论文总字数：20589字

摘 要

随着全球卫星导航系统的不断发展，卫星轨道的定位技术受到了广泛的关注，研究GPS的卫星轨道位置计算方法，对于日常教学和科研项目都有着很深远的意义，可以填补教材中关于计算方法的空缺，使学生和科研工作者更好的理解计算推理过程。作为GPS定位原理的重要部分，研究GPS卫星的空间位置是理解其原理必不可缺少的学习内容。本文通过介绍GPS卫星星历及其参数，开普勒运动方程、卫星轨道摄动理论，导航电文和伪距定位等理论，研究了关于利用GPS卫星星历参数计算GPS卫星在空间轨道位置的方法；利用实例，通过matlab编程对GPS卫星位置进行计算。本文中关于对GPS卫星的轨道位置计算的完整推论，可以更好地运用到科研当中去，对于理解GPS测量的原理也有一定的参考价值。

关键词：卫星星历，GPS卫星，GPS定位，星历参数。

Abstract

With the continuous development of global satellite navigation systems, satellite orbit positioning technology has received extensive attention. Studying the GPS satellite orbit position calculation method has far-reaching significance for daily teaching and scientific research projects, and can fill in the textbook about calculation methods. The vacancies of students enable students and scientific researchers to better understand the calculation and reasoning process. As an important part of the principle of GPS positioning, studying the spatial position of GPS satellites is an indispensable learning content to understand its principle. In this paper, by introducing GPS satellite ephemeris and its parameters, Kepler's equation of motion, satellite orbit perturbation theory, navigation message and pseudorange positioning theory, etc., the method of calculating the position of GPS satellite in space orbit using GPS satellite ephemeris parameters ; At the same time, combined with the positioning principle of GPS, appropriate expansion. Through a complete inference on the calculation of the orbital position of GPS satellites, it can be better applied to scientific research and has certain reference value for understanding the principles of GPS measurement.

Key Words：Satellite ephemeris, GPS satellite, GPS positioning, ephemeris parameters

目 录

摘 要 II

Abstract III

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及目的 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究的内容及方法 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 研究方法 4

1.3.3 技术路线 4

第2章 卫星星历及其参数 5

2.1 卫星星历 5

2.2 广播星历参数 5

第3章 GPS卫星的空间轨道位置计算 7

3.1 计算GPS卫星运动的平均角速度n和平近点角M 7

3.2 计算GPS卫星的偏近点角E 7

3.2.1 计算GPS卫星向径r与偏近点角E之间的关系 8

3.2.2 计算偏近点E与平近点M之间的关系 9

3.3 计算GPS卫星的真近点角f 10

3.4 计算GPS卫星的升交角距和卫星向径 10

3.5 计算改正后的摄动项 11

3.6 计算计算卫星在轨道平面中的位置 11

3.7 计算观测瞬间卫星轨道升交点的经度L 12

3.8 计算卫星在地心坐标系中的位置 13

第4章 运用四颗卫星进行定位计算方法 15

4.1 单颗卫星的位置计算实例 15

4.1.1 RINEX格式 15

4.1.2 接收到的卫星星历数据 15

4.2 GPS定位计算拓展 19

4.2.1 伪距定位 19

4.2.2 坐标系转换 20

第5章 结论与展望 22

5.1 结论 22

5.2 展望 22

致谢 23

参考文献 24

第1章 绪论

1.1 研究背景及目的

1.1.1 研究背景

在全球化为背景的现代社会，越来越多的人们意识到了定位导航技术的重要性，它已经渗透到了全球各个地方，无论是航行在大洋中的船舶还是行驶在道路上的汽车，都无一例外的安装了GPS，并且需要GPS为其指引方向。GPS，是由美国研发并且投入使用，在经过了三十多年的运行发展后，目前已成为全球拥有用户最为众多的卫星导航系统。在许多领域都已经被广泛使用，如交通，测绘等。随着越来越多的国家重视太空卫星及其战略意义，不同的全球定位导航系统被研发了出来，例如中国的北斗卫星导航系统，这也代表GPS卫星定位原理将会持续受到人们的关注。

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)必须同时接收到四颗及四颗以上的卫星的位置才能进行准确的定位，因此，确定GPS卫星的轨道位置是至关重要的。但是，在我国的相关教材和文献中，缺少对GPS卫星的轨道位置计算等问题的详细过程推论，不利于学生或科研工作人员理解卫星空间位置和GPS定位原理等理论知识。

目前，中国的交通发达，船舶运输，铁路运输，高速公路运输和航空运输的发展迅速，带来了巨大的运输体量。国内的物流业在互联网的带动下迎来了行业的巅峰，物流业的发展伴随着对运输相关需求的迅速增加，而GPS定位作为交通运输重要的基础，必然会受到更多的关注。企业和政府对相关运输过程中的监控、跟踪以及后续的仓库智能化管理等的要求越来越高，GPS在中国乃至全世界的市场需求也将越来越大。

1.1.2 研究目的及意义

GPS，作为目前已知的拥有全世界最多客户的卫星定位导航系统，在许多领域都已经被广泛使用，如交通，测绘等。学习GPS导航定位原理对高端技术发展和实际应用都有着现实意义；通过GPS卫星星历参数进而确定GPS卫星的轨道位置，是GPS定位一项基本环节，本文对GPS卫星广播星历计算GPS卫星德轨道位置的研究，可以解决文献与教材上对于相关计算公式推导过程不完整的问题。使学生和科研工作者更好的理解计算推理过程，为有关提高GPS卫星的轨道位置精度的研究提供理论支持，对GPS卫星的轨道计算应用的拓展打下基础。

1.2 国内外研究现状

利用GPS的定位技术可以衍生出许多产品，吴建华和周鹏在论文中详细介绍了卫星罗经的原理及应用[^[1]]，众所周知，罗经作为一种导航仪器，被广泛应用与航海上面，具有关国际海事组织的明确规定，为了保障船舶航行和人员安全，船舶必须要有能有效稳定提供航向的航海仪器，例如磁罗经和陀螺罗经。磁罗经的缺点比较显著，就是其精度较为差；相较于磁罗经，陀螺罗经虽然在精度方面比较好，但是其价格较高，所需的稳定时间较为长，这些缺点导致了船舶在操作起来非常不便，这时GPS罗经可以有效的弥补磁罗经和陀螺罗经带来的不便。而其运行的原理则是运用了GPS卫星定位和坐标系的转换等相关理论，将两台GPS接收机分别放置在船舶首尾，并且共同进行GPS相关数据的收集，提取出卫星的相应参数，通过GPS卫星到GPS接收机的距离差值，最终将卫星罗经转换成我们的所需要的航向方位。卫星罗经是在GPS定位的基础上进行的相关应用的拓展，打开了人们的视野。

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