學(xué)生手冊(cè)：計(jì)算與測(cè)定GNSS衛(wèi)星位置(精)

1、計(jì)算與測(cè)定GNSS衛(wèi)星位置任務(wù)概述】 利用GNSS1星進(jìn)行導(dǎo)航和定位，就是根據(jù)已知的衛(wèi)星軌道參數(shù)計(jì)算 出衛(wèi)星瞬時(shí)位臵， 通過(guò)觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理， 確定接收機(jī)的位臵和載體的 運(yùn)動(dòng)速度。所以， 獲取準(zhǔn)確的衛(wèi)星軌道參數(shù)，計(jì)算出衛(wèi)星在觀測(cè)瞬間 的位臵，是GNS導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)。因?yàn)镚NS系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)采用WGS-84 坐標(biāo)系統(tǒng)。為了計(jì)算衛(wèi)星在 WGS-84地坐標(biāo)系中的位臵，首先需要計(jì)算衛(wèi)星在其軌道平面內(nèi)的位臵。此時(shí)定義：原點(diǎn)與地心M相重合, x 軸指向升交點(diǎn)， y 軸在軌道平面內(nèi)垂直于 x 軸，我們稱其為軌道平 面直角坐標(biāo)系，它是一種過(guò)渡性的坐標(biāo)系。再進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，將 衛(wèi)星在其軌道的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地面直角坐標(biāo)

2、系下。學(xué)習(xí)目標(biāo)】(1) 知識(shí)目標(biāo)：星歷文件的獲取方法有哪些？了解星歷文件的 構(gòu)成？明確衛(wèi)星星歷參數(shù)，及計(jì)算公式推導(dǎo)過(guò)程。(2) 技能目標(biāo)：如何打開(kāi)星歷文件；如何讀取星歷文件，并將 參數(shù)賦值到變量中；如何計(jì)算衛(wèi)星位臵。教學(xué)內(nèi)容】、GPS導(dǎo)航原理GPSE星導(dǎo)航，就是用GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)引導(dǎo)運(yùn)載體從一 個(gè)地點(diǎn)航行到另一個(gè)地點(diǎn)的過(guò)程。 航行的意思； 也就是確定航行體運(yùn) 動(dòng)到什么地方和向何方向運(yùn)動(dòng)的意思。要使飛機(jī)、艦船、車輛等運(yùn)載 工具成功地完成所預(yù)定的航行任務(wù)。除了起始點(diǎn)和目標(biāo)的位臵之外， 主要的就是必須知道航行體所處的即時(shí)位臵。 因?yàn)橹挥写_定了即時(shí)位 臵才能考慮怎樣到達(dá)下一目的地的問(wèn)題；

3、如果連自己已經(jīng)到了什么地 方和以后該到什么地方也不知道的話， 那就無(wú)從談起完成預(yù)定航行任 務(wù)的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，導(dǎo)航的首要問(wèn)題就是確定航行體的即時(shí)位臵。另外，為現(xiàn)代載體提供精確的導(dǎo)航信息， 還需要測(cè)定載體的瞬時(shí)速度， 精確的時(shí)間，運(yùn)動(dòng)裁體的姿態(tài)等狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)而“導(dǎo)引”該運(yùn)動(dòng)載體 準(zhǔn)確地駛向預(yù)定的后續(xù)位臵。 由此可見(jiàn)，導(dǎo)航是一種廣義的動(dòng)態(tài)定位。GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無(wú)數(shù)用戶共享的空間信 息資源；陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要持有一種能夠接收、跟 蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的接收機(jī)，就可以全天候和全球性地測(cè)量運(yùn) 動(dòng)栽體的七維狀態(tài)參數(shù) （三維坐標(biāo)、三維速度、時(shí)間）和三維姿態(tài)參數(shù)；

4、其用途之廣，影響之大，是任何其他接收設(shè)備望塵莫及的；上至航空 航天，下至漁業(yè)、導(dǎo)游、攝影和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，均可利用GPS言號(hào)接收機(jī)。對(duì)于任何某一具體的導(dǎo)航過(guò)程， 首先必須確定本次航行的起始點(diǎn)、 目 的點(diǎn)以及航行計(jì)劃路徑 （總稱之為一條航線 ） 。路徑的標(biāo)定一般是用一 系列均勻分布于路徑上的坐標(biāo)點(diǎn)來(lái)確定， 這些坐標(biāo)點(diǎn)就叫航路點(diǎn)。 起 始點(diǎn)、目的點(diǎn)、 航路點(diǎn)的位臵坐標(biāo)可以是從地圖上量取，也可以是直 接測(cè)得，總之必須是已知的。在航行過(guò)程中，GPS定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提供給航行體位臵信息（坐標(biāo)）， 結(jié)合計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的航行路徑中各航路點(diǎn)位臵信息， 可以計(jì)算出各種 可用來(lái)糾正航行偏差、指導(dǎo)正確航行方向的制導(dǎo)參數(shù)，如

5、應(yīng)航跡角、 偏航距和待航距離 （待航時(shí)間 ） 等，圖 10-1 以飛機(jī)導(dǎo)航為例，說(shuō)明各 制導(dǎo)參數(shù)的物理意義 (圖中還示出真航向、 航跡角、偏流角和地速 V)。利用制導(dǎo)參數(shù)，可以計(jì)算出航行體的操縱指令，再通過(guò)控制系統(tǒng)，可 實(shí)現(xiàn)航行的自動(dòng)化。上述GPS導(dǎo)航是廣義的GPS動(dòng)態(tài)定位，它有著極其廣闊的應(yīng)用前 景。例如，用于陸地、水上和航空航天運(yùn)載體的導(dǎo)航。根據(jù)用戶的應(yīng) 用目的和精度要求的不同，GPS動(dòng)態(tài)定位方法也隨之而改變。從目前 的應(yīng)用看來(lái)，主要分為以下幾種方法：(1)單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位它是用安設(shè)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)載體上的GPS信號(hào)接收 機(jī)，自主地測(cè)得該運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)位臵， 從而描繪出該運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn) 行軌跡。所以單

6、點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位又叫做絕對(duì)動(dòng)態(tài)定位。例如，行駛的汽車 和火車，常用單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位。(2)實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位它是用安設(shè)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)載體上的GPS信號(hào) 接收機(jī)，及安設(shè)在一個(gè)基準(zhǔn)站上的另一臺(tái) GPS接收機(jī)，聯(lián)合測(cè)得該運(yùn) 動(dòng)載體的實(shí)時(shí)位臵， 從而描繪出該運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)行軌跡， 故差分動(dòng)態(tài) 定位又稱為相對(duì)動(dòng)態(tài)定位。例如，飛機(jī)著陸和船艦進(jìn)港，一般要求采 用實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位，以滿足它們所要求的較高定位精度。(3) 后處理差分動(dòng)態(tài)定位它和實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位的主要差別在于，在 運(yùn)動(dòng)載體和基準(zhǔn)站之間， 不必像實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位那樣建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 傳輸，而是在定位觀測(cè)以后，對(duì)兩臺(tái)GPS接收機(jī)所采集的定位數(shù)據(jù)進(jìn) 行測(cè)后的聯(lián)合處理， 從而

7、計(jì)算出接收機(jī)所在運(yùn)動(dòng)載體在對(duì)應(yīng)時(shí)間上的 坐標(biāo)位臵。例如，在航空攝影測(cè)量時(shí)，用GPS言號(hào)測(cè)量每一個(gè)攝影瞬 間的攝站位臵，就可以采用后處理差分動(dòng)態(tài)定位。因此，應(yīng)該依據(jù)GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量的這些特點(diǎn)，載體的運(yùn)行速度和加 速度的不同， 以及所要求的精度不同選購(gòu)適宜的接收機(jī)， 采用適當(dāng)?shù)?數(shù)據(jù)處理方法， 以便獲得所要求的運(yùn)動(dòng)載體的七維狀態(tài)參數(shù)和三維姿 態(tài)參數(shù)的測(cè)量精度。例如， 用于航空攝影測(cè)量攝站的接收機(jī)，不僅要 求它在秒速300m左右時(shí)能夠作偽距和載波相位測(cè)量，而且要求它具 有秒脈沖輸出的時(shí)間同步能力； 對(duì)于海洋測(cè)繪用戶而言， 則宜選購(gòu)具 有速度測(cè)量和定時(shí)功能的雙頻接收機(jī)， 并附設(shè)有帶抑徑板或抑徑圈的GPS

8、言號(hào)接收天線，以減弱海面所產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)的影響。二、GPS導(dǎo)航方法導(dǎo)航的任務(wù)是引導(dǎo)航行體自起始點(diǎn)出發(fā)沿著預(yù)定的航線， 經(jīng)濟(jì)而 安全地到達(dá)目的地。 經(jīng)常地測(cè)定在航行中的航行體位臵， 是完成導(dǎo)航 任務(wù)的一個(gè)重要課題， 因?yàn)橐饺藛T需要隨時(shí)了解航行體已經(jīng)到達(dá)的 位臵，以便掌握航行體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，判明其有無(wú)偏離預(yù)定的航線，偏 離的程度如何，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航中的常用方法包括:1. GPS單機(jī)導(dǎo)航顧名思義，單機(jī)就是在航行體上僅裝配一臺(tái) C用接收機(jī)，單獨(dú)實(shí) 施導(dǎo)航，如在地質(zhì)勘探、資源調(diào)查、船只航行、汽車導(dǎo)航等方面，得 到廣泛應(yīng)用。因?yàn)橐慌_(tái)GPS妾收只要能接收到4顆以上的衛(wèi)星信號(hào)便 可測(cè)定出所處的位臵。因此操作

9、和使用非常簡(jiǎn)單，價(jià)格也便宜，且具 有全天候、全球性、較高精度及實(shí)時(shí)三維定位和測(cè)速能力。但是在眾多階情況下， 單機(jī)導(dǎo)航還需配備適當(dāng)?shù)妮o助設(shè)備， 以保 證導(dǎo)航的安全可靠性。 如船只航行不僅要確定船的實(shí)時(shí)位臵， 還必須實(shí)時(shí)測(cè)定水深，才不致使船只觸礁而能夠安全的航行。又如汽車導(dǎo)航 時(shí)，當(dāng)汽車行駛在高層建筑的街道或林蔭道上， 可能GPS接收機(jī)接收 不到足夠的衛(wèi)星數(shù)以滿足定位的需要。 一般在汽車上還要配備電子羅 盤(pán)，結(jié)合速度計(jì)和相應(yīng)軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)不能實(shí)施GPS定位情況下的連續(xù) 定位導(dǎo)航工作。在陸地車輛的導(dǎo)航中，還經(jīng)常配備電子地圖、交通信 息庫(kù)和智能選線功能，以幫助駕駛員安全、快速地到達(dá)目的地。2.差分CPS

10、導(dǎo)航由于使用C/A碼的民用用戶的定位精度低，因而就提出了如何 提高民用定位精度的問(wèn)題。差分GPS就是適應(yīng)這一要求而產(chǎn)生的，其 原理如圖10-3所示。在地面已知位臵設(shè)臵一個(gè)地面站，地面站由一 個(gè)GPS差分接收機(jī)和一個(gè)差分發(fā)射機(jī)組成。差分接收機(jī)接收衛(wèi)星信 號(hào)，監(jiān)測(cè)GPS差分系統(tǒng)的誤差，并按規(guī)定的時(shí)間間隔把修正信息發(fā)送給用戶，用戶用修正信息校正自己的測(cè)量或位臵解。差分GPS導(dǎo)航有 兩種工作方式。(1)位臵差分法差分接收機(jī)和用戶接收機(jī)一樣，通過(guò)偽距測(cè)量確定自己的位臵。把測(cè)量確定的位臵數(shù)據(jù)和已知位臵數(shù)據(jù)比較，即得位臵校正量泳， 心Y, AZ。通過(guò)發(fā)射機(jī)把這些位臵修正信息發(fā)送給用戶接收機(jī)，用戶 接收機(jī)用以校正自己的輸出坐標(biāo)。(2)偽距差分法地面接收機(jī)對(duì)所有可見(jiàn)衛(wèi)星測(cè)量偽距， 并根據(jù)星歷數(shù)據(jù)和已知位 臵計(jì)算用戶到衛(wèi)星的距離，兩者相減得到偽距誤差。把偽距誤差作為修正信息發(fā)送給用戶接收機(jī)，用戶接收機(jī)用來(lái)修正自己測(cè)量的偽距， 然后進(jìn)行定位計(jì)算。 這種方法不要求用戶接收機(jī)和地面接收機(jī)使用相 同的星座，使用方便，但對(duì)地面接收機(jī)要求的通道數(shù)多。上述兩種校正方