论文总字数：15015字

目 录

一 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 本文的研究内容 1

二 GPS的坐标系统 2

2.1 天球坐标系 2

2.1.1 瞬时真天球坐标系 3

2.1.2 瞬时平天球坐标系 3

2.1.3协议天球坐标系 3

2.1.4 三种天球坐标系的转换 3

2.2 地球坐标系 5

2.2.1 瞬时地球坐标系 5

2.2.2 协议地球坐标系 5

2.2.3 两种地球坐标系的转换 5

2.3 瞬时真天球坐标系与瞬时地球坐标系的转换 5

三 GPS的时间系统 7

3.1 世界时系统 7

3.1.1 恒星时 7

3.1.2 太阳时 7

3.1.3 世界时 7

3.2 原子时系统 8

3.3 协调世界时系统 8

3.4 GPS时间系统 8

3.5 动力学时系统 9

四 卫星运动及其求解 10

4.1开普勒第一定律 10

4.2开普勒第二定律 10

4.3 开普勒第三定律 10

4.5 真近点角 11

4.6 卫星的瞬时位置 11

4.6.1 在轨道直角坐标系中卫星的位置 12

4.6.2 在天球坐标系中卫星的位置 12

五 GPS卫星MATLAB仿真 14

5.1 MATLAB语言 14

5.2 系统的组成 14

5.2.1 地球的绘制 14

5.2.2 卫星轨道的绘制 15

5.2.3 卫星的动态仿真 16

5.2.4 GPS卫星轨道界面设计 17

5.2.5 用户可见卫星的模拟 18

六 结 论 20

致谢 21

参考文献 22

GPS轨道及用户可见卫星可视化研究

桑伟伟

, China

Abstract：The simulation of satellite navigation systems space segment is an important technical means to verify the performance of the system which ensures the construction of the satellite navigation system when the satellite is not in orbit , that also helps students better understand the principles of the satellite navigation system space in the satellite navigation technology teaching,. the GPS system is the research object of this paper, it analyses the basic concepts and basic theory of satellite navigation systems in the space segment, designs and implements the simulation software of satellite navigation system that can display GPS system space satellite and user visible satellite number.

Key words：GPS satellite ; satellite orbit ; Satellite movement; MATLAB simulation

一 绪论

1.1 研究背景及意义

美国GPS ，在20世纪60年代后期由美国国防部开始设计，这是美国军方研制控制的新一代卫星定位系统 ^[1]。GPS拥有卫星数目多、分布均匀、全天候连续作业、定位精度高、观测时间短、作业效率高等优点 ^[2]。

GPS研究中GPS的轨道研究是其中的一个很重要的内容，GPS实现卫星的导航定位依据的原理就是用户接收GPS数据，计算出卫星的三维位置，接收机再用卫星到用户的距离从而计算出自己的位置，所以，可以看的出来精确的卫星的轨道信息对定位系统十分的重要。

卫星轨道进行的仿真，模拟卫星在空间段的运行状态和用户的可见卫星，对于卫星地面部分的建设和对卫星的定位方法的很好的检验，并且可以得出一些在实际的观测中很难得出的结论，对于减少研究成本方面有很大的意义，另外对于教学中的学习卫星轨道知识和运动和定位的原理有很大的推动作用。

1.2 本文的研究内容

本文主要从下面的方面来进行介绍：

①绪论部分。讲述本课题的依据研究意义和主要内容。

②GPS的坐标系统。介绍卫星在高空运行时所需要用的坐标系统，并且说明它们之间的相互转化。

③GSP的时间系统。卫星运行的时间系统，并介绍了它们的相互关系。

④卫星运动及其求解。阐述卫星做无摄运动的基本原理，对卫星位置进行解算的方法进行了讲解。

⑤GPS卫星MATLAB仿真。分析了仿真系统的各个成部分和实现的功能，对其中的一些关键要素进行了介绍。

⑥结论。总结了论文过程中的问题，和其中的解决办法。

二 GPS的坐标系统

在GPS测量中，需要两个坐标系统，其中一个是地球坐标系，它的作用是量算测站的位置。还有一个就是叫做天球坐标系，它的作用是用来测量卫星的位置。下面就两种坐标系进行简单的说明^[3]。

2.1 天球坐标系

天球的定义：我们假想的中心在地球的质心，且半径是无穷大的球。^[3]在进行仿真之前，我们需要介绍一下天球坐标系统中的相关概念^[3]。

①天轴和天极：天轴是地球自转轴的延长线，并且能够与地球相交，这个交点就是天极，其中地球南部的叫做南天极，北部的叫做被天极，由于受到外力的影响，天极的位置并不是保持不变的，而是随着外力的变化而变化的。

②天球赤道：通过地球质心并与天轴垂直的平面与地球表面的交线。

③天球的子午面：包含天轴并通过天球面上任意一点的平面。

④时圈：同时经过天球的表面和天轴表面的半圆。

⑤黄道：地球公转的轨道平面和天球表面相交的大圆，黄道平面与天球赤道平面的夹角叫做黄赤交角。

⑥春分点：指太阳由南向北运动的时候，所经过的天球黄道和天球赤道的交点。春分点和天球赤道面是建立天球坐标系的基准点和基准面。

图 2-1 天球

⑦岁差和章动：岁差是以北天极设为圆心，黄赤交角为半径的圆。章动是真北天极绕平北天极椭圆运动。

图2-2 岁差和章动

2.1.1 瞬时真天球坐标系

瞬时真天球坐标系是在考虑岁差和章动的影响下的动态坐标系统，它的原点在地球的质心，坐标轴XY分别指向春分点和真北天极^[4]。

2.1.2 瞬时平天球坐标系

瞬时平天球坐标系只是受到岁差的影响的坐标系，原点在地球的质心，坐标轴指向春分点和真北天极。

2.1.3协议天球坐标系

协议天球坐标系是规定的在已知时刻的平天球坐标系。

2.1.4 三种天球坐标系的转换

以上三种坐标系的有一个共同点就是它们的中心都是地球的质心，瞬时真天球坐标系和平天球坐标系的区别主要是有无岁差，而协议天球坐标系上述的两种影响都是没有的^[5]。

①协议天球坐标系与瞬时平天球坐标系的转化

将时刻的协议天球旋转到时刻的平天球，先要绕Z转，再绕Y转，最后绕Z转，具体的公式见下：

(2-1)

(2-2)

其中：

（2-3）

（2-4）

（2-5）

②瞬时平天球坐标系与瞬时真天球坐标系的转换

这部分旋转由三部分完成，公式如下^[5]：

（2-6）

（2-7）

（2-8）

（2-9）

③协议天球坐标系到瞬时平天球坐标系的转换

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