GPS絕對定位的程序設(shè)計修改02要點

1、目錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1 引言11.2 國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)11.3 本文主要研究工作和章節(jié)安排22 GPS衛(wèi)星軌道坐標計算數(shù)學(xué)模型23 GPS單點定位數(shù)學(xué)模型64 程序設(shè)計84.1 VB介紹84.2 絕對定位程序的總體設(shè)計94.2.1 系統(tǒng)描述與需求分析94.2.2 軟件總體設(shè)計94.2.3 設(shè)計軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)94.2.4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫設(shè)計104.2.5 程序中的模塊104.2.6 程序流程105 計算實例及誤差分析126 結(jié)論14致 謝15參考文獻16GPS絕對定位的程序設(shè)計摘 要GPS單點定位是根據(jù)計算出的衛(wèi)星坐標，再以偽距或者載波相位為觀測量，通過空間后方交會原理計

2、算出地面測量站點的位置。本文主要介紹了GPS衛(wèi)星軌道坐標計算數(shù)學(xué)模型，單點定位數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)最小二乘原理，利用VB語言對以上過程進行了實現(xiàn)。本文對此程序的開發(fā)過程進行了闡述，包括時間轉(zhuǎn)換程序、利用廣播星歷計算衛(wèi)星坐標程序和地面點近似坐標計算程序，并總結(jié)了程序開發(fā)過程中對誤差進行處理的方法和一些關(guān)鍵技術(shù)問題的解決思路。最后，選取實例進行計算并進行精度分析。關(guān)鍵詞：GPS 單點定位 坐標計算 精度分析PROGRAM DESIGN OF GPS ABSOLUTE POSITIONINGABSTRACTSingle-point positioning of GPS calculates the lo

3、cation of the site ground-based measurements by the principle of space resection according to the calculated satellite coordinates, which measure the pseudorange or carrier phase for the concept. My article describes a mathematical model of the GPS satellite orbit coordinates calculating, a mathemat

4、ical model of single point of positioning, and achieve the above process in accordance with the principle of least squares, using VB language . my article describes the process of the program development, and summarizes the ways to deal with the error and the idea of some key technical issues in the

5、 program development process. Finally, selects the instance to calculate and analyse the accuracy .KEY WORDS GPS Single-point positioning Coordinate calculation Accuracy Analysis1 緒論1.1 引言GPS是美國從20 世紀70 年代開始研制的, 于1994 年全面建成, 具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。尤其是經(jīng)過近幾年的研究,GPS 更在測繪、航空遙感和氣象等方面有了新的應(yīng)用

6、, 并以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點, 贏得廣大用戶的信賴。隨著對定位精度要求的不斷提高, 人們對GPS衛(wèi)星星歷的精度和實時性提出了越來越高的要求。衛(wèi)星的星歷, 是描述有關(guān)衛(wèi)星運動軌道的信息。利用GPS進行定位, 就是根據(jù)已知的衛(wèi)星軌道信息和用戶的觀測資料, 通過數(shù)據(jù)處理來確定接收機的位置及其載體的航行速度。所以, 精確的軌道信息是精密定位的基礎(chǔ)。GPS 的衛(wèi)星星歷按照精度可分為精密星歷和廣播星歷。精密星歷是由國際GPS服務(wù)中心( IGS) 通過Internet 發(fā)布,它的軌道精度可達到10cm 左右, 足以滿足精密定位的需要。但是精密星歷只能在衛(wèi)星觀測的11d后獲得, 無法為實時

7、定位、導(dǎo)航、氣象等實時性要求很強的應(yīng)用提供有效的服務(wù)。廣播星歷是通過接收機接收衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電文, 經(jīng)過解碼獲得的衛(wèi)星星歷推算得到衛(wèi)星位置, 可以實現(xiàn)實時的導(dǎo)航和定位。本程序以2009年11月21日上海跟蹤站（SHAO）的RINEX格式廣播星歷shao3250.09n和觀測數(shù)據(jù)shao3250.09o為例，取了200個連續(xù)觀測歷元，在不同歷元求出坐標值，最后求出坐標平差值，對平差值的各分量作比較。1.2 國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)絕對定位按天線所處狀態(tài)可以分為動態(tài)絕對定位和靜態(tài)絕對定位；按觀測量的性質(zhì)，可分為測碼偽距絕對定位和測碼偽距相對定位。尤其是動態(tài)絕對定位的方法，由于它的實時、省力、簡

8、潔等優(yōu)點具有廣闊的應(yīng)用天地。近十年GPS理論以趨于完善，特別是GPS靜態(tài)定位方面，已有許多可靠和成功的軟件，但在絕對定位方面，尤其是實時絕對定位方面，由于GPS定位中包含許多誤差，利用傳統(tǒng)的方法很難將其影響除掉，使得GPS在某些場合的應(yīng)用收到一定限制。GPS定位的主要誤差源包括：1）衛(wèi)星測量誤差?？煞譃樾l(wèi)星時鐘誤差、星歷誤差、電離層的附加延遲誤差、對流層的附加延遲誤差、多徑效應(yīng)以及接收機本身的噪音。2）衛(wèi)星幾何位置造成的定位誤差。GPS正展現(xiàn)出愈來愈巨大的應(yīng)用潛力，應(yīng)用不僅從定位范圍和定位方式上提出了各種要求，定位精度的要求也有大幅提高，從米級到亞毫米級，而且提出的較高要求指標還包括可靠性和可

9、用性。為了增強可靠性和可用性，在實際應(yīng)用中還發(fā)展了與GLONASS、無線信標、WARS、INS等系統(tǒng)進行聯(lián)合集成，同時歐空局正在積極推進GALILEO系統(tǒng)，國際上也隨之在醞釀GPS和GALILEO定位系統(tǒng)的集成。比較可靠地定位系統(tǒng)還必須有可靠的定位軟件與計算機硬件的輔助，定位方面的軟件開發(fā)也是各個研究機構(gòu)比較注重的方面之一。有了好的軟件，人們才能在生活和工作中更方便、快捷、準確、可靠和充分的利用定位系統(tǒng)給人類帶來的方便之處。1.3 本文主要研究工作和章節(jié)安排本文主要介紹了GPS衛(wèi)星軌道坐標計算數(shù)學(xué)模型，單點定位數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)最小二乘原理，利用VB語言對以上過程進行了實現(xiàn)。整個論文內(nèi)容安排如下

10、：第1章簡單介紹了GPS發(fā)展，闡述了國內(nèi)外GPS絕對定位的研究狀況，以及本文所做的工作及論文結(jié)構(gòu)第2章介紹了衛(wèi)星軌道參數(shù)與廣播星歷參數(shù)以及GPS衛(wèi)星軌道坐標計算數(shù)學(xué)模型。第3章介紹了GPS絕對定位的算法實現(xiàn)以及數(shù)學(xué)模型第4章介紹了編程語言VB的基本情況，GPS絕對定位的程序的設(shè)計目的、思路、流程以及程序中設(shè)計模塊的應(yīng)用第5章研究了軟件的使用效能，也就是實例的計算與分析第6章為本論文的結(jié)論2 GPS衛(wèi)星軌道坐標計算數(shù)學(xué)模型廣播星歷就是衛(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，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(yīng)

11、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)。這些參數(shù)的定義如下表所示：表1導(dǎo)航電文中的參考參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)名稱星歷參數(shù)的參考歷元平均運行速度差軌道長半軸的方根升交點赤經(jīng)變化率軌道偏心率軌道傾角變化率參考時刻的軌道傾角升交距角的調(diào)和改正項振幅參考時刻的升交點赤經(jīng)軌道傾角的調(diào)和改正項振幅近地點角距衛(wèi)星地心距的調(diào)和改正項振幅參考時刻的平近點角AODE星歷數(shù)據(jù)的齡期其中，AODE表示從最后一次注入電文起外推星歷時 0的外推時間間隔，它反映了外推星歷的可靠程度。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，便可外推出觀測時刻t的軌道參數(shù)，從而計算衛(wèi)星在不同參考系中的相應(yīng)坐標。用廣播星歷參數(shù)計算衛(wèi)星位置：在利用GPS信號進行導(dǎo)航定位

12、時，為了解算用戶在地心坐標系中的位置，GPS接收機需要測定測站到衛(wèi)星的距離并且要知道同一衛(wèi)星在同一時刻的地心坐標2。衛(wèi)星的地心坐標是從衛(wèi)星的導(dǎo)航電文中提供的開普勒軌道參數(shù)和軌道攝動修正量按一定公式計算的。1)計算衛(wèi)星運行的平均角速度：衛(wèi)星的平均角速度用下式計算： (1)式中，GM=398600.5是WGS-84坐標系中地球引力常數(shù)。利用導(dǎo)航電文中給出的攝動改正數(shù)，用下式求衛(wèi)星運行的平均角速度： (2)2)對觀測時刻做衛(wèi)星鐘差改正： (3)在計算衛(wèi)星鐘差改正時，可近似取。3)觀測時刻的平近點角的計算： （4）4)計算偏近點角： （5）（5）式可用迭代法進行計算，即先令代入上式，求出再代入上式計算

13、，由于偏心率e很?。ㄖ挥?.01），因此收斂很快，只需迭代兩次便可求出偏近點角。5)真近點角的計算： （6）6)計算升交角距及軌道攝動改正項：升交角距： 攝動改正項： （7）7)計算經(jīng)過攝動改正的升交角距、衛(wèi)星到地心距離、軌道傾角 （8）8)計算衛(wèi)星軌道平面坐標系中的坐標：衛(wèi)星在軌道平面坐標系中的坐標為 （9）9)計算觀測時刻升交點經(jīng)度：升交點經(jīng)度為該時刻升交點赤經(jīng)與格林尼治恒星時GAST之差，即 （10）觀測時刻的升交點赤經(jīng)為參考歷元的升交點赤經(jīng)加上觀測時刻與參考歷元之間的升交點的赤經(jīng)變化，即 （11）另外，衛(wèi)星電文中提供了一周開始時刻（星期六子夜）以秒計算的格林尼治恒星時GATS。由于地球

14、的自轉(zhuǎn)作用，GAST也不斷增加。增加量與地球自轉(zhuǎn)速率有關(guān)=7.29211567。所以，觀測時刻GAST用下式計算： GAST=GAST+ （12）考慮到（11）式和(12)式，則 (13)因為 考慮到和都是從開始起算，即0，則(13)式為 （14）10)計算衛(wèi)星在地心坐標系中空間直角坐標： （15）11)如果考慮極移影響，可求在協(xié)議地球坐標系中的空間直角坐標： （16）3 GPS單點定位數(shù)學(xué)模型由于接收機測量的是偽距，在觀測值中存在著接收機鐘差，加之測量點的三維坐標為待求值，一共有4個未知數(shù)。要求解出這4個未知數(shù)，必須有4個方程式。為此，要實現(xiàn)單點絕對定位必須同時觀測4顆衛(wèi)星，才能組成定位的基

15、本方程4。設(shè)為偽距觀測量，為接收機到衛(wèi)星的真距離，為接收機鐘差，則觀測方程為 （17）式中，假定偽距觀測量已經(jīng)過星歷中的對流層和電離層改正；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，將式（17）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 （18）式中，為接收機鐘差對應(yīng)的空間距離，從式（18）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 （19）規(guī)定上標為衛(wèi)星號，下標為測站號，則組成偽距定位的基本方程 （20）采用矩陣表示 觀測量 狀態(tài)矩陣 未知數(shù)則式（20）變?yōu)?

16、（21）對式（21）求解，便得到接收機地心坐標的唯一解 （22）在計算過程中，下列幾個問題必須注意11：（1）衛(wèi)星之間的鐘差是利用導(dǎo)航電文中給出的鐘差改正數(shù)統(tǒng)一到UTC時間。這里，考慮的鐘差是指衛(wèi)星與接收機之間的鐘差。（2）在計算中采用了接收機的概略坐標，第一次計算出的結(jié)果是不精確的。因此，必須反復(fù)迭代計算，直到滿足規(guī)定的限差為止。（3）在一般導(dǎo)航型接收機中，都是采用這一數(shù)學(xué)模型計算位置的?，F(xiàn)有的接收機都能同時跟蹤四個以上衛(wèi)星，但在計算中仍然利用四個衛(wèi)星，不過是結(jié)果挑選的四個衛(wèi)星。為此，按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，計算其PDOP，最后選擇和利用一組其PDOP為最小的衛(wèi)星作為計算數(shù)據(jù)，以得到最高

17、的定位精度。在測地型接收機和高質(zhì)量的導(dǎo)航接收機中，都具有8個以上的通道，能同時跟蹤7顆以上的衛(wèi)星。為了提高定位精度，在計算位置過程中，利用了所有的衛(wèi)星觀測值。在這樣情況下，出現(xiàn)了多余觀測，觀測值的個數(shù)超過了未知數(shù)的個數(shù)，使得式（21）的右端不等于零 （23）式中，為殘差向量。根據(jù)最小二乘法的原理，最后得到接收機的位置解為 （24）其精度為 （25）式中，為偽距測量中誤差，為權(quán)系數(shù)陣。這種多余觀測的優(yōu)點在于消除了衛(wèi)星定位的系統(tǒng)誤差。過去，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在僅用4顆衛(wèi)星的差分定位中，當(dāng)中間更換衛(wèi)星時，位置會出現(xiàn)較大的偏移，等過了數(shù)秒后又逐漸回到原位。定位精度越高，這一現(xiàn)象越明顯，當(dāng)應(yīng)用4顆以上的衛(wèi)星定

18、位時，這一現(xiàn)象就不存在了。4 程序設(shè)計4.1 VB介紹 Visual Basic,簡稱VB，是Microsoft公司推出的一種Windows應(yīng)用程序開發(fā)工具。是當(dāng)今世界上使用最廣泛的編程語言之一，它也被公認為是編程效率比較高的一種編程方法。無論是開發(fā)功能強大、性能可靠的商務(wù)軟件，還是編寫能處理實際問題的實用小程序，VB都是最快速、最簡便的方法。4.2 絕對定位程序的總體設(shè)計 系統(tǒng)描述與需求分析基本功能要求：實現(xiàn)GPS L1 C/A碼偽距單點定位功能，精度符合GPS標準定位服務(wù)SPS可選擇輸入/輸出文件名，輸入不正確時，可識別并提示（即星歷和觀測值文件不同步）可顯示GPS時和北京時間的轉(zhuǎn)換程序運

19、行穩(wěn)定輸入：原始數(shù)據(jù)為RINEX的O文件，星歷為RINEX的N文件或SP3輸出：每個歷元下的單點定位值，方式為屏幕，自定義格式文件運行環(huán)境：Windows環(huán)境下的控制臺程序或窗口程序且為單獨可執(zhí)行的文件 軟件總體設(shè)計在需求分析的基礎(chǔ)上通過抽象和分解將系統(tǒng)分解為模塊，確定系統(tǒng)功能是否實現(xiàn)，即把軟件需求轉(zhuǎn)換為軟件模塊表示的過程。該過程是一個分解的過程輸出計算輸入圖1軟件的總體設(shè)計 設(shè)計軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用某種方法，將系統(tǒng)按功能劃分成模塊。（劃分）確定模塊的功能。（功能）確定模塊之間的調(diào)用關(guān)系。（調(diào)用）確定模塊之間傳遞的信息。（接口）評價模塊結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。（質(zhì)量） 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫設(shè)計1)主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

20、單歷元觀測值星歷參數(shù)（廣播星歷、精密星歷）坐標時間2)數(shù)據(jù)庫設(shè)計：概念設(shè)計邏輯設(shè)計物理設(shè)計 程序中的模塊1)完成各功能的模塊：數(shù)據(jù)讀取模塊（RINEX讀?。?開始讀取RINEX衛(wèi)星數(shù)據(jù)存于星歷結(jié)構(gòu)中讀取一歷元RINEX觀測數(shù)據(jù)根據(jù)觀測歷元時刻和觀測值，計算衛(wèi)星發(fā)射時刻求解衛(wèi)星發(fā)射時刻的衛(wèi)星坐標修正衛(wèi)星傳播時間傳播時間收斂否觀測值進行各項改正組法方程系數(shù)，求解法方程計算坐標及精度信息與前一次計算值比較，收斂否輸出該歷元結(jié)果文件結(jié)束否結(jié)束圖2程序流程圖衛(wèi)星位置計算模塊 各項改正模塊 數(shù)據(jù)顯示輸出模塊2)基礎(chǔ)模塊：法方程解算模塊（矩陣運算）時間模塊坐標計算及轉(zhuǎn)換模塊 程序流程單點定位程序的流程是一個

21、反復(fù)迭代的過程（衛(wèi)星位置、接收機位置的迭代），程序流程圖如圖2所示。5 計算實例及誤差分析利用該軟件打開星歷文件和觀測文件，計算出觀測文件中連續(xù)觀測到的衛(wèi)星坐標、觀測文件中GPS衛(wèi)星的坐標，最終計算出接收機的位置坐標。步驟截圖如下：圖3軟件主界面截圖圖4觀測文件中GPS衛(wèi)星的坐標圖5觀測文件中連續(xù)觀測到的衛(wèi)星坐標圖6坐標及坐標改正數(shù)6 結(jié)論如何利用GPS的廣播星歷來獲得比較準確的衛(wèi)星位置, 進而為實時、精確的導(dǎo)航和定位服務(wù)是一件相當(dāng)復(fù)雜的工作。如何在工作中考慮各種誤差對定位精度的影響, 如何利用不同的算法來提高定位的精度, 一直是人們非常關(guān)心的課題。通過一個實例的計算, 詳盡介紹了利用GPS廣

22、播星歷計算衛(wèi)星位置和利用觀測數(shù)據(jù)計算地面點坐標的方法和原理,簡單的對計算結(jié)果的誤差進行了分析, 證實了該算法的可行性。由于本作者水平有限，文中不足之處還有很多，如何進一步提高GPS定位的精度，還需要進一步的研究。致 謝本論文是在河南工程學(xué)院土木系劉小強老師的悉心指導(dǎo)下完成的。劉老師作為一名優(yōu)秀的、經(jīng)驗豐富的教師，具有豐富的專業(yè)知識和教學(xué)經(jīng)驗，在整個論文實驗和論文寫作過程中，對我進行了耐心的指導(dǎo)和幫助，提出嚴格要求，引導(dǎo)我不斷開闊思路，為我答疑解惑，鼓勵我大膽創(chuàng)新，使我在這一段寶貴的時光中，既增長了知識、開闊了視野、鍛煉了心態(tài)，又培養(yǎng)了良好的實驗習(xí)慣和科研精神。在此，我向我的指導(dǎo)老師表示最誠摯的謝意！在論文即將完成之際，我的心情久久無法平靜，從開始選題到順利論文完成，有不知多少多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無數(shù)的幫助。感謝河南工程學(xué)院土木系提供的實驗器材和測繪工具，感謝土木系全體老師給予我豐富的專業(yè)知識和各個方面的關(guān)心和幫助，感謝小組長的認真負責(zé)，感謝合作組員的熱心協(xié)助。同時也要感謝土木系08級測繪專業(yè)的全體同學(xué)，正是由于