卫星导航系统-第6讲-系统与信号-1-GPS导航电文

卫星导航系统-第6讲-系统与信号-1-GPS导航电文

卫星定位基本思想

如何知道在测量时刻，卫星的准确位置呢？在GS-84坐标系下的位置

GPS卫星星历

预报星历

又叫广播星历，或实时星历，它通过导航电文实时向用户传送，每2小时更新一次。

精密星历

一种后处理星历，它是一些国家或组织为提高GPS定位精度，通过自己建立的卫星跟踪观测站对GPS卫星精密观测后总和计算而来，精密星历每隔15分钟给出一次卫星的位置和时钟误差信息。实际使用时可采用插值法获得任意时刻的卫星位置。

获取卫星位置的方法就是获取卫星的星历；

第一行“*”表示的是年月日时分秒；第二例的123456表示GPS的卫星号，第三四五列表示每一刻卫星在84坐标系下的位置（xyz）；最后一列表示的对应的卫星钟差，单位是微妙（μs）。这是0时0分0秒的所有的卫星的位置。

预报星历可以用于计算卫星的位置，那么它和导航电文之间的关系是什么呢

导航电文的形成和用途

导航电文的形成

当卫星飞越注入站上空的时候，由注入站把信息注入到卫星；这样卫星再向全球进行转发；

导航电文基本的结构

对于页面的话，对于前三个子帧都只有一个页面，后面两个子帧有25个页面；

上节课说了导航电文的频率是50HZ，周期就是0.02s，那么就说明了一个字码里面有30个导航电文bit，那么一个子帧就有300个bit

导航电文发送方式

导航电文在gps卫星中向用户发送数据的时候是怎么发送的呢，下面是发送方式的示意图

在gps的卫星上，每周日的零时开始，不管前一时刻，导航电文发送到了什么状态，都要重发开始发送第一子帧，同时发送第二第三子帧以及第四第五子帧的第一页；发送完成之后，再发送第一、二、三子帧以及第四、五子帧的第二页，说明了1.2.3子帧是在重复发送，经过25次重复之后，这个时候会发送第四、五子帧的第二十五页，我们知道1个子帧持续时间是6s，那么所有导航电文发送完毕的时间为6s * 5 * 25 = 750s=12.5min;发送完成之后，导航电文会重头开始，不停反复地发送；

导航电文的内容

每个子帧的第三到第十个字对应的是数据块；子帧1对应的第一数据块，子帧2，3对应的是第二数据块；子帧4，5对应的是第三数据块；那么预报星历是在子帧2和子帧3里面；

遥测字（TLW）

转换字

1-17位是截短的Z计数，实际的Z计数要更长；

完整Z计数

GPS中完整的Z计数由P码发生器中的X1寄存器产生，共29位，可用于快速捕获P码。

低19位：表示星期时间（Time of week,TOW）,周期为1.5秒，计数范围为0-403199；一星期经过了多少秒，一个星期有多少秒604800秒，

高10位：表示GPS星期数（Week Number，WN），计数范围为0-1023,表示自1980年1月6日零时至当前所经历的星期数，每经历1024个星期产生一次翻转。

转换字中发送的只是完整Z计数的17位，是TOW的截短，作为下一子帧电文开始发送的标志（导航电文的发送是在每周日的零时开始，从第一子帧开始顺序发送，那么第一子帧的第二个字码包含的z计数是从1开始的，那么第二个子帧发送的起始时刻是6s，如果我们知道了上一子帧的z计数，即知道了下一子帧的起始时间，这是非常准确的，这是在卫星上发送的，那么我们可以把卫星发送的时间精确到六秒，这是我们获取伪距，接收距离的重要手段）；

从上面可以获得当前时刻的准确时间；

Z计数的时间间隔为6s（每个子帧发送的时间），而不是1.5s；

第一数据块

卫星时钟改正参数的使用：有一个公式

第二数据块

下面是预报星历参数的列表

上面框起来的是开普勒参数,这是卫星无摄运动必须具备的一些条件；

其他一些参数是由于各种原因导致的轨道的摄动的修正参数；

星历参考时刻是指：我们在导航电文里面，预报星历里面这些参数每一次都有一个具体的数值，而我的卫星轨道是在不断变化的，toe就是说在这个时刻测得的轨道的一些参数值；再经过一段时间这个参数会发生变化，另一方面接收机在计算接收卫星的位置的时候呢，需要这些预报星历的参数，我们在计算卫星位置的时候，卫星已经不再这个星历参考时刻的位置了；所以为什么说我们在计算卫星位置的时候说是外推卫星的位置呢。

第三数据块

完整的GPS导航电文的结果图

常用的导航电文表现形式

接收机独立交换格式，同一的格式，针对不同接收机。

GPS卫星在轨位置计算

通过最基本的卫星在轨运动的三大定律来实现的。

最原始的是卫星的无摄运动，但实际上在轨运动是一种受摄运动，受到各种各样的干扰的影响；计算卫星位置的时候需要进行修正，这些信息在导航电文里面都给 出来了；

计算流程

计算卫星运行的平均角速度；

开普勒参数表示的卫星位置；

轨道摄动修正；

卫星在轨道平面坐标系下的位置；

地心地固坐标系下的位置；

下面是它相信的过程

在这个计算过程里面，最重要的是我们观测时间的处理；

观测时间处理

电文中给出的GPS卫星轨道参数是对应于星历参考时刻toe的，因此，于某时刻t观测卫星，需将观测时间t归化为tk：

tk = t - toe

计算tk时，应注意toe是由每星期历元（星期六/星期日子夜零点）开始计量的。

toe是一个星期时间，单位为s，t是具体的年月日时分秒观测时间，需要将二者时间同一起来 计算；

将t转换从1980年1月6日零时开始，到toe那个星期起点，经过了多少个星期，以及剩下的不足一星期的秒数，然后用这个不足一星期的秒数和toe相减，这是它归化的一个过程。

假设toe的数值非常接近604800，假设为604700,

前面的长竖线是toe，后面的长竖线是t，说明t比较小，那么用t减去toe的话，则是一个负值，而且负得很大，假设t为200（和周日的零时相距200s）；那么t-toe = -604500，而实际上tk的间隔为300，那么它加上604800之后就是300了。

卫星位置变化规律

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