GNSS技術(shù)干貨之星歷和歷書(shū)-云帆興燁

發(fā)表日期:2023/09/05 瀏覽次數:

星歷和歷書(shū)往往是解決衛星導航問(wèn)題的重要入口,但這兩個(gè)概念容易混淆,今天我們就聊一聊星歷和歷書(shū)。


悠久的歷史


星歷(Ephemeris)這個(gè)詞源于希臘語(yǔ) "ephémeros",意思是"每日的"。在很早以前的航海和天文領(lǐng)域,星歷就有著(zhù)重要的應用,指天體運行位置和運動(dòng)參數的表格或指南,可以用來(lái)表示天體在特定時(shí)間的位置,便于船舶和航天器的導航和定位。

歷書(shū)(Almanac)一詞最早出現在拉丁語(yǔ)中的“almanachus”,意為“日程表”,歐洲的天文學(xué)家和占星家早在十一世紀就開(kāi)始編寫(xiě)阿爾曼紐斯(Almanacs)以記錄準確的日食、月食、星象和行星位置等觀(guān)測數據,并用它來(lái)預測未來(lái)的行星和潮汐運動(dòng)。


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從這兩個(gè)名詞的來(lái)源看,星歷包含實(shí)時(shí)的天體運動(dòng)位置,歷書(shū)具有預報的作用。衛星導航借用了星歷和歷書(shū)的概念,用來(lái)描述導航電文中的重要組成部分 —— 衛星位置以及重要衛星參數。


衛星導航的星歷和歷書(shū)


在衛星導航中,星歷與歷書(shū)都是表示衛星運行的參數,通過(guò)導航電文的方式,以比特數據的形式發(fā)送給定位接收機。


  • 星歷是當前接收機能夠觀(guān)測到的衛星的精確位置,精度很高,并應用于定位。星歷數據的有效期短,通常1-2個(gè)小時(shí)就更新一次。

  • 歷書(shū)包括導航星座全部衛星的大概位置,用于衛星預報。歷書(shū)的精度比星歷通常要低很多,有效期也長(cháng)很多。用戶(hù)可以根據自身位置與歷書(shū)的信息,預測出當前接收機可見(jiàn)衛星,從而減少漫天搜索衛星的時(shí)間。


例如,接收機搜捕到了1號GPS衛星,那么它就可以從導航電文中解出1號星的星歷信息,并計算出1號星的精確位置,同時(shí)可以從一號星中收到所有32GPS衛星的歷書(shū)信息,用來(lái)預報此時(shí)GPS星座其他衛星所處的大概位置。


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開(kāi)普勒與衛星軌道


開(kāi)普勒六根數

Keplerian Elements


星歷和歷書(shū)中包含最重要的內容就是衛星的位置了。衛星的位置到底是以什么格式體現的呢?是我們通常說(shuō)的X、Y、Z么?

目前除了GLONASS系統播發(fā)其坐標系下衛星的具體位置之外,像北斗、GPS都是播發(fā)開(kāi)普勒根數。

開(kāi)普勒六根數是描述行星軌道參數,它們是:

·軌道傾角(Inclination
·升交點(diǎn)赤經(jīng)(Longitude of the Ascending Node
·近日點(diǎn)幅角(Argument of Periapsis
·軌道離心率(Eccentricity
·平近點(diǎn)角(Mean Anomaly
·半長(cháng)軸(Semi-Major Axis

通過(guò)這些參數就可以計算和預測行星位置及其運動(dòng)了。

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開(kāi)普勒六根數描述星體運行位置


這些參數以一定的規則填寫(xiě)到導航電文當中,接收機就能通過(guò)這個(gè)規則解出開(kāi)普勒參數,從而計算出衛星的位置了。


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北斗導航電文格式(部分)


星歷歷書(shū)包含的其他重要內容


除了衛星的開(kāi)普勒參數星歷還包括以下信息:


·衛星攝動(dòng)量參數、電離層修正參數
·系統誤差校正參數:衛星鐘差和鐘漂等修正參數
·相對于參考時(shí)刻的時(shí)間差:包括衛星鐘時(shí)和導航消息發(fā)射時(shí)刻等
·其他輔助信息:衛星狀態(tài)、Health Status以及其他輔助導航數據


這些信息對于接收機的正??煽抗ぷ饕灿蟹浅V匾淖饔?。另外,軍碼的星歷精度往往會(huì )高于民碼。


相比之下,歷書(shū)除了開(kāi)普勒參數外,包含的信息就少很多,其主要的任務(wù)就是把星座的幾十顆星的參數完全播發(fā)出來(lái),而且往往需要把完整的歷書(shū)數據需要拆開(kāi)來(lái)播發(fā),比如GPS30秒發(fā)送歷書(shū)的一部分內容,12.5分鐘才能發(fā)送完成一個(gè)完整的歷書(shū)。歷書(shū)往往存儲在接收機的非易失存儲器中,用來(lái)加快首次定位速度。


星歷和歷書(shū)的存放格式


用戶(hù)只能通過(guò)接收衛星導航信號才能獲得星歷和歷書(shū)么?其實(shí)不然,星歷和歷書(shū)信息還可以通過(guò)其他的方式發(fā)送給接收機,用來(lái)提高接收機的性能。比如A-GPS中,衛星的軌道參數可以通過(guò)基站高效的發(fā)送給手機,用來(lái)提高手機首次定位時(shí)間。另外,我們可以從GPS、BD網(wǎng)站下載到星歷的數據,很多機構也會(huì )發(fā)布這些信息供用戶(hù)下載使用。


星歷一般以RINEX格式存儲,歷書(shū)一般以YUMA格式或TLE格式存儲,標準化的文件格式為全球的衛星導航用戶(hù)提供了統一的接口,為定位導航的研究帶來(lái)了極大的方便。比如下面這個(gè)網(wǎng)站可以提供最新的兩行根數格式TLE的歷書(shū)文件。

思博倫的PosApp軟件支持導入外部下載的星歷和歷書(shū)文件,從而使GSS7000的星座仿真和真實(shí)的衛星分布保持一致。


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總結


GNSS星歷和歷書(shū)在定位和授時(shí)方面起著(zhù)關(guān)鍵作用。準確星歷數據可以實(shí)現更精確、可靠、高效的GNSS定位、導航和授時(shí)功能。隨著(zhù)GNSS技術(shù)的不斷改進(jìn),未來(lái)的發(fā)展將繼續圍繞著(zhù)提高星歷、歷書(shū)的準確性、可用性、播發(fā)效率等展開(kāi),為GNSS技術(shù)的廣泛應用開(kāi)辟新的機遇。



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