卫星导航定位算法与程序设计(2014) - 第1课

导航与定位系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解导航与定位系统的基本概念，掌握其工作原理；2. 了解全球定位系统（GPS）在我国的应用领域和发展趋势；3. 掌握导航与定位技术在生活中的应用及其对科技进步的贡献。

技能目标：1. 学会使用GPS设备进行定位和导航；2. 能够运用所学知识解决简单的导航与定位问题；3. 培养学生的空间想象能力和逻辑思维能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对导航与定位技术的兴趣，激发其探索科技的热情；2. 增强学生的团队合作意识，使其在合作学习中共同进步；3. 培养学生关注社会热点问题，提高其社会责任感和使命感。

课程性质：本课程为科普性质课程，旨在让学生了解导航与定位技术的基本原理和应用，培养学生的科技素养。

学生特点：六年级学生具有较强的求知欲和好奇心，具备一定的合作能力和自主学习能力。

教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，以生动有趣的方式传授知识，引导学生主动参与课堂，提高其学习兴趣和积极性。

将课程目标分解为具体的学习成果，便于后续教学设计和评估。

二、教学内容1. 导航与定位系统的基本概念与原理- 导航与定位的定义与分类- 全球定位系统（GPS）的构成与工作原理- 我国导航与定位技术的发展概况2. GPS定位技术在生活中的应用- 交通导航：汽车导航、手机导航等- 地理信息系统（GIS）：地图制作、城市规划等- 灾难救援：地震、山洪等自然灾害救援3. 导航与定位技术的未来发展- 北斗导航系统的发展与应用- 车联网技术的兴起与应用- 室内定位技术的发展趋势4. 实践活动与案例分析- 使用GPS设备进行定位与导航操作- 分析导航与定位技术在生活中的具体应用案例- 探讨导航与定位技术对社会发展的积极影响教学内容依据课程目标进行选择和组织，确保科学性和系统性。

教学大纲明确教学内容安排和进度，结合课本相关章节，包括导航与定位基本概念、技术应用、未来发展趋势等。

《卫星导航定位算法与程序设计》课程常用参数和常用公式一览编制人：刘晖最后更新：2010年11月26日1、常用参考框架的几何和物理参数1.1 ITRFyy 主要的大地测量常数长半轴a=6.3781366×106m；地球引力常数（含大气层）GM=3.986004418×1014 m3/s2；地球动力因子J2=1.0826359×10-3；地球自转角速度ω=7.292115×10-5 rad/s。

扁率1/f =298.25642；椭球正常重力位U0=6.26368560×107 m2/s2；γ=9.7803278 m/s2；赤道正常重力e光速c=2.99792458×108 m/s。

1.2 GTRF主要的大地测量常数长半轴a=6.37813655×106 m；地球引力常数GM=3.986004415×1014 m3/s2；地球动力因子J2=1.0826267×10-3；扁率1/f =298.25769。

1.3 WGS84（Gwwww）主要的大地测量常数长半轴a=6.3781370×106 m；地球引力常数（含大气层）GM=3.986004418×1014 m3/s2；地球自转角速度ω=7.292115×10-5 rad/s。

扁率1/f =298.257223563；椭球正常重力位U0=62636860.8497 m2/s2；γ=9.7803267714m/s2；赤道正常重力e短半轴b=6356752.3142m；引力位二阶谐系数2,0C=-484.16685×10-6；第一偏心率平方2e=0.00669437999013；e'=0.006739496742227。

第二偏心率平方21.4 PZ90 主要的大地测量常数长半轴a=6.378136×106m；地球引力常数GM=3.9860044×1014 m3/s2；fM=3.5×108 m3/s2；地球大气引力常数a地球自转角速度ω=7.292115×10-5 rad/s。

卫星导航与定位系统基本定位算法卫星导航与定位系统是一种利用卫星进行定位和导航的技术系统。

其基本原理是将卫星发射到空间中，通过卫星与地面站之间的通信，获取由卫星发射的信号，并利用这些信号计算出接收器所处的位置。

在卫星导航与定位系统中，基本的定位算法主要包括距离测量、时间测量、角度测量以及协作测量等。

首先，距离测量是卫星导航与定位系统中最基本的定位算法之一、在距离测量中，接收器通过接收来自卫星的信号，计算信号传播的时间，并以此推断出接收器与卫星之间的距离。

距离测量的方法主要包括伪距测量和载波相位测量。

伪距测量是利用信号传播时间与光速之间的线性关系，计算出接收器与卫星之间的距离。

而载波相位测量则是通过计算接收信号的相位差，进一步提高距离测量的精度。

其次，时间测量也是卫星导航与定位系统中常用的定位算法之一、在时间测量中，接收器通过接收来自卫星的定位信号和与卫星同步的精确时间信号，根据信号的传播时间差计算出接收器的定位信息。

时间测量的准确性对于卫星导航与定位系统的定位精度具有重要影响。

因此，接收器需要具备高精度的时钟设备。

此外，角度测量也是卫星导航与定位系统中一种常用的定位算法。

角度测量是通过测量接收器与卫星之间的夹角，计算出接收器所处的位置。

角度测量的方法主要包括方位角测量和仰角测量。

方位角测量是通过测量接收器与卫星之间的方位角，计算接收器的经度位置。

而仰角测量则是通过测量接收器与卫星之间的仰角，计算接收器的纬度位置。

最后，协作测量是卫星导航与定位系统中一种相对较新的定位算法。

协作测量是指通过多个接收器之间的协作，共同对卫星信号进行测量，并计算出各个接收器所处的位置。

协作测量可以提高定位精度，并且对于一些特殊环境下的定位任务具有重要意义，如建筑物高楼、山区等。

总之，卫星导航与定位系统的基本定位算法包括距离测量、时间测量、角度测量和协作测量等。

这些定位算法通过计算卫星信号的传播时间、接收器与卫星之间的夹角等参数，计算出接收器所处的位置信息。

China University of Mining and Technology 《卫星导航定位算法与程序设计》实验报告学号： 07122825姓名：王亚亚班级：测绘12—1指导老师：王潜心/张秋昭/刘志平中国矿业大学环境与测绘学院2015-07-01实验一编程实现读取下载的星历一、实验要求：读取RINEX N 文件，将所有星历放到一个列表（数组）中。

并输出和自己学号相关的卫星编号的星历文件信息。

读取RINEX O文件，并输出指定时刻的观测信息。

二、实验步骤：1、下载2014年的广播星历文件和观测值文件，下载地址如下：ftp:///gps/data/daily/2014/2、要求每一位同学按照与自己学号后三位一致的年积日的数据文件和星历文件，站点的选择必须选择与姓氏首字母相同的站点的数据，以王小康同学为例，学号：07123077，需下载077那天的数据。

有些同学的学号365<后三位<730，则取学号后三位-365，以姜平同学为例：学号10124455，下载455-365=90 天的数据，有些同学的学号730<后三位<=999，则取学号后三位-730，以万伟同学为例：学号：07122854，则下载854-730 = 124天的数据。

可以选择wnhu0124.14n wnhu0124.14o 根据上述要求我下载了2014年第95天的数据，选择其中的wsrt0950.14n和wsrt0950.14o星历文件。

指定时刻（学号后五位对应在年积日对应的秒最相近时刻）的观测值信息如张良09123881，后五位23881，取23881-3600*6= 2281秒，6点38分01秒，最近的历元应该是6点38分00秒的数据。

根据计算与我最接近的观测时刻为2014年4月5日6点20分30.00秒。

3、编程思路：利用rinex函数读取星历文件中第14颗卫星的星历数据并输出显示。

对数据执行762次循环找到对应的2014年4月5日6点20分30.00秒，并输出观测值。

GPS 单点定位程序流程、计算流程读取RINEX N 文件，将所有星历放到一个列表（数组） ephlst 中。

数据预处理根据epoch 中的卫星号和历元时刻T R 在ephlst 查找相应的卫星星历，1、 2、 读取RINEX 以件,读取一个历元观测值epoch3、 4、 准则T R TOE3600.0s 。

程序初始化，置测站概略位置为X r ,接收机钟差初值dt r 。

X oX 0 X YdtZ 第一次迭代，取X 。

o cdt r 00 05、选择epoch 中一颗卫星S i 观测值，设其伪距为 S6、计算卫星§的信号发射的概略时刻T*方法如下:a ）卫星S i 的信号传播时间：0S Si / c dt r dt Si ;dt Si 为卫星钟差，需要进行相对论改正;b ）卫星S i 的信号发射时刻：T S T RSi；c ）卫星S i在T Si 时刻的位置X ST SiX SY SiZ Sid ）对卫星位置X Si T Si 进行地球自转改正，得到Xje ）根据X W i T Si 和测站概略位置X r 计算卫星和测站的几何距离 R Sf ）根据几何距离R Si 求信号传播时间IS R S /cg ） 如果/ o S 10 7，则退出迭代。

T 1SiT R :即为卫星信号发射时刻h ）否则0siSi，回带到b ）进行迭代。

7、 求卫星§方向余弦V V siVW S77Ss入入 I S 丫丫 sZZ s At o'S —，b iS ，炬’S，b ； 1R iR S R S8、 求卫星S 在观测方程式中的余数项：其中:Si ——卫星S j 的伪距观测值；R Si ——卫星S 到测站的几何距离；c dt S 以米表示的卫星S i 的钟差；d trop ——对流层延迟改正量，单位米，用简化的hopfield 模型计算；diono ——电离层延迟改正量，单位米，采用无电离层伪距组合观测值时，此项为 0;D RTCM ——对伪距的差分改正值，此处为 0；10、 重复第6— 9步，计算每颗卫星的系数和余数项11、 将所有卫星的系数组成误差方程，以x,y,z,cdt r为未知参数进行求解，形式应该是：AX Lb S 0 t 1So 玻。

卫星导航定位算法与程序设计_常用参数和公式讲解卫星导航定位算法是通过接收多颗卫星发出的信号来确定接收器的位置的算法。

常用的卫星导航系统有美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯系统和欧洲的伽利略系统等。

下面将讲解卫星导航定位算法中的常用参数和公式。

1.GPS系统参数GPS系统中的常用参数包括信号传播速度、卫星时钟频率、卫星位置、接收机时钟误差等。

信号传播速度是指电磁波在真空中传播的速度，约为3×10^8米/秒。

卫星时钟频率是指卫星发射信号的频率，它与卫星位置和传播速度有关。

卫星位置是指卫星在天空中的位置坐标，它是通过星历数据确定的。

接收机时钟误差是指接收器时钟与它所处的卫星系统时钟之间的差异。

2.GPS接收机参数GPS接收机中的常用参数包括接收机观测量、接收机时钟和接收机位置等。

接收机观测量是指接收机接收到的卫星信号的信息，包括卫星信号的到达时间、信号强度等。

接收机时钟是指接收机内部的时钟，它用于测量到达时间和计算位置信息。

接收机位置是指接收机的地理位置坐标，它是待求解的定位参数，通过卫星信号的到达时间和卫星位置计算得出。

3.定位算法卫星导航定位算法主要包括距离测量和位置计算两个步骤。

距离测量是通过测量接收机与卫星之间的距离，从而确定接收机与卫星的空间几何关系。

常用的距离测量方法有伪距测量和载波相位测量两种。

伪距测量是通过测量卫星信号的传播时间来计算距离，利用的是卫星信号中的导航消息和接收机观测量。

载波相位测量是通过测量卫星信号的相位差来计算距离，具有更高的精度，但需要更复杂的算法和硬件支持。

位置计算是根据距离测量结果和卫星位置信息，利用三角测量原理来计算接收机的位置。

常用的位置计算方法有单点定位和差分定位两种。

单点定位是通过接收机与至少四颗卫星之间的距离测量结果，利用三边测量原理计算接收机的位置。

差分定位是在单点定位的基础上，利用额外的参考站测量数据对接收机的位置进行修正，提高定位精度。

卫星导航定位程序设计
1.接收器硬件设计
接收器硬件设计主要包括天线、收发器和处理器等组件的选择和连接。

天线是接收卫星信号的设备，需要选择合适的频段和增益。

收发器用于接
收和发送信号，需要选择能够接收卫星导航信号的收发器。

处理器是用于
处理和计算接收到的信号，需要选择能够处理卫星导航算法的处理器。

2.接收器软件设计
接收器软件设计主要包括信号接收和解码、数据处理和位置计算等功
能的实现。

信号接收和解码需要将接收到的卫星信号转换成数字信号，并
解码出导航数据。

数据处理包括对接收到的导航数据进行误差校正和数据
筛选等处理。

位置计算是根据接收到的导航数据计算出接收器所处位置的
过程，常用的定位算法有精确度位置系统（PPP）和差分GPS（DGPS）等。

3.位置数据处理和计算
4.界面设计与用户交互
总结：
卫星导航定位程序设计涉及到接收器硬件和软件的设计，以及位置数
据的处理和计算。

在接收器硬件设计中，需要选择合适的天线、收发器和
处理器等组件。

在接收器软件设计中，需要实现信号接收和解码、数据处
理和位置计算等功能。

在位置数据处理和计算中，需要进行数据预处理、
数据校正和数据融合等过程。

在界面设计与用户交互中，需要设计简洁明
了的界面，提供实时的位置信息，并方便用户进行操作和查询。