用MATLAB計算GPS衛(wèi)星位置

摘 要：本文主要介紹了GPS測量數(shù)據(jù)的常用格式RINEX標準文件格式，并利用MATLAB工具計算出所觀測衛(wèi)星里的五顆衛(wèi)星（14、20、29、31和32五顆）在283個歷元的瞬時位置，即所觀測時間段里五顆衛(wèi)星在WGS-84坐標下的空間運行軌跡。

關(guān)鍵詞：RINEX標準文件 WGS-84下衛(wèi)星位置 MATLAB工具

中圖分類號：P228.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（c）-0005-05

GPS定位的基本原理簡單來說就是在WGS-84空間直角坐標系中，確定未知點與GPS衛(wèi)星的空間幾何關(guān)系。因此利用GPS進行導(dǎo)航和測量時，衛(wèi)星是作為位置已知的高空觀測目標。那么如何精確快速的解算出衛(wèi)星在空間運行的軌跡即其軌道是實現(xiàn)未知點快速定位的關(guān)鍵。

1 標準格式RINEX格式簡述

在進行GPS數(shù)據(jù)處理時，由于接收機出自于不同廠家，所以廠家設(shè)計的數(shù)據(jù)格式也是五花八門的，但是在實際中，很多時候需要把來自不同型號的接收機的數(shù)據(jù)放在一塊進行處理，這就需要數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一，為了解決這種矛盾，RINEX（英文全稱為：The Receiver Independent Exchange Format）格式則應(yīng)運而生，該格式存儲數(shù)據(jù)的類型是文本文件，數(shù)據(jù)記錄格式是獨立于接收機的出自廠家和具體型號的。由此可見，其特點是：由于是通用格式，所以可將不同型號接收機收集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理，并且大多數(shù)大型數(shù)據(jù)處理軟件都能夠識別處理，此外也適用于多種型號的接收機聯(lián)合作業(yè)，通用性很強。

RINEX標準文件里不是單一的一個文件，而是包括如下幾種類型的文件[1]。

（1）觀測數(shù)據(jù)文件（ssssdddf.yyo），記錄的是GPS觀測值信息，（OBServation data，簡寫OBS，為接收機記錄的偽距、相位觀測值；O文件，如XG012191.10O）。

（2）導(dǎo)航電文文件（ssssdddf.yyn），記錄的是GPS衛(wèi)星星歷信息（NAVavigation data，簡寫NAV，記錄實時發(fā)布的廣播星歷；N文件，如XG012191.10N）。

（3）氣象數(shù)據(jù)文件（ssssdddf.yym），主要是在測站處所測定的氣象數(shù)據(jù)（METerological data，簡寫MET，記錄氣象儀器觀測的溫、壓、濕度狀況；M文件，如XG012191.10M）。

（4）GLONASS導(dǎo)航電文文件（ssssdddf.yyg），記錄的是地球同步衛(wèi)星的導(dǎo)航電文。

由上述可見，RINEX文件的命名規(guī)則為ssssdddf.yyt（t指的是數(shù)據(jù)類型，不同的文件，t所代表的字母不同），其中文件名前四個字母（ssss）指的是測站名，一般是用字母和數(shù)字的組合來定義，方便識別，用戶自己定義。緊跟著的三個字母（ddd）指的是第一組數(shù)據(jù)的年積日（年積日是僅在一年中使用的連續(xù)計算日期的方法，是從當年1月1日起開始計算的天數(shù)。例如：每年的1月1日為第1日，2月1日為第32日，以此類推）如219表示8月7號，年積日的計算可通過在網(wǎng)上下載軟件進行快速計算，也可自己編一個小程序計算。f指的是觀測當天文件的觀測序列號，其可以在0～9或A～Z中取值，如果文件序號取值為0，則其意味著今天一天觀測的所有數(shù)據(jù)都放在該文件中，用戶則不用在所有文件中一一去找當天的某個文件，只需在此文件中進行查詢即可。對于f的理解，還有一點需要注意，通過下面的例子來進行說明：在某一天，用GPS測量進行某一項目的時候，共使用了3臺GPS接收機，由于各種原因，用戶分為三個時間段來進行：第一時間段，三臺接收機全部啟用；第二時間段，啟用兩臺接收機；第三時間段，三臺接收機又全部工作，那么在第一時間段，三臺接收機所接收到的數(shù)據(jù)文件編號則都為1，在第二時間段，參與工作的兩臺接收機接收到的觀測數(shù)據(jù)文件編號為2，在第三時間段，又是所有三臺接收機參與觀測，那么在該時間段，這三臺接收機所對應(yīng)的文件編號就為3。由此可見，文件序號的編排不是以某臺接收機在該天的觀測時段為基礎(chǔ)定義，而是用用戶所進行的整體項目在該天的同步觀測時段為基礎(chǔ)的。RINEX文件命名里的yy指的是年的后兩位數(shù)字，如對于2013年，則yy為13。

RINEX文件命名里后一位o，n，m，g則標識的分別是觀測數(shù)據(jù)文件、導(dǎo)航電文文件、氣象數(shù)據(jù)文件以及GLONASS導(dǎo)航電文文件。此標準文件是純ASCll碼文本文件，所有類型的文件都由兩部分組成，文件頭和數(shù)據(jù)記錄。文件頭和數(shù)據(jù)記錄的區(qū)分界是END OF HEADER，文件頭里每條記錄占一行，列寬不超過80，并且第61～80列是對前面列數(shù)據(jù)記錄內(nèi)容的說明，稱為標簽。數(shù)據(jù)記錄里如果一行寫不下，則在第二行繼續(xù)數(shù)據(jù)的記錄。

1.1 GPS觀測數(shù)據(jù)文件

GPS觀測數(shù)據(jù)文件中儲存的數(shù)據(jù)是與確定GPS整周未知數(shù)息息相關(guān)的信息，主要包括星歷、衛(wèi)星數(shù)、測站概略坐標、偽距信息、載波相位觀測量信息等。下面分別通過表1和表2對GPS觀測數(shù)據(jù)文件的文件頭和數(shù)據(jù)記錄里每個記錄的含義進行詳細說明，以便更清楚的看懂觀測數(shù)據(jù)文件。

GPS觀測數(shù)據(jù)文件的文件頭里每個標簽的含義如表1所示。

GPS觀測數(shù)據(jù)文件里數(shù)據(jù)記錄里每一行的含義如表2所示。

本文中所使用的算例里觀測數(shù)據(jù)文件XG032191.10O的頭文件和部分數(shù)據(jù)記錄如圖1與圖2所示。

1.2 導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件

GPS導(dǎo)航文件也是計算衛(wèi)星瞬時位置必不可少的文件，因為衛(wèi)星星歷、時鐘改正、偏心率、軌道攝動改正、大氣折射改正等導(dǎo)航信息是用戶用來實時定位和精確導(dǎo)航的必備數(shù)據(jù)。

導(dǎo)航文件仍然包括頭文件和數(shù)據(jù)記錄兩部分，數(shù)據(jù)文件中數(shù)據(jù)之間是用空格或回車符隔開的，因為有這樣的規(guī)律，所以用MATLAB編程讀取數(shù)據(jù)的時候就可利用這點進行數(shù)據(jù)的獲取的控制。

GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件的頭文件不像觀測數(shù)據(jù)文件那樣信息豐富，其僅僅只是對RINEX版本號、觀測類型、文件綱要名稱、文件機構(gòu)名稱、文件建立日期相關(guān)信息進行說明，同觀測文件一樣，前60列是數(shù)據(jù)，61～80是標簽說明，并以END OF HEADER作為文件頭的結(jié)束標志。

GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件里的數(shù)據(jù)記錄部分相對較復(fù)雜，牽扯到的內(nèi)容較多，其每一行每一項的含義如表3所示。（如圖3，4）

2 衛(wèi)星坐標的計算步驟

由于在GPS定位和導(dǎo)航的時候，用戶都是把GPS衛(wèi)星的位置作為已知量來對待，并且GPS定位所用的坐標系是世界大地坐標系WGS-84。所以就先必須根據(jù)GPS接收機觀測的相應(yīng)星歷數(shù)據(jù)，解算出GPS衛(wèi)星在WGS-84坐標系中的瞬時位置。

為了后面計算方便，先對廣播星歷中涉及到的計算衛(wèi)星坐標的一些軌道參數(shù)進行說明，如表4所示。

由于每隔兩個小時，GPS接收機收到的廣播星歷才更新一次，所以用戶在根據(jù)接收機收到的衛(wèi)星導(dǎo)航電文匯總的廣播星歷參數(shù)推算GPS的瞬時坐標的時候，一定要選取與GPS衛(wèi)星的瞬時坐標時刻最相近的那組廣播星歷數(shù)據(jù)[2]，否則誤差將會很大。

首先由已知的GPS接收機接受時刻的鐘面時，根據(jù)公式換算出GPS衛(wèi)星發(fā)射時刻的鐘面時[3]：

其中：可由觀測文件直接讀取，為偽距，是觀測GPS衛(wèi)星與觀測GPS接收機之間的距離（由于這個距離里含有電離層誤差、對流層誤差等各種誤差，不是GPS衛(wèi)星與GPS接收機之間的真實距離，所以稱為偽距），本次算例讀取的是P2碼偽距觀測量，c為光速，值為3×108m/s。

下面就是按照公式，讀取相應(yīng)的廣播星歷參數(shù)，計算觀測時刻的GPS衛(wèi)星瞬時坐標：

3 衛(wèi)星坐標的計算實例

為了驗證本文的計算衛(wèi)星坐標的理論，本人經(jīng)過實地設(shè)置觀測點XG01和XG03，從8月7日1：37：00開始觀測，8月7日2：47：30結(jié)束觀測過程。數(shù)據(jù)格式為RINEX標準格式，無需轉(zhuǎn)換。觀測數(shù)據(jù)文件XG012191.10O里觀測數(shù)據(jù)的讀取、觀測數(shù)據(jù)按照定義的衛(wèi)星名存放，XG012191.10N里定義衛(wèi)星名的相關(guān)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)的讀取和存放，GPS衛(wèi)星瞬時位置的計算，以上的這些過程都在MATLAB環(huán)境中實現(xiàn)，圖5就是在MATLAB環(huán)境里計算、繪制出的GPS衛(wèi)星名為14、20、29、31和32在觀測時間段的空間運行軌跡圖。

4 結(jié)論

快速準確計算出GPS衛(wèi)星在WGS-84坐標系下的瞬時位置是GPS定位里很基礎(chǔ)、很重要的問題，由文中描述可知，計算步驟比較繁瑣，需要注意的細節(jié)也很多，牽扯到的符號也很多。從自己對實例的計算經(jīng)歷中來看，我覺得在使用衛(wèi)星計算公式計算衛(wèi)星瞬時坐標的時候特別要注意以下三個問題。

（1）由于每隔兩個小時，GPS接收機收到的廣播星歷才更新一次，所以用戶在根據(jù)接收機收到的衛(wèi)星導(dǎo)航電文匯總的廣播星歷參數(shù)推算GPS的瞬時坐標的時候，一定要選取與GPS衛(wèi)星的瞬時坐標時刻最相近的那組廣播星歷數(shù)據(jù)，否則誤差將會很大。

（2）由于GPS定位系統(tǒng)的高空動態(tài)性， 又因為衛(wèi)星的發(fā)射時刻可唯一表征該時刻GPS衛(wèi)星的坐標，因此應(yīng)先由接收機鐘面時計算出公式中所需的GPS衛(wèi)星發(fā)射時刻的鐘面時。

（3）必須把GPS接收機的觀測歷元換算成GPS秒，方可進行下一步。

參考文獻

[1]張妮，王標標.基于Matlab讀取標準RINEX格式的GPS星歷數(shù)據(jù)[J].電子設(shè)計工程，2010，18（8）：23-25.

[2]王猛，張志偉.利用廣播星歷計算衛(wèi)星的瞬時坐標[J].城市勘測，2010，2：89-90.

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