1、GPS理论与应用（ 8. 导航电文及卫星位置求解 ）刘瑞华中国民航大学 电子信息工程学院GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 授课内容n 1.导航电文及其格式n 2.导航电文内容n 3.GPS星历参数详解n 4.卫星 ECEF参数计算 GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 1.导航电文及其格式n 导航电文 是包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由 C/A码捕获 P码等导航信息的数据码（或 D码）。n 导航电文也是 二进制码 ，依 规定格式 组成，按帧向外播送。每帧电文含有 1500比特，播送速度 50bit/s，每帧播送时
2、间 30s。GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 导航电文中主要包括下述内容：n 1).历书数据 (Almanac Data)：卫星发射的包含粗略轨道位置信息的数据。n 利用历书数据，可以使用户快速确定每颗卫星的 大约位置 ，主要用于接收机开机时确定视界中可见星，并粗略估计多普勒频漂以快速捕捉卫星。n 该数据 有效期 可达数月，并可保存在接收机中。 GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 2).星历数据 (Ephemeris Data)：n 星历数据与历书数据类似，但 精度 更高，使用户可以确定信号延时以计算卫星位置。n 与历书数据不同的是，每颗卫星的星历数据只由自身播发，其
3、 有效期 仅为几个小时。 GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 3).信号时间数据 ：表明信号发送的时间标记，用以确定信号传播时间。n 4).大气延迟数据 ：因大气影响造成的信号延迟信息。n 5).卫星健康信息 ：表明该卫星是否可用于导航定位。 GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 导航电文是二进制数据文件，由 主帧 、子帧 、 字码 和 页码 构成。n 导航电文将上述内容按一定的格式组成数据帧，并 按帧发送 。n 每一数据帧长度为 1500位，分成 5个子帧，每个子帧长 300位。n 完整的导航信息由 25帧 数据组成。由于导航电文的播发速度为每秒 50位，故全部导航电文
4、需要 12.5分钟 播完。 GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 导航电文的格式如下图1 2 34 51 2 3 4 5 6 7 8 9 1030s6s0.02s0.6s 25页10个字30比特GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 每帧 导航电文 含 5个子帧，每个子帧分别含有10个字，每个字 30比特，故每个子帧共 300比特，播发时间 6s。n 为记载多达 25颗卫星，子帧 4、 5各含有 25页。子帧 1、 2、 3和子帧 4、 5的每一页构成一个主帧。主帧共 1500比特，播发时间 30s。n 一个主帧中， 子帧 1、 2、 3的内容每小时 更新一次；而 子帧 4、
5、 5的内容仅在地面注入站给卫星 注入 新的导航电文后才得以更新。GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 在导航电文中，第 1、 2、 3子帧播发该卫星的 星历 及 时钟修正参数 ，其内容每小时更新一次。n 第 4、 5子帧播发空中所有卫星的 历书 。为表示所有 25颗卫星的历书，需要占用总共 25个数据帧。n 历书的内容仅在地面注入站注入新的内容才 更新 。GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 每个子帧共 10个字，每个字占 30位。其中后 6位是 奇偶校验 位，用以检查传递的信息是否有错，并能纠正单个错误，故又称 纠错码 。GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 2
6、.导航电文内容n 一帧完整的导航电文，其内容包括 遥测码 、 转换码 、 第一数据块 、 第二数据块和 第三数据块 等部分构成，每部分包含各不相同的信息。n 导航电文的格式及主要内容如以下两图所示。GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解TLM HOW 数据块 1 时钟修正参数TLM HOW 数据块 2 星历表TLM HOW 数据块 2 星历表继续TLM HOW 数据块 3 卫星历书等TLM HOW 数据块 3 卫星历书等12345一个子帧 6s长， 10个字，每字 30比特1帧30s1500比特GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 1
7、).TLM(Telemetry Word)： 遥测码n 每个子帧的第 1个字为遥测码，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供一个同步起点，使用户可以解释电文数据。n 该字的 30位中，各段的含义是： 第 18 位： 同步码 。为各子帧编码脉冲提供一个同步起点， 使用户便于解释导航电文； 第 922 位： 遥测电文 。包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息，表明用户是否可选用此卫星 ; 第 23和第 24位： 连接码 ； 第 2530 位： 奇偶校验码 。用于发现和纠正错误。GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 2).HOW(Hang Over Wor
8、d)： 转换码n 每个子帧的第 2个字为转换码，它可以辅助用户从捕获的 C/A码转换到捕获 P码。n 其中前 17位为卫星时间计数器 (称为 Z计数 )，它对 P码中的 X1的周期（ 1.5秒）从周日零时进行计数，量程为 0403200 。n Z计数实际上是一个 时间计数 ， 给出了一个子帧开始瞬间的 GPS时间。 由于每一个子帧持续时间为 6 s，所以下一子帧开始的时间为 6Z s。用户可以据此将 接收机时钟 精确对准 GPS时钟，并 快速捕获 P码 。GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 转换码的其他位含义如下：n 第 18位：表明卫星注入电文后是否发生滚动动量矩 缺载 现象；n
9、 第 19位：指示数据帧的时间是否 同步 ；n 第 2022 位：子帧 识别标志 ；n 第 2324 位： 连接码 ；n 第 2530 位： 奇偶校验码 。GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 3).第一数据块n 第 1子帧的第 310 字码称为第 1数据块。它的 主要内容 包括： 标识码、时延差改正、星期序号、数据龄期、卫星的健康状况、卫星时钟改正系数等。 n (1).星期序号 (WN)。第 3字码的第 110 位，表示从 1980年 1月 6日子夜零点 (UTC)起算的星期数，也称 GPS星期数。n (2).PN指示。第 1112 位表示 L2载波是采用P码还是 C/A码调制，
10、“01”为 P码调制， “10”为 C/A码调制。 GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n (3).N传输参数。第 17位表示导航数据是否正常， “0”表示所有导航数据都正确， “1”表示有错误。 第 1822 位表示信号编码的正确性。n (4).数据龄期 (AODC)。第 3字码的第 23、 24位以及第 8字码的第 18 位，均表示卫星时钟的 AODC。 AODC是时钟改正数的外推时间间隔，它指明卫星时钟改正数的置信度。 AODC=t0c-t1 式中， t0c表示第 1数据块的参考时刻； t1表示计算时钟改正参数所用数据的最后观测时间。 GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解
11、n (5).时延差改正 Tgd。表明 L1、 L2载波电离层时延修正，以提高定位精度。时延差改正 Tgd表示信号在卫星内部的时延差 (TP1-TP2)，即P1(y1)、 P2(y2)码从产生到卫星发射天线所经历时间的差异。 n (6).时钟改正。 GPS系统时间是以地面主控站的主原子钟为基准。由于主控站时钟的不稳定性，使得 GPS时间和 UTC时间之间存在着差值。地面监控系统通过监测确定出这种差值， 并用导航电文播发给广大用户。GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 每一颗 GPS卫星的时钟相对 GPS系统时间存在着差值，需加以改正，这便是卫星时钟改正， 即 式中， t0c是第 1数据
12、块的参考时刻， a0是卫星钟差 (s)时间偏差， a1是卫星钟速 (s)频率偏差系数， a2是卫星钟速变率 (s/s2)漂移系数。 GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 4). 第 2数据块n 第 2和第 3子帧组成第 2数据块。n 第 2数据块 主要内容 为 GPS卫星星历， 它是GPS卫星为导航、定位播发的主要电文，可向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。n 由卫星每 30 s发送一次，每 1 h更新一次。 描述卫星的运行及其轨道的参数，包括下列三类： 时间参数 开普勒轨道 6系数 轨道摄动 9参数GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n (1).时间参数 包括以下 2个：
13、n a.卫星星历参考时刻 toe：从周日零时开始计算的时间。n b.星历表数据龄期 AODE：表示星历数据的可信度，是发射时间与测量时间之差， AODE=toe-tl二、导航电文内容： 第二数据 块n (3).卫星的 6个 开普勒参数 ：轨道长半轴平方根 、偏心率 e、 近地点角速度 ，参考时间 toe时的轨道倾角 i0、 升交点赤径 0和平均近点角 M0。 n (4).9个 轨 道 摄动 参数 ：平均近地点角修正值，升交点赤径变化率，轨道平面倾角变化率， 纬度幅角的正、余弦调和改正项振幅 ， 轨道正面倾角的正、余弦调和改正项振幅 ， 轨道半径的正、 余弦调和改正项振幅。GPS理论与应用8.
14、导航电文及卫星位置求解n 5). 第 3数据块n 第 3数据块包括第 4子帧和第 5子帧，其 内容 包括所有 GPS卫星的历书数据。n 当接收机捕获一颗卫星后，可以利用第 3数据块的信息得到其他卫星的卫星位置、时钟修正参数、码分地址和卫星状态等数据信息。n 获知这些参数后，能够根据自身当前的位置计算出该时刻能观测到的其他卫星及其方位角和高度角，从而选择最佳星座，设置观测卫星，以快速捕获和定位。 GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n (1).第 4子帧参数： 第 2、 3、 4、 5、 7、 8、 9、 10页提供第 2532 颗卫星的历书； 第 18页给出大气修正模型； 第 25页给
15、出 32颗卫星的 AS特征和卫星号，以及第 2532颗卫星的健康状态； 第 17页提供专用电文； 第 1、 6、 11、 12、 16、 20、 21、 22、 23、 24页备用； 第 13、 14、 15页为空页。n (2).第 5子帧参数： 第 124 页提供第 124 卫星的历书； 第 25页给出第 124 颗卫星的健康状态和星期编号。 GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解n 3.GPS星历参数详解n 为了使用户接收机计算出卫星位置， GPS卫星发射的星历数据中包含开普勒密切轨道元素（特定瞬时由卫星位置和速度计算出的轨道元素）。n 在 星历时间 上，轨道元素是完全准确的。而在 其他时间 ，真实轨道与密切轨道有所偏离，因此应该利用 GPS发射的校正参数对轨道值进行修正，以在卫星星历电文的两次更新期间精确地估计卫星的 真实轨道元素 。n GPS星历参数及其详解如下。GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解GPS理论与应用8. 导航电文及卫星位置求解
