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星历模块：包括根据星历计算卫星的位置、速度和卫星钟差、钟速
根据星历计算电离层、对流层误差改正
作者：王雅仪
时间：2017/5/15
*********************************************************************/
#include "stdafx.h"
#include"solution.h"
#include"struct.h"
#include"matrix.h"
#include"space.h"
/*********************************************************************
calsat
功能：判断该卫星是否有星历、星历是否过期
根据星历计算卫星的位置、速度和钟差信息
输出到对应卫星的结果结构体里
参数：const struct GPSEPHEM *ephem：该卫星对应的星历结构体
const struct GPSTIME *time：时间，卫星在该时间下的结果
int PRN：决定是关于哪颗卫星的结果
struct CALSATPOS satpos：卫星解算结果结构体
返回值：如果解算出了相应卫星的结果，输出该卫星号
*********************************************************************/
int calsat(const struct GPSEPHEM * ephem, const struct GPSTIME * time, int PRN, struct CALSATPOS * satpos)
{
if (PRN > 31)
return -1;
if (ephem->PRN != PRN || PRN == 0) //没有该卫星的星历
return -1;
else
{
//计算卫星在地球地固坐标系中的位置
double N0; //平均角速度
double tk; //输入时间和星历参考时间的差
double N;
double Mk; //平近点角(rad)
double E = 0; //偏近点角
double Ek = 0; //偏近点角
int i = 0;
double Vk; //真近点角(rad)
double Phik; //升交角距(rad)
double Miuk; //经过改正的升交角距(rad)
double rk; //卫星向径(m)
double ik; //经过改正的倾角
double xk; //卫星在轨道坐标系的X坐标
double yk; //卫星在轨道坐标系的Y坐标
double Omegak; //改正后的升交点经度
double Ekdot; //偏近点角的变化速度
double Phikdot; //升交角距的变化速度
double Miukdot; //改进后的升交角距的变化速度
double rkdot; //卫星向径的变化速度
double ikdot; //轨道倾角的变化速度
double Omegakdot; //升交点经度的变化速度
double Rdot[12]; //计算卫星运动速度的转移矩阵
double xkdot; //卫星在轨道坐标系的坐标变化速度
double ykdot; //卫星在轨道坐标系的坐标变化速度
double XYdot[4];
double tc; //输入时间和钟差参考时间的差
double deltaTr; //相对论效应改正
double F;
double deltaTrdot; //相对论效应改正的导数
N0 = sqrt(GM_WGS84 / (ephem->A*ephem->A*ephem->A));
tk = (time->Week - ephem->Week) * 604800 +
(time->SecOfWeek - ephem->Toe);
if (tk > 7200) //判断星历是否过期
return 0;
N = N0 + ephem->deltaN; //对平均运动角速度进行改正(rad/s)
Mk = ephem->M0 + N*tk; //rad
do
{
E = Ek;
Ek = Mk + ephem->ecc*sin(E);
i++;
} while ((fabs(Ek - E) > THRESHOLD) || i < 10); //偏近点角(rad)
Vk = atan2((sqrt(1 - ephem->ecc*ephem->ecc))*sin(Ek),
cos(Ek) - ephem->ecc); //真近点角(rad)
Phik = Vk + ephem->omega; //升交角距(rad)
Miuk = Phik + ephem->cus*sin(2 * Phik) + ephem->cuc*cos(2 * Phik);
rk = ephem->A*(1 - ephem->ecc*cos(Ek)) +
ephem->crs*sin(2 * Phik) + ephem->crc*cos(2 * Phik);
ik = ephem->I0 + ephem->cis*sin(2 * Phik) + ephem->cic*cos(2 * Phik) +
ephem->RofI*tk;
xk = rk*cos(Miuk);
yk = rk*sin(Miuk);
Omegak = ephem->omega0 + (ephem->RofOmega0 - OMEGAedot)*tk -
OMEGAedot*ephem->Toe;
satpos->satXYZ[0] = xk*cos(Omegak) - yk*cos(ik)*sin(Omegak);
satpos->satXYZ[1] = xk*sin(Omegak) + yk*cos(ik)*cos(Omegak);
satpos->satXYZ[2] = yk*sin(ik);
//结束计算卫星在地球地固坐标系中的位置
//计算卫星在地球地固坐标系中的速度
Ekdot = N / (1 - ephem->ecc*cos(Ek));
Phikdot = (sqrt(1 - ephem->ecc*ephem->ecc)*Ekdot) /
(1 - ephem->ecc*cos(Ek));
Miukdot = 2 * (ephem->cus*cos(2 * Phik) - ephem->cuc*sin(2 * Phik))*Phikdot +
Phikdot;
rkdot = ephem->A*ephem->ecc*sin(Ek)*Ekdot +
2 * (ephem->crs*cos(2 * Phik) - ephem->crc*sin(2 * Phik))*Phikdot;
ikdot = ephem->RofI + 2 * (ephem->cis*cos(2 * Phik) - ephem->cic*sin(2 * Phik))*Phikdot;
Omegakdot = ephem->RofOmega0 - OMEGAedot;
Rdot[0] = cos(Omegak);
Rdot[1] = -sin(Omegak)*cos(ik);
Rdot[2] = -(xk*sin(Omegak) + yk*cos(Omegak)*cos(ik));
Rdot[3] = yk*sin(Omegak)*sin(ik);
Rdot[4] = sin(Omegak);
Rdot[5] = cos(Omegak)*cos(ik);
Rdot[6] = xk*cos(Omegak) - yk*sin(Omegak)*cos(ik);
Rdot[7] = yk*cos(Omegak)*sin(ik);
Rdot[8] = 0;
Rdot[9] = sin(ik);
Rdot[10] = 0;
Rdot[11] = yk*cos(ik);
xkdot = rkdot*cos(Miuk) - rk*Miukdot*sin(Miuk);
ykdot = rkdot*sin(Miuk) + rk*Miukdot*cos(Miuk);
XYdot[0] = xkdot;
XYdot[1] = ykdot;
XYdot[2] = Omegakdot;
XYdot[3] = ikdot;
matrix_multiply(3, 4, 4, 1, Rdot, XYdot, satpos->satXYZdot);
//结束计算卫星在地球地固坐标系中的速度
//计算卫星的钟差、钟速
tc = (time->Week - ephem->Week) * 604800 +
(time->SecOfWeek - ephem->Toc);
F = ((-2)*sqrt(1.0*GM_WGS84)) / (C*C);
deltaTr = F*ephem->ecc*sqrt(ephem->A)*sin(Ek);
satpos->satClk = ephem->a0 + ephem->a1*tc +
ephem->a2*tc*tc + deltaTr - ephem->Tgd;
deltaTrdot = F*ephem->ecc*sqrt(ephem->A)*cos(Ek)*Ekdot;
satpos->satClkdot = ephem->a1 + 2 * ephem->a2*tc + deltaTrdot;
//结束计算卫星的钟差、钟速
}
satpos->PRN = PRN;
return PRN;
}
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calsatSA
功能：根据测站和卫星在地球地固坐标系中的XYZ坐标，计算在测站站心坐标系中卫星
的高度角和方位角。
参数：const double staXYZ[3]：测站坐标
const double satXYZ[3]：卫星坐标
double *eleAngle：指向实参高度角的地址，高度角单位为弧度，取值范围-PI~PI
double *azimuth：指向实参方位角的地址，方位角单位为弧度，取值范围为0~2PI
返回值：0，正确解算
*********************************************************************/
int calsatEA(const double staXYZ[3], const double satXYZ[3], double *eleAngle, double *azimuth)
{
double staBLH[3]; //测站的大地经纬度和高程
double Trans[9]; //声明转置矩阵
double satsta[3]; //测站与卫星的连线
double satxyz[3]; //卫星在站心坐标系的坐标
XYZToBLH(staXYZ, staBLH, a_WGS84, e2_WGS84);
staBLH[0]=staBLH[0]*PI/180.0; //将纬度的单位转为弧度rad
staBLH[1]=staBLH[1]*PI/180.0; //将经度的单位转为弧度rad
Trans[0]= -sin(staBLH[0])*cos(staBLH[1]);
Trans[1]= -sin(staBLH[0])*sin(staBLH[1]);
Trans[2]= cos(staBLH[0]);
Trans[3]= -sin(staBLH[1]);
Trans[4]= cos(staBLH[1]);
Trans[5]= 0;
Trans[6]= cos(staBLH[0])*cos(staBLH[1]);
Trans[7]= cos(staBLH[0])*sin(staBLH[1]);
Trans[8]= sin(staBLH[0]);
satsta[0]= satXYZ[0]-staXYZ[0];
satsta[1]= satXYZ[1]-staXYZ[1];
satsta[2]= satXYZ[2]-staXYZ[2];
matrix_multiply(3, 3, 3, 1,Trans, satsta, satxyz);
*eleAngle= asin(satxyz[2]/
(sqrt(satxyz[0]*satxyz[0]+satxyz[1]*satxyz[1]+satxyz[2]*satxyz[2]))); //高度角，rad
*azimuth= atan2(satxyz[1],satxyz[0]); //方位角，rad
if(*azimuth<0)
*azimuth=(*azimuth)+2*PI;
return 0;
}
/*********************************************************************
klobuchar
功能：根据测站的位置以及观测时刻、电离层改正模型结构体
，解算电离层误差
参数：const struct GPSTIME *time：观测时刻
double staXYZ[3]：用户接收机的坐标
double eleAngle：高度角，高度角单位为弧度，取值范围-PI~PI
double azimuth：方位角，方位角单位为弧度，取值范围为0~2PI
struct GPSEPHEM *ephem：某颗卫星的星历
返回值：double 电离层的改正值
*********************************************************************/
double klobuchar(const struct GPSTIME *time, const double staXYZ[3], double eleAngle, double azimuth, const struct IONUTC *ion)
{
double staBLH[3]; //用户接收机的经纬度和高程
double EA; //计算测站和穿刺点的连线与地心的夹角
double IPPLat; //穿刺点的纬度
double IPPLon; //穿刺点的经度
double IPPmagLat; //穿测点的地磁纬度
double IPPmagLon; //穿刺点的地磁经度
double IPPt; //穿刺点的当地时间
double Ai; //电离层延迟的幅值
double Pi; //电离层延迟的周期
double Xi; //电离层延迟的相位
double SF; //计算倾斜因子
double IonDelay; //电离层延迟（秒）
XYZToBLH(staXYZ, staBLH, a_WGS84, e2_WGS84); //经纬度单位为度
staBLH[0]= staBLH[0]/180.0; //将纬度单位转化为半周
staBLH[1]= staBLH[1]/180.0; //将经度单位转化为半周
eleAngle= eleAngle/PI; //高度角单位转化为半周
azimuth= azimuth/PI; //方位角单位转化为半周
EA= (0.0137/(eleAngle+0.11))-0.022; //半周
IPPLat= staBLH[0]+EA*cos(azimuth*PI); //计算穿刺点的纬度
if(IPPLat>0.416)
IPPLat= 0.146;
if(IPPLat<-0.416)
IPPLat=-0.416;
IPPLon= staBLH[1]+EA*sin(azimuth*PI)/cos(IPPLat*PI); //计算穿刺点的经度
IPPmagLat= IPPLat+0.064*cos((IPPLon-1.617)*PI);
IPPt= 43200*IPPLon + time->SecOfWeek;
IPPt = fmod(IPPt, 86400.0);
if(IPPt >= 86400)
IPPt -= 86400;
if(IPPt < 0)
IPPt += 86400;
Ai= ion->a0 + ion->a1*IPPmagLat + ion->a2*IPPmagLat*IPPmagLat
+ ion->a3*IPPmagLat*IPPmagLat*IPPmagLat;
if(Ai<0)
Ai=0;
Pi= ion->b0 + ion->b1*IPPmagLat + ion->b2*IPPmagLat*IPPmagLat
+ ion->b3*IPPmagLat*IPPmagLat*IPPmagLat;
if(Pi<72000)
Pi=72000;
Xi= 2*PI*(IPPt-50400)/Pi;
SF= 1.0+16.0*(0.53-eleAngle)*(0.53-eleAngle)*(0.53-eleAngle);
if(fabs(Xi)<1.57)
IonDelay=(0.000000005+Ai*(1-(Xi*Xi/2.0)+(Xi*Xi*Xi*Xi/24.0)))*SF;
if(fabs(Xi)>=1.57)
IonDelay=0.000000005*SF;
return IonDelay;
}
/*********************************************************************
hopefield
功能：根据测站位置、气象元素、卫星高度角计算对流层误差改正值
参数：const double staXYZ[3]：测站的位置
const double eleAngle：卫星高度角，单位为弧度
返回值：double 对流层的模型改正值
*********************************************************************/
double hopefield(const double staXYZ[3], double eleAngle)
{
double Kd;
double Kw;
double hd;
double hw;
double e;
double T;
double p;
double RH;
double staBLH[3]; //测站的纬度、经度、高程
double TropDelay; //对流层延迟（米）
eleAngle=eleAngle*180/PI; //将高度角单位由弧度转化为度
XYZToBLH(staXYZ, staBLH, a_WGS84, e2_WGS84);
if((1-0.0000226*staBLH[2])<0)
return 0;
else
{
RH= 0.5*exp(-0.0006396*staBLH[2]);
p= 1013.25*pow(1-0.0000226*staBLH[2],5.225);
T= (15+273.16)-0.0065*staBLH[2];
e= RH*exp(-37.2465+0.213166*T-0.000256908*T*T);
hw= 11000;
hd= 40136+148.72*15;
Kw= 155.2*0.0000001*4810*e*(hw-staBLH[2])/(T*T);
Kd= 155.2*0.0000001*p*(hd-staBLH[2])/T;
TropDelay= Kd/sin((sqrt(eleAngle*eleAngle+6.25))*PI/180.0)+
Kw/sin((sqrt(eleAngle*eleAngle+2.25))*PI/180.0);
return TropDelay;
}
}