GPS卫星预报星历的解码及卫星预报
卫星星历的相关内容.
预报星历
• 预报星历，是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传 递给用户的，用户接收机接收到这些信号，经过解码便可 获得所需要的卫星星历，所以这种星历也叫做广播星历。 • 广播星历参数：共有16个，其中包括1个参考时刻，6个对 应参考时刻的开普勒轨道根数和9个反映摄动力影响的参 数。这些参数通过GPS卫星导航电文传递给用户。每两个 小时更新一次；目前广播星历所给出卫星的点位中误差为 5-7m。
GPS卫星星历
• 概述
– 卫星的星历，是描述卫星运行轨道的一组数据。利用GPS定 位，就是根据已知的卫星轨道信息和用户的观测资料，通过 数据处理来确定接收机的位置和速度。所以，精确的描述轨 道的星历，是实现精确定位与导航的基础。
• GPS卫星星历的分类
– 预报星历（广播星历） – 后处理星历（精密星历）
广播星历文件示例
广播星历参数详解
后处理星历
• 后处理星历，一些组织根据各自建立的卫星跟踪站所获得 的对GPS卫星的精密观测资料，应用与确定广播星历相似 的方法而计算得到的卫星星历。它不是GPS卫星直接播发 的，而是由第三者提供给用户的GPS星历。
– ftp:///pub
精度
时间间隔
卫星位置计算方法
预报星历
低
2h 15min
用轨道参数来计算
后处理星历
高
插值
– ftp:///pub/gps/gpsdata – ftp://igs.ensg.ign.fr/pub/igs/ – ftp:///pub/product/
精密星历文件示例
区别
星类型
获取方法 由导航电文实 时地得到 事后由第三方 提供
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。
卫星运动基础及GPS卫星星历
第1章 卫星运动基础及GPS 卫星星历卫星的无摄运动只考虑地球质心引力作用的卫星运动称为卫星的无摄运动，即作为二体问题研究两个质点在万有引力作用下的运动。
1.1.1 开普勒三定律(1) 卫星运行的轨道是一个椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合。
(2) 卫星的地心向径，即地球质心与卫星间的距离向量，在相同的时间里扫过的面积相等。
(3) 卫星运行周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比是一常量，而该常量是地球引力常数GGGG 的倒数。
TT 2aa 3=4ππ2GGGG 1.1.2 卫星运动的轨道参数（开普勒轨道参数，轨道根数）图3-1 卫星轨道参数aa ——轨道椭圆的长半径。
ee ——轨道椭圆的偏心率。
ΩΩ——升交点的赤经，即地球赤道平面上升交点NN 与春分点γγ之间的地心夹角，0°~360°。
ii ——轨道面的倾角，即卫星轨道平面与地球赤道平面夹角，0°~180°。
ωω——近地点角距，即在轨道平面上，近地点AA 与升交点NN 之间的地心角距，0°~360°。
ff ——真近点角，即轨道平面上卫星与近地点之间的地心角距。
升交点 XX ZZ 春分点γγ 卫星近地点 OO ZZ ʹ AA NN SSΩΩ ff ωω 赤道面轨道面⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧①aa 、ee 唯一确定了卫星轨道的形状和大小②ΩΩ、ii 确定了卫星轨道平面与地球体的相对定向③ωω确定了轨道椭圆在轨道平面内的指向④ff 确定了卫星在轨道上的瞬时位置上述6个参数一旦确定，（在二体问题下）即可唯一确定卫星的运动状态（任意时刻tt 卫星的位置和运动速度）。
1.1.3 二体问题的运动方程1.1.4 二体问题微分方程的解1.1.5 轨道空间直角坐标系OO -XX ʹYY ʹZZ ʹ，以地球质心为原点，XX ʹ指向近地点，ZZ ʹ垂直于轨道平面向上，YY ʹ在轨道平面上垂直于XX ʹ轴，构成右手系。
GPS原理与应用复习重点
一、 填空题1.GPS系统由GPS卫星星座（空间部分）、地面监控系统（地面控制部分）和GPS信号接收机（用户设备部分）等三部分组成。
2.GPS工作卫星的地面系统，目前主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括一个主控站、三个信息注入站和五个卫星监测站。
3.主控站一个，设在美国本土科罗拉多.斯平士(Colorado Springs)的联合空间执行中心。
注入站现有3个，分别设在印度洋的狄哥•伽西亚(Diego Garcia)、南大西洋的阿松森岛(Ascension)和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。
五个监测站除主控站和注入站外，还在夏威夷设立了一个监测站。
4.在GPS信号接收机的分类中，按接收机的载波频率分类：单频接收机(SingleFrequency Receiver) 、双频接收机(Double Frequency Receiver)、双系统接收机 (GPS+GLONASS)；按接收机的用途分类：导航(Navigation)型接收机、测地(Survey)型接收机、授时(Time)型接收机；按接收机的通道数分类：多通道接收机、序贯通道接收机、多路复用通道接收机；按接收机的工作原理分类：码相关型接收机、平方型接收机、混合型接收机。
5.坐标系统与时间系统是描述卫星运动，处理观测数据和表达观测站位置的数学与物理基础。
6.坐标系统是由原点(origin)位置、坐标轴(Coordinate Axis)的指向和尺度(Scale)所定义的。
在GPS测量中,坐标系的原点一般取地球的质心（the mass center of the earth)，而坐标轴的指向具有一定的选择性。
为了使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系，通常称为协议坐标系(Conventional Coordinate System)。
7.测量时间，同样必须建立一个测量的基准，即时间的单位(尺度)和原点(起始历元)。
GPS基础知识一整理版
GPS复习题一1. GPS卫星定位技术的发展过程推算定位-天文导航-惯性导航-无线电导航。
2. GPS系统的组成空间部分：24颗卫星（21颗工作卫星+3颗备用卫星），6个近圆形轨道面，高度约20200km。
地面控制部分：1个主控站、5个监测站、3个注入站。
用户设备部分：用户设备主要是GPS接收机，它由天线前置放大器、信号处理、控制与显示、记录和供电单元组成。
3. GPS系统特点定位精度高观测时间短测站间无需通视可提供三维坐标操作简便,全天候作业功能多，应用广。
4. 名词解释黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。
黄道面与赤道面的夹角ε称为黄赤交角，约23.50。
春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点 。
岁差：春分点在黄道上产生缓慢西移，此现象在天文学上称为岁差。
章动：瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨迹大致为椭圆。
这种现象称为章动。
极移：地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象称为极移。
历元：在天文学和卫星定位中，与所获取数据对应的时刻也称历元。
5．什么是协议坐标系？建立方法，协议天球坐标系与协议地球坐标系的转换坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的。
在GPS定位中，坐标系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系称为协议坐标系。
RM——极移改正RS——GAST改正RN——章动改正RP——岁差改正6．什么是WGS—84坐标系？WGS—84坐标系采用什么椭球体参数？原点位于地球质心，z轴指向国际时间局1984年0时定义的BIH1984.0协议地球极方向，x轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z，X轴构成右手系坐标系。
对应WGS84大地坐标系的参考椭球为WGS84椭球。
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星历
GPS 信号结构及卫星星历。
GPS 卫星发射的信号是由载波、测距码和导航电文三部分组成的。
载波是指可运载调制信号的高频振荡波。
GPS 卫星所用的载波有两个。
由于它们均位于微波的L 波段，故分别称为L1 载波和L2 载波。
其中L1 载波是由卫星上的原子钟所产生的基准频率f0=10.23MHz 倍频154 倍后形成的，即f1=154*f0=1575.42MHz，其波长λ1 为19.03cm。
载波是基准频率f0 倍频120 L2 后形成的，即f2= 120*f0=1227.60MHz，其波长λ2 为24.42cm。
采用两个频率的目的是为了较完善地消除电离层延迟。
采用高频率载波的目的是为了更精确地测定多普勒频移，从而提高测速的精度；减少信号的电离层延迟，因为电离层延迟是与信号频率f 的平方成反比的。
测距码是用于测定从卫星到接收机之间距离的二进制码。
GPS 卫星中所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码。
根据其性质和用途的不同，测距码可分为粗码（C/A 码）和精码（P 码或Y 码）两类，每个卫星所用的测距码互不相同且相互正交。
粗码C/A 码，又称为粗捕获码，它被调制在L1 载波上，是1MHz 的伪随机噪声码（PRN 码），其码长为1023 位（周期为1ms ）。
由于每颗卫星的C/A 码都不一样，因此，经常用它们的PRN 号来区分它们。
C/A 码是普通用户用以测定监测站到卫星间的距离的一种主要信号。
精码P（Y）码，又称为精码，它被调制在L1 和L2 载波上，是10MHz 的伪随机噪声码，其周期为7 天。
在实施AS 时，P 码与W 码进行模二相加生成保密的Y 码，此时，一些用户无法利用P 码来进行导航定位。
导航电文是GPS 卫星向用户播发的一组反映卫星在空间的位置、卫星的工作状态、卫星钟的修正参数，电离层延迟修正参数等重要数据的二进制代码，也称数据码（D 码）。
广播星历，这种星历是主控站利用跟踪站收集的观测资料计算并外推出未来两周的星历，然后注入到GPS 卫星，形成导航电文供用户使用。
实习二、 GPS卫星星历预报
实习二、 GPS卫星星历预报一.实验目的（1）了解星历预报的意义。
（2）掌握星历预报的方法，并学会使用软件进行卫星星历预报。
（3）理解利用星历预报选择最付佳观测时段。
二．实验仪器（1）微机30套；（2）南方测绘仪器公司后处理软件30套以及使用说明书。
三. 实验内容（1）软件的安装和注册（2）星历预报操作方法（3）选择最观测时段四．实验步骤4.1软件安装与注册该处理软件由南方测绘仪器公司提供，该公司所有型号的GPS均共用这一个数据处理软件，其安装程序名为“GPSPro041119.exe”,后六位数字为按年月日排列的软件更新日期。
从2003年4月开始，其最新版本的数据处理软安装程序及其操作手册可以随时从免费下载将光盘放入计算机光驱中，双击“GPSPro011119.exe”程序，根据提示即可以完成安装。
安装程序自动在Windows桌面上创建名为“南方GPS数据处理”的程序图标，双机6图标即可以启动Gpsadj数据处理软件。
执行下拉菜单“帮助/注册”命令，在弹出的“软件注册”对话框中的“注册码”文本框中随便输入16位数字，单机“注册”按钮即可完成软件注册。
4.2星历预报在GPSADJ中执行下拉菜单“工具/星历预报”命令，弹出“StarReport”程序窗口。
单击窗口左边状态栏内的”参数设置“按钮，弹出”参数设置“对话框；在”星历文件“选项卡下单击”浏览“按钮，在弹出的”打开星历文件“对话框中选中最新下载的星历文件；在…坐标时区…选项卡中设置测区的经纬度值，荆州地区的概略经度为E=112度30分，概略纬度为N=30度12分。
“仪器设置”选项卡中高度角为10度，采样率（分钟）为5通道数（个）12和“采集条件”选项中卫星个数大于4个，PDOP小于4，最少观测时间（分钟）45；单击“确定”按钮，“StarReport”程序窗口的显示内容如图：图中显示的是2006年4月5日星期三24小时的星历信息。
单击窗口左边状态栏中的“卫星时间段”按钮可以看出现在的工作卫星已经有10颗。
GPS星历及观测数据的解读
对Y2191855.04N星历的解读：
一、文件名Y2191855.04N
Y2194：字符测站名
185：年积日
5：一天内文件的序号
04：两位年号（2004）
N：指星历
二、END OF HEADER 文件头结束标签
三、某卫星某历元的星历数据：
四、红色标注为卫星PRN号，绿色为历元时刻：
对Y2191855.04O解读：
一、文件名：
Y2194：字符测站名
185：年积日
5：一天内文件的序号
04：两位年号（2004）
O：观测值
二、红色框内是文件头内容
绿色框内是文件头标签
三、红色框为RINEX版本号
绿色为数据类型
蓝色为观测值类型
四、蓝色为接收机编号、类型及版本
红色为近似坐标
绿色为天线偏心
五、绿色为缺省的波长因子
红色为观测值类型及排列顺序
蓝色为波长间隔
六、蓝色为一个历元的观测数据
红色为历元时刻
绿色为卫星数及卫星列表
黄色为接收机伸差
下面的数据就是各个卫星的观测值。
第03章 卫星运动基础及GPS卫星星历
动。
§3.3 卫星的受摄运动
• 概述
G • 讨论二体问题时，六个轨道参数均为常数。 P 其中卫星过近地点的时刻τ也可用平近点角M0 S 代替。在考虑了摄动力的作用后，卫星的受 测 摄运动的轨道参数不再保持为常数，而是随 量 原 时间变化的轨道参数。卫星在地球质心引力 理 和各种摄动力总的影响下的轨道参数称为瞬 及 时轨道参数。卫星运动的真实轨道称为卫星 应 用 的摄动轨道或瞬时轨道。瞬时轨道不是椭圆，
2 影响卫星运行轨道的因素
G P S 测 量 原 理 及 应 用
GPS地球卫星在空间绕地球运行，除受地球引力作用外，
还受到日、月和其它天体的引力影响，以及太阳光压、大气 阻力和地球潮汐力等因素的影响。卫星的实际轨道变得非常 复杂，有不确定性，无法用简单而精确的数学模型描述。 各种作用力中， 地球引力的影响最大，其他作用力的影响
用用星历参数含义卫星prn06radradradsiradscusradcucradcisradcicradcrsmcrcmgpdctgdsiodcn卫星精度n卫星健康n卫星钟差时间偏差卫星钟速频率偏差系数卫星钟速变率漂移系数星历表参考历元星历表的数据龄期aode轨道长半径的平方根轨道偏心率按参考历元t0e计算的轨道倾角近地点角距按参考历元t0e计算的升交点赤经按参考历元t0e计算的平近点角平均角速度之差升交点赤经变化率轨道倾角的变化率纬度幅角的正弦调和项改正的振幅纬度幅角的余弦调和项改正的振幅轨道倾角的正弦调和项改正的振幅轨道倾角的余弦调和项改正的振幅轨道半径的正弦调和项改正的振幅轨道半径的余弦调和项改正的振幅gps周数载波l1和l2的电离层时延迟差星钟的数据龄期aodc0231899321079e060720000000000e040970000000000e020515365263176e040678421219345e020958512160302e000258419417299e010137835982556e010290282040486e000451411660250e080819426989566e080253939149013e090912137329578e050189989805222e060949949026108e070130385160446e070406250000000e010201875000000e030931000000000e030186264514923e080353000000000e030700000000000e01用用为了保持卫星预报星历的必要精度一般采用限制预报星历外推时间间隔的方法
实验3 GPS卫星星历预报
实验3 GPS卫星星历预报一.实验目的（1）了解星历预报的意义。
（2）掌握星历预报的方法，并学会使用软件进行卫星星历预报。
二. 实验说明为了使外业测量能顺利进行，有效利用可见卫星的时间区间，细致的计划是十分必要的.星历预报对监控测量活动仍然起着重要的作用。
它解答以下问题：1.对某一测站，何时PDOP值优于X，何时有多于Y颗可是卫星？2.想要同时测量X站。
何时对所有测站最佳？3.想要在给定的时间区间内进行测量，有多少颗可视卫星？4.测量位置部分被建筑物或树木遮挡，仍可得到较好的结果吗？目前常用数据处理软件做星历预报。
关于GPS数据处理软件，生产厂家不同，版本也各异，但星历预报的方法在本质上都是一致的。
三. 实验仪器（1）微机30套（2）广州市中海达测绘仪器有限公司处理软件30套以及说明书四. 实验方法星历预报在数据处理软件中进行，由于不同时间，测区上空的卫星个数分布和PDOP值都是变化的为了保证野外数据采集的质量，必须进行星历预报。
星历预报有两种方法：历书预报和实测预报。
（1）历书预报：这种方法是根据网上下载的星历文件的。
操作如下：从美国的\ftp\gps\almanacs\yuma网站下载一个大小约17~18kb名称为“Yuma*.txt”最新星历预报文件（文件名中的*代表数字），放置在用户计算机的某路径下，最后执行软件中的“星历预报命令。
（2）实测预报这种方法不需要从网上下载历书文件，而是通过实测数据文件进行预报。
使用接收机到野外开阔地带测15~30分钟，然后将数据传输至计算机，再通过软件加载此实测数据即可实现预报效果。
五. 实验内容（1）软件的安装和注册（2）星历预报操作方法六. 实验步骤(1) 中海达HDS2003处理星历预报1.软件的安装与注册实验中所用的软件HDS2003由中海达测绘仪器有限公司提供，可以从中海达公司官网上下载。
HDS2003数据处理软件包可以从光碟和硬盘中直接安装。
软件安装步骤如下：运行安装目录下光盘上的SETUP.exe文件，开始语言选择，如图1-1。
GPS卫星导航电文
1.2.2P码
P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10.23MHz的伪随机噪声码，直接使用由卫星上的原于钟所产生的基准频率，即：fp＝f0＝1.023MHz，其周期为七天。在实施AS时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。
L1、、L2由卫星上的原于钟所产生的基准频率f0＝1.023MHz倍频154倍和120倍产生。
1.2测距码
1.2.1C/A码
C/A码又称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1.023MHz的伪随机噪声码（PRN码），由卫星上的原子钟所产生的基准频率f0降频10倍产生，即：fC/A＝f0／10＝1.023MHz。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。
2.3L2C码
目前，C/A码只调制在Ll载波上，故无法精确地消除电离层延迟。随着全球定位系统的现代化，在卫星上增设调制了C/A码的第二民用频率码L2C码后，该问题将可得到解决。采用窄相关间隔(Narrow Correlator Spacing)技术后测距精度可达分米级，与精码的测距精度大体相当。
3.CPS卫星的载波信号
4.GPS导航电文
GPS卫星导航电文是用户利用GPS定位和导航所必须的基础数据。它主要提供了卫星在空间的位置、卫星的工作状态、卫星钟的修正参数、电离层延迟修正参数等重要信息。这些信息是以二进制码的形式按规定格式编码，并按帧发给用户接收机，因此又称之为数据码(D码)。
导航电文的传输速率为50bit/s，以“帧”为单位向外发送。每帧的长度为1500bit，播发完一个主帧需30s。一个主帧包括5个子帧。每个子帧均包含300bit，播发时间为6s。每个子帧又可分为10个字，每个字都由30bit组成。其中第四、五两个子帧各有25个页面，需要750s才能将25个页面全部播发完。第一、二、三子帧每30s重复一次，其内容每隔2h更新一次。第四、五子帧每30s翻转一页，12.5min完整地播发一次，然后再重复。其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。
《GPS测量原理及应用》第三版复习资料
第一章绪论1. GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座，地面控制部分——地面监控系统，用户设备部分——GPS信号接收机。
2 .GPS卫星星座部分：由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。
24颗在轨卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，各个轨道平面之间相距60°。
在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星。
3. GPS卫星的作用：第一，用L波段的两个无线载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号。
第二，在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时地发送给广大用户。
第三，接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。
4. 地面监控系统：1个主控站（美国科罗拉多）3个注入站（阿森松岛,迪哥加西亚岛，卡瓦加兰）5个监控站（1+3+夏威夷）5. GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。
6. GPS系统的特点：定位精度高，观测时间短，测站间无需通视，可提供三维坐标，操作简便，全天候作业，功能多，应用广。
7. GPS系统的应用前景:①用于建立高精度的国家性大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数②用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘③用于监测地球板块运动状态和地壳形变④用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段⑤用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置.8. 我国的GPS定位技术的应用和发展情况：在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面；在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程；在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS 航测等航测成图的各个阶段；在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测；此外，GPS技术还用于海洋测量、水下地形测绘、军事国防、智能交通、邮电通信、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业。
GPS星历及观测数据的解读
对Y2191855.04N星历的解读：
一、文件名Y2191855.04N
Y2194：字符测站名
185：年积日
5：一天内文件的序号
04：两位年号（2004）
N：指星历
二、END OF HEADER 文件头结束标签
三、某卫星某历元的星历数据：
四、红色标注为卫星PRN号，绿色为历元时刻：
对Y2191855.04O解读：
一、文件名：
Y2194：字符测站名
185：年积日
5：一天内文件的序号
04：两位年号（2004）
O：观测值
二、红色框内是文件头内容
绿色框内是文件头标签
三、红色框为RINEX版本号
绿色为数据类型
蓝色为观测值类型
四、蓝色为接收机编号、类型及版本
红色为近似坐标
绿色为天线偏心
五、绿色为缺省的波长因子
红色为观测值类型及排列顺序
蓝色为波长间隔
六、蓝色为一个历元的观测数据
红色为历元时刻
绿色为卫星数及卫星列表
黄色为接收机伸差
下面的数据就是各个卫星的观测值。
GPS3第三章 卫星运动基础及GPS卫星星历
ɺɺ = GM r r r2 r
在惯性坐标系下研究卫星相对于地球的运动， O-XYZ为惯性系
r = rs − re
ɺɺ = − GMm ⋅ r m ⋅ rs r r2
ɺɺ = + GMm ⋅ r M ⋅ re r2 r
o
S z E
y
分量形式：
Mm m ɺɺ s = − G x r3 Mm y m ɺɺ s = − G r3 m ɺɺ s = − G Mm z r3 Mm M ɺɺ e = + G x r3 Mm y M ɺɺ e = + G r3 M ɺɺe = + G Mm z r3 (xs − xe ) ( ys − ye) (zs − ze)
监测站
优点： 轨道参数非常准确，也称精密星历。 缺点： 不能做到实时。 后处理星历的编制和传送过程： 建立卫星跟踪系统，随时监测卫星运动状态 计算卫星星历 用磁带或通过电视、电传、卫星通讯等方式， 向用户提供以往观测时刻的星历。
课后作业：
1、简述卫星在轨道上运动所受的力的作用。 2、简述卫星在轨运动的开普勒三定律。 3、不同的摄动源对卫星的运动有哪些影响？ 4、何谓GPS卫星星历？ 5、简述预报星历的编制和传送过程。 6、简述后处理星历的编制和传送过程。
ɺ d (r × r ) dr ɺ d 2r ɺ ɺ = × r + r × 2 = r × r + r × ɺɺ = 0 r dt dt dt
ɺ ∴r × r = h
在惯性系中，向量的三个分量正是积分常数， 以符号A，B，C来表示，则在三维地心坐标系中：
ɺ ɺ YZ − YZ = A ɺ ɺ ZX − ZX = B ɺ ɺ XY − XY = C
GPS卫星预报星历的解码及卫星预报
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
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。
21334720000000E+ 05 01000000000000E+ 00 51270928013366E- 01 01000000000000E+ 00
91745818035437E- 01 01000000000000E+ 00- 117070060Байду номын сангаас1013E+ 00- 71771752296107E- 09
01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00- 11134076565470E+ 00
01000000000000E+ 00 41271984100342E- 03 01000000000000E+ 00 51153715332031E+ 03
gps导航卫星星历及历书参数意义
gps导航卫星星历及历书参数意义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double8升交点赤经double8 半周近地点角距double8 半周参考时间的平近点角double8 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 2GPS星期数short 2GPS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。
子情境3GPS卫星星历
二、后处理星历
国际组织、国家、城市、仪器制造 商等由自已的跟踪站观测数据推算，由 网络、手机、电视、光盘、磁带等介质 以免费或收费的方式向用户提供。一般 不能实时定位。
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。
as ,e, i0, ωs, Ω0, M0
春分 点
Ω0——星期日子夜零时பைடு நூலகம் 格林威治子午面与参考
时刻toe时的升交点所在 子午面之间的夹角。
) GAST(t
地心
Ω
oe
Ω
o
toe 时 升交点
0
to 时格林 威治
2)轨道摄动九参数
2.时间二参数 toe——星期日子夜零时起算的星历参考时刻。
取值范围：0~604800s。 AODE——数据龄期，即用于推算星历的监测
卫星星历是描述卫星运行轨道的参数，分预 报星历和后处理星历。
一、预报星历 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（P35表2.3中六
至十一行）、轨道摄动九参数（P35中十二行 至P36六行）、时间二参数（P35四、五行）。
预报星历的内容：
1.开普勒六参数
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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。
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
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
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)。
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
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
21334720000000E+ 05 01000000000000E+ 00 51270928013366E- 01 01000000000000E+ 00
91745818035437E- 01 01000000000000E+ 00- 11707006031013E+ 00- 71771752296107E- 09
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
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
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
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。
01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00 91910000000000E+ 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 “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 ”。
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
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
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)。
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。
01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00 01000000000000E+ 00- 11134076565470E+ 00
01000000000000E+ 00 41271984100342E- 03 01000000000000E+ 00 51153715332031E+ 03
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
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