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      GNSS技術干貨之星歷和歷書-云帆興燁

      發表日期:2023/09/05 瀏覽次數:

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


      悠久的歷史


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

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


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      從這兩個名詞的來源看,星歷包含實時的天體運動位置,歷書具有預報的作用。衛星導航借用了星歷和歷書的概念,用來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


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


      • 星歷是當前接收機能夠觀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個小時就更新一次。

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


      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,同時可以從一號星中收到所有32GPS衛星的歷書信息,用來預報此時GPS星座其他衛星所處的大概位置。


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      開普勒與衛星軌道


      開普勒六根數

      Keplerian Elements


      星歷和歷書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?是我們通常說的X、Y、Z么?

      目前除了GLONASS系統播發其坐標系下衛星的具體位置之外,像北斗、GPS都是播發開普勒根數。

      開普勒六根數是描述行星軌道參數,它們是:

      ·軌道傾角(Inclination
      ·升交點赤經(Longitude of the Ascending Node
      ·近日點幅角(Argument of Periapsis
      ·軌道離心率(Eccentricity
      ·平近點角(Mean Anomaly
      ·半長軸(Semi-Major Axis

      通過這些參數就可以計算和預測行星位置及其運動了。

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      開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到導航電文當中,接收機就能通過這個規則解出開普勒參數,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)


      星歷歷書包含的其他重要內容


      除了衛星的開普勒參數星歷還包括以下信息:


      ·衛星攝動量參數、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
      ·相對于參考時刻的時間差:包括衛星鐘時和導航消息發射時刻等
      ·其他輔助信息:衛星狀態、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高于民碼。


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


      星歷和歷書的存放格式


      用戶只能通過接收衛星導航信號才能獲得星歷和歷書么?其實不然,星歷和歷書信息還可以通過其他的方式發送給接收機,用來提高接收機的性能。比如A-GPS中,衛星的軌道參數可以通過基站高效的發送給手機,用來提高手機首次定位時間。另外,我們可以從GPS、BD網站下載到星歷的數據,很多機構也會發布這些信息供用戶下載使用。


      星歷一般以RINEX格式存儲,歷書一般以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提供了統一的接口,為定位導航的研究帶來了極大的方便。比如下面這個網站可以提供最新的兩行根數格式TLE的歷書文件。

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


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      總結


      GNSS星歷和歷書在定位和授時方面起著關鍵作用。準確星歷數據可以實現更精確、可靠、高效的GNSS定位、導航和授時功能。隨著GNSS技術的不斷改進,未來的發展將繼續圍繞著提高星歷、歷書的準確性、可用性、播發效率等展開,為GNSS技術的廣泛應用開辟新的機遇。



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