计算卫星高度角、方位角
创始人
2024-03-20 09:04:26

    最小二乘定权、电离层对流层改正,都需要卫星的高度角、方位角。本章将介绍求解完卫星的地固坐标系的位置后,如何求解卫星的高度角、方位角。

    卫星位置求解请参考之前的博客:卫星位置解算原理与程序设计

参考书籍:黄丁发,熊永良,周乐韬等,GPS卫星导航定位技术与方法,科学出版社。

目录

公式原理

程序设计(C语言)


公式原理

    站心坐标系也称NEU坐标系或东北高坐标系,在地球上任一点观测卫星时,最直观和最方便的办法是知道卫星所在的瞬时位置的方位和仰角。因此,需将卫星的地固坐标系转化成站心坐标系。 

    站心直角坐标系是以测站为坐标原点的左手坐标系,其N轴指向过该测站的子午线,北向为正;U轴重合与该点上WGS84椭球法线,向外为正;E轴位于该点的切平面,东向为正,如下图所示: 

站心直角坐标系

     站心坐标系常用极坐标表示(方位角A、高度角h、向径r),如下图所示:

站心极坐标系
​​​​

    建立以已知测站点\left ( X_{r} ,Y_{r},Z_{r}\right )为原点的站心直角坐标系,则卫星在该坐标系的坐标为:

式中:X_{s}为卫星在地固系中的坐标向量;X_{r}为测站在地固坐标系中的坐标向量;X_{L}为卫星在站心坐标系中的坐标向量;R为旋转矩阵,即: 

 式中:B,L为测站的大地维度和大地精度。

    卫星从站心直角坐标系转换到站心极坐标系的公式为:

式中:r为卫星向径,A为卫星方位角,h为卫星的高度角

    卫星从站心极坐标系转到站心直角坐标系的公式为:

程序设计(C语言)

根据上述公式,求解卫星的站心极坐标需要8个参数:卫星地固坐标系xyz,测站地固坐标系xyz,以及测站经纬度BL(B表示维度,L表示经度)。

#define PI 3.141592653589793//计算卫星高度角(弧度)
RAH satrah(double Xr, double Yr, double Zr, double Xs, double Ys, double Zs, double Lr, double Br)
{RAH rah = { 0 };int i;double** R, ** X, ** res;R = (double**)malloc(sizeof(double*) * 3);X = (double**)malloc(sizeof(double*) * 3);res = (double**)malloc(sizeof(double*) * 3);if (R){for (i = 0; i < 3; i++){R[i] = (double*)malloc(sizeof(double) * 3);X[i] = (double*)malloc(sizeof(double) * 1);res[i] = (double*)malloc(sizeof(double) * 3);}}//构建旋转矩阵RR[0][0] = -sin(Lr);R[0][1] = cos(Lr);R[0][2] = 0;R[1][0] = -sin(Br) * cos(Lr);R[1][1] = -sin(Br) * sin(Lr);R[1][2] = cos(Br);R[2][0] = cos(Br) * cos(Lr);R[2][1] = cos(Br) * sin(Lr);R[2][2] = sin(Br);//构建X向量X[0][0] = Xs - Xr;X[1][0] = Ys - Yr;X[2][0] = Zs - Zr;res = Matrix_Mul(R, X);rah.h = atan2(res[2][0],sqrt(pow(res[0][0], 2) + pow(res[1][0], 2)));if (rah.h < 0)rah.h += PI / 2;rah.A = atan2(res[1][0], res[0][0]);if (rah.A < 0)rah.A += 2*PI;if (rah.A > 2 * PI)rah.A -= 2*PI;rah.r = sqrt(pow(res[0][0], 2) + pow(res[1][0], 2) + pow(res[2][0], 2));free(R);free(X);free(res);return rah;
}

1)RAH为用于传参的结构体,代码如下:

//卫星极坐标函数传参
typedef struct RAH
{double r;double A;double h;
}RAH;

2)Matrix_Mul为自行编写的矩阵乘法函数,具体代码请见C语言矩阵乘法

3)atan2为四象限反正切函数(atan,atan2并不相同),三角函数单位均为弧度

4)高度角h范围在0~90°;若高度角h<0,h=h+pi

5)方位角A范围在0~360°;若A<0,A=A+2pi;若A>2pi,A=A-2pi

6)务必释放内存!

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