GPS卫星预报星历的解码及卫星预报
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GPS 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 GPS 卫星播发的预报星历进行了分析, 主要讲述 GPS 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 210标准格式文件, 利用解码获得的卫星轨道参数来计算
GPS 卫星坐标, 并进行卫星预报。
导航星编号的页标识 星历对应的星期号 偏心率 数据块 基准时间 卫星轨道倾角改正 半长轴的平方根 按参考时间计算的升交点赤经 近地点幅角 按参考时间计算的平近点角 升交点赤经变化率 钟速 钟差
注: (1) (±) 表示符号比特占据最低位;
(2) 轨道倾角 i0= 55°; (3) 所有的二进制数都是2的补码。
图1 导航电文格式
3 预报星历的详细格式
所有 GPS 卫星预报星历的参数都在导航电文每一数据
10页, 提供1～ 32号卫星的概略星历
卫星的概略星历包括参考时刻 Toa、 开普勒轨道参数 e、
帧的第4、5子帧中占据第三到第十个字, 每个字30b it (其中 包括奇偶检验位6b it)。预报星历中的参数如表1所示。
件解码得到卫星轨道参数, 利用轨道参数计算出 GPS 卫星的 空间坐标 (W GS 84坐标系)。
2 导航电文及其格式
GPS 卫星的导航电文是二进制文件, 按一定格式组成数 据帧, 按帧向外播送。每一数据帧的长度为1500b it, 播送速度 为50b it s, 所以播送一帧电文的时间需要30秒。每帧导航电 文含有5个子帧, 每个子帧分别含有10个字, 每个字为30b it, 故每一子帧共含300b it, 其持续播发的时间为6秒 (见图1)。
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 lock 卫星,“001”表示是B lock 卫星, 以及第25～ 32颗卫星的健康状况 (如图4)。
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)。
21334720000000E+ 05 01000000000000E+ 00 51270928013366E- 01 01000000000000E+ 00
91745818035437E- 01 01000000000000E+ 00- 11707006031013E+ 00- 71771752296107E- 09
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 IX210标准格式的文件。预报星历的 R EN IX210标准格式 文件如表3所示。
预报星历的参数
表1
参数
含义
SV ID
WN
e
Toa ∆i
A 80 Ξ M0 8 a1 a0
由于预报星历提供的 GPS 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、Ξ0、M 0、8、 i0+ ∆i) , 其中倾角 i0 假定为55°, 再附加 ∆i 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中给出的方程提供了 由预报星历的参数的定义, 可用来计算 GPS 卫星的坐标。
2000年第3期
A 、 8 0、 Ξ0、M 0、 8 和 i0= 55°的摄动量 ∆i, 另外还有2个 时钟改正参数 a1和 a0 (如图3)。
313 子帧5之第25页给出1～ 24号卫星的健康状况 H ea lth 和 GPS 星期编号W N
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
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 “END O F H EAD ER ”表示结束, 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 “COMM EN T ”。
T GL
1999 06 05 21: 38: 28 PGM RU N BY DA T E
(L ocal date and tim e from p c) COMM EN T
END O F H EAD ER
01 99 01 05 16 51 1210 71057189941406E205 01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00
1 前言
GPS 卫星播发的导航电文中包含广播星历 (卫星星历) 和预报星历 (卫星历书)。广播星历可用于 GPS 实时定位计 算, 预报星历则用于在较长的时间周期内对 GPS 卫星的位置 进行预报。
为了能在 GPS 卫星观测之前拟订观测计划, 我们需要进 行 GPS 卫星的预报工作, 从而可以比较确切地知道在所观测 的地点及所观测的时间段中, GPS 接收机能够接收到的 GPS 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
03 D F 41 22 FF 39 09 8D FD 58 00 A 1 0D B 9 15 79 C7 BA 73 48 D 1 CB 27 09 00 09 42 96 6C 39 FC 5B FD 30 00 A 1 0C CA 67 99 64 A 5 20 3F 1A 2A 9B FE FF FB …………………………………………………………………………………… 58 47 1D 39 1D 16 FD 53 00 A 1 0D C4 C0 43 C2 B 7 B 7 17 88 88 20 3D FE CD 59 3A E0 39 FB B 1 FD 3C 00 A 1 0C BD 3D 41 30 9D B 4 07 BC C0 A 9 00 00 01 …………………………………………………………………………………… 3F 13 B 9 26 16 41 72 08 4B C0 A 3 03 06 24 78 94 7B 02 A 3 85 B 7 A 1 43 28 00 00 00 00 00 00 00 0F FF 00 00 00 00 00 3F 00 00 00 80 00 0F C0 00 0F E9 99 99 99 99 99 00 99 99 99 90 99 99 99 90 99 90
表2 子帧, 页码 5子帧第25页 5子帧第1页 5子帧第2页 …… 5子帧第24页 4子帧第2页 …… 4子帧第10页 5子帧第25页 4子帧第25页 4子帧第25页
REN IX 210标准格式的预报星历文件
表3
2
NAV IGA T ION DA TA
R IN EX V ER S ION T YPE
关键词: 解码; 预报星历; 标准格式文件; 轨道参数
中图分类号: P22814
文献标识码: B
Abstract: T h is p ap er analyzes the fo recasting ep hem eris tran sm itted by GPS2satellites and describes and detailed fo rm at of the b inary ep hem eris docum en t received by GPS2receivers. T he docum en t is then decoded in to the standard fo rm at in R EN IX210 and the o rb it p a2 ram eters of satellites are ob tained. T he calcu lation of GPS2satellites coo rd inates and satellites fo recasting are p erfo rm ed w ith these p a2 ram eters. Key words: decod ing; fo recasting ep hem eris; o rb it p aram eters
REN IX 210标准格式预报星历数据的含义 表4 卫星 PRN 号, 年, 月, 日, 时, 分, 秒, a0, a1, 0
0, 0, 0, M 0
0, e, 0, A Toa, 0, 8 0, 0
i0, 0, Ξ, 8 0, 0, WN , 0
0, 0, 0, 0 0, 0, 0, 0
注: 预报星历的 R EN IX 210标准格式是与广播星历的格式相对 应的, 只是其中的一部分参数为零
比特数
8 8 16 8 16 24 24 32 24 16 11 11
最低位比例因子
1
1 2- 21≈ 4177×10- 7 212= 4096 2- 19≈ 1191×10- 6 2- 11≈ 4188×10- 4 2- 23≈ 1119×10- 7 2- 23≈ 1119×10- 7 2- 23≈ 1119×10- 7 2- 38≈ 3164×10- 12 2- 38≈ 3164×10- 12 2- 20≈ 9154×10- 7
范围3
255
0103125 602112 ±010625 8192 ±1 ±1 ±1 ±1119×10- 7 ±3173×10- 9 ±9177×10- 4
参数单位
周 无量纲
秒 半周 米1 2 半周 半周 半周 半周 秒 秒秒 秒
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
01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00- 11134076565470E+ 00
01000000000000E+ 00 41271984100342E- 03 01000000000000E+ 00 51153715332031E+ 03
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°+ ∆i)。
4 由 GPS 卫星的预报星历计算卫星的位置
GPS 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)。
311 子帧5之第1～ 24页, 子帧4之第2～ 5页及第7～
收稿日期: 1999211212; 修订日期: 1999212227 作者简介: 郑 (1977—) , 男 (汉族) , 浙江嵊州人, 同济大
学硕士研究生
52 工程勘察 Geotechn ica l Inves tiga tion & Su rvey ing
01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00 91910000000000E+ 02 01000000000000E+ 00
01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00
2000年第3期
图5 子帧5之第25页 工程勘察 Geotechn ica l Inves tiga tion & Su rvey ing 53
含义
WN 第1颗星 第2颗星
… 第24颗星 第25颗星
… 第32颗星பைடு நூலகம்
H ealth H ealth A 2S F lag
实际播发的星历电文 (1999年1月5日16时, U TC) 电 文
郑 , 王解光
(同济大学测量系, 上海 200092)
摘要: 本文对 GPS 卫星播发的预报星历进行了分析, 主要讲述 GPS 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 210标准格式文件, 利用解码获得的卫星轨道参数来计算
GPS 卫星坐标, 并进行卫星预报。
导航星编号的页标识 星历对应的星期号 偏心率 数据块 基准时间 卫星轨道倾角改正 半长轴的平方根 按参考时间计算的升交点赤经 近地点幅角 按参考时间计算的平近点角 升交点赤经变化率 钟速 钟差
注: (1) (±) 表示符号比特占据最低位;
(2) 轨道倾角 i0= 55°; (3) 所有的二进制数都是2的补码。
图1 导航电文格式
3 预报星历的详细格式
所有 GPS 卫星预报星历的参数都在导航电文每一数据
10页, 提供1～ 32号卫星的概略星历
卫星的概略星历包括参考时刻 Toa、 开普勒轨道参数 e、
帧的第4、5子帧中占据第三到第十个字, 每个字30b it (其中 包括奇偶检验位6b it)。预报星历中的参数如表1所示。
件解码得到卫星轨道参数, 利用轨道参数计算出 GPS 卫星的 空间坐标 (W GS 84坐标系)。
2 导航电文及其格式
GPS 卫星的导航电文是二进制文件, 按一定格式组成数 据帧, 按帧向外播送。每一数据帧的长度为1500b it, 播送速度 为50b it s, 所以播送一帧电文的时间需要30秒。每帧导航电 文含有5个子帧, 每个子帧分别含有10个字, 每个字为30b it, 故每一子帧共含300b it, 其持续播发的时间为6秒 (见图1)。
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 lock 卫星,“001”表示是B lock 卫星, 以及第25～ 32颗卫星的健康状况 (如图4)。
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)。
21334720000000E+ 05 01000000000000E+ 00 51270928013366E- 01 01000000000000E+ 00
91745818035437E- 01 01000000000000E+ 00- 11707006031013E+ 00- 71771752296107E- 09
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 IX210标准格式的文件。预报星历的 R EN IX210标准格式 文件如表3所示。
预报星历的参数
表1
参数
含义
SV ID
WN
e
Toa ∆i
A 80 Ξ M0 8 a1 a0
由于预报星历提供的 GPS 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、Ξ0、M 0、8、 i0+ ∆i) , 其中倾角 i0 假定为55°, 再附加 ∆i 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中给出的方程提供了 由预报星历的参数的定义, 可用来计算 GPS 卫星的坐标。
2000年第3期
A 、 8 0、 Ξ0、M 0、 8 和 i0= 55°的摄动量 ∆i, 另外还有2个 时钟改正参数 a1和 a0 (如图3)。
313 子帧5之第25页给出1～ 24号卫星的健康状况 H ea lth 和 GPS 星期编号W N
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
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 “END O F H EAD ER ”表示结束, 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 “COMM EN T ”。
T GL
1999 06 05 21: 38: 28 PGM RU N BY DA T E
(L ocal date and tim e from p c) COMM EN T
END O F H EAD ER
01 99 01 05 16 51 1210 71057189941406E205 01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00
1 前言
GPS 卫星播发的导航电文中包含广播星历 (卫星星历) 和预报星历 (卫星历书)。广播星历可用于 GPS 实时定位计 算, 预报星历则用于在较长的时间周期内对 GPS 卫星的位置 进行预报。
为了能在 GPS 卫星观测之前拟订观测计划, 我们需要进 行 GPS 卫星的预报工作, 从而可以比较确切地知道在所观测 的地点及所观测的时间段中, GPS 接收机能够接收到的 GPS 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
03 D F 41 22 FF 39 09 8D FD 58 00 A 1 0D B 9 15 79 C7 BA 73 48 D 1 CB 27 09 00 09 42 96 6C 39 FC 5B FD 30 00 A 1 0C CA 67 99 64 A 5 20 3F 1A 2A 9B FE FF FB …………………………………………………………………………………… 58 47 1D 39 1D 16 FD 53 00 A 1 0D C4 C0 43 C2 B 7 B 7 17 88 88 20 3D FE CD 59 3A E0 39 FB B 1 FD 3C 00 A 1 0C BD 3D 41 30 9D B 4 07 BC C0 A 9 00 00 01 …………………………………………………………………………………… 3F 13 B 9 26 16 41 72 08 4B C0 A 3 03 06 24 78 94 7B 02 A 3 85 B 7 A 1 43 28 00 00 00 00 00 00 00 0F FF 00 00 00 00 00 3F 00 00 00 80 00 0F C0 00 0F E9 99 99 99 99 99 00 99 99 99 90 99 99 99 90 99 90
表2 子帧, 页码 5子帧第25页 5子帧第1页 5子帧第2页 …… 5子帧第24页 4子帧第2页 …… 4子帧第10页 5子帧第25页 4子帧第25页 4子帧第25页
REN IX 210标准格式的预报星历文件
表3
2
NAV IGA T ION DA TA
R IN EX V ER S ION T YPE
关键词: 解码; 预报星历; 标准格式文件; 轨道参数
中图分类号: P22814
文献标识码: B
Abstract: T h is p ap er analyzes the fo recasting ep hem eris tran sm itted by GPS2satellites and describes and detailed fo rm at of the b inary ep hem eris docum en t received by GPS2receivers. T he docum en t is then decoded in to the standard fo rm at in R EN IX210 and the o rb it p a2 ram eters of satellites are ob tained. T he calcu lation of GPS2satellites coo rd inates and satellites fo recasting are p erfo rm ed w ith these p a2 ram eters. Key words: decod ing; fo recasting ep hem eris; o rb it p aram eters
REN IX 210标准格式预报星历数据的含义 表4 卫星 PRN 号, 年, 月, 日, 时, 分, 秒, a0, a1, 0
0, 0, 0, M 0
0, e, 0, A Toa, 0, 8 0, 0
i0, 0, Ξ, 8 0, 0, WN , 0
0, 0, 0, 0 0, 0, 0, 0
注: 预报星历的 R EN IX 210标准格式是与广播星历的格式相对 应的, 只是其中的一部分参数为零
比特数
8 8 16 8 16 24 24 32 24 16 11 11
最低位比例因子
1
1 2- 21≈ 4177×10- 7 212= 4096 2- 19≈ 1191×10- 6 2- 11≈ 4188×10- 4 2- 23≈ 1119×10- 7 2- 23≈ 1119×10- 7 2- 23≈ 1119×10- 7 2- 38≈ 3164×10- 12 2- 38≈ 3164×10- 12 2- 20≈ 9154×10- 7
范围3
255
0103125 602112 ±010625 8192 ±1 ±1 ±1 ±1119×10- 7 ±3173×10- 9 ±9177×10- 4
参数单位
周 无量纲
秒 半周 米1 2 半周 半周 半周 半周 秒 秒秒 秒
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
01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00- 11134076565470E+ 00
01000000000000E+ 00 41271984100342E- 03 01000000000000E+ 00 51153715332031E+ 03
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°+ ∆i)。
4 由 GPS 卫星的预报星历计算卫星的位置
GPS 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)。
311 子帧5之第1～ 24页, 子帧4之第2～ 5页及第7～
收稿日期: 1999211212; 修订日期: 1999212227 作者简介: 郑 (1977—) , 男 (汉族) , 浙江嵊州人, 同济大
学硕士研究生
52 工程勘察 Geotechn ica l Inves tiga tion & Su rvey ing
01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00 91910000000000E+ 02 01000000000000E+ 00
01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00
2000年第3期
图5 子帧5之第25页 工程勘察 Geotechn ica l Inves tiga tion & Su rvey ing 53
含义
WN 第1颗星 第2颗星
… 第24颗星 第25颗星
… 第32颗星பைடு நூலகம்
H ealth H ealth A 2S F lag
实际播发的星历电文 (1999年1月5日16时, U TC) 电 文