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1、用MATLAB计算GPS卫星位置摘要:本文主要介绍了 GPS测量数据的常用格式RINEX标准文 件格式，并利用MATLAB工具计算出所观测卫星里的五颗卫星（14、 20、29、31和32五颗）在283个历元的瞬时位置，即所观测时间段里 五颗卫星在WGS-84坐标下的空间运行轨迹。关键词:RINEX标准文件 WGS-84下卫星位置 MATLAB工具GPS定位的基本原理简单来说就是在WGS-84空间直角坐标系 中,确定未知点与GPS卫星的空间几何关系。因此利用GPS进行导航 和测量时，卫星是作为位置已知的高空观测目标。那么如何精确快速 的解算出卫星在空间运行的轨迹即其轨道是实现未知点快速定位的 关
2、键。1标准格式RINEX格式简述在进行GPS数据处理时,由于接收机出自于不同厂家，所以厂家设 计的数据格式也是五花八门的,但是在实际中，很多时候需要把来自不 同型号的接收机的数据放在一块进行处理，这就需要数据格式的统一, 为了解决这种矛盾，RINEX（英文全称为：The Receiver Independent Exchange Format ）格式则应运而生，该格式存储数据的类型是文本文件, 数据记录格式是独立于接收机的出自厂家和具体型号的。由此可见， 其特点是:由于是通用格式，所以可将不同型号接收机收集的数据进行 统一处理，并且大多数大型数据处理软件都能够识别处理，此外也适用 于多种型号的
3、接收机联合作业,通用性很强。RINEX标准文件里不是单一的一个文件，而是包括如下几种类型 的文件。2卫星坐标的计算步骤由于在GPS定位和导航的时候，用户都是把GPS卫星的位置作为 已知量来对待，并且GPS定位所用的坐标系是世界大地坐标系 WGS-84。所以就先必须根据GPS接收机观测的相应星历数据，解算出 GPS卫星在WGS-84坐标系中的瞬时位置。为了后面计算方便，先对广播星历中涉及到的计算卫星坐标的一 些轨道参数进行说明，如表4所示。由于每隔两个小时，GPS接收机收到的广播星历才更新一次，所以 用户在根据接收机收到的卫星导航电文汇总的广播星历参数推算 GPS的瞬时坐标的时候,一定要选取与G
4、PS卫星的瞬时坐标时刻最相 近的那组广播星历数据2，否则误差将会很大。首先由已知的GPS接收机接受时刻的钟面时，根据公式换算出 GPS卫星发射时刻的钟面时：其中：可由观测文件直接读取，为伪距,是观测GPS卫星与观测GPS接收机之间的距离(由于这个距离里含有电离层误差、对流层误 差等各种误差，不是GPS卫星与GPS接收机之间的真实距离,所以称 为伪距)，本次算例读取的是P2码伪距观测量,c为光速，值为3x108m/so下面就是按照公式，读取相应的广播星历参数,计算观测时刻的 GPS卫星瞬时坐标：GPS 秒=(JD-2444244.5-GPS 周x7)x24x3600 (8)此外对于计算出来的还应
5、做如下处理：s时,=-604800 s;当s 时,=+604800 S。(3) 计算观测时刻卫星平近点角。式中：为参考时刻的平近点角，在导航电文中直接读取;n为GPS 卫星运行的平均角速度，在第一步已算出，在第二步已算出。(4) 计算偏近点角：式中各个字母的含义如下:为卫星轨道偏心率，在导航电文中直接 读取;在第三步中已算出，和单位均为弧度,从该式中中可以看出，计算 偏近点角必须采用迭代法。偏近点角的初始值可取，代入上式,计算出 偏近点角，再代入上式，计算出偏近点角，依次一直迭代,直至两次迭代结果之差时停止迭代，取该值为最终的偏近点角。(5) 相对论效应：当 s 时,=-604800 s;当
6、s 时,=+604800 s。由于相对论效应的影响，规划时间发生变化，于是需要把代到式(9)和式(10)中重新计算后续过程需要的和的值。(6) 真近点角：在用MATLAB计算真近点角时应注意:式中的arctan函数应采用atan2函数。(7) 升交距角：其中:已在上一步计算出来了 ,为近地点角距，可在导航电文中直接读取。(8) 计算升交距角的摄动量、卫星失径r的摄动量、轨道倾角i的 摄动量:其中:均可从导航电文直接读取，为已知量。(9 )计算经过摄动改正的升交距角、卫星的地心距离及轨道倾角:式中:为参考时刻的轨道倾角,为轨道倾角变化率,均可从导航电 文直接读取，为已知量。(10) 计算卫星在轨
7、道坐标系中的位置：(11) 计算卫星在世界大地坐标系中的坐标修正后的升交点经度：其中:为升交点赤经变化率;为参考时刻的升交点赤经;、均可从导 航电文直接读取;为已知量，为地球自转速率，值是一个定数，。(12) 最后将卫星在轨道坐标系的坐标经坐标转换，换算出卫星在 WGS-84坐标系的瞬时位置：3卫星坐标的计算实例为了验证本文的计算卫星坐标的理论，本人经过实地设置观测点XG01和XG03,从8月7日1:37:00开始观测，8月7日2:47:30结束观 测过程。数据格式为RINEX标准格式,无需转换。观测数据文件 XG012191.10O里观测数据的读取、观测数据按照定义的卫星名存 放,XG012
8、191.10N里定义卫星名 的相关的导航数据的读取和存 放,GPS卫星瞬时位置的计算，以上的这些过程都在MATLAB环境中 实现，图5就是在MATLAB环境里计算、绘制出的GPS卫星名为14、 20、29、31和32在观测时间段的空间运行轨迹图。4结论快速准确计算出GPS卫星在WGS-84坐标系下的瞬时位置是 GPS定位里很基础、很重要的问题，由文中描述可知，计算步骤比较繁 琐，需要注意的细节也很多,牵扯到的符号也很多。从自己对实例的计 算经历中来看，我觉得在使用卫星计算公式计算卫星瞬时坐标的时候 特别要注意以下三个问题。(1) 由于每隔两个小时,GPS接收机收到的广播星历才更新一次，所 以用
9、户在根据接收机收到的卫星导航电文汇总的广播星历参数推算 GPS的瞬时坐标的时候,一定要选取与GPS卫星的瞬时坐标时刻最相 近的那组广播星历数据,否则误差将会很大。(2) 由于GPS定位系统的高空动态性，又因为卫星的发射时刻可 唯一表征该时刻GPS卫星的坐标,因此应先由接收机钟面时计算出公 式中所需的GPS卫星发射时刻的钟面时。(3) 必须把GPS接收机的观测历元换算成GPS秒,方可进行下一参考文献1 张妮,王标标.基于Matlab读取标准RINEX格式的GPS星 历数据J.电子设计工程,2010,18(8) :23-25.2 王猛，张志伟.利用广播星历计算卫星的瞬时坐标J.城市勘 测,2010,2:89-90.3 刘勤志，尹长林,易重海.计算GPS卫星发射时刻的两种方法J.长沙电力学院学报,2004,19(1):65.ofGeomatics4 Robert S.Radovanovic.Adjustment of Satellite-Based Ranging Observati- ons for precise Position and DeformationMonitoring,Ph.D.Dissertation,Depart- mentEnglneeringJ.University ofCa1Gary,2002.
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