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1、GPS卫星运动及定位matlab仿真 GPS卫星运动及定位matlab仿真作者姓名:专业班级: 指导老师:摘要 全球定位系统是具有全球性、全能性、全天候优势的导航定位、定时和测速系统,现在在全球很多领域获得了应用。 GPS卫星的定位是一个比较复杂的系统,其包含参数众多,如时间系统、空间坐标系统等。此次设计是针对卫星运动定位的matlab仿真实现,因要求不高,所以对卫星运动做了理想化处理,摄动力对卫星的影响忽略不计(所以为无摄运动),采用开普勒定律及最小二乘法计算其轨道参数,对其运动规律进行简略分析,并使用matlab编程仿真实现了卫星的运功轨道平面、运动动态、可见卫星的分布及利用可见卫星计算出
2、用户位置。 通过此次设计,对于GPS卫星有了初步的认识,对于静态单点定位、伪距等相关概念有一定了解。关键字:GPS卫星 无摄运动 伪距 matlab仿真The movement and location of GPS satellite on MATLABAbstract:Global positioning system is a global, versatility, all-weather advantage of navigation and positioning, timing and speed system, now there has many application in
3、 many fields GPS satellite positioning is a complex system, which includes many parameters, such as time and space coordinates system. This design is based on the matlab simulation of satellite motion and location, because demand is not high, so to do the idealized satellite movement, and ignore the
4、 disturbed motion so call it non-disturbed motion .Using theKepler and least-square method for calculating the parameters of orbital motion, for the characteristics of motion to make a simple analysis, and use the matlab simulation to program achieve the orbital plane of satellite, the dynamic motio
5、n, the distribution of visible satellites and using visible satellites to calculate the users home. Through the design have primary understanding for the GPS satellite, and understanding the static single-point, pseudorange and so on.Key words:GPS satellite non-disturbed motionpseudorange matlab sim
6、ulation目录第一章 前言11.1 课题背景11.2 本课题研究的意义和方法21.3 GPS前景2第二章 GPS测量原理42.1 伪距测量的原理42.1.1 计算卫星位置52.1.2 用户位置的计算52.1.3 最小二乘法介绍52.2 载波相位测量原理6第三章 GPS的坐标、时间系统103.1 坐标系统103.1.1 天球坐标系103.1.2 地球坐标系123.2 时间系统133.2.1 世界时系统143.2.2 原子时系统153.2.3动力学时系统163.2.4协调世界时163.2.5 GPS时间系统16第四章 卫星运动基本定律及其求解184.1开普勒第一定律184.2开普勒第二定律19
7、4.3 开普勒第三定律204.4 卫星的无摄运动参数204.5 真近点角的概念及其求解214.6 卫星瞬时位置的求解22第五章 GPS的matlab仿真255.1 卫星可见性的估算255.2 GPS卫星运动的matlab仿真26结 论38致谢40参考文献41附录42第一章 前言1.1 课题背景 GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统Transit),1958年研制,64年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作,每天最多绕过地球13次,并且无法给出高度信息,在定位精度方面也不尽如人意。然而,子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验,并验证了由卫星系统进行定位的可行性
8、,为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统13。 1973年12月 ,美国国防部批准它的陆海空三军联合研制新的卫星导航系统: NAVSTAR/GPS。它是英文“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System” 的缩写词。其意为 “卫星测时测距导航/全球定位系统”,简称 GPS。这个系统向有适当接受设备的全球范围用户提供精确、 连续的三维位置和速度信息 ,并且还广播一种形式的世界
9、协调时U TC 。通过遍布全球的(21+3)GPS导航卫星,向全球范围内的用户全天候提供高精度的导航、跟踪定位和授时服务。目前,GPS已在地形测量,交通管理,导航,野外勘探,空间宇宙学等诸多领域得到了广泛的应用11。 目前全球共有4大GPS系统,分别是: 美国 GPS ,由美国国防部于 20 世纪 70 年代初开始设计、 研制 ,于1993 年全部建成。1994 年 ,美国宣布在 10 年内向全世界免费提供 GPS使用权 ,但美国只向外国提供低精度的卫星信号。 欧盟 “伽利略”,1999 年 欧洲提出计划 ,准备发射 30 颗卫星 ,组成 “伽利略” 卫星定位系统。 俄罗斯 “格洛纳斯”,尚未
10、部署完毕。始于上世纪 70年代,需要至少 18 颗卫星才能确保覆盖俄罗斯全境;如要提供全球定位服务 ,则需要 24 颗卫星。 中国“北斗”2003 年我国北斗一号建成并开通运行 ,不同于 GPS, “北斗” 的指挥机和终端之间可以双向交流。四川大地震发生后 ,北京武警指挥中心和四川武警部队运用 “北斗” 进行了上百次交流。北斗二号系列卫星今年起将进入组网高峰期 ,预计在 2015 年形成由三十几颗卫星组成的覆盖全球的系统。1.2 本课题研究的意义和方法 GPS系统是一个很庞大的系统,包含了天文,地理,计算机,电磁学,通信学,信息学等等。通过本文对GPS的学习研究,最重要的还是要学习其原理:卫星
11、运动原理;卫星定位原理;卫星跟踪原理等等。通过基础原理的学习,一方面,可以使我们更进一步的理解卫星运动,定位的实现方法;通过仿真,进一步了解简单定位的方法及其在仿真平台上的实现途径;另一方面,也可以培养我们自学的能力,训练仿真模拟的技巧和方法。 至今,基本上完成了课题的要求,通过不断的注入既定参数,可以更加详细,直观的理解基本的定位原理和实现方法!1.3 GPS前景 GPS导航定位以其定位精度高、观测时间短、测站间无需通视、可提供三维坐标、操作简便、全天候作业、功能多、应用广泛等特点著称。 用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航、导弹的制导、大地测量和工程测量的精密定位、时间的传递和速度的测量
12、等。对于测绘领域,GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网,测定全球性的地球动态参数;用于建立陆地海洋大地测量基准,进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘;用于检测地球板块运动状态和地壳形变;用于工程测量,成为建立城市与工程控制网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间相机位置,实现仅有少量的地面控制或无地面控制的航测快速成图,导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命4。 目前,GPS、GLONASS、INMARSAT等系统都具备了导航定位功能,形成了多元化的空间资源环境。这一多元化的空间资源环境,促使国际民间形成了一个共同的策略,即一方面对现有系统充分利用,一方面积极筹建民
13、间GNSS系统,待2011年左右,GNSS纯民间系统建成,全球 将形成GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之势,才能从根本上摆脱对单一系统的依赖,形成国际共有、国际共享的安全资源环境。世界才可以将卫星导航作为单一导航手段的最高应用境界。国际民间的这一策略,反过来又影响和迫使美国对其GPS使用政策作出更开放的调整。多元化的空间资源环境的确立,给GPS的发发展应用创造了一个前所未有的良好的国际环境。 第二章 GPS测量原理 GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离 ,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的 ,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的
14、时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间 ,再将其乘以光速得到由于大气层电离层的干扰 ,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离 ,而是伪距 PR :当GPS卫星正常工作时 ,会不断地用 1 和 0 二进制码元组成的伪随机码简称伪码发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种 ,分别是民用的 C/ A 码和军用的 P Y码。C/ A 码频率 1. 023MHz ,重复周期一毫秒 ,码间距 1 微秒 ,相当于 300m; P 码频率10. 23MHz ,重复周期266. 4 天 ,码间距0. 1 微秒 ,相当于 30m。而 Y码是在 P码的基础上形成的 ,保
15、密性能更佳。 GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而 ,由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步 ,所以除了用户的三维坐标 x、 y、 z外 ,还要引进一个t 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数 ,然后用 4 个方程将这 4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置 ,至少要能接收到 4 个卫星的信号。2.1 伪距测量的原理 GPS定位采用的是被动式单程测距。它的信号发射书机由卫星钟确定,收到时刻是由接收机钟确定,这就在测定的卫星至接收机的距离中,不可避免地包含着两台钟不同步的误差和电离层、对流层延迟误差影响,它并不是卫星与接受机之间的实际距离,所以称之为伪距。 伪距定位法是利用全球卫星定位系统进行导航定位的最基本的方法,其基本原理是:在某一瞬间利用GPS接收机同时测定至少四颗卫星的伪距,根据已知的卫星位置和伪距观测值,采用距离交会法求出接收机的三维坐标和时钟改正数。它的优点是速度快、无多值性问题,利用增加观测时间可以提高定位精度;缺点是测量定位精度低,但足以满足部分用户的需要。2.1.1 计算卫星位置 读入导航电文后 首先根据需要调用广播轨道 1 至广播轨道 5 上的数据 然后依次计算卫星的平均角
