学生手册计算与测定GNSS卫星位置.docx

1、学生手册计算与测定GNSS卫星位置计算与测定 GNSS 卫星位置 【任务概述】 利用卫星进行导航和定位，就是根据已知的卫星轨道参数计 GNSS 算出卫星瞬时位置，通过观测和数据处理，确定接收机的位置和载体 的运动速度。所以，获取准确的卫星轨道参数，计算出卫星在观测瞬 间的位置，是导航定位的基础。因为系统坐标系统采 GNSS GNSS 用坐标系统。为了计算卫星在大地坐标系中的位 -84 WGSWGS-84 置，首先需要计算卫星在其轨道平面内的位置。此时定义：原点与地 心相重合，轴指向升交点，轴在轨道平面内垂直于轴，我们 x x M y 称其为轨道平面直角坐标系，它是一种过渡性的坐标系。再进行坐标

2、 系的转换，将卫星在其轨道的坐标转换到地面直角坐标系下。 【学习目标】 （）知识目标：星历文件的获取方法有哪些？了解星历文件的构1 成？明确卫星星历参数，及计算公式推导过程。 （）技能目标：如何打开星历文件；如何读取星历文件，并将参数2 赋值到变量中；如何计算卫星位置。 【教学内容】 一、导航原理 GPS 卫星导航，就是用卫星发送的导航定位信号引导运载体从 GPSGPS 一个地点航行到另一个地点的过程。航行的意思；也就是确定航行体 运动到什么地方和向何方向运动的意思。要使飞机、舰船、车辆等运 的位置之外，务。除了起始点和目标定的航行任预工具成功地完成所载主要的就是必须知道航行体所处的即时位置。

3、因为只有确定了即时位 置才能考虑怎样到达下一目的地的问题；如果连自己已经到了什么地 方和以后该到什么地方也不知道的话，那就无从谈起完成预定航行任 务的问题。由此可见，导航的首要问题就是确定航行体的即时位置。 另外，为现代载体提供精确的导航信息，还需要测定载体的瞬时速度， 精确的时间，运动裁体的姿态等状态参数，进而导引该运动载体准”“ 确地驶向预定的后续位置。由此可见，导航是一种广义的动态定位。 卫星所发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的空间 GPS 信息资源；陆地、海洋和空间的广大用户，只要持有一种能够接收、跟 踪、变换和测量信号的接收机，就可以全天候和全球性地测量运 GPS 动栽体的

4、七维状态参数三维坐标、三维速度、时间和三维姿态参数；)( 其用途之广，影响之大，是任何其他接收设备望尘莫及的；上至航空 航天，下至渔业、导游、摄影和农业生产，均可利用信号接收机。 GPS 对于任何某一具体的导航过程，首先必须确定本次航行的起始点、目 的点以及航行计划路径总称之为一条航线。路径的标定一般是用一)( 系列均匀分布于路径上的坐标点来确定，这些坐标点就叫航路点。起 始点、目的点、航路点的位置坐标可以是从地图上量取，也可以是直 接测得，总之必须是已知的。 在航行过程中，定位系统能够实时提供给航行体位置信息坐标，)(GPS 结合计算机中存储的航行路径中各航路点位置信息，可以计算出各种 可用

5、来纠正航行偏差、指导正确航行方向的制导参数，如应航迹角、 偏航距和待航距离待航时间等，图明各制说例，为航导机飞以 1-10 )(导参数的物理意义图中还示出真航向、航迹角、偏流角和地速。利V)( 用制导参数，可以计算出航行体的操纵指令，再通过控制系统，可实 现航行的自动化。 上述导航是广义的动态定位，它有着极其广阔的应用 GPS GPS 前景。例如，用于陆地、水上和航空航天运载体的导航。根据用户的应 用目的和精度要求的不同，动态定位方法也随之而改变。从目前 GPS 的应用看来，主要分为以下几种方法： 单点动态定位它是用安设在一个运动载体上的信号接收 (1)GPS 机，自主地测得该运动载体的实时位

6、置，从而描绘出该运动载体的运 行轨迹。所以单点动态定位又叫做绝对动态定位。例如，行驶的汽车 和火车，常用单点动态定位。 实时差分动态定位它是用安设在一个运动载体上的信号 (2)GPS 接收机，及安设在一个基准站上的另一台接收机，联合测得该运 GPS 动载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运行轨迹，故差分动态 定位又称为相对动态定位。例如，飞机着陆和船舰进港，一般要求采 用实时差分动态定位，以满足它们所要求的较高定位精度。 后处理差分动态定位它和实时差分动态定位的主要差别在于，在(3) 运动载体和基准站之间，不必像实时差分动态定位那样建立实时数据 传输，而是在定位观测以后，对两台接收机所采集的

7、定位数据进 GPS 行测后的联合处理，从而计算出接收机所在运动载体在对应时间上的 坐标位置。例如，在航空摄影测量时，用信号测量每一个摄影瞬 GPS 动态定位。理差分处站位置，就可以采用后摄的间因此，应该依据动态测量的这些特点，载体的运行速度和加 GPS 速度的不同，以及所要求的精度不同选购适宜的接收机，采用适当的 数据处理方法，以便获得所要求的运动载体的七维状态参数和三维姿 态参数的测量精度。例如，用于航空摄影测量摄站的接收机，不仅要 求它在秒速左右时能够作伪距和载波相位测量，而且要求它具 300m 有秒脉冲输出的时间同步能力；对于海洋测绘用户而言，则宜选购具 有速度测量和定时功能的双频接收机

8、，并附设有带抑径板或抑径圈 的信号接收天线，以减弱海面所产生的多路径效应的影响。 GPS 二、导航方法 GPS 导航的任务是引导航行体自起始点出发沿着预定的航线，经济而 安全地到达目的地。经常地测定在航行中的航行体位置，是完成导航 任务的一个重要课题，因为引航人员需要随时了解航行体已经到达的 位置，以便掌握航行体的运动状态，判明其有无偏离预定的航线，偏 离的程度如何，卫星导航中的常用方法包括： GPS 单机导航 1GPS 顾名思义，单机就是在航行体上仅装配一台用接收机，单独实 C 施导航，如在地质勘探、资源调查、船只航行、汽车导航等方面，得到 广泛应用。因为一台接收只要能接收到颗以上的卫星信号

9、便 4 GPS 可测定出所处的位置。因此操作和使用非常简单，价格也便宜，且具 有全天候、全球性、较高精度及实时三维定位和测速能力。 但是在众多阶情况下，单机导航还需配备适当的辅助设备，以保 须必还位置，实时要确定船的证导航的安全可靠性。如船只航行不仅实时测定水深，才不致使船只触礁而能够安全的航行。又如汽车导航 时，当汽车行驶在高层建筑的街道或林荫道上，可能接收机接收 GPS 不到足够的卫星数以满足定位的需要。一般在汽车上还要配备电子罗 盘，结合速度计和相应软件，来实现不能实施定位情况下的连续 GPS 定位导航工作。在陆地车辆的导航中，还经常配备电子地图、交通信 息库和智能选线功能，以帮助驾驶员

10、安全、快速地到达目的地。 差分导航 CPS2 由于使用码的民用用户的定位精度低，因而就提出了如何 CA 提高民用定位精度的问题。差分就是适应这一要求而产生的，其 GPS 原理如图所示。在地面已知位置设置一个地面站，地面站由一 -3 10 个差分接收机和一个差分发射机组成。差分接收机接收卫星信 GPS 号，监测差分系统的误差，并按规定的时间间隔把修正信息发送 GPS 给用户，用户用修正信息校正自己的测量或位置解。差分导航有 GPS 两种工作方式。 （）位置差分法1 差分接收机和用户接收机一样，通过伪距测量确定自己的位置。 把测量确定的位置数据和已知位置数据比较，即得位置校正量 ，。通过发射机把这

11、些位置修正信息发送给用户接收机，用ZY?X? 户接收机用以校正自己的输出坐标。 （）伪距差分法2 地面接收机对所有可见卫星测量伪距，并根据星历数据和已知位 为差作误距误差。把伪距伪星的距离，两者相减得到卫到户算用计置修正信息发送给用户接收机，用户接收机用来修正自己测量的伪距， 然后进行定位计算。这种方法不要求用户接收机和地面接收机使用相 同的星座，使用方便，但对地面接收机要求的通道数多。 上述两种校正方法都是以用户接收机和地面接收机具有相同的误差 为前提。实际上，两台接收机所处的位置不同，接收机本身也不一样， 因此误差不可能相同。随着两台接收机间距离的增大，修正效果变差。 【重点】 导航的基本原理 1GPS 导航的目的和任务2 单点导航定位3 【难点】 导航的基本原理 1GPS 【思考题（作业）】 试述导航的目的和作用 1GPS