GPS卫星运动及定位matlab仿真毕业设计方案.doc
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1、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含有全球性、全能性、全天候优势导航定位、定时和测速系统,现在在全球很多领域取得了应用。GPS卫星定位是一个比较复杂系统,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,摄动力对卫星影响忽略不计(所以为无摄运动),采取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运功轨道平面、运动动态、可见卫星分布及利用可见卫星计算出用户位置。经过此次设计,对于GPS卫星有了初步认识,
2、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 many fields. GPS satellite
3、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 disturbed motion ( so call
4、 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 motion, the distribution of v
5、isible 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 motion pseudorange matlab simulation目录第一章 序言11.1 课题背景
6、11.2 本课题研究意义和方法21.3 GPS前景2第二章 GPS测量原理42.1 伪距测量原理42.1.1 计算卫星位置52.1.2 用户位置计算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动力课时系统163.2.4协调世界时163.2.5 GPS时间系统16第四章 卫星运动基础定律及其求解184.1开普勒第一定律184.2开普勒第二定律194.3 开普勒第三定律204.4 卫星无摄运动参数204
7、.5 真近点角概念及其求解214.6 卫星瞬时位置求解22第五章 GPSMATLAB仿真255.1 卫星可见性估算255.2 GPS卫星运动matlab仿真26结 论38致谢40参考文件41附录42 第一章 序言1.1 课题背景GPS系统前身为美军研制一个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颗卫星组成星网工作,天天最多绕过地球13次,而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经验,并验证了由卫星系统进行定位可行性,为GPS系统研制埋下了铺垫。因为卫星定位显示出在导航方面巨大优越性及子午仪
8、系统存在对潜艇和舰船导航方面巨大缺点。美国海陆空三军及民用部门全部感到迫切需要一个新卫星导航系统13。1973年12月 ,美国国防部同意它陆海空三军联合研制新卫星导航系统: NAVSTAR/GPS。它是英文“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System” 缩写词。其意为 “卫星测时测距导航/全球定位系统”,简称 GPS。这个系统向有合适接收设备全球范围用户提供正确、 连续三维位置和速度信息 ,而且还广播一个形式世界协调时(U TC) 。经过遍布全球(21+3)GPS导航卫星,向全球范围内用户全天候提供高精度导
9、航、跟踪定位和授时服务。现在,GPS已在地形测量,交通管理,导航,野外勘探,空间宇宙学等很多领域得到了广泛应用11。 现在全球共有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 ,美国宣告在 10 年内向全世界无偿提供 GPS使用权 ,但美国只向外国提供低精度卫星信号。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”,还未布署完成。始于上世纪 70年代,需要最少 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
10、 24 颗卫星。中国“北斗” 年中国北斗一号建成并开通运行 ,不一样于 GPS, “北斗” 指挥机和终端之间能够双向交流。四川大地震发生后 ,北京武警指挥中心和四川武警部队利用 “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 ,估计在 年形成由三十几颗卫星组成覆盖全球系统。1.2 本课题研究意义和方法GPS系统是一个很庞大系统,包含了天文,地理,计算机,电磁学,通信学,信息学等等。经过本文对GPS学习研究,最关键还是要学习其原理:卫星运动原理;卫星定位原理;卫星跟踪原理等等。经过基础原理学习,首先,能够使我们更深入了解卫星运动,定位实现方法;经过仿真,深入了解简单定位方法及
11、其在仿真平台上实现路径;其次,也能够培养我们自学能力,训练仿真模拟技巧和方法。至今,基础上完成了课题要求,经过不停注入既定参数,能够愈加具体,直观了解基础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、观察时间短、测站间无需通视、可提供三维坐标、操作简便、全天候作业、功效多、应用广泛等特点著称。用GPS信号能够进行海、空和陆地导航、导弹制导、大地测量和工程测量精密定位、时间传输和速度测量等。对于测绘领域,GPS卫星定位技术已经用于建立高精度全国性大地测量控制网,测定全球性地球动态参数;用于建立陆地海洋大地测量基准,进行高精度海岛陆地联测和海洋测绘;用于检测地球板块运动状态和
12、地壳形变;用于工程测量,成为建立城市和工程控制网关键手段。用于测定航空航天摄影瞬间相机位置,实现仅有少许地面控制或无地面控制航测快速成图,造成地理信息系统、全球环境遥感监测技术革命4。现在,GPS、GLONASS、INMARSAT等系统全部含有了导航定位功效,形成了多元化空间资源环境。这一多元化空间资源环境,促进国际民间形成了一个共同策略,即首先对现有系统充足利用,首先主动筹建民间GNSS系统,待左右,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依靠,形成国际共有、国际共享安全资源环境。世界才能够将卫星导航作为单一导航手段最高应用
13、境界。国际民间这一策略,反过来又影响和迫使美国对其GPS使用政策作出更开放调整。多元化空间资源环境确实立,给GPS发发展应用发明了一个前所未有良好国际环境。第二章 GPS测量原理GPS导航系统基础原理是测量出已知位置卫星到用户接收机之间距离 ,然后综合多颗卫星数据就可知道接收机具体位置。要达成这一目标 ,卫星位置能够依据星载时钟所统计时间在卫星星历中查出。而用户到卫星距离则经过纪录卫星信号传输到用户所经历时间 ,再将其乘以光速得到(因为大气层电离层干扰 ,这一距离并不是用户和卫星之间真实距离 ,而是伪距( PR) :当GPS卫星正常工作时 ,会不停地用 1 和 0 二进制码元组成伪随机码(简称
14、伪码)发射导航电文。GPS系统使用伪码一共有两种 ,分别是民用 C/ A 码和军用 P( Y)码。C/ A 码频率 1. 023MHz ,反复周期一毫秒 ,码间距 1 微秒 ,相当于 300m; P 码频率10. 23MHz ,反复周期266. 4 天 ,码间距0. 1 微秒 ,相当于 30m。而 Y码是在 P码基础上形成 ,保密性能更佳。GPS导航系统卫星部分作用就是不停地发射导航电文。然而 ,因为用户接收机使用时钟和卫星星载时钟不可能总是同时 ,所以除了用户三维坐标 x、 y、 z外 ,还要引进一个t 即卫星和接收机之间时间差作为未知数 ,然后用 4 个方程将这 4个未知数解出来。所以假如
15、想知道接收机所处位置 ,最少要能接收到 4 个卫星信号。2.1 伪距测量原理GPS定位采取是被动式单程测距。它信号发射书机由卫星钟确定,收到时刻是由接收机钟确定,这就在测定卫星至接收机距离中,不可避免地包含着两台钟不一样时误差和电离层、对流层延迟误差影响,它并不是卫星和接收机之间实际距离,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最基础方法,其基础原理是:在某一瞬间利用GPS接收机同时测定最少四颗卫星伪距,依据已知卫星位置和伪距观察值,采取距离交会法求出接收机三维坐标和时钟更正数。它优点是速度快、无多值性问题,利用增加观察时间能够提升定位精度;缺点是测量定位精度低,但足以满足
16、部分用户需要。2.1.1 计算卫星位置读入导航电文后 首先依据需要调用广播轨道 1 至广播轨道 5 上数据 然后依次计算卫星平均角速度 归化时间 平均近点角 需要注意是进行真近点角计算时要同时计算正弦和余弦以得到正确象限内角 计算经校正升交点精度时需要用到地球旋转速率 在 WGS-84 中这一常数为10:e=7. 10-5rdd/s。 (2-1)2.1.2 用户位置计算 首先利用近似用户位置和伪距观察值计算出一个近似伪距 利用该近似伪距能够计算出部分值 然后计算出系数 并生成一个Nx4 矩阵 为参与运算卫星数 最终算出用户位移坐标上述过程依据需要能够将计算出用户坐标作为近似值 反复迭代直至符合
17、精度要求10。当在进行迭代过程当中,假如所给定用户初始值越靠近用户实际值,则迭代次数就越少。当我们可见卫星多于四颗时候,我们能够用以下介绍最小二乘法原理带到上面公式当中去计算。2.1.3 最小二乘法介绍当我们在一个地方同时可见卫星假如多于四颗(GPS卫星轨道设计和运动时间安排使得用户在地球任意位置(两极部分地点除外),全部能够看到411颗卫星)时候,我们能够用最小二乘法去解算未知数,这么,充足利用了已知数据信息,使得结果偏差最小化。 比如:对于下面方程: (2-2) 假如令 a1 b1 c1 x H= a2 b2 ,C= c2 ,X= (2-3) a3 b3 c3 y 使用最小二乘法,用C,H
18、表示X.令 = (a1x+b1y-c1)2+ (a2x+b2y-c2)2+(a3x+b3y-c3)2 (2-4) = 2(a1x+b1y-c1)a1+2(a2x+b2y-c2)a2+2(a3x+b3y-c3)a3 (2-5) = 2(a1x+b1y-c1)b1+2(a2x+b2y-c2)b2+2(a3x+b3y-c3)b3 (2-6)整理得到 (a12+a22+a32)x+(a1b1+a2b2+a3b3)y=a1c1+a2c2+a3c3 (2-7) (a12+a22+a32)y+(a1b1+a2b2+a3b3)x=b1c1+b2c2+b3c3 (2-8)写成矩阵形式就是:a1 a2 a3 a1
19、 b1 x a1 a2 a3 c1 a2 b2 = c2b1 b2 b3 a3 b3 y b1 b2 b3 c3 哪么就能够得到x = (2-9) y2.2 载波相位测量原理载波相位观察方法是GPS接收机用接收到卫星载波(L1:154f0,19.032cm;L2:120f0,24.42cm)和当地接收机产生本振参考载波产生相位差来计算.(GPS所接收到得载波相位是不连续,所以在进行相位测量时候,先要进行解调工作,把调制在载波上面测距码和导航电文去掉,经过码相关等方法重新获取载波)。以 表示k接收机在时刻tk所接收到第j颗卫星接收到载波相位值;以表示k接收机在时刻tk当地载波信号相位值,则接收机
20、在接收机钟面时刻tk时观察j卫星所取得相位观察量可写为7: (2-10)Sj(t0)N0kN0Int()通常相位测量或相位差测量只是测出一周以内相位值,实际测量中,假如对整周进行计数,则自某一初始取样时刻(t0)以后就能够取得连续相位观察值。Sj(ti) 图2-1 载波相位测量原理图如上图1所表示,在初始时刻t0,测得小于一周相位差为,其整周数为,此时包含整周数相位观察值为:=+=- + (2-11)接收机继续跟踪卫星信号,不停地测量小于一周相位差,并利用整波计数器统计从t0到ti时间内整周数改变量INT(),只要卫星j从to到tj时间内信号没有中止,则整周模糊数就为一个常数,任意时刻ti卫星
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