卫星导航定位算法与程序设计实验报告.doc

.-2013 级测绘工程专业卫星导航定位算法与程序设计实验报告实验名称： 卫星导航基本程序设计 班 级： 学 号： 姓 名： 实验时间： 2016年6月28日2016年6月30 中 国 矿 业 大 学目录实验一 时空基准转换2一、实验目的2二、实验内容2三、实验过程2四、实验感想6实验二 RINEX文件读写7一、实验目的7二、实验内容7三、实验过程7实验三 卫星轨道计算12一、实验目的12二、实验内容12三、实验过程12四、实验感想15实验一 时空基准转换一、实验目的1、加深对时空系统及其之间转换关系的理解2、掌握常用时空基准之间的转换模型与软件实现3、每人独立完成实验规定的内容二、实验内容本实验内容包括：内容一：编程实现GPS起点1980年1月6日0时对应的儒略日内容二：编程实现2011年11月27日对应的GPS周数与一周内的秒数内容三：在WGS84椭球的条件下，编程实现当中央子午线为117度时，计算高斯坐标x = 3548910.811290287, y = 179854.6172135982 对应的经纬度坐标？内容四：WGS84椭球下，表面x=-2408000; y=4698000;z= 3566000处的地平坐标系坐标为: e=704.8615;n=114.8683;u=751.9771的点对应的直角坐标为多少？三、实验过程1.针对第一、二部分内容：1.1解决思路：先建立” TimeStruct.h”的头文件，将格里高利历、GPS时间结构、儒略日时间结构共结构体的方式放在里面；在建立“TimeTr”的头文件，建立类“CTimeTr”，创建变量“GPSTime”、“Time”、”JulDay”，并且申明函数“TIME2JUL”、“TIME2GTIME”等，用这些函数分别实现所需要的转换。1.2具体的实现函数：“TIME2JUL”函数：double CTimeTr:TIME2JUL()/TIME Time,JULIANDAY &JulDaydouble m,y;double D;/h =Time.byHour+Time.byMinute/60.0+Time.dSecond/3600.00;if(Time.byMonth<=2)y=Time.wYear-1;m=Time.byMonth+12;elsey=Time.wYear;m=Time.byMonth;D=floor(365.25*(y+4716)+floor(30.6001*(m+1)+Time.byDay+Time.byHour/24.0-1537.5;JulDay.lDay = int(D);JulDay.lSecond = D-int(JulDay.lDay);return 0;“TIME2GTIME”：void CTimeTr:TIME2GTIME()double JD;long m,y;int WN;double Wsecend;/UT=Time.byHour+Time.byMinute/60.0+Time.dSecond/3600.00;if(Time.byMonth<=2)y=Time.wYear-1;m=Time.byMonth+12;elsey=Time.wYear;m=Time.byMonth;JD=int(365.25*y)+int(30.6001*(m+1)+Time.byDay+Time.byHour/24.0+1720981.5;WN = floor(JD-2444244.5)/7.0);GpsTime.lWeek=WN;Wsecend=(JD-2444244.5-7*WN)*604800;GpsTime.lSecond=Wsecend;1.3实验结果：2 针对第三部分内容：2.1解决思路：运用实验指导书中提供的matlab高斯反算的代码，进行解算；将高斯反算的公式直接输成matlab代码，绕后在函数“function B,L = gauss_fansuan（x,y,L0）”中，将坐标x = 3548910.811290287，y = 179854.6172135982，L0 = 117，带入函数的坐边，即可得到所需要的经纬度。2.2主要函数的代码： function B,L=gauss_fansuan(x,y,L0)a=6378137;f=1/298.257223563;b=a-a*f;c=a2/b;e=sqrt(a2-b2)/a; e1=sqrt(a2-b2)/b;Beta0=1-(3/4)*e12+(45/64)*e14-(175/256)*e16+(11025/16384)*e18;Beta2=Beta0-1;Beta4=(15/32)*e14-(175/384)*e16+(3675/8192)*e18;Beta6=-(35/96)*e16+(735/2048)*e18;Beta8=(315/1024)*e18;B0=x/(c*Beta0);aa0=(a*cos(B0)/sqrt(1-e2*sin(B0)2);l0=y/aa0;N=a*sqrt(1-e2*sin(B0)2);t=tan(B0);in=e1*cos(B0);a1=N*cos(B0);a2=(1/2)*N*sin(B0)*cos(B0);a3=(1/6)*N*cos(B0)3*(1-t2+in2);a4=(1/24)*N*sin(B0)*cos(B0)3*(5-t2+9*in2+4*in4);a5=(1/120)*N*cos(B0)5*(5-18*t2+t4+14*in2-58*in2*t2);a6=(1/720)*N*sin(B0)*cos(B0)5*(61-58*t2+t4);F_xB=(c*Beta2+(c*Beta4+(c*Beta6+c*Beta8*cos(B0)2)*cos(B0)2)*cos(B0)2)*sin(B0)*cos(B0); F_xBl=a2*l02+a4*l04+a6*l06;F_yBl=a3*l03+a5*l05;B1=(x-F_xB-F_xBl)/(c*Beta0);aa1=(a*cos(B1)/sqrt(1-e2*(sin(B1)2);l1=(y-F_yBl)/aa1;while abs(B1-B0)>=0.0001 && abs(l1-l0)>=0.0001 B0=B1; aa0=aa1; l0=l1; F_xB=(c*Beta2+(c*Beta4+(c*Beta6+c*Beta8*cos(B0)2)*cos(B0)2)*cos(B0)2)*sin(B0)*cos(B0); F_xBl=a2*l02+a4*l04+a6*l06; F_yBl=a3*l03+a5*l05; B1=(x-F_xB-F_xBl)/(c*Beta0); aa1=(a*cos(B1)/sqrt(1-e2*(sin(B1)2); l1=(y-F_yBl)/aa1;endL=rad2deg(l1)+L0;B=rad2deg(B1);2.3实验结果四、实验感想本次试验是花时间较多的一次实验，关于时间转换的部分全部都是自己动手将matlab代码写成“C+”的类，进行实现的。其中遇到的较大的困难是儒略日向UTC转换的部分，这部分的函数步骤较多，关键是在一开始的时间结构里面，各时间各部分的数据类型大多定义的是“int”型的，但是在进行计算的时候有较多的小数，需要用到浮点型的函数，这部分用了较多的时间。在做这个实验的时候，第一天花了时间主要是转换代码，使程序没有错误，能够正常的运行出来，出现黑框框，但是还只有个别功能能够用，能够运行出正确的结果；第二天时间主要是花在修改函数上头，能够使所写的功能都能运行出正确的结果。通过做时间转换的实验，使自己产生了第一次亲自编写“C+”代码的经历，而且所有错误的解决全部都是自己解决，收获不少。实验二 RINEX文件读写一、实验目的1、深入了解RINEX文件格式2、进一步提高MATLAB程序设计能力3、掌握N文件、O文件、SP3文件的基本读写技巧二、实验内容本实验内容包括：1、任选IGS站，下载N文件、O文件与SP3文件；2、编程实现N文件读入，并采用中文标注出主要参数的名称及作用；4、 编程实现O文件读入，并采用中文标注出主要参数的名称及作用；5、编程实现SP3文件读入，并采用中文标注出主要参数的名称及作用；三、实验过程1、针对第一部分内容：编程实现N文件读入，并采用中文标注出主要参数的名称及作用1.1、解决思路：按照“GPSeasy”开源代码提供的函数，按照实验要求读取了N文件的内容，先用“rinexe”函数，将N文件读取成“eph.dat”文件，然后再用“get_eph”函数将“eph.dat”文件读取成“Eph”矩阵，此矩阵中包含了N文件中的数据，在最后用“fprintf”函数将所需要的数据输出成”.TXT”文件即可。1.2、主要函数代码:“get_eph”函数：function eph = get_eph(ephemeridesfile)fide = fopen(ephemeridesfile);eph, count = fread(fide, Inf, double);noeph = count/22;eph = reshape(eph, 22, noeph);“rinexe”函数（部分）：function rinexe(ephemerisfile, outputfile)fide = fopen(ephemerisfile);head_lines = 0;while 1 head_lines = head_lines+1; line = fgetl(fide); answer = findstr(line,END OF HEADER); if isempty(answer), break; end;end;head_lines主函数中输出结果得函数部分： af0=data(19);%卫星中差 M0=data(3); roota=data(4); deltan=data(5); ecc=data(6); omega=data(7); cuc=data(8); cus=data(9); crc=data(10); crs=data(11); i0=data(12); idot=data(13); toe=data(18); af1=data(20);%对所要输出的参数赋值 fprintf(fid,n卫星编号：%dn卫星钟差：%dn平近点角距：%dn轨道长半轴的平方根：%dn平均运动修正量：%dn轨道偏心率：%dn近地点角距：%dn纬度幅角的余弦调和项改正的振幅,prn,af0,M0,roota,deltan,ecc,omega,cuc);fprintf(fid,纬度幅角的正弦调和项改正的振幅：%dn轨道半径的余弦调和项改正的振幅：%dn轨道半径的正弦调和项改正的振幅：%dn轨道倾角：%dn轨道倾角变化率：%dn星历参考时刻：%dn,cus,crc,crs,i0,idot,toe)fclose(fid);1.3、输出结果2、针对第二部分内容：编程实现O文件读入，并采用中文标注出主要参数的名称及作用；2.1、实现思路：通过matlab的函数“fopen”读取O文件，得到O文件的指针，通过“anheader”函数将文件中的接收机大致位置” approx_XYZ1”，天线的偏移值” ant_delta1”，观测值类型“Obs_types1”等读入成为matlab的矩阵，然后通过循环，利用“grabdata”函数将所需要的历元的观测文件依次输出来，最后通过“fprintf”函数，将所需要的数据依次打印出来。2.2、主要函数：“anheader”函数：function Obs_types, ant_delta,ifound_types,approx_XYZ = anheader(file)fid = fopen(file,rt);eof = 0;ifound_types = 0;Obs_types = ;ant_delta = ;approx_XYZ = ;while 1 % Gobbling the header line = fgetl(fid); answer = findstr(line,END OF HEADER); if isempty(answer), break; end; if (line = -1), eof = 1; break; end; answer = findstr(line,ANTENNA: DELTA H/E/N); if isempty(answer) for k = 1:3 delta, line = strtok(line); del = str2num(delta); ant_delta = ant_delta del; end; end answer = findstr(line,APPROX POSITION XYZ); if isempty(answer) for k = 1:3 app_XYZ, line = strtok(line); del = str2num(app_XYZ); approx_XYZ = approx_XYZ del; end; end answer = findstr(line,# / TYPES OF OBSERV); if isempty(answer) NObs, line = strtok(line); NoObs = str2num(NObs); for k = 1:NoObs ot, line = strtok(line); Obs_types = Obs_types ot; end; ifound_types = 1; end;end;%fclose(fid);“grabdata”函数：function Obs = grabdata(fid, NoSv, NoObs)%GRABDATA Positioned in a RINEX file at a selected epoch% reads observations of NoSv satellitesglobal linObs = zeros(NoSv, NoObs);if NoObs <= 5 % This will typical be Turbo SII data for u = 1:NoSv lin = fgetl(fid); for k = 1:NoObs Obs(u,k) = str2num(lin(2+16*(k-1):16*k-2); end endelse % This will typical be Z12 data Obs = Obs(:,1 2 3 4 5); % We cancel the last two columns 6 and 7 NoObs = 5; for u = 1:NoSv lin = fgetl(fid); lin_doppler = fgetl(fid); for k = 1:NoObs %-1 if isempty(str2num(lin(1+16*(k-1):16*k-2) = 1, Obs(u,k) = nan; else % Obs(u,k) = str2num(lin(1+16*(k-1):16*k-2); end % Obs(u,NoObs) = str2num(lin(65:78); endendend2.3实验结果四、实验感想这部分实验是我在之前做的，之前自己有看过“gps_easy”有关的代码，看过相关的“N文件”“O文件”读写函数，并且学会了如何调用这些函数，对里面的输出量有了一点的了解，所以我自己的主要工作就是运用了“fprintf”函数，将读取到matlab中的矩阵写入TXT文档中，这部分工作量不是很大，但较有意义。实验三 卫星轨道计算一、实验目的1、进一步熟悉N文件的读入2、掌握开普勒参数计算卫星轨道的过程3、编程实现采用广播星历计算卫星轨道4、掌握MATLAB函数调用步骤二、实验内容本实验内容包括：1、调试时间转换函数，熟悉内容，备主函数调用2、调试广播星历导航文件的读入程序，备主函数调用3、根据卫星位置计算公式编写主函数，同时调用时间转换、星历读取等的子函数来共同完成卫星位置的计算，最后输出计算结果4、理清程序各模块的功能结构三、实验过程1、实验思路：在老师提供的“SPP”文件中，直接利用卫星位置计算函数，进行卫星位置的计算，将利用“Gps.cpp”文件中的” GetGpsPosition”函数，利用其中的迭代求解卫星位置部分，用“cout”直接将卫星迭代后的位置直接输出，因为星历文件中有较多的星历，所以利用循环语句，将求解出来的卫星位置依次输出出来。2、主要函数bool CGps:GetGpsPosition()GPSTIME ts;GPSTIME tr;GPSTIME ts0;GPSTIME oGTime;GPSTIME nGTOC;vector<GpsSendPosition>SendSignPosition;GpsPos GpsPTemp;GpsSendPosition SdSignPoTemp;int nTheFitPoint=0;Position pTemp;GpsPosition.clear();if (oData.size()=0)strErr = ("PRN=%d没有对应星历");return false;if (nData.size()=0)return false;cout<<fixed;for (int i=0;i<oData.size();i+)double *VX=new double4;/for (int j=0;j<oDatai.ObserveInfo.ObserveSatSum;j+)/TimeToGpsTime(oDatai.ObserveInfo.ObserveTime,oGTime);tr=oGTime;/FindTheBestFitTime(oDatai.ObserveInfo.ObserveTime,oDatai.oObserveDataj.PRN,nTheFitPoint);if (nTheFitPoint=-1)/string juge;/juge.("PRN=%d没?有D对?应|星?历",oDatai.oObserveDataj.PRN);/AfxMessageBox(juge);continue;ts.lWeek=tr.lWeek;ts0.lWeek=tr.lWeek;/ts.lSecond=tr.lSecond-0.075;do ts0.lSecond=ts.lSecond;SatellitePosition(nDatanTheFitPoint,ts0,pTemp);ts.lSecond=tr.lSecond-sqrt(pow(pTemp.XX-x0),2)+pow(pTemp.YY-y0),2)+pow(pTemp.ZZ-z0),2)/c; while(fabs(ts0.lSecond-ts.lSecond)>1e-007);/earthrot(tr.lSecond-ts.lSecond,pTemp.XX,pTemp.YY,pTemp.ZZ);TimeToGpsTime(nDatanTheFitPoint.TOC,nGTOC);/SdSignPoTemp.dt=nDatanTheFitPoint.dClkBias+nDatanTheFitPoint.dClkDrift*(ts.lSecond-nGTOC.lSecond)+nDatanTheFitPoint.dClkDriftRate*pow(ts.lSecond-nGTOC.lSecond),2);/SdSignPoTemp.PRN=oDatai.oObserveDataj.PRN;SdSignPoTemp.XX=pTemp.XX;SdSignPoTemp.YY=pTemp.YY;SdSignPoTemp.ZZ=pTemp.ZZ;SdSignPoTemp.SendTime.lWeek=oGTime.lWeek;SdSignPoTemp.SendTime.lSecond=ts.lSecond;SdSignPoTemp.CA=oDatai.oObserveDataj.dC1;if(i<10)cout<<i+1<<" "<<SdSignPoTemp.PRN<<" "<<SdSignPoTemp.XX<<" "<<SdSignPoTemp.YY<<" "<<SdSignPoTemp.ZZ<<" "<<SdSignPoTemp.SendTime.lWeek<<" "<<SdSignPoTemp.SendTime.lSecond<<endl;/SendSignPosition.push_back(SdSignPoTemp);return true;3、实验结果四、实验感想计算卫星位置的这部分“C+”代码比较综合，读代码的难度较大，它综合了前面的“C+”O文件读取，N文件读取，然后后面的计算代码较为复杂，需要对卫星轨道计算的公式了解全面，因此对这部分实验，是在老师和同学的帮助下完成的，直接在轨道计算的函数下加入了输出函数，将计算的轨道数据直接输出出来。通过这部分实验是我加深了对卫星轨道计算公式的了解，以及以后面对复杂的公式应该如何应对。