GPS卫星定位坐标计算及程序设计

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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。
GPS卫星定位坐标计算及 程序设计(VB或VC）
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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。
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1.卫星定位的时间和坐标系统
• 3.新儒略日（Modified Julian Day-MJD）：从儒略 日中减去2400000.5天来得到，给出的是从1858年11 月17日子夜开始的天数。特点是数值比儒略日小。
• 4.年积日（Day Of Year-DOY）：从当前1月1日开始 的天数。
• 5.GPS时（GPS Time）：以1980年1月6日子夜为起点 ，用周数和周内秒数来表示，为GPS系统内部计时法 。
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历元表示
• 1.格里高利历(Year,Month,Day-YMD):格里高利历也 就是平时我们所认识的日历，表示法为：年、月、日 、时、分、秒。
• 2.儒略日（Julian Day-JD）：是指从-4712年1月1日 （即公元前4713年1月1日）正午开始的天数。由 J.J.Scaliger在1583年提出。它的特点是连续，利于 数学表达，但是不直观。
• 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。
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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。
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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。
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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WGS84系中定义为
GM 3.9860051014 m3 s2
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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 。
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a as
式中：n和as为广播星历参数。
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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
MsM0n(ttoe)
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E 星s的 偏M 近s点角esE s sinEs
fs
• 5、计算真近点角
fs a rc tg (1 e2sinE s)/(sE s e)
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用广播星历参数计算卫星位置
• 6、计算升交角距
u0 0 fs
• 8、计算摄动改正项：u、 r、 i uCuc cos2u0 Cus sin2u0
r Crc cos2u0 Crs sin2u0
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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。
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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。
＝ － G A ST
0e (tt0e)
则：G A S T = G A S T ( t0 )e ( t t0 )
=－GAST
=0ttoeetoe • 12、计算卫星在地心坐标系中空间直角坐标：
X cossincosisinsini X0
•
9、对
i Cic cos2u0 Cis
u0、r0、i0进行摄动改正
sin2u0
u u0 u
r r0 r
i i0 i (t toe ) i
• 10、计算卫星在轨道面坐标系中的位置
x r cos u
y
r
sin
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用广播星历参数计算卫星位置
• 11、计算观测时刻升交点的经度