GPS衛(wèi)星定位坐標計算及程序設計.pptVIP

GPS衛(wèi)星定位坐標計算及程序設計(VB或VC）,姓名：*學號：*指導老師：*,本文的主要研究內容,1.衛(wèi)星定位的時間和坐標系統(tǒng)；2.GPS衛(wèi)星運動原理和衛(wèi)星信號；3.GPS單點絕對定位原理；4.程序設計；5.實例計算和精度分析。,1.衛(wèi)星定位的時間和坐標系統(tǒng),1.1時間參考系統(tǒng)要測量時間，必須建立一個時間基準，即時間的單位（尺度）和原點（起始歷元）。其中，時間的尺度是關鍵，而原點可以根據(jù)實際應用加以選定。時間測量基準不同，則描述的時刻和時間間隔都不相同，從而得到了不同的時間系統(tǒng)。描述時間的系統(tǒng)有多種，與GPS定位相關的主要有恒星時、原子時和力學時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我們所認識的日歷，表示法為：年、月、日、時、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。它的特點是連續(xù)，利于數(shù)學表達，但是不直觀。3.新儒略日（ModifiedJulianDay-MJD）：從儒略日中減去2400000.5天來得到，給出的是從1858年11月17日子夜開始的天數(shù)。特點是數(shù)值比儒略日小。4.年積日（DayOfYear-DOY）：從當前1月1日開始的天數(shù)。5.GPS時（GPSTime）：以1980年1月6日子夜為起點，用周數(shù)和周內秒數(shù)來表示，為GPS系統(tǒng)內部計時法。,1.2坐標參考系統(tǒng),GPS定位常采用空間直角坐標系，一般取地球質心為坐標系的原點?？臻g直角坐標系采用位置矢量在3個坐標軸上的投影參數(shù)（x，y，z）表示空間點的位置。采用空間直角坐標系，可以方便的通過平移和旋轉從一個坐標系轉換至另一坐標系。定義一個空間直角坐標系，需要確定：坐標原點的位置；3個坐標軸的指向；長度單位。,天球坐標系,所謂天球，是指以地球質心為中心，以無窮大為半徑的一個假想球體。地球自轉軸的延長線稱為天軸，天軸與天球的2個交點稱為天極，即北天極和南天極。該坐標系的定義是：以地球質心為坐標原點O，其z軸指向北天極，x軸指向春分點，y軸垂直于xOz平面并構成右手坐標系。,地球坐標系,地球空間直角坐標系以地球質心為坐標原點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E，y軸垂直于xOz平面并構成右手坐標系。大地坐標系的定義是：地球橢球的中心與地球質心重合，橢球短軸與地球自轉軸重合，大地維度B為過地面點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為地面點沿橢球法線至橢球面的距離。,WGS-84大地坐標系,GPS定位測量中所采用的協(xié)議地球坐標系，稱為WGS-84世界大地坐標系。該坐標系由美國國防部研制，自1987年1月10日開始使用，WGS-84坐標系的原點為地球質心O，z軸指向BIH1984.0時元定義的協(xié)議地極（CTP），x軸指向BIH1984.0時元定義的零子午面與CTP相應的赤道的交點，y軸垂直于xOz面，且與z、x軸構成右手系。,2.GPS衛(wèi)星運動原理和衛(wèi)星信號,2.1衛(wèi)星的運動在理想狀態(tài)下衛(wèi)星的運動稱為無攝運動，衛(wèi)星在地球引力場中作無攝運動，也稱開普勒運動，其規(guī)律可通過開普勒定律來描述。衛(wèi)星運動的軌道參數(shù)，當6個軌道參數(shù)一經(jīng)確定后，衛(wèi)星在任一瞬間相對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衛(wèi)星運動軌道的信息。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航電文發(fā)送給用戶接收機，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個衛(wèi)星星歷參數(shù)，其中，1個參考時刻，6個相應參考時刻的開普勒軌道參數(shù)和9個攝動力影響的參數(shù)。,用廣播星歷參數(shù)計算衛(wèi)星位置,計算思路首先計算衛(wèi)星在軌道平面坐標系下的坐標然后將上述坐標分別繞X軸旋轉-i角、繞Z軸旋轉-角，求出衛(wèi)星在地固系下的坐標1、計算衛(wèi)星運行的平均角速度n,用廣播星歷參數(shù)計算衛(wèi)星位置,2、計算歸化時間3、計算t時刻衛(wèi)星的平近點角M0為廣播星歷中給出的參考時刻toe的平近點角度。4、計算t時刻衛(wèi)星的偏近點角5、計算真近點角,用廣播星歷參數(shù)計算衛(wèi)星位置,6、計算升交角距8、計算攝動改正項：9、對進行攝動改正10、計算衛(wèi)星在軌道面坐標系中的位置,用廣播星歷參數(shù)計算衛(wèi)星位置,11、計算觀測時刻升交點的經(jīng)度則：12、計算衛(wèi)星在地心坐標系中空間直角坐標：,精密星歷,精密星歷是一些國家的某些部門根據(jù)各自建立的跟蹤站所獲得的精密觀測資料，應用與確定廣播星歷相似的方法計算的衛(wèi)星星歷。它可以向用戶提供在用戶觀測時間的衛(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際GPS服務站（IGS）獲得，IGS星歷用SP3格式給出15min等間隔時間點上的衛(wèi)星坐標和速度，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)中免費得到IGS精密星歷及其他產品。,2.3GPS衛(wèi)星的信號,導航電文導航電文是包含有關衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正和C/A碼捕獲P碼等導航信息的數(shù)據(jù)碼（或D碼），是利用GPS進行定位的數(shù)據(jù)基礎。導航電文的內容包括遙測碼（TLW）、轉換碼（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、學校、研究單位在編制軟件時采用的標準輸入格式。RINEX格式是純ASCII碼文本文件，共包含4個文件：（1）觀測數(shù)據(jù)文件：ssssdddf.yyo（2）導航文件：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個字母的測站名；ddd第一組數(shù)據(jù)的年積日；f當天的觀測期序；yy年。,3.GPS單點絕對定位原理,3.1GPS絕對定位原理GPS絕對定位的實質是基于測量學中的空間距離后方交會在GPS觀測中，我們得到衛(wèi)星的位置和衛(wèi)星到測點的距離（偽距），然后就以衛(wèi)星為球心，以距離為半徑做球面。如果同時觀測了3顆衛(wèi)星，我們便得到3個球面。用數(shù)學語言說，即可組成包括3個未知數(shù)（X，Y，Z）的3個方程式。這三個球面相交的一點，就是要求的測點的位置，也就是說，對這3個方程式求解，便得到該點的坐標。接收機測量的是偽距，其中包括3個坐標分量未知數(shù)和1個鐘差未知數(shù)。為了實時求解這4個未知數(shù)，以實現(xiàn)絕對定位，必須至少同時觀測和得到4顆衛(wèi)星的偽距觀測值。,3.2絕對定位基本方程,設為偽距觀測量，R為接收機到衛(wèi)星的真距離為接收機鐘差，則觀測方程為(3-1)式中，假定偽距觀測量已經(jīng)過星歷中的對流層和電層改正；為衛(wèi)星的瞬時地心坐標，可由衛(wèi)星星歷電文中求出；為接收機的地心坐標，是待求量。為了求解方便和數(shù)據(jù)處理的需要，將上式進行微分，作線性化處理，并將接收機的概略坐標作為初始值代入，得到,3.2絕對定位基本方程,(3-2)式中，為接收機鐘差對應的空間距離，從式（3-2）中看出，三個坐標分量的系數(shù)是接收機到衛(wèi)星的單位矢徑分別向三個坐標軸投影的方向余弦。采用符號(3-3),3.2絕對定位基本方程,規(guī)定上標為衛(wèi)星號，下標i為測站號，則組成偽距定位的基本方程(3-4)采用矩陣表示,3.2絕對定位基本方程,則式（3-4）變?yōu)?3-5)對式（3-5）求解，便得到接收機地心坐標的唯一解,4.程序設計,1、GPS時間轉換程序2、利用廣播星歷計算衛(wèi)星坐標程序3、地面點近似坐標計算程序,5.實例計算和精度分析,以2009年5月7日南京工業(yè)大學江浦校區(qū)控制網(wǎng)20號控制點觀測數(shù)據(jù)為例，來說明如何利用該程序計算衛(wèi)星坐標和地面點的近似坐標。該數(shù)據(jù)利用華測GPS接收機觀測，觀測時間為2小時。,5.實例計算和精度分析,利用本程序計算得到的20號控制點的坐標如表5-1所示：表5-1本程序計算的20號點坐