gps导航卫星星历及历书参数意义
卫星导航电文讲解
卫星导航电文讲解本文内容大纲如下：⚫GPS信号讲解⚫GPS的导航电文讲解⚫GLONASS信号⚫GLONASS信号构成⚫GLONASS导航电文⚫Galileo信号⚫Galileo 信号构成⚫Galileo导航电文⚫北斗⚫北斗信号构成⚫北斗导航电文⚫GPS信号讲解GPS 卫星传输的信号主要由三个部分组成：∙载波∙测距码(伪随机码)∙导航电文每颗卫星使用两种不同的测距码来对导航电文进行扩频：∙粗略码(C/A)，也称为民码，免费提供给全球用户使用，∙精细码(P)，也称为军码，主要用于政府和军事机构中的高精度应用。
∙C/A 码是长度为1,023 比特的伪随机码，传输速率为1.023 Mbps，即每毫秒重复一次。
GPS 系统采用码分多址技术，每颗卫星使用不同C/A 码，在同一频率上传输信号，接收机通过对C/A码的识别来确定信号来自哪颗卫星。
∙P 码是码长为6.1871 x 1012 比特的伪随机码，传输速率为10.23 Mbps，P 码的周期很长，每周重复一次。
自1994 年起，为了反电子欺骗，P 码被W码加密得到Y 码，通常称为P (Y) 码，仅限于军事应用。
导航电文，经测距码扩频后，调制到射频载波上。
L1 载波1575.42 MHz 频带上同时调制了C/A 和P (Y) 码信号。
L2 载波1227.6 MHz 频带上只调制了P (Y)码信号。
⚫GPS的导航电文讲解导航电文由一个含有37,500 比特的主帧组成，传输速率为50 bps，电文的传送时间为12.5 min。
主帧分成25 个页面或帧，每帧由5 个子帧构成，包括时间和钟差改正数、卫星健康状况、当前卫星的星历或精密的轨道信息、以及一部分历书(包含所有卫星粗略轨道信息)。
接收机接收每颗卫星的星历数据，来确定卫星的位置。
它还需要传输时间和钟差改正数来计算伪距，进而确定接收机的位置。
这些信息在前三个子帧中传输，接收机至少需要16 秒(在最坏情况下是30 秒) 来获取这些必要信息。
导航电文和星历
2NAVIGATION DATA RINEX VERSION / TYPE CCRINEXN V1.6.0 UX CDDIS 15-SEP-13 00:33PGM / RUN BY / DATE IGS BROADCAST EPHEMERIS FILE COMMENT
0.1211D-070.1490D-07 -0.5960D-07 -0.1192D-06ION ALPHA
0.5490D-09 0.D+01 0.D+04 0.000000D+00轨道倾角变化率,L2上的码,GPS周数，L2P码数据标记
0.D+01 0.000000D+00 0.7154D-08 0.D+02卫星精度,卫星健康状态,TGD,IODC钟的数据龄期
0.D+06 0.000000D+00 0.000000D+00 0.000000D+00电文发送时刻,拟合区间（未知为零）,备用,备用
double
float
float
short
short
long 242半周/s
半周
半周
半周
s
s/s
s
利用历书和当地的位置，我们可以计算出卫星的方位和高度角，由此可以计算出当地能观测到的卫星和持续时间，即卫星高度角大于5°的出现时间。
GPS卫星星历参数包含在导航电文的第二和第三子帧中。从有效的星历中，我们可解得卫星的较准确位置和速度，从而用于接收机定位和测速。GPS卫星历书每30秒重复一次，有效期为以星历参考时间为中心的4小时内。
0.D+02 0.0D+01 0.7061D-08-0.5D+01数据/星历发布时间对轨道半径正弦的校正值,平均角速度的摄动修正量,参考时刻toe的平近点角
GPS卫星的星历
GPS卫星星历对基线解算的影响鄞州区土地勘测规划所张苏红宁波冶金勘察设计研究股份有限公司徐军｛摘要｝随着GPS应用范围的扩展，GPS定位技术在高精度变形观测中得到充分发展。
由于工程建设的需要，运用GPS相对定位技术对施工控制网进行变形监测，本文主要分析了采用不同的卫星星历对GPS基线解算的影响，提出了采用GPS精密星历进行GPS控制网变形监测。
关键词：GPS精密星历一、前言卫星的星历就是描述卫星运行轨道和状态的各种参数值，它是计算卫星瞬时位置的依据。
卫星星历按其来源的不同，可以分为两种：预报星历（广播星历）和实测星历（精密星历）。
1、广播星历卫星将地面监测站注入的有关卫星轨道的信息，通过发射导航电文传递给用户，用户接收到这些信号进行解码即可获得所需要的卫星星历。
即广播星历。
由卫星向用户播发。
可用于实时定位。
分C/A码星历和P码星历。
内容：分三部分，开普勒六参数、轨道摄动九参数、时间二参数。
由地面监测站测定卫星轨道外推轨道，精度25m。
2、实测星历一些国家根据自己的卫星跟踪站观测资料，经过事后处理直接计算的卫星星历，称为实测星历。
其精度忧于5cm利用精密星历及其它手段进行精密单点定位，精度可达0.1m。
GPS测量是通过地面接收设备接收卫星传送来的信息，计算同一时刻地面接收设备到多颗卫星之间的伪距离，采用空间距离后方交会方法，来确定地面点的三维坐标。
因此，对于GPS卫星、卫星信号传播过程和地面接收设备都会对GPS 测量产生误差。
主要误差来源可分为：与GPS卫星有关的误差；与信号传播有关的误差;与接收设备有关的误差。
与卫星有关的误差主要有：卫星星历误差、卫星钟差、SA干扰误差、相对论效应的影响。
卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差,由于卫星空间位置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的, 所以又称为卫星轨道误差。
它是一种起始数据误差, 其大小取决于卫星跟踪站的数量及空间分布、观测值的数量及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。
GPS(卫星信号)
为子码X2的延迟参数，规定 P(t ) X 1 (t ) X 2 (t ni p ) n 取区间[0,36]的正整数。当n 取
i i
Nu=212-1=2.35×1014bit
0、1、2、…36时，就构成37 个平移等价的P码。
码元宽度 由于钟脉冲频率f1=f0=10.23MHZ， 周期 Tu=Nu×tu=267d
苏州科技学院空间信息与测绘工程系gps卫星星历卫星坐标计算toe星历表参考历元秒iodeaode星历表数据量m0按参考历元toe计算的平近点角弧度n由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差弧度e轨道第一偏心率n轨道长半径的平方根电文中给出的gps卫星轨道参数是对应于参考历元toe对于某观测历元t必须确定其相对于参考历元的时间差值tgps卫星星历卫星坐标计算toe星历表参考历元秒iodeaode星历表数据量m0按参考历元toe计算的平近点角弧度n由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差弧度e轨道第一偏心率n轨道长半径的平方根iiii升交点近地点参考时刻nt苏州科技学院空间信息与测绘工程系gps卫星星历卫星坐标计算toe星历表参考历元秒iodeaode星历表数据量m0按参考历元toe计算的平近点角弧度n由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差弧度e轨道第一偏心率n轨道长半径的平方根4计算观测时刻的卫星偏近点角苏州科技学院空间信息与测绘工程系gps卫星星历卫星坐标计算toe星历表参考历元秒iodeaode星历表数据量m0按参考历元toe计算的平近点角弧度n由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差弧度e轨道第一偏心率n轨道长半径的平方根coscosgps卫星星历卫星坐标计算0按参考历元toe计算的升交点赤径弧度i0按参考历元toe计算的轨道倾角弧度近地点角距弧度升交点赤径变化率弧度iiii升交点参考时刻近地点观测时刻根据观测时刻的卫星真近点角和近地点角距进行计算苏州科技学院空间信息与测绘工程系gps卫星星历卫星坐标计算cuc升交矩角的余弦调和项改正的振幅弧度cus升交矩角的正弦调和项改正的振幅弧度crc卫星矢径的余弦调和项改正的振幅米crs卫星矢径的正弦调和项改正的振幅米cic轨道倾角的余弦调和项改正的振幅弧度cis轨道倾角的正弦调和项改正的振幅弧度7计算摄动改正项分别表示升角距角卫星矢径和轨道面倾角的摄动改coscos0按参考历元toe计算的升交点赤径弧度i0按参考历元toe计算的轨道倾角弧度近地点角距弧度升交点赤径变化率弧度gps卫星星历卫星坐标计算cossin若设该轨道坐标系的x轴指向升交点则卫星在该坐标系统中的极角为升交距角gps卫星星历卫星坐标计算10计算观测时刻升交点经度gastgastga
GPS广播星历计算卫星位置和速度
GPS广播星历计算卫星位置和速度GPS（全球定位系统）是一种通过卫星定位的技术，它利用卫星发射的广播星历来计算卫星的位置和速度。
星历数据是需要事先计算和上传给卫星的。
在GPS系统中，有31颗运行在中轨道上的卫星，其中至少有24颗是激活状态的。
这些卫星分布在不同的轨道上，每个轨道上约有4颗卫星。
卫星轨道分为6个球形环，每个环的倾角不同，倾角越大表示距离地球赤道越远。
每颗GPS卫星都具有精确的时钟，它们通过广播信号发送自身的位置和速度信息。
这些广播信号被接收器接收后，通过计算接收时间差来确定卫星与接收器之间的距离。
利用三个以上的卫星的广播信号，可以计算出接收器所在的位置。
星历数据是卫星的位置和速度信息，它用于计算接收器附近的卫星位置和速度。
星历数据包括每颗卫星的轨道参数（半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、运动角频率）、卫星钟差和卫星偏差改正参数等。
星历数据的计算是一个复杂的过程，需要考虑多个因素。
首先，需要从测量数据中估算卫星位置和速度。
接着，根据卫星轨道的数学模型和测量数据，通过插值和拟合等算法计算出卫星的位置和速度数据。
最后，通过计算误差和改正项进行数据校正。
这些校正项包括大气延迟、钟差、轨道摄动等。
星历数据的计算过程是集中在地面控制站完成的，然后通过双向通信链路上传给卫星。
卫星接收到星历数据后，会将其存储在内部存储器中，并通过广播信号发送给地面的接收器。
在接收器接收到卫星广播信号后，会利用星历数据来计算卫星与接收器之间的距离。
首先，接收器会粗略估算卫星位置，然后通过星历数据进行细化校正，最终得到精确的卫星位置和速度信息。
利用卫星位置和速度信息，接收器可以计算出自身的位置。
通过接收多个卫星的广播信号，接收器可以确定自身在地球的经度、纬度和海拔高度。
在接收器上，还可以通过计算卫星位置的变化来确定速度。
通过不同时刻测量卫星位置的变化，可以计算出接收器的速度矢量。
总结起来，GPS广播星历是用于计算卫星位置和速度的关键数据。
GPS广播星历参数说明
序号
符号
名称
单位
1
卫星PRN号
卫星编号
---
2
年
年份后两位
a
3
月
月份
mon
4
日
日期
d
5
时
时
h6Leabharlann 分分min
7
秒
秒
s
8
卫星钟差常数项
s
9
卫星钟差漂移项
s/s
10
卫星钟差漂移速率项
s/s2
11
星历数据的年龄
12
在星历参考时刻 在轨道径向方向上周期改正正弦项的振幅
m
13
平近点角的长期变化（近地点参数）
rad/s
28
Code on channel
29
GPS星期数
30
P data flag
31
本广播星历精度指标
m
32
卫星是否健康指标
33
电离层群延迟改正参数
s
34
卫星钟数据年龄
35
信息传送时间（与接收机对接收到的卫星信号解码有关）
s
rad/s
14
参考时刻的平近点角
rad
15
在星历参考时刻 在轨道延迹方向上周期改正余弦项的振幅
rad
16
偏心率
17
在星历参考时刻 在轨道延迹方向上周期改正正弦项的振幅
rad
18
长半轴的平方根
m1/2
19
星历参考时刻（星期中的秒数）
s
20
在星历参考时刻 轨道倾角（近似于法向）周期改正余弦项的振幅
rad
21
GPS 03 卫星运动基础及GPS卫星星历
3.3 卫星的受摄运动
太阳光压的影响
太阳辐射压力
太阳光压
入射作用力 发射作用力
反照压力（被地球反射的太阳光产生的压力，
为辐射压力的1%，可忽略）
对卫星产生的加速度，约为10-7m/s2量级
3.3 卫星的受摄运动
地球潮汐摄动力
地球固体潮
在日月引力作用下，地球产生的如潮汐般的变形。
海潮 大气潮
a as ae (G( M m) / r 2 ) r 0
0 a (GM / r ) r
2
3-4
X X / r 3 Y Y / r 3 Z Z / r 3
3-6
3.2 卫星的无摄运动
无摄运动：二体问题微分方程的解
100-800 1.0-1.5
3.3 卫星的受摄运动
受摄运动的研究
受摄加速度
无法直接求解； 摄动力或摄动力的分量——轨道参数的变率
da
dt
, de
dt
, di
dt
, d
dt
, dw
dt
, dM
dt
p29
3.3 卫星的受摄运动
描述卫星运动的参数
3.3 卫星的受摄运动
轨道参数
：星历的基准时间 ：半长轴的平方根 a ：偏心率 e ：参考时刻的倾角 i0 ：升交点赤经 0 ：近地点角距 M 0 ：平近点角 ：轨道倾角变化率 I IODE ：星历表数据龄期
如果将地球引力视为1，则其它作用力均小于10-5。 在多种力的作用下，卫星在空间运行的轨迹极其 复杂，难以用简单而精确的数学模型表达。
3.1 概述
卫星所受到的力
作用力 作用力来源 结 果 中心力 假设地球为均质 决定卫星 球体的引力（质 运动的基 量集中在球体的 本规律和 中心） 特征 摄动力 地球非球型对称 卫星偏离 （非中 的作用力、太阳、理想轨道 心力） 月亮和其它天体 引力、大气阻力、 太阳光压、地球 潮汐力等 卫星运动 卫星轨道 无摄运动 理想轨道 （无摄轨 道） 受摄运动 受摄轨道 （偏离量 的大小随 时间变 化）
GPS卫星的星历、GPS卫星信号及GPS的导航电文
根据信息论的香农定理，在噪声干扰条件下， 通信系统容量为： C=Blog2（1+S/N） （1） 式中：B为通信系统的频带宽度（HZ）；S是信号 的平均功率；N为噪声功率。 式（1）表明，当系统容量C一定时，增大频 带宽度B，可以减小信噪比S/N。例如，在上述情 况下，C=10.23Mb/s。当信号功率S为噪声功率N的 1.5倍（常用S>N，甚至S≫N）时，通信系统的带 宽为
星历参数详解④
AODC：时钟改正数的外推时间间隔，它向用户 指明对卫星时钟改正数的置信度。
AODC tOC t L
式中：tOC为第一数据块的参考时间；tL为计 算时钟改正参数所用数据的最后观测时间（预报 星历测量的最后观测时间）。
2 后处理星历
卫星的预报星历具有实时获取的特点，这对于 导航或实时定位是非常重要的。但是，对于某些精 密定位工作的用户来说，其精度尚难以满足要求， 尤其当预报星历受到人为干预而降低精度时，就更 难以保障精密定位工作的要求。 后处理星历，是一些国家的某些部门根据各自 建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定 预报星历相似的方法计算的卫星星历。它可以向用 户提供在用户观测时间的卫星星历，避免了预报星 历外推的误差。
u (t ) Cuc cos(2(t )) Cus sin(2(t )) r (t ) Crc cos(2(t )) Crs sin(2(t )) i(t ) Cic cos(2(t )) Cis sin(2(t ))
toe：星历参考时刻
0 e oe e oe
星历参数详解
星历参数详解③
i0：参考时刻的轨道倾角 (t toe ) i i(t ) i0 i
：近地点角距
未经改正的升交距交 (t ) (t )
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为了缩短卫星锁定时间，GPS接收机需利用历书、当地位置的时间来预报卫星运行状态。
历书与星历都是表示卫星运行的参数。
历书包括全部卫星的大概位置，用于卫星预报；星历只是当前接收机观测到的卫星的精确位置，用于定位。
历书是从导航电文中提取的，每12.5分钟的导航电文才能得到一组完整的历书。
下表是ICD-GPS-200规定的历书格式：
说明类型字节单位
卫星号short 2
健康状况short 2
偏心率float 4
轨道参考时间long 4 s
轨道倾角float 4 半周
升交点赤经变化率float 4
半周
/s
长半轴的平方根
doubl
e
8
升交点赤经
doubl
e
8 半周
近地点角距
doubl
e
8 半周
参考时间的平近点角
doubl
e
8 半周
卫星钟差改正float 4 s 卫星钟漂改正float 4 s/s 历书星期数short 2
GPS星期数short 2
GPS星期秒数long 4 s
校验和 2
利用历书和当地的位置，我们可以计算出卫星的方位和高度角，由此可以计算出当地能观测到的卫星和持续时间，即卫星高度角大于5°的出现时间。
GPS卫星星历参数包含在导航电文的第二和第三子帧中。
从有效的星历中，我们可解得卫星的较准确位置和速度，从而用于接收机定位和测速。
GPS卫星历书每30秒重复一次，有效期为以星历参考时间为中心的4小时内。
GPS卫星星历数据中各参数具体描述：
1、ID: 卫星序列号
2、Health: 卫星健康状况
3、Week: GPS星期周数
4、Toe Time of Applic(s): 星历参考时间
5、IODE: 星历数据期号
6、Eccentricity: 卫星轨道偏心率
7、Orbital Inclination(rad): Toe时的轨道倾角
8、Inclination rate (r/s) 卫星轨道倾角变化率
9、Rate of Right Ascen(R/s): 升交点赤经变化率
10、SQRT(A) (m^1/2): 轨道长半轴的平方根
11、Dn 平均角速度校正值
12、Right Ascen at Toe(rad): Toe时的升交点赤经
13、Argument of Perigee(rad): 轨道近地点角距
14、Mean Anom(rad): Toe时的平近点角
15、Cuc(rad): 升交点角距余弦调和校正振幅
16、Cus(rad): 升交点角距正弦调和校正振幅
17、Crc(m): 轨道半经余弦调和校正振幅
18、Crs(m): 轨道半经正弦调和校正振幅
19、Cic(rad): 轨道倾角余弦调和校正振幅
20、Cis(rad): 轨道倾角正弦调和校正振幅。