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