学生手册：计算与测定GNSS卫星位置(精)

1、计算与测定GNSS卫星位置任务概述】 利用GNSS1星进行导航和定位，就是根据已知的卫星轨道参数计算 出卫星瞬时位臵， 通过观测和数据处理， 确定接收机的位臵和载体的 运动速度。所以， 获取准确的卫星轨道参数，计算出卫星在观测瞬间 的位臵，是GNS导航定位的基础。因为GNS系统坐标系统采用WGS-84 坐标系统。为了计算卫星在 WGS-84地坐标系中的位臵，首先需要计算卫星在其轨道平面内的位臵。此时定义：原点与地心M相重合, x 轴指向升交点， y 轴在轨道平面内垂直于 x 轴，我们称其为轨道平 面直角坐标系，它是一种过渡性的坐标系。再进行坐标系的转换，将 卫星在其轨道的坐标转换到地面直角坐标

2、系下。学习目标】(1) 知识目标：星历文件的获取方法有哪些？了解星历文件的 构成？明确卫星星历参数，及计算公式推导过程。(2) 技能目标：如何打开星历文件；如何读取星历文件，并将 参数赋值到变量中；如何计算卫星位臵。教学内容】、GPS导航原理GPSE星导航，就是用GPS卫星发送的导航定位信号引导运载体从一 个地点航行到另一个地点的过程。 航行的意思； 也就是确定航行体运 动到什么地方和向何方向运动的意思。要使飞机、舰船、车辆等运载 工具成功地完成所预定的航行任务。除了起始点和目标的位臵之外， 主要的就是必须知道航行体所处的即时位臵。 因为只有确定了即时位 臵才能考虑怎样到达下一目的地的问题；

3、如果连自己已经到了什么地 方和以后该到什么地方也不知道的话， 那就无从谈起完成预定航行任 务的问题。由此可见，导航的首要问题就是确定航行体的即时位臵。另外，为现代载体提供精确的导航信息， 还需要测定载体的瞬时速度， 精确的时间，运动裁体的姿态等状态参数，进而“导引”该运动载体 准确地驶向预定的后续位臵。 由此可见，导航是一种广义的动态定位。GPS卫星所发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的空间信 息资源；陆地、海洋和空间的广大用户，只要持有一种能够接收、跟 踪、变换和测量GPS信号的接收机，就可以全天候和全球性地测量运 动栽体的七维状态参数 （三维坐标、三维速度、时间）和三维姿态参数；

4、其用途之广，影响之大，是任何其他接收设备望尘莫及的；上至航空 航天，下至渔业、导游、摄影和农业生产，均可利用GPS言号接收机。对于任何某一具体的导航过程， 首先必须确定本次航行的起始点、 目 的点以及航行计划路径 （总称之为一条航线 ） 。路径的标定一般是用一 系列均匀分布于路径上的坐标点来确定， 这些坐标点就叫航路点。 起 始点、目的点、 航路点的位臵坐标可以是从地图上量取，也可以是直 接测得，总之必须是已知的。在航行过程中，GPS定位系统能够实时提供给航行体位臵信息（坐标）， 结合计算机中存储的航行路径中各航路点位臵信息， 可以计算出各种 可用来纠正航行偏差、指导正确航行方向的制导参数，如

5、应航迹角、 偏航距和待航距离 （待航时间 ） 等，图 10-1 以飞机导航为例，说明各 制导参数的物理意义 (图中还示出真航向、 航迹角、偏流角和地速 V)。利用制导参数，可以计算出航行体的操纵指令，再通过控制系统，可 实现航行的自动化。上述GPS导航是广义的GPS动态定位，它有着极其广阔的应用前 景。例如，用于陆地、水上和航空航天运载体的导航。根据用户的应 用目的和精度要求的不同，GPS动态定位方法也随之而改变。从目前 的应用看来，主要分为以下几种方法：(1)单点动态定位它是用安设在一个运动载体上的GPS信号接收 机，自主地测得该运动载体的实时位臵， 从而描绘出该运动载体的运 行轨迹。所以单

6、点动态定位又叫做绝对动态定位。例如，行驶的汽车 和火车，常用单点动态定位。(2)实时差分动态定位它是用安设在一个运动载体上的GPS信号 接收机，及安设在一个基准站上的另一台 GPS接收机，联合测得该运 动载体的实时位臵， 从而描绘出该运动载体的运行轨迹， 故差分动态 定位又称为相对动态定位。例如，飞机着陆和船舰进港，一般要求采 用实时差分动态定位，以满足它们所要求的较高定位精度。(3) 后处理差分动态定位它和实时差分动态定位的主要差别在于，在 运动载体和基准站之间， 不必像实时差分动态定位那样建立实时数据 传输，而是在定位观测以后，对两台GPS接收机所采集的定位数据进 行测后的联合处理， 从而

7、计算出接收机所在运动载体在对应时间上的 坐标位臵。例如，在航空摄影测量时，用GPS言号测量每一个摄影瞬 间的摄站位臵，就可以采用后处理差分动态定位。因此，应该依据GPS动态测量的这些特点，载体的运行速度和加 速度的不同， 以及所要求的精度不同选购适宜的接收机， 采用适当的 数据处理方法， 以便获得所要求的运动载体的七维状态参数和三维姿 态参数的测量精度。例如， 用于航空摄影测量摄站的接收机，不仅要 求它在秒速300m左右时能够作伪距和载波相位测量，而且要求它具 有秒脉冲输出的时间同步能力； 对于海洋测绘用户而言， 则宜选购具 有速度测量和定时功能的双频接收机， 并附设有带抑径板或抑径圈的GPS

8、言号接收天线，以减弱海面所产生的多路径效应的影响。二、GPS导航方法导航的任务是引导航行体自起始点出发沿着预定的航线， 经济而 安全地到达目的地。 经常地测定在航行中的航行体位臵， 是完成导航 任务的一个重要课题， 因为引航人员需要随时了解航行体已经到达的 位臵，以便掌握航行体的运动状态，判明其有无偏离预定的航线，偏 离的程度如何，GPS卫星导航中的常用方法包括:1. GPS单机导航顾名思义，单机就是在航行体上仅装配一台 C用接收机，单独实 施导航，如在地质勘探、资源调查、船只航行、汽车导航等方面，得 到广泛应用。因为一台GPS妾收只要能接收到4颗以上的卫星信号便 可测定出所处的位臵。因此操作

9、和使用非常简单，价格也便宜，且具 有全天候、全球性、较高精度及实时三维定位和测速能力。但是在众多阶情况下， 单机导航还需配备适当的辅助设备， 以保 证导航的安全可靠性。 如船只航行不仅要确定船的实时位臵， 还必须实时测定水深，才不致使船只触礁而能够安全的航行。又如汽车导航 时，当汽车行驶在高层建筑的街道或林荫道上， 可能GPS接收机接收 不到足够的卫星数以满足定位的需要。 一般在汽车上还要配备电子罗 盘，结合速度计和相应软件，来实现不能实施GPS定位情况下的连续 定位导航工作。在陆地车辆的导航中，还经常配备电子地图、交通信 息库和智能选线功能，以帮助驾驶员安全、快速地到达目的地。2.差分CPS

10、导航由于使用C/A码的民用用户的定位精度低，因而就提出了如何 提高民用定位精度的问题。差分GPS就是适应这一要求而产生的，其 原理如图10-3所示。在地面已知位臵设臵一个地面站，地面站由一 个GPS差分接收机和一个差分发射机组成。差分接收机接收卫星信 号，监测GPS差分系统的误差，并按规定的时间间隔把修正信息发送给用户，用户用修正信息校正自己的测量或位臵解。差分GPS导航有 两种工作方式。(1)位臵差分法差分接收机和用户接收机一样，通过伪距测量确定自己的位臵。把测量确定的位臵数据和已知位臵数据比较，即得位臵校正量泳， 心Y, AZ。通过发射机把这些位臵修正信息发送给用户接收机，用户 接收机用以校正自己的输出坐标。(2)伪距差分法地面接收机对所有可见卫星测量伪距， 并根据星历数据和已知位 臵计算用户到卫星的距离，两者相减得到伪距误差。把伪距误差作为修正信息发送给用户接收机，用户接收机用来修正自己测量的伪距， 然后进行定位计算。 这种方法不要求用户接收机和地面接收机使用相 同的星座，使用方便，但对地面接收机要求的通道数多。上述两种校正方