导航电文星历参数对卫星轨道精度的影响

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图 3 一 天 以 后 G S卫 星 广 播 轨 道 误 差 P
分析 。根 据导航 电文 中广 播 星 历参 数 计 算 所 得 的
轨道 我们称 之为 广 播 轨道 , 图 1中的 广播 轨 道 . 即 由于曲线拟 合误 差 , 广播 轨道 和预 报轨 道也存 在一 定 的偏 差 , 拟 合 误 差 ( i ig E rr ( m 级 ) 即 F t n ro ) c t 。


图 1 卫 星 轨 道模 型 以 及轨 道 误 差 矢量 分 解

实 际轨道 描述 了卫 星在轨 真实 运行状 态 , 由于 I GS提供 所 有 GP S卫 星 每 1 n的三 维 轨 道 坐 5mi
捌 群 鲤

标 , 有很 高 的精 度 , 具 因此 , I 将 GS精 密 星 历 给 出


图 2 2 1 / 1 1 日 GP 0 0 1 /4 S卫 星广 播 轨 道误 差
轨道不 可能 准确无 误 的反应卫 星 真实 的在轨信 息 , 总有 一 定 的偏 差 和 扰 动 , 图 1中的 差 值 。实 际 即
上 , 预报 轨 道 曲线 拟 合 为 一 系列 开 普 勒 轨 道 参 将
卫 星导 航 定 位 的关键 是 获 知导 航 卫 星发射 测
距信 号 时的精 确位置 , 而卫 星 的轨道信 息 即星历参
数是 以导 航 电文 的形 式发播 给用 户 , 户通 过接 收 用 卫 星信号 , 获取 包 括 星历 数 据 在 内 的导 航 电文 , 才 能够 计算 出卫 星位 置 , 而确定 用户 自身位 置 。因 从 此导 航 电文 中星历 参 数 质量 的好 坏 直接 决 定 卫 星 轨道 的精 度 , 进而影 响 到定 位精 度 。 全球 卫 星 导 航 系统 ( S GL NAS 、 L — GP 、 O S GA I L O 等) 发 的导航 电文 , E 播 特别 是卫 星 星历 参 数选 择 和结 构 设 计 均 有 所 差 异 , S GAL L O 广 播 GP / IE
的卫星 在 国际地球参 考框 架 (TF 系下 的轨道 坐 I R)
标 作为 实际轨 道 ( 考虑 坐标框 架 的转换误 差口 ) 不 ],
如图 1中 的精 密 轨 道 。而 预报 轨 道 则 根 据参 考 时 间之前 的精 密轨 道信息 和卫 星受力 模型 预测 得到 , 如 图 1中的预测 轨道 。 由于卫 星受 力 的复杂性 , 预 报轨道 和精 密轨 道总有 一定 的误差 。换 言之 , 预报
6 0
8 0
10 0 10 I0 2 4 10 6 10 8
耀

时 间 历 元 / h
6 0
8 0
10 0 l0 10 2 4 l0 6 1 0 8
时间历元/ h
图 4 一 周 以 后 GP S卫 星广 播 轨 道 误 差

由 图 4可 知 , 周 之 后 , 星 广 播 轨 道 误 差 变 一 卫
而将 广播 轨道 和 I GS精 密 轨道 之 问 的误 差 称 之为 广播 轨道误 差 ( 般 在 m 级 ) 如 图 1中 轨道 误 差 一 ,
的值 。 某一 历元参 考 时刻 , 由精 密星 历 (G ) 到 的 IS 得 卫 星地 心地 固坐 标 系 ( C F) E E 中实 际 位 置 矢 量 记
所示 。
为 R, 由同 一 时 刻 广播 星历 参 数 ( I E 计 算 的 R N X)

1 O・



位 系 统
PRN2 2 / / 4 21 4 0l 1 1 . l 1
第 3 7卷



嗤 捌
霍 幕 i 匾
2 0 4 0 2 0 4 0
广 播 星历参 数 的拟 和算法 , 析 了其 帧结 构设 计 的 分

些改 进 。
1 卫 星轨 道 精 度 分 析
导航 电文 中卫 星 星历 是 描述 卫 星运 行 轨 道 的
信息 , 卫星 星历按 精 度 可 分 为两 种 , 播 星 历 和精 广
密 星历 。广 播 星历 是 由美 国系 统 跟踪 站 观 测 数据 计 算 出的 卫 星 轨 道 外 推 得 出 的 , RI X 文 件 , 即 NE 并 由卫星实 时 向用 户 发 播 , 精 度较 低 , 般 在 i 其 一 T I 级 。而精密 星历 采用 地 区乃 至 全 球跟 踪 站 观 测 资
变 化 , 其 在 切 向 、 向 和 法 向 的 投 影 值 呈 现 周 期 性 余 弦 变化 , 演 变 周 期 与 G S轨 道 周 期 近 而 径 其 P
似 相等 , 而选取 改进 后 的 1 7个广播轨 道参数 表 示的 星历数据 于 1 5个 星历参数 对 比 , 其轨 道拟
和 误 差 值 改 善 2 3c ~ m.
关键 词 :导航 电文 ; 星历参 数 ; 星轨 道 卫
中图分类 号 : 28 4 P 2 . 文献标 志码 : A
文 章 编 号 :1 0 — 2 8 2 1 ) 2 0 0 - 7 0 8 9 6 ( 0 2 0 — 0 80
U 引

征卫 星在轨 信息 。
具 体分 析 G S改进 前后 导航 电文 中星历 参数 P 对 其卫 星轨 道精度 的影 响 , 绍 了不 同频 点播 发 的 介
第 2期
周 昀等 : 导航 电文 星历参数 对卫 星轨 道精度 的 影响
・9 ・
圆轨 道附近 波动 的不规 则 曲线 , 而且使 得描 述其轨
同坐 标 系下 位 置矢 量 记为 R , R=R 一R 即为 广 △ = = 播轨 道误 差矢 量 , 该误 差 矢 量 投 影 到 三个 方 向, 将
道之 间的误差 , 将 其 投 影 到 卫 星 切 向、 向 和 法 向进 行 仿 真 研 究 。比较 了民 用导 航 电 文 并 径
( NAV) 旧民用导航 电 文( c 和 NAV) 星历参数 的差 异 , 用精 密 星历拟 和 出对 应 的广播 星历 的 利 参数 , 究其 星历参数 的 变化对卫 星轨 道精度 的影 响 。分析 了 GP 研 S不 同频 点播 发 的导航 电文 中星历 参数在 数据 帧 内的结构 。研 究结果表 明 : S卫 星广播 轨 道误 差 一 周 内在 2到 4m 内 GP
间段 内由导航 电文 中广 播 星历 参 数 计 算 所得 的各 颗 GP S卫 星广 播轨 道误差 。仿 真结 果 如 图 2和 图 3所示 , 中 x 轴 表 示 历 元 时 刻 , 0:0:0 其 即 —
2 4 0, 3: 5: 0 Y轴表 示卫 星 P RN序 号 , Z轴 则反 应 均方 误差 值 ( RMS 。 )
{j I I I 蝼 捌 乔 整 L
数 , 在导航 电文 中播发 出去 。如 GP 1频 点上 并 SL 的 NAV 电文 中 的 l 5个 开 普 勒 轨 道 参 数 (o te除
外 )L C 和 L ,2 5频 点 上 播 发 的 C NAV 电文 中 , 则 播发 了 1 7个轨 道参 数 (o te除外 ) 具体参 数 见下文 , 从 图 2中可 以看 出 , P N2 除 R 7号卫 星在 5 —6 点 , 5 8点 ,2 4点 轨道 误差 超 过 8m 以外 , 1 —1 2 ~2 其余 卫星一 天 内广播 轨 道 误 差均 在 3m 左 右 。图 3 反应 一天 以后各 颗卫 星 的轨 道误 差 变 化情 况 , 则 由图 可知 , 同样 , 了 P N2 除 R 7号卫 星 在 5 —6点轨
第3 7卷 第 2期
21 0 2年 4月
全 球 定 位 系 统
G N SS W or d hi a l of C n
Vo . 1 37, . No 2 Aprl 2 2 i, 01
导 航 电文 星 历 参数 对 卫星 轨道 精 度 的影 响
周 昀 , 智 刚 , 陆潇 黄 王
量分 解 由图 1中所示 。
以 2 1- 11 日、 11 日 , RN一 1 3 ( 0 01 -4 1 —5 P — 2 除
“ 播轨道 ” 如 图 1 示 。 广 , 所
4 1 号 星外 , 因是 R NE ,5 原 I X文件 中没 有 P N4和 R P RN1 某 些 时 间段 内 的广 播 星历 参 数 , 不 予 考 5 故 虑 。 为例 , 真分析全 天 0: 0 3: 5: 0时 ) 仿 0: —2 4 0
数, 由上述 参数 可 以计 算卫 星在 地心地 固坐 标系 中
的位 置 。
参数 选择 更加 合理 , 改进后 的星历参数 能精 确地 表
收 稿 日பைடு நூலகம் :2 1 一 81 0 1O —8
受各种 摄 动的影 响 , 星实 际轨迹 为其 理论椭 卫
联 系 人 :周 昀 E mal ik co @ 13 cr — i nk oh u 6 .o : n
示。


2 0
4 0
6 0
8 0
10 0 10 10 2 4 10 1 0 6 8
化 规 律 基本 相 同 , 即除 P N2 R 7号 星 误 差 较 大外 ,
时间历元/ h
其余 卫 星广播 轨道 误差均 在 3m 左 右 。
观察 图 2到 图 4广播 轨道误 差波 形变化 , 现 发 该 误差波 形 具 有 一 定 的周 期 性 和 波 动 性 , 体 以 具 P RN2 4号卫 星 为例 , 析 其 在 一 周 内的 变 化 情 况 分 ( 2 1— l1 日到 2 即 0 0 1一4 1日) 。仿 真 结 果 如 图 5所
道 误差 超过 8m, 余卫 星一 天 内广播 轨 道误 差均 其
在 3m 左 右 。
为 了更 好地 分析 轨道误 差长 期变 化情 况 , 真 仿 了一 周 以后 ( 2 1 一12 即 0 0l —1日) 各颗 卫 星全 天 0 0 :: 0 3 4 :0时 间段 内广播误 差 。具体结 果如 图 4 —2 :5 0
道 的开普 勒根 数 是 随时 间 变 化 的 函数 。为 了更好 地理 解导 航定位 系 统 中卫 星轨 道 的描 述 和分 析研
究 , 卫 星轨道 区分 为 “ 际 轨 道” “ 报轨 道 ” 将 实 、预 和
分别 为 同时刻 卫星径 向 Ra 、 向 Ah和法 向 Ac, d切 t 研究 三个方 向上广播 轨道 误差 的变 化规 律 , 具体 矢
( 京 航 空 航 天 大 学 , 京 10 9 ) 北 北 0 1 1
摘 要 :卫 星 导航 定位 的 关键是 获 知导航 卫 星 的精 确位 置 , 其轨 道精 度 与 导航 电 文 中广
播 星历参 数 密切 相 关。分析 了由广播 星历参数 计算 的卫 星广播 轨道 与精 密星历 确定 的真 实轨
星历 参数 的设 计利用 了轨 道摄 动特征 , 选取 开普 勒 轨道 根数 作 为 广 播 星 历 参 数 ,GL ONAS S卫 星 轨
道则 选取 卫 星位 置和 速 度 向量 以及 太 阳 和月 亮 的 摄 动加 速度等 参数 。 ] 现代 化 的 GP 2 S L C和 L 5频 点 上 的 C NAV、 L C频点播 发 的 C 1 NAV 2相 比 NAV 电文 星 历 参 - 数也 做 了改进 , 进 后 的 星历 参数 表 示 精 度更 高 , 改
料计 算 出的卫 星轨道 , 主要用 于 事后处 理 。 目前精
度最 高 的是 由 国 际地 球 动 力 学 服 务 组 织 (GS 提 I )
供 的精 度 星历 , 其误 差 一 般 小 于 5c 其 中 , m. 广播 星历 参数包 括基 本 开 普 勒轨 道 参 数 和一 些 摄 动 系
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