GPS卫星定位坐标计算及程序设计

a
s
2
式中：n和as 为广播星历参数。
用广播星历参数计算卫星位置
• 2、计算归化时间
t t toe
• 3、计算t时刻卫星的平近点角 M s
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 Es
• 5、计算真近点角 f s
M s M 0 n (t toe )
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
n n0 n n0 GM a3 GM 称为地球引力常数，在WGS 84系中定义为 GM 3.986005 1014 m3 s 2 a
2.GPS卫星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。
2.2GPS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。
精密星历
2.3GPS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。
u u0 u r r0 r i i0 i (t toe ) i
u0 0 f s
• 9、对 u0、r0、i0进行摄动改正
• 10、计算卫星在轨道面坐标系中的位置
x r cos u y r sin u
用广播星历参数计算卫星位置
GPS卫星定位坐标计算及 程序设计(VB或VC）
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.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。
WGS-84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。
Es M s es sin Es
2
f s arctg ( 1 e sin Es ) /(s Es e)
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： u、 r、 i
u Cuc cos 2u0 Cus sin 2u0 r Crc cos 2u0 Crs sin 2u0 i Cic cos 2u0 Cis sin 2u0
• 11、计算观测时刻升交点的经度
பைடு நூலகம்－GAST
GAST = GAST(t0 ) e (t t0 )
0e (t t0e )
则：
=－GAST
=0 t toe etoe
• 12、计算卫星在地心坐标系中空间直角坐标：
X cos sin cos isin sin i Y sin cos cos i cos sin i Z 0sin icos i X0 Y 0 Z0
历元表示
1.2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：①坐标原 点的位置；②3个坐标轴的指向；③长度单 位。
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。