GPS静态基线解算原理2011年5月目录1 RINEX文件命名与类型............................... - 1 - 1.1 观测文件格式.................................... - 1 -1.2 导航电文文件格式................................ - 4 -2 GPS卫星位置的计算................................. - 7 - 2.1 计算归化时间tk.................................. - 7 - 2.2 对平均运动角速度进行改正........................ - 8 - 2.3 观测时刻卫星平近点角Mk的计算................... - 8 - 2.4 计算偏近点角Ek.................................. - 8 - 2.5 真近点角Vk的计算............................... - 8 - 2.6 升交距角Φk的计算.............................. - 8 - 2.7 摄动改正项δu,δr,δi的计算.................. -8 - 2.8 计算经过摄动改正的升交距角uk、卫星矢径rk和轨道倾角ik ..................................................... -9 - 2.9 计算卫星在轨道平面坐标系的坐标.................. - 9 - 2.10 观测时刻升交点经度Ωk的计算.................... - 9 -2.11 计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标............ - 9 -3 GPS静态基线解算 .................................. - 9 - 3.1 载波相位测量原理................................ - 9 - 3.2 载波相位测量的观测方程......................... - 10 - 3.3 观测值的组合................................... - 11 - 3.4 在接收机和卫星间二次差......................... - 11 - 3.5 观测方程的线性化............................... - 12 -1 RINEX 文件命名与类型1.1 观测文件格式(1)观测文件的文件头如下图列出了头文件中程序里所需要的信息图1-1 rienx o 文件 表1-1 rienx o 文件头文件说明 标签描述RINEX VERSION / TYPE版本格式(2.10) 文件类型 导航系统:空格或’G’为GPS ,‘R’为GLONASS ,‘S’‘T’:‘M’为混合 APPROX POSITION XYZ 标记点概略位置(WGS84) ANTENNA: DELTA H/E/N- 天线高度:天线底部相交于标记点的高度- 天线中心相对标记点东向和北向距离(单位米)文件头观测值WA VELENGTH FACT L1/2 - L1和L2载波的缺省系数1: 整周2: 半周0 (L2载波): 单频接收机-0或空格*WAVELENGTH FACT L1/2 - L1和L2载波的缺省系数1: 整周2: 半周0 (L2载波): 单频接收机- 系数适用的卫星数据- 系数适用的卫星列表# / TYPES OF OBSERV - 文件中观测类型数量- 观测类型如果超过9种观测类型,下行继续观测类型:L1,L2: L1、L2载波相位测量C1: L1载波C/A码伪距测量P1,P2: L1,L2载波P码伪距测量D1,D2: L1、L2载波多普勒频率测量*INTERV AL 以秒为单位的观测间隔TIME OF FIRST OBS-初次观测时间(四字节年,月、日、时、分、秒)-时间系统:GPS(GPS时间系统)GLO(UTC时间系统)*TIME OF LAST OBS -最后观测时间(四字节年,月、日、时、分、秒)-时间系统:GPS(GPS时间系统)GLO(UTC时间系统)*# OF SATELLITES观测到的卫星数量*PRN / # OF OBS 不同的观测类型中,观测到的卫星数量,如果超过9种类型下行继续END OF HEADER 文件头部分的最后一行(2)、观测文件数据记录表1-2 rienx o文件观测值说明观测记录描述观测值的第一行-星历:年(2字节需要时补0) ;月,日,时,分,秒; -星历标志0:表示正常1:表示从前一历元到当前历元观测失败2: 开始移动天线3: 新地点4: 接下来是头信息5: 其它事件-当前历元的卫星数量-当前观测到的卫星列表-接收机钟差(秒,可选)-如果超过12颗卫星,下行继续事件标志:OBSERV ATIONS - 观测值- LLI- 信号强度信号强度设为 1-9级:1: 最小信号强度5: 信噪比S/N9: 最大信号强度0: 或空: 不确定1.2 导航电文文件格式图1-2 (1)、头文件格式表1-3 rinex n 文件头文件说明头文件标签 说明RINEX VERSION/TYPE -RINEX 格式的版本号-文件类型PGN/RUN BY/DA TE -创建本数据文件所采用的名称文件头文件体-创建本数据文件单位名称-创建本数据文件的日期COMMENT 注释行LON ALPHA 历书中的电离层参数A0~A3 ION BETA 历书中的电离层参数B0~B3DELTA-UTC:A0,A1,T,W 用于计算UTC时间的历书参数-A0,A1:多项式系数-T:UTC数据参考时刻-W:UTC参考周数,为连续计数,不是1024余数LEAP SECONDS 由于周跳造成的时间差END OF HEADER 文件头的最后一个记录(2)、数据记录格式表1-4 rinex n 文件头观测值说明观测值记录说明PRN号/历元/卫星钟- 卫星的PRN号- 历元:TOC(卫星钟参考时刻)年,月,日,时,分,秒- 卫星钟的偏差(s)- 卫星钟的漂移(s/s)- 卫星钟的漂移速度(s/s^2)广播轨道—1 - IDOC(数据星历发布时间)-)(mCrs-)/(sradn∆-)(radM广播轨道—2 -)(radCuc- e轨道偏心率-)(radians Cus-))((2/1mAsqrt广播轨道—3 - TOE星历的参考时刻(GPS周内的秒数)-)(radCic-))((OMEGAradΩ-)(radCis ik广播轨道—4 -)(radi-)(mCrc-)(radω-))(/(OMEGADOTsradΩ&广播轨道—5 -))(/(IDOTsradi- 2L上的码- GPS周数(与TOE一同表示时间)。
为连续计数,不是1024的余数- L2 P 码数据标记广播轨道—6 - 卫星精度(m )- 卫星健康状态- TGD (sec )- IODC 钟的数据龄期广播轨道—7- 电文发送时刻- 拟合区间- 备用- 备用2 GPS 卫星位置的计算2.1 计算归化时间tk首先对观测时刻t′作卫星钟差改正:t=t′-Δt (2-1)2210)()(oc oc t t a t t a a t -'+-'+=∆ (2-2)然后对观测时刻t 归化到GPS 时系tk=t-toe ,式中tk 称作相对于参考时刻toe 的归化时间。
导航电文中给出的GPS 卫星的轨道参数是相对于参考时刻toe 而言的,为求出观测时刻t 的卫星坐标,须求出观测时刻t 相对于参考时刻t 的差值,即归化时间:tk =t-toe ,计算t 时应注意两点:①GPS 导航电文提供的卫星轨道参数时间是采用GPS 星期加GPS 秒表示的,GPS 星期为从1980年1月6日0时到当时时刻的整星期数,GPS 秒为从刚过去的星期日零时开始至当前时刻的秒数,GPS 广播星历中的参考时刻t 就是用GPS 秒表示的;而GPS 接收机记录的观测时刻t(即观测历元)是用民用日即年(Y)、月(M)、日(D)、时(H)、分(min)、秒(sec)表示的。
因此需将观测时刻的民用日时间换算为GPS 时间,换算方法如下:先将民用日的时分秒化为实数时,即UT=H+(min/60)+(sec/3600);然后将民用日的Y 、M 、D 、UT 化为儒略日,即JD=INT(365.25×Y)+INT(30.6001×(m+ 1))+D + (UT/24)+1720981.5,式中INT 表示实数的整数部分,Y 、m 按以下规则计算:对于M≤ 2,y=Y+l ,m=M+12,对于M>2,Y=y ,m=M ;最后计算GPS 周和GPS 秒:GPS 周=INT((JD-2444244.5)/7),GPS 秒=(JD-24,14244.5-GPS 周×7)×24×3600。
②计算tk 时应计及一个星期(604800s)的开始或结束。
即当tk > 302400s 时,tk 应减去604800s ;当tk <-302400s 时,tk 应加上604800s 。
2.2 对平均运动角速度进行改正运动角速度为30A n μ=改正为dnn n +=0。
其中n0=)/(3a GM sqrt ,式中GM=3.986005E1423/s m ,是WGS-8 4坐标系中的地球引力常数。
dn 是导航电文中给出的摄动改正数。
2.3 观测时刻卫星平近点角Mk 的计算Mk=M0+ntk (2-3)式中M0是卫星电文 给出的参考时刻toe 的平近点角。
2.4 计算偏近点角EkEk=Mk+esinEk(Ek ,Mk 以弧度计) (2-4)上述方程可用迭代法进行解算,即先令Ek=Mk ,代 入上式,求出Ek 再 代入上式计算,因为GPS 卫星轨道的偏心率e 很小,因此收敛快,只需迭代计算两次便可求得偏近点角Ek 。
2.5 真近点角Vk 的计算由于:)cos 1/()(cos cos k k k E e e E V --= (2-5))]/(cos sin 1arctan[cos 2e E E e V k k k --= (2-6)因此:sk k s k e E E e V --=cos sin 1arctan2 (2-7)2.6 升交距角Φk 的计算ϖφ+=k k V (2-8)ω为卫星电文给出的近地点角距。