基于Superstar_的卫星位置计算及分析

卫星定位资料

第21卷第1期2009年3月河南工程学院学报(自然科学版)

JOURNALOFHENANINSTITUTEOFENGINEERINGVol121,No11

Mar.2009

基于SuperstarÒ的卫星位置计算及分析

胡 辉,叶鑫华

(华东交通大学信息工程学院,江西南昌330013)

摘 要:GPS卫星位置计算是进行GPS导航定位的关键环节,快速准确地计算出卫星坐标,对提高GPS定位精度和

速度有着重要意义.本文基于SuperstarÒGPS接收机,利用MATLAB对Marconi二进制格式数据进行了解码,计算卫星位置并对卫星位置进行了外推,与IGS精密星历比较可得位置误差在2m以内,充分验证了方法的正确性.

关键词:GPS;SuperstarÒ;卫星位置计算;MATLAB

中图分类号:TN965.5 文献标识码:A 文章编号:1674-330X(2009)01-0054-04

GPS(GlobalPositioningSystem)系统是卫星导航技术的集大成者,该系统与其他导航系统相比,具有全球连续覆盖、精度高、定位实时性好、抗干扰、抗多径等优点.

我国虽然有多个科研院所从事GPS相关产品的开发,但其研究对象主要集中在动态较低的民用领域,GPS产品的核心)GPS接收机都来自于国外,而国外对出口我国的GPS接收机存在许多关键指标限制.因此,有必要进行具有自主知识产权的GPS接收机的研制,其中定位解算模块研制是进行GPS接收机研制工作的关键环节,而卫星位置计算是进行定位解算模块研制首先解决的问题,这是本文工作的研究背景

[1]

.

本文基于SuperstarIIGPS接收机,运用MATLAB对Marconi二进制数据进行解码,运用开普勒轨道参数法计算卫星位置.多组实验数据验证了方法的正确性,为进一步进行高精度定位解算算法研究工作提供基础.

1 Marconi二进制数据格式简介

SuperstarII接收机支持两种数据格式

[2]

:NMAE-0183和Marconi二进制格式.Marconi二进制格式有40

种,其中与单点GPS定位解算模块有关的是ID20、ID21、ID22、ID23和ID75等,分别含有卫星健康状态、星历数据、历书数据、中间定位数据、卫星钟修正参数、电离层修正参数和最终定位结果等.Marconi二进制数据格式都由数据头和数据块组成,数据头固定长度为4个字节,该信息包括:一个起始信号(SOH)、ID号、ID补充号、数据块长度,数据块长度取决于所接收的信息.每种数据格式都包含16比特的checksum连接完整的模块.以下以ID22为例,介绍Marconi二进制数据格式.

ID22模块包含卫星运动的开普勒轨道参数及轨道摄动参数修正值、卫星时钟改正参数、GPS系统时间及描述卫星状态的其他参数.具体的数据格式如表1所示,限于篇幅,只给出了部分数据格式.ID22数据格式是严格按照ICD-GPS-200中导航电文格式来提取的,读取的顺序是从高位字节到低位字节,而其他模块则需参照相应的协议.本文给出了卫星轨道参数的提取方式.

收稿日期:2008-12-21

基金项目:江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ08243).

作者简介:胡 辉(1970-),男,江西南昌人,副教授,博士后,主要从事卫星导航定位、并行算法与并行处理与机器视觉研究.

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表1 部分ID22数据格式Tab.1

Someofthedataformat

内容说明

卫星钟数据参考时间24卫星钟差二次改正2-卫星钟差一次改正2-卫星钟差改正2-35

55543

字节号22-232425-2627-2931-3233-3435-3839-4041-4445-4647-5051-5254-5556-5960-6162-6566-6768-7172-7476-77N*

数域TocAf2Af1Af0CrsDeltanM0CucECusToeCic80CisI0CrcW8dotIdot

类型ShortCharShortFloatShortShortFloatShortFloatShortFloatShortShortFloatShortFloatShortFloatFloatChar

Bit168*16*22*16*16*32*16*3216*321616*32*16*32*16*32*24*14*

拼接b1*2^8+b2b1

b1*2^8+b2

[(b1*2^16+b2*2^8+b3)/4]b1*2^8+b2b1*2^8+b2

b1*2^24+b2*2^16+b3*2^8+b4b1*2^8+b2

b1*2^24+b2*2^16+b3*2^8+b4b1*2^8+b2

b1*2^24+b2*2^16+b3*2^8+b4b1*2^8+b2b1*2^8+b2

b1*2^24+b2*2^16+b3*2^8+b4b1*2^8+b2

b1*2^24+b2*2^16+b3*2^8+b4b1*2^8+b2

b1*2^24+b2*2^16+b3*2^8+b4b1*2^16+b2*2^8+b3

单位 Ss/s2s/s2sm半周/s

3129

轨道半径正弦改正项2-平近点角改正2-43

参考时间的平近点角2-纬度幅角余弦改正顶2-偏心率2-33

半周rad

纬度幅角正弦改正项2-长半轴平方根2-19

29

radM1/2s

轨道参数的参考时间24轨道倾角余弦改正项2-升交点赤经2-31

2929

rad半周rad半周

轨道倾角正弦改正项2-倾角2-31

轨道半径余弦改正项2-近地点角距2-31

43

5

m半周半周/s半周/s

升交点赤经变化率2-43

b1*2^8+b2-[(b1*2^8+b2)/2^14]*2^14倾角变化率2-

表示有符号数

注:表1中[]表示对数据取整,补码栏中,没有数据表示是无符号数,否则为有符号数

.

2 卫星位置计算方法

卫星位置的计算是导航接收机数据处理的主要任务之一,主要是通过星历数据龄期、6个开普勒轨道根数和9个轨道摄动参数等卫星星历数据[1]进行运算.整个运算流程如图1所示,归化时间tk、卫星平均角速度n、t时刻卫星平近点角Mk、t时刻偏近点角Ek、真近点角、升交距角、摄动改正项等参数定义及计算参见文献[3]和文献[4].

最终计算观测时刻卫星在WGS-84坐标系中三维位置的公式如式(1):

XK=YKZxKcosLK-yn

LKKcosiKsixKsinLK+yKcosiKcosLKyKsiniK

图1 卫星WGS-84坐标计算流程

(1)

其中,xK,yK,zK为卫星在轨道坐标系中的位置,升交点大

地经度LK=80+($8-$8e)tK-$8etoe,轨道倾角iK=I0+Fig.1 ComputationalflowdiagramofWGS-84

D*tk(以上参数均为经过摄动改正的参数).i+$Isatellitecoordinates

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3 实验数据分析

实验天线位于华东交通大学信息学院4#楼顶,于2007年

12月24日运用SuperstarIIGPS接收机进行了大量数据采集,用MATLAB解码22#模块得部分星历数据见表2.

表2 卫星位置计算

Tab.2 Satellitepositioncalculation

卫星编号

参数

PRN17

n0(1.0e-003rad/s)n(1.0e-003ran/s)tK(1.0e+003/s)

MK(rad)EK(rad)fK(rad)5K(rad)D.0e-005rad)u(1

D(1.0e+002m)r

D.0e-006rad)i(1

0.145851341778740.14585580339315-1.879000003188850.282815662473000.283684050665710.28455373609760-2.678519201292310.950945629061271.077617218460750.08906731849066

PRN4

0.145853829461330.14585884002719-1.895000003188851.972223116800451.979619368616661.987003875692642.32001540236511-0.78062145742620-1.119122699836900.01987205936348

[5,6]

PRN2

0.145854615355380.14585958484809-1.87900000318885-0.65284113406895-0.65817814045665-0.663533719682891.76598817140432-0.70635010363792-2.459844851145720.11898984147942

根据表1计算出的卫星位置与IGS发布的精密星历进行比较,可知卫星位置的计算误差在2m以

内,结果如图2所示.这相对于站星距离的20200km来说是很小,对最后的定位结果的影响不是太大

.

图2 计算卫星位置与IGS0精密星历误差比较

Fig.2 ThepositionerrorofcalculatingcalculationpositioncomparedwithIGSprecisionephemeris

4 卫星位置外推

卫星在轨道上位置实时变化,要想得到连续的卫星位置,若使用公式(1)来频繁计算,需要较长的运算时间,不能满足我们的需求,应此我们使用卫星位置外推来解决此问题

[7,8]

.

用上述数据进行卫星位置外推,向前外推1h以及向后外推2h,外推时间间隔15min,我们对17、4、30、2、13、12、10、5共八颗卫星做了轨道外推,限于篇幅,图3只显示了17、4、13三颗卫星外推X,Y,Z轴方向上与IGS精密星历比较的结果.

从图3中可知,IGS精密星历上的坐标值和向前向后外推得出的坐标值之间误差基本都在2m以内,所以向前向后外推出的卫星位置是准确的,满足要求.

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图3 卫星外推与IGS精密星历误差比较

Fig.3 ThepositionerrorofextrapolatingsatellitepositioncomparedwithIGSprecisionephemeris

5 结语

本文研究了基于广播星历的卫星位置计算方法,没有过多分析其具体硬件平台的实现、基带信号处理及定位解算模块.实验结果表明,本文涉及到的基于SuperstarÒ接收机的卫星位置计算方法是正确的.本文所设计的卫星位置计算方法已应用在速度8km/s、加速度5gn、加加速度1gn/s、位置精度17m的GPS软件接收机中.

参考文献:

[1] 胡 辉.高动态数字化GPS接收机的研制[R].上海航天局博士后工作站出站报告,2002.[2] SUPERSTARIIUserManual[S].Canda,2005.

[3] 刘 磊,盛 峥,王迎强,等.利用广播星历计算GPS卫星位置及误差分析[J].解放军理工大学学报(自然科学版),

2006,7(6):592-596.

[4] 周杠进,许江宁,李方憾.GPS卫星位置计算及精度鉴定方法研究[J].计算机测量与控制,2005,13(11):1177-1179.[5] 程义军.基于IGS精密星历的GPS卫星轨道分析[D].武汉:武汉大学,2005.

[6] 郑 冲,吴 杰,周伯昭,等.卫星位置偏差对双星/GIS组合定位的影响及组合定位试验[J].空间科学学报,2005,25

(2):138-142.

[7] 岑 明,傅承毓,刘兴法,等.误差空间估计的卫星跟踪位置预测[J].光电工程,2007,34(6):15-19.

[8] WangLiang,ZhangNai-Tong.ADynamiclocationupdatingmanagementschemeinlowearthorbitnetworks[J].Journalof

Software,2003,14(12):2045-2051.

SatellitePositionCalculationandAnalysisBasedonSuperstarÒGPSReceiver

HUHu,iYEXinhua

(SchoolofInformationEngineering,EastChinaJiaoTongUniversity,Nanchang30013,China)

Abstract:GPSsatellitepositioncalculationisthekeylinkofGPSnavigationandpositioning,calculatingsatellitecoordinatesquickly

andaccuratelyisimportanttoimprovepositioningspeedandprecision.ThepaperhasdecodedthedataofMarconibinarywithMATLABbasedonSuperstarÒGPSreceiver,moreover,completedcalculatingandextrapolatingsatelliteposition.Thepositionerroriswithin2mcomparedwithIGSprecisionephemeris,theresultshaveprovedthevalidityofthesemethods.

Keywords:GPS;SuperstarÒ;satellitepositioncalculation;MATLAB

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/94dq.html