GPS卫星预报星历的解码

1、GP S 卫星预报星历的解码及卫星预报郑,王解光(同济大学测量系, 上海 200092)摘要: 本文对 GP S 卫星播发的预报星历进行了分析, 主要讲述 GP S 接收机接收到的二进制预报星历文件的详细格式,将其解码并生成R EN IX 2 0标准格式文件,利用解码获得的卫星轨道参数来计算GP S 卫星坐标,并进行卫星预报。关键词: 解码;预报星历; 标准格式文件;轨道参数中图分类号: P 228 4文献标识码: BAbstrac t: T h is p ap e r ana lyze s the fo reca st ing ep hem e r is t ran sm it ted by

2、 GP S sa te llite s and de scr ibe s and de ta iled fo rm a t o f the b ina ryep hem e r is do cum en t rece ived by GP S rece ive r s. T he do cum en t is then deco ded in to the standa rd fo rm a t in R EN IX 2 0 and the o rb it p aram e te r s o f sa te llite s a re o b ta ined. T he ca lcu la t

3、io n o f GP Ssa te llite s coo rd ina te s and sa te llite s fo reca st ing a re p e rfo rm ed w ith the se p aram e te r s.Key words: deco d ing;fo reca st ing ep hem e r is; o rb it p a ram e te r s1 前言件解码得到卫星轨道参数, 利用轨道参数计算出GP S 卫星的空间坐标 (W GS 84坐标系)。GP S 卫星播发的导航电文中包含广播星历 (卫星星历)2 导航电文及其格式和预报星历 (卫星历

4、书)。广播星历可用于 GP S 实时定位计算, 预报星历则用于在较长的时间周期内对GP S 卫星的位置GP S 卫星的导航电文是二进制文件, 按一定格式组成数进行预报。据帧, 按帧向外播送。每一数据帧的长度为1500b it, 播送速度为了能在GP S 卫星观测之前拟订观测计划, 我们需要进为50b it s,所以播送一帧电文的时间需要30秒。每帧导航电行 GP S 卫星的预报工作, 从而可以比较确切地知道在所观测文含有5个子帧, 每个子帧分别含有10个字,每个字为30b it,的地点及所观测的时间段中, GP S 接收机能够接收到的 GP S故每一子帧共含300b it, 其持续播发的时间为

5、6秒 (见图1)。卫星的情况。要进行卫星预报, 就需要将二进制的预报星历文21221221图1导航电文格式10页,提供1 32号卫星的概略星历3预报星历的详细格式卫星的概略星历包括参考时刻 To a、开普勒轨道参数 e、所有 GP S 卫星预报星历的参数都在导航电文每一数据帧的第4、5子帧中占据第三到第十个字,每个字30b it (其中收稿日期:1999211212;修订日期: 1999212227包括奇偶检验位6b it)。预报星历中的参数如表1所示。作者简介:郑 (1977) , 男 (汉族) , 浙江嵊州人, 同济大311子帧5之第1 24页, 子帧4之第2 5页及第7学硕士研究生52

6、工程勘察 G eo techn ica l I n ves t ig a t ion & S u rvey in g2000年第3期A 、8 0、X0、M 0、8 和 i0 = 55的摄动量 Di , 另外还有2个时钟改正参数 a1和 a0 (如图3)。312 子帧4之第25页给出32颗卫星的防电子对抗特征符 (接通或不用) 和卫星型号以及25 32号卫星的健康状况H ea lth每个卫星占4b it, 其中一个 b it 表示电子对抗是否工作, “1”表示A 2S 打开, “0”表示A 2S 关闭。后面3b it 表示卫星类型, “000”表示是B lo ck 卫星,“001”表示是B lo

7、 ck 卫星,以及第25 32颗卫星的健康状况(如图4)。313 子帧5之第25页给出1 24号卫星的健康状况 H ea lth 和 GP S 星期编号W N星历中用6b it 指示每颗卫星的健康状况。当6b it 全为“1”时, 表示卫星工作不正常, 不能用于导航定位 (如图5)。实际播发的电文内容见表2 (电文内容均采用16进制格式)。将上述星历文件经由程序解码后, 便可以生成 R EN IX 210标准格式的文件。预报星历的R EN IX 210标准格式文件如表3所示。预报星历的参数表1参数含义比特数最低位比例因子范围参数单位SV ID导航星编号的页标识81255W N星历对应的星期号8

8、111周162- 21 47710- 7003125e偏心率无量纲To a数据块 基准时间8212= 4096602112秒D卫星轨道倾角改正162- 19 119110- 6010625半周i1A半长轴的平方根242- 11 48810- 48192米1 280按参考时间计算的升交点赤经242- 23 111910- 71半周1X近地点幅角322- 23 11910- 71半周1M 0按参考时间计算的平近点角242- 23 11910- 71半周118升交点赤经变化率162- 38 36410- 1211910- 711半周秒a1钟速112- 38 36410- 1237310- 911秒秒

9、a0钟差112- 20 95410- 797710- 4秒注: (1)() 表示符号比特占据最低位;3(2)轨道倾角 i0= 55;(3) 所有的二进制数都是2的补码。图3子帧5之第1 24页, 子帧4之第2 5页及第7 10页图4子帧4之第25页图5子帧5之第25页2000年第3期工程勘察 G eo techn ica l I n ves t ig a t ion & S u rvey in g 53实际播发的星历电文(1999年1月5日16时, U TC )表2含 电文子 , 页码W N03 D F5子 第25页第1 星41 22 F F 39 09 8D FD 58 00 A 1 0D

10、B 9 15 79 C 7 BA 73 48 D 1 CB 27 09 00 095子 第1页第2 星42 966C 39 FC 5B FD 30 00 A 1 0C CA 67 99 64 A 5 20 3F 1A 2A 9B F E F F FB5子 第2页第24 星58 471D 39 1D 16 FD 53 00 A 1 0D C 4 C 0 43 C 2 B 7 B 7 17 88 88 20 3D F E CD5子 第24页第25 星59 3A E0 39 FB B 1 FD 3C 00 A 1 0C BD 3D 41 30 9D B 4 07 BC C 0 A 9 00 00 0

11、14子 第2页第32 星3F 13 B 9 26 16 41 72 08 4B C 0 A 3 03 06 24 78 94 7B 02 A 3 85 B 7 A 1 43 284子 第10页H ea lth00 0000 00 00 00 00 0F F F 00 00 00 00 00 3F 00 00 005子 第25页H ea lth80 000F C 0 00 0F E94子 第25页A S F lag99 9990 99 99 99 90 99 904子 第2599 99 99 00 99 99 99页2REN IX 210标准格式的预报星历文件表32T GLNAV IGA T I

12、ON DA TAR IN EX V ER S IONT YP E 38:1999 06 05 21:28 P GMRU N B YDA T E()COMM EN TL oca l da te and t im e f rom p cEND O F H EAD ER1 99 01 05 16 51 1210 71057189941406E205 01000000000000E + 00 01000000000000E + 00 01000000000000E+ 00 01000000000000E + 00 01000000000000E + 00- 11134076565470E + 00 0

13、1000000000000E+ 00 41271984100342E - 03 01000000000000E + 00 51153715332031E + 03 21334720000000E+ 05 01000000000000E + 00 51270928013366E - 01 01000000000000E + 00 91745818035437E- 01 01000000000000E + 00- 11707006031013E + 00- 71771752296107E - 09 01000000000000E+ 00 01000000000000E + 00 919100000

14、00000E + 02 01000000000000E + 00 01000000000000E+ 00 01000000000000E + 00 01000000000000E + 00 01000000000000E + 00 01000000000000E+ 00 01000000000000E + 00 01000000000000E + 00 01000000000000E + 00表中的前几行为表头, 表头中的第60 80个字符是相应的说明, 如第一行的“2”是R EN IX 版本号; 第二行是生成该文件的单位、执行人和文件形成日期。表头以“EN D O FH EA D ER ”表

15、示结束, 表头结束有时也用空行表示。在表头结束前可插入无限多的注释行, 注释行的说明为 “COM M EN T ”。REN IX 210标准格式预报星历数据的含义表4 星 PRN 号,年,月,日,时,分,秒, a0, a1, 00,0, 0,M 00,e,0,8ATo a,0,0,00,0,i0,0,X8,0, 0, W N , 00,0,0,00,0注: 星 的R EN IX 210 准格式是与广播星 的格式相 的, 只是其中的一部分参数 零表头结束后, 每8行表示一颗卫星的预报星历, 第一行的第一个数字是卫星的 PRN 号码 (伪随机编号) , 对应量的含义如表4所示 (其中 i0= 55

16、+ Di )。4 由 GPS 卫星的预报星历计算卫星的位置GP S 导航定位是以卫星为已知的基准点, 通过测量站星间的距离, 解算用户的位置。因此, 用户接收机在取得导航电文的轨道参数后, 就要首先计算卫星的位置 (W GS84坐标系)。由于预报星历提供的GP S 卫星的概略星历, 它是广播星历的概略形式。概略星历中的轨道根数与广播星历的相同, 只是假定其中某些参数为零。不假定为零的参数为七个开普勒轨道参数 (e、 A 、8 0、X0、M 0、8、i0 + Di ) , 其中倾角 i0 假定为55, 再附加 Di 的修正值。因此, 由预报星历参数计算的卫星位置的精度要低于广播星历。表5中给出的

17、方程提供了由预报星历的参数的定义, 可用来计算 GP S 卫星的坐标。54工程勘察G eo techn ica l I n ves t ig a t ion & S u rvey in g2000年第3期预报星历参数表达式的定义表5Y 0tgL 0 =X 0L= 319860051014米3秒2= 7 29211510- 5弧度秒a18地球引力常数, 取自W GS84坐标系地球自转速度, 取自W GS84坐标系tgB 0 =Z 0 +N e2 sinB 0X 20 +Y 20A = (A) 2n=A 3tk = t-toaM k = M 0+ n tkM k = E k -esinE kco

18、sV k = (co sE k - e) (1- eco sE k )sinV k =1- e2 sinE k(1- eco sE k )U k = V k +R k = A (1- eco sE k )Ik= i0+ILDXX k = rk co sukY k = rk sinuk8k =8co s8a8co s8a0+(-e) tk -e toeX k =x k8k -y kik sin8kYk =xkco s8k +ykkco s8kco siZ k = y k sin ik轨道长半轴平均运动角速度计算值从历元开始计算的时间平近点角偏近点角的开普勒方程真近点角升交角距轨道半径轨道倾角轨道

19、平面上的位置改正后的升交点赤经地固坐标系中的坐标其中 e 为W GS284 球的偏心率, N 站卯酉圈曲率半径, 大地 度B 0 需采用迭代 算。然后, 将 星坐 化到以 站 坐 原点的站心地平坐 系(x i , y i , z i )。 种左手坐 系的 x 指向 站的子午 , 以北 正, z 重合于 点上的W GS284 球的法 , 向外 正, y 也位于 点的切平面, 向 正。x i- 1 0 0X i - X 0y i=01 0R Y (90- B 0 ) R Z (L 0 )Y i - Y 0z i001Z i -Z 0-sinB 0co sL 0-sinB 0 sinL 0co sB 0X i-X 0=-sinL 0co sL 00Y i-Y 0co sB 0co sL 0co sB 0 sinL 0sinB 0Z i-Z 0因此, 星 于 站的高度角及方位角 :h i =sin-1z i-90 h i 90iA 0i =tg- 1y i0A 0i 360x ii =(i-x0 ) 2(y i-y0 )2+( i-z 0 )2 地距。其中 QxQ+z另外 可 成 GP S 差方程, 得系数 A , 几何 度因子 GDO P 即(A TA ) - 1 迹的平方根。GDO P 因子也是判 可 星于 站所 成的几何 形的精度的一个重要指 。5 卫星预报利用 GP