学生手册：计算与测定GNSS卫星位置(精)
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计算与测定GNSS卫星位置
【任务概述】
利用GNSS卫星进行导航和定位，就是根据已知的卫星轨道参数计算出卫星瞬时位置，通过观测和数据处理，确定接收机的位置和载体的运动速度。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置，是GNSS导航定位的基础。因为GNSS系统坐标系统采用WGS-84坐标系统。为了计算卫星在WGS-84大地坐标系中的位置，首先需要计算卫星在其轨道平面内的位置。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系下。 【学习目标】
（1）知识目标：①星历文件的获取方法有哪些？②了解星历文件的构成？③明确卫星星历参数，及计算公式推导过程。
（2）技能目标：①如何打开星历文件；②如何读取星历文件，并将参数赋值到变量中；③如何计算卫星位置。 【教学内容】 一、GPS导航原理
GPS卫星导航，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
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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置之外，主要的就是必须知道航行体所处的即时位置。因为只有确定了即时位置才能考虑怎样到达下一目的地的问题；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置。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置。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；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信号接收机。
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、航路点的位置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。
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在航行过程中，GPS定位系统能够实时提供给航行体位置信息(坐标)，结合计算机中存储的航行路径中各航路点位置信息，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置，从而描绘出该运动载体的运行轨迹。所以单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置，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。
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(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，从而计算出接收机所在运动载体在对应时间上的坐标位置。例如，在航空摄影测量时，用GPS信号测量每一个摄影瞬间的摄站位置，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信号接收天线，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置，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置，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
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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接收只要能接收到4颗以上的卫星信号便可测定出所处的位置。因此操作和使用非常简单，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置，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。在地面已知位置设置一个地面站，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
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正信息发送给用户，用户用修正信息校正自己的测量或位置解。差分GPS导航有两种工作方式。
（1）位置差分法
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置。把测量确定的位置数据和已知位置数据比较，即得位置校正量X，Y，Z。通过发射机把这些位置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置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。 上述两种校正方法都是以用户接收机和地面接收机具有相同的误差为前提。实际上，两台接收机所处的位置不同，接收机本身也不一样，因此误差不可能相同。随着两台接收机间距离的增大，修正效果变差。 【重点】
1．GPS导航的基本原理 2．导航的目的和任务 3．单点导航定位 【难点】
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1．GPS导航的基本原理 【思考题（作业）】
1．试述GPS导航的目的和作用
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