论文总字数：19960字

摘 要

随着GPS卫星导航系统的功能的不断完善，GPS定位与测向功能逐步得到实现，在卫星罗经诞生后，它的功能可以替代传统的陀螺罗经，还能实现定位-测向双向功能，是非常值得研究的一款仪器。目前卫星罗经主要用于测量船首向，利用卫星测向不仅能应用到船首向测量，还能应用到流向测量中去。

论文主要分析了GPS的定位原理，现有GPS卫星罗经指北原理，同时给出了GPS在航道中测量水流的方案，用详细的图示解析水流向的测量过程，论文通过采用多幅图示，利用轨道参数从定位到指北，再到流向与真北之间的夹角加上文字进行详细分析，展示了利用卫星信号测量水流向的可行性和研究的创新性。

本研究利用GPS轨道参数信息将其拓展为水流参数测定，研究内容主要有：

（1）GPS定位功能介绍，对卫星轨道参数分析并计算轨道坐标系参数，再进行坐标系的转换得到地心坐标系。

（2）GPS卫星罗经功能介绍、GPS卫星罗经指北原理分析，再将参考点全部转换到地平坐标系中参与船首向的计算。

（3）水流方向测量过程分析、水流测量仪的模型的构想，对利用卫星轨道参数测量水流向可行性方面的设想总结。

关键词：GPS定位原理，指北原理，流向测量分析，实际可行性。

Abstract

With the continuous improvement of the function of GPS satellite navigation system, GPS positioning and direction finding functions are gradually realized. After the birth of satellite compass, its function can replace the traditional gyro compass and realize the location-direction finding bidirectional function. It is a very worthy instrument to be studied. At present, the satellite compass is mainly used to measure the heading of ships. The satellite direction finding can be applied not only to the heading measurement, but also to the direction measurement.

Thesis mainly analyzes the GPS positioning principle, existing refers to the principle of GPS satellite compass and GPS is presented in the measurement of the flow in channel, with detailed graphic analysis flow to the measurement process, the paper through the adoption of more graphic, using orbit parameter from positioning to refers to the north, to the flow direction and the Angle between true north and detailed analysis, demonstrates the feasibility of using satellite signal to measure flow and innovative research.

In this study, GPS track parameter information is used to expand it into water flow parameter measurement. The research contents mainly include:

(1) introduction of GPS positioning function. Analyze satellite orbit parameters and calculate orbit coordinate system parameters, and then convert the coordinate system to get geocentric coordinate system.

(2) introduction to the function of GPS satellite compass, analysis of the north principle of GPS satellite compass, and then all the reference points are converted to the horizontal coordinate system to participate in the calculation of ship heading.

(3) water flow direction measurement process analysis, water flow measurement instrument model concept, the use of satellite orbit parameters to measure the feasibility of water flow

Key words: GPS positioning principle, north principle, flow direction measurement analysis, practical feasibility

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 GPS卫星罗经的研究状况 1

1.2.2 水流向测定的方法研究 2

1.3 研究目标、研究内容和拟采取的研究方法及技术路线 2

1.3.1 研究目标 2

1.3.2 研究内容 2

1.3.3 拟采取的研究方法 3

1.3.4 拟采取的技术路线 3

1.4 章节安排 4

第2章 GPS卫星星历表数据解析 5

2.1 星历表数据结构分析 5

2.2 卫星在空间的位置解析 6

2.2.1 卫星在轨道坐标系中的位置 6

2.2.2 卫星在地心直角坐标系中的位置 7

2.2.3 卫星在地理坐标系中的位置 9

2.2.4 卫星在地平坐标系中的位置 11

2.3 卫星星历表数据应用 11

2.3.1 在定位中的应用 12

2.3.2 在指北中的应用 12

2.4 本章小结 12

第3章 基于卫星测向原理测量水流向过程解析 13

3.1 GPS卫星罗经简介 13

3.2 指向原理 16

3.3 水流向测定方法 19

3.4 本章小结 19

第4章 基于卫星信号的航道水流向测量装置设计基本模型的构想 20

4.1 固定式航道水流向测量装置设计 20

4.2 移动式航道水流向测量装置设计 20

4.3 两种装置在使用中的优势与局限性 21

4.4 流向测量装置在实际应用中存在的问题及对策 21

4.5 本章小结 22

第5章 结论与展望 24

5.1 结论 24

5.2 展望 24

致 谢 26

参考文献 27

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

我们手机中的GPS电子地图，汽车里的GPS导航设备，人们通过GPS卫星导航知悉自己所在的位置，GPS的应用遍布在我们生活之中，其应用之广泛，在交通行业里得到了充分体现。尤其是安装在船上的GPS接收机，可以在茫茫大海中精确锁定船舶所在的位置。GPS卫星定位最早在上世纪90年代开始使用，它的基本功能已被全世界的人们肯定。但是智慧的人类并没有就此停下研究的脚步，把它应用在了许多其他的领域中，例如工程测量，地基GPS电离层探测，公路测量等，GPS甚至可以研制出船舶当中的一个重要的仪器---GPS卫星罗经。经过专家们的研究，GPS是可以在利用它定位功能的基础上，我们把它安装在船的首尾线上可以测船舶航向。既然我们能把它安装在船上测船舶航向，那么，把它放在流体中，是不是也可以测水流向呢？水流向是航行条件中一个很重要的参数，影响着船舶受到的流压差。本文旨在研究这样一个新型的想法，使它的原理理解起来更加的简单，直观。最终目的只有一个，那就是希望GPS测水流的应用能通过更多学者不断的试验和尝试，对它实际操作过程中一些环境因素和设计上的指标进行一个量化分析。然后将它与其他测水流的装置进行性价比上的比较，得出它的可行性，希望通过学者们的努力，这样一个方法可以得到航海上的广泛应用，造福于航海，造福于人类！

1.2 国内外研究现状

1.2.1 GPS卫星罗经的研究状况

GPS卫星罗经早在国外已经被开发应用，其价格低，精度毫不逊色于陀螺罗经，而且满足国际海事组织制定的规格上的要求，由于卫星罗经是由两台接收机构成，那么船位，船速，航迹向，船首向都可以被它提供，GPS卫星罗经的诞生可以弥补传统航用罗经应用上的不足之处，具有体积小、精度高、启动快、易安装、免维护、价格低廉、不受磁场分布影响、没有累积误差等优势。国际导航的一直将如何能用低成本确定航向的研究作为热点之一。吴建华，周鹏^[1]在发现卫星罗经优越的优越性的基础上，分析了卫星罗经坐标系之间的转换，陈汝军,孟政,梁超雄,郭苹^[2]着重研究了在实际航行中经纬度坐标的计算，而卫星罗经内部是由它的计算方法，目前部分学者采用的计算方法主要是姿态角算法，王博雄^[3]通过在姿态解算模型的基础上，对它的自主完好性监测算法进行研究；卫星罗经性能的研究正在逐步深入，隋海燕, 李陆勋^[4]对GPS各类误差源做了非常详细的分析；高音^[5]经由过程观察尝试钻研GPS飞行仪，然后对计算结果分析比较，发现采用差分GPS技术, 定位精度比实验中所采取的 GPS定位精度超出跨越一倍以上, 所测量计算的航向精度将会更高, 比现行的GPS罗经精度要高。

1.2.2 水流向测定的方法研究

水流向随时都有可能发生改变，它影响着船舶航行条件，所以测量水流的方向是非常有必要的，在船用GPS 接口接入计程仪，陀螺罗经，可以测流向，但是只能测船舶所在的位置的流向，我们希望得到的是在航道中测量水流向为的是为航行条件提供参考，航道水流向的测量方法多种多样，素雅（化名）^[6]提出传统的表面流速及流向测量方法一般采用经纬仪以前方交会法或全站仪极坐标法进行定位，这种方法的缺点在于其精度不高，实施条件非常的苛刻，而且还需要投入大量的人力物力，容易受环境的影响；海流测量中也用到了海流计^[7]，海流计在运用过程中是需要特殊装置对它进行流向校准的；国外学者认为，对流域进行准确的水文分析流向和流量积累是需要确定的重要流域特征^[8]；在近两年张卫^[10]提出了悬浮物发生器法，是通过水中的悬浮粒子移动速度的大小和方向来确定水流的大小和方向。同时，浮标测量也是一个典型的应用，钮建定，胡建平，赵磊^[11]发现浮标可以随水流漂动，与GPS信号的帮助下通过现代通信，数字信号，计算机网络技术和电子航道绘图等多种技术的综合运用，能诞生高性价比的水流测向装置。

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