衛星導航系統-第6講-系統與信號-1-GPS導航電文


衛星定位基本思想

如何知道在測量時刻,衛星的准確位置呢?在GS-84坐標系下的位置

 

GPS衛星星歷

預報星歷

又叫廣播星歷,或實時星歷,它通過導航電文實時向用戶傳送,每2小時更新一次

精密星歷

一種后處理星歷,它是一些國家或組織為提高GPS定位精度,通過自己建立的衛星跟蹤觀測站對GPS衛星精密觀測后總和計算而來,精密星歷每隔15分鍾給出一次衛星的位置和時鍾誤差信息。實際使用時可采用插值法獲得任意時刻的衛星位置。

 獲取衛星位置的方法就是獲取衛星的星歷;

 第一行“*”表示的是年月日時分秒;第二例的123456表示GPS的衛星號,第三四五列表示每一刻衛星在84坐標系下的位置(xyz);最后一列表示的對應的衛星鍾差,單位是微妙(μs)。這是0時0分0秒的所有的衛星的位置。

 預報星歷可以用於計算衛星的位置,那么它和導航電文之間的關系是什么呢

 導航電文的形成和用途

 導航電文的形成

 當衛星飛越注入站上空的時候,由注入站把信息注入到衛星;這樣衛星再向全球進行轉發;

導航電文基本的結構

 

對於頁面的話,對於前三個子幀都只有一個頁面,后面兩個子幀有25個頁面;

上節課說了導航電文的頻率是50HZ,周期就是0.02s,那么就說明了一個字碼里面有30個導航電文bit,那么一個子幀就有300個bit

導航電文發送方式

導航電文在gps衛星中向用戶發送數據的時候是怎么發送的呢,下面是發送方式的示意圖

 在gps的衛星上,每周日的零時開始,不管前一時刻,導航電文發送到了什么狀態,都要重發開始發送第一子幀,同時發送第二第三子幀以及第四第五子幀的第一頁;發送完成之后,再發送第一、二、三子幀以及第四、五子幀的第二頁,說明了1.2.3子幀是在重復發送,經過25次重復之后,這個時候會發送第四、五子幀的第二十五頁,我們知道1個子幀持續時間是6s,那么所有導航電文發送完畢的時間為6s * 5 * 25 = 750s=12.5min;發送完成之后,導航電文會重頭開始,不停反復地發送;

導航電文的內容

 每個子幀的第三到第十個字對應的是數據塊;子幀1對應的第一數據塊,子幀2,3對應的是第二數據塊;子幀4,5對應的是第三數據塊;那么預報星歷是在子幀2和子幀3里面;

遙測字(TLW)

 轉換字

 1-17位是截短的Z計數,實際的Z計數要更長;

完整Z計數

GPS中完整的Z計數由P碼發生器中的X1寄存器產生,共29位,可用於快速捕獲P碼。

低19位:表示星期時間(Time of week,TOW),周期為1.5秒,計數范圍為0-403199;一星期經過了多少秒,一個星期有多少秒604800秒,

高10位:表示GPS星期數(Week Number,WN),計數范圍為0-1023,表示自1980年1月6日零時至當前所經歷的星期數,每經歷1024個星期產生一次翻轉。

轉換字中發送的只是完整Z計數的17位,是TOW的截短,作為下一子幀電文開始發送的標志(導航電文的發送是在每周日的零時開始,從第一子幀開始順序發送,那么第一子幀的第二個字碼包含的z計數是從1開始的,那么第二個子幀發送的起始時刻是6s,如果我們知道了上一子幀的z計數,即知道了下一子幀的起始時間,這是非常准確的,這是在衛星上發送的,那么我們可以把衛星發送的時間精確到六秒,這是我們獲取偽距,接收距離的重要手段)

從上面可以獲得當前時刻的准確時間;

Z計數的時間間隔為6s(每個子幀發送的時間),而不是1.5s;

第一數據塊

 衛星時鍾改正參數的使用:有一個公式

 第二數據塊

下面是預報星歷參數的列表

 上面框起來的是開普勒參數,這是衛星無攝運動必須具備的一些條件;

其他一些參數是由於各種原因導致的軌道的攝動的修正參數;

星歷參考時刻是指:我們在導航電文里面,預報星歷里面這些參數每一次都有一個具體的數值,而我的衛星軌道是在不斷變化的,toe就是說在這個時刻測得的軌道的一些參數值;再經過一段時間這個參數會發生變化,另一方面接收機在計算接收衛星的位置的時候呢,需要這些預報星歷的參數,我們在計算衛星位置的時候,衛星已經不再這個星歷參考時刻的位置了;所以為什么說我們在計算衛星位置的時候說是外推衛星的位置呢。

第三數據塊

 完整的GPS導航電文的結果圖

 常用的導航電文表現形式

 接收機獨立交換格式,同一的格式,針對不同接收機。

 GPS衛星在軌位置計算

通過最基本的衛星在軌運動的三大定律來實現的。

最原始的是衛星的無攝運動,但實際上在軌運動是一種受攝運動,受到各種各樣的干擾的影響;計算衛星位置的時候需要進行修正,這些信息在導航電文里面都給 出來了;

計算流程

計算衛星運行的平均角速度;

開普勒參數表示的衛星位置;

軌道攝動修正;

衛星在軌道平面坐標系下的位置;

地心地固坐標系下的位置;

 下面是它相信的過程

 

 

在這個計算過程里面,最重要的是我們觀測時間的處理;

觀測時間處理

電文中給出的GPS衛星軌道參數是對應於星歷參考時刻toe的,因此,於某時刻t觀測衛星,需將觀測時間t歸化為tk:

tk = t - toe

計算tk時,應注意toe是由每星期歷元(星期六/星期日子夜零點)開始計量的。

 

toe是一個星期時間,單位為s,t是具體的年月日時分秒觀測時間,需要將二者時間同一起來 計算;

將t轉換從1980年1月6日零時開始,到toe那個星期起點,經過了多少個星期,以及剩下的不足一星期的秒數,然后用這個不足一星期的秒數和toe相減,這是它歸化的一個過程。

假設toe的數值非常接近604800,假設為604700,

前面的長豎線是toe,后面的長豎線是t,說明t比較小,那么用t減去toe的話,則是一個負值,而且負得很大,假設t為200(和周日的零時相距200s);那么t-toe = -604500,而實際上tk的間隔為300,那么它加上604800之后就是300了。

 衛星位置變化規律

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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