有恒星時(shí)、原子時(shí)和力學(xué)時(shí)3種。,歷元表示,1.格里高利歷(Year,Month,Day-YMD):格里高利歷也就是平時(shí)我們所認(rèn)識(shí)的日歷，表示法為：年、月、日、時(shí)、分、秒。2.儒略日（JulianDay-JD）：是指從-4712年1月1日（即公元前4713年1月1日）正午開始的天數(shù)。由J.J.Scaliger在1583年提出。它的特點(diǎn)是連續(xù)，利于數(shù)學(xué)表達(dá)，但是不直觀。3.新儒略日（ModifiedJulianDay-MJD）：從儒略日中減去2400000.5天來(lái)得到，給出的是從1858年11月17日子夜開始的天數(shù)。特點(diǎn)是數(shù)值比儒略日小。4.年積日（DayOfYear-DOY）：從當(dāng)前1月1日開始的天數(shù)。5.GPS時(shí)（GPSTime）：以1980年1月6日子夜為起點(diǎn)，用周數(shù)和周內(nèi)秒數(shù)來(lái)表示，為GPS系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)時(shí)法。,1.2坐標(biāo)參考系統(tǒng),GPS定位常采用空間直角坐標(biāo)系，一般取地球質(zhì)心為坐標(biāo)系的原點(diǎn)?？臻g直角坐標(biāo)系采用位置矢量在3個(gè)坐標(biāo)軸上的投影參數(shù)（x，y，z）表示空間點(diǎn)的位置。采用空間直角坐標(biāo)系，可以方便的通過平移和旋轉(zhuǎn)從一個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至另一坐標(biāo)系。定義一個(gè)空間直角坐標(biāo)系，需要確定：坐標(biāo)原點(diǎn)的位置；3個(gè)坐標(biāo)軸的指向；長(zhǎng)度單位。,天球坐標(biāo)系,所謂天球，是指以地球質(zhì)心為中心，以無(wú)窮大為半徑的一個(gè)假想球體。地球自轉(zhuǎn)軸的延長(zhǎng)線稱為天軸，天軸與天球的2個(gè)交點(diǎn)稱為天極，即北天極和南天極。該坐標(biāo)系的定義是：以地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，其z軸指向北天極，x軸指向春分點(diǎn)，y軸垂直于xOz平面并構(gòu)成右手坐標(biāo)系。,地球坐標(biāo)系,地球空間直角坐標(biāo)系以地球質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，其z軸指向地球北極，x軸指向格林尼治平子午面與地球赤道的交點(diǎn)E，y軸垂直于xOz平面并構(gòu)成右手坐標(biāo)系。大地坐標(biāo)系的定義是：地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，大地維度B為過地面點(diǎn)的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度L為過地面點(diǎn)的橢球子午面與格林尼治平子午面之間的夾角，大地高H為地面點(diǎn)沿橢球法線至橢球面的距離。,WGS-84大地坐標(biāo)系,GPS定位測(cè)量中所采用的協(xié)議地球坐標(biāo)系，稱為WGS-84世界大地坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系由美國(guó)國(guó)防部研制，自1987年1月10日開始使用，WGS-84坐標(biāo)系的原點(diǎn)為地球質(zhì)心O，z軸指向BIH1984.0時(shí)元定義的協(xié)議地極（CTP），x軸指向BIH1984.0時(shí)元定義的零子午面與CTP相應(yīng)的赤道的交點(diǎn)，y軸垂直于xOz面，且與z、x軸構(gòu)成右手系。,2.GPS衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)原理和衛(wèi)星信號(hào),2.1衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)在理想狀態(tài)下衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)稱為無(wú)攝運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星在地球引力場(chǎng)中作無(wú)攝運(yùn)動(dòng)，也稱開普勒運(yùn)動(dòng)，其規(guī)律可通過開普勒定律來(lái)描述。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道參數(shù)，當(dāng)6個(gè)軌道參數(shù)一經(jīng)確定后，衛(wèi)星在任一瞬間相對(duì)于地球體的空間位置及其速度，便可唯一的確定。,2.2GPS衛(wèi)星星歷,衛(wèi)星的星歷是描述有關(guān)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的信息。GPS衛(wèi)星星歷按精度可分為廣播星歷和精密星歷。廣播星歷就是衛(wèi)星GPS將含有軌道信息的導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶接收機(jī)，然后經(jīng)過解碼獲得的衛(wèi)星星歷。GPS用戶通過衛(wèi)星廣播星歷，可以獲得16個(gè)衛(wèi)星星歷參數(shù)，其中，1個(gè)參考時(shí)刻，6個(gè)相應(yīng)參考時(shí)刻的開普勒軌道參數(shù)和9個(gè)攝動(dòng)力影響的參數(shù)。,用廣播星歷參數(shù)計(jì)算衛(wèi)星位置,計(jì)算思路首先計(jì)算衛(wèi)星在軌道平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)然后將上述坐標(biāo)分別繞X軸旋轉(zhuǎn)-i角、繞Z軸旋轉(zhuǎn)-角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標(biāo)1、計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度n,用廣播星歷參數(shù)計(jì)算衛(wèi)星位置,2、計(jì)算歸化時(shí)間3、計(jì)算t時(shí)刻衛(wèi)星的平近點(diǎn)角M0為廣播星歷中給出的參考時(shí)刻toe的平近點(diǎn)角度。4、計(jì)算t時(shí)刻衛(wèi)星的偏近點(diǎn)角5、計(jì)算真近點(diǎn)角,用廣播星歷參數(shù)計(jì)算衛(wèi)星位置,6、計(jì)算升交角距8、計(jì)算攝動(dòng)改正項(xiàng)：9、對(duì)進(jìn)行攝動(dòng)改正10、計(jì)算衛(wèi)星在軌道面坐標(biāo)系中的位置,用廣播星歷參數(shù)計(jì)算衛(wèi)星位置,11、計(jì)算觀測(cè)時(shí)刻升交點(diǎn)的經(jīng)度則：12、計(jì)算衛(wèi)星在地心坐標(biāo)系中空間直角坐標(biāo)：,精密星歷,精密星歷是一些國(guó)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(cè)資料，應(yīng)用與確定廣播星歷相似的方法計(jì)算的衛(wèi)星星歷。它可以向用戶提供在用戶觀測(cè)時(shí)間的衛(wèi)星星歷，避免了廣播星歷外推的誤差。精密星歷可以通過國(guó)際GPS服務(wù)站（IGS）獲得，IGS星歷用SP3格式給出15min等間隔時(shí)間點(diǎn)上的衛(wèi)星坐標(biāo)和速度，屬于ITRF參考框架。通過Internet網(wǎng)，可以從IGS的數(shù)據(jù)處理中心或中央局的信息系統(tǒng)中免費(fèi)得到IGS精密星歷及其他產(chǎn)品。,2.3GPS衛(wèi)星的信號(hào),導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文是包含有關(guān)衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)、軌道攝動(dòng)改正、大氣折射改正和C/A碼捕獲P碼等導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù)碼（或D碼），是利用GPS進(jìn)行定位的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。導(dǎo)航電文的內(nèi)容包括遙測(cè)碼（TLW）、轉(zhuǎn)換碼（HOW）、第一數(shù)據(jù)塊、第二數(shù)據(jù)塊和第三數(shù)據(jù)塊5部分。,RINEX數(shù)據(jù)格式,目前，RINEX格式已成為各廠商、學(xué)校、研究單位在編制軟件時(shí)采用的標(biāo)準(zhǔn)輸入格式。RINEX格式是純ASCII碼文本文件，共包含4個(gè)文件：（1）觀測(cè)數(shù)據(jù)文件：ssssdddf.yyo（2）導(dǎo)航文件：ssssdddf.yyn（3）氣象數(shù)據(jù)文件：ssssdddf.yym（4）GLONASS數(shù)據(jù)文件：ssssdddf.yyg其中：ssss4個(gè)字母的測(cè)站名；ddd第一組數(shù)據(jù)的年積日；f當(dāng)天的觀測(cè)期序；yy年。,3.GPS單點(diǎn)絕對(duì)定位原理,3.1GPS絕對(duì)定位原理GPS絕對(duì)定位的實(shí)質(zhì)是基于測(cè)量學(xué)中的空間距離后方交會(huì)在GPS觀測(cè)中，我們得到衛(wèi)星的位置和衛(wèi)星到測(cè)點(diǎn)的距離（偽距），然后就以衛(wèi)星為球心，以距離為半徑做球面。如果同時(shí)觀測(cè)了3顆衛(wèi)星，我們便得到3個(gè)球面。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言說，即可組成包括3個(gè)未知數(shù)（X，Y，Z）的3個(gè)方程式。這三個(gè)球面相交的一點(diǎn)，就是要求的測(cè)點(diǎn)的位置，也就是說，對(duì)這3個(gè)方程式求解，便得到該點(diǎn)的坐標(biāo)。接收機(jī)測(cè)量的是偽距，其中包括3個(gè)坐標(biāo)分量未知數(shù)和1個(gè)鐘差未知數(shù)。為了實(shí)時(shí)求解這4個(gè)未知數(shù)，以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定位，必須至少同時(shí)觀測(cè)和得到4顆衛(wèi)星的偽距觀測(cè)值。,3.2絕對(duì)定位基本方程,設(shè)為偽距觀測(cè)量，R為接收機(jī)到衛(wèi)星的真距離為接收機(jī)鐘差，則觀測(cè)方程為(3-1)式中，假定偽距觀測(cè)量已經(jīng)過星歷中的對(duì)流層和電層改正；為衛(wèi)星的瞬時(shí)地心坐標(biāo)，可由衛(wèi)星星歷電文中求出；為接收機(jī)的地心坐標(biāo)，是待求量。為了求解方便和數(shù)據(jù)處理的需要，將上式進(jìn)行微分，作線性化處理，并將接收機(jī)的概略坐標(biāo)作為初始值代入，得到,3.2絕對(duì)定位基本方程,(3-2)式中，為接收機(jī)鐘差對(duì)應(yīng)的空間距離，從式（3-2）中看出，三個(gè)坐標(biāo)分量的系數(shù)是接收機(jī)到衛(wèi)星的單位矢徑分別向三個(gè)坐標(biāo)軸投影的方向余弦。采用符號(hào)(3-3),3.2絕對(duì)定位基本方程,規(guī)定上標(biāo)為衛(wèi)星號(hào)，下標(biāo)i為測(cè)站號(hào)，則組成偽距定位的基本方程(3-4)采用矩陣表示,3.2絕對(duì)定位基本方程,則式（3-4）變?yōu)?3-5)對(duì)式（3-5）求解，便得到接收機(jī)地心坐標(biāo)的唯一解,4.程序設(shè)計(jì),1、GPS時(shí)間轉(zhuǎn)換程序2、利用廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)程序3、地面點(diǎn)近似坐標(biāo)計(jì)算程序,5.實(shí)例計(jì)算和精度分析,以2009年5月7日南京工業(yè)大學(xué)江浦校區(qū)控制網(wǎng)20號(hào)控制點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，來(lái)說明如何利用該程序計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)和地面點(diǎn)的近似坐標(biāo)。該數(shù)據(jù)利用華測(cè)GPS接收機(jī)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間為2小時(shí)。,5.實(shí)例計(jì)算和精度分析,利用本程序計(jì)算得到的20號(hào)控制點(diǎn)的坐標(biāo)如表5-1所示：表5-1本程序計(jì)算的20號(hào)點(diǎn)坐