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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(shù):

星歷和歷書(shū)往往是解決衛(wèi)星導(dǎo)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,星歷就有著重要的應(yīng)用,指天體運(yùn)行位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)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(dǎo)航和定位。

歷書(shū)(Almanac)一詞最早出現(xiàn)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(jì)就開(kāi)始編寫(xiě)阿爾曼紐斯(Almanacs)以記錄準(zhǔn)確的日食、月食、星象和行星位置等觀測(cè)數(shù)據(jù),并用它來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的行星和潮汐運(yùn)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(yùn)動(dòng)位置,歷書(shū)具有預(yù)報(bào)的作用。衛(wèi)星導(dǎo)航借用了星歷和歷書(shū)的概念,用來(lái)描述導(dǎo)航電文中的重要組成部分 —— 衛(wèi)星位置以及重要衛(wèi)星參數(shù)。


衛(wèi)星導(dǎo)航的星歷和歷書(shū)


在衛(wèi)星導(dǎo)航中,星歷與歷書(shū)都是表示衛(wèi)星運(yùn)行的參數(shù),通過(guò)導(dǎo)航電文的方式,以比特?cái)?shù)據(jù)的形式發(fā)送給定位接收機(jī)。


  • 星歷是當(dāng)前接收機(jī)能夠觀測(cè)到的衛(wèi)星的精確位置,精度很高,并應(yīng)用于定位。星歷數(shù)據(jù)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(dǎo)航星座全部衛(wèi)星的大概位置,用于衛(wèi)星預(yù)報(bào)。歷書(shū)的精度比星歷通常要低很多,有效期也長(zhǎng)很多用戶(hù)可以根據(jù)自身位置與歷書(shū)的信息,預(yù)測(cè)出當(dāng)前接收機(jī)可見(jiàn)衛(wèi)星,從而減少漫天搜索衛(wèi)星的時(shí)間。


例如,接收機(jī)搜捕到了1號(hào)GPS衛(wèi)星,那么它就可以從導(dǎo)航電文中解出1號(hào)星的星歷信息,并計(jì)算出1號(hào)星的精確位置,同時(shí)可以從一號(hào)星中收到所有32GPS衛(wèi)星的歷書(shū)信息,用來(lái)預(yù)報(bào)此時(shí)GPS星座其他衛(wèi)星所處的大概位置。


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開(kāi)普勒與衛(wèi)星軌道


開(kāi)普勒六根數(shù)

Keplerian Elements


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

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

開(kāi)普勒六根數(shù)是描述行星軌道參數(shù),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(zhǎng)軸(Semi-Major Axis

通過(guò)這些參數(shù)就可以計(jì)算和預(yù)測(cè)行星位置及其運(yùn)動(dòng)了。

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開(kāi)普勒六根數(shù)描述星體運(yùn)行位置


這些參數(shù)以一定的規(guī)則填寫(xiě)到導(dǎo)航電文當(dāng)中,接收機(jī)就能通過(guò)這個(gè)規(guī)則解出開(kāi)普勒參數(shù),從而計(jì)算出衛(wèi)星的位置了。


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北斗導(dǎo)航電文格式(部分)


星歷歷書(shū)包含的其他重要內(nèi)容


除了衛(wèi)星的開(kāi)普勒參數(shù)星歷還包括以下信息:


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


這些信息對(duì)于接收機(jī)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(shù)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(shù)完全播發(fā)出來(lái),而且往往需要把完整的歷書(shū)數(shù)據(jù)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(nèi)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(chǔ)在接收機(jī)的非易失存儲(chǔ)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(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)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(jī),用來(lái)提高接收機(jī)的性能。比如A-GPS中,衛(wèi)星的軌道參數(shù)可以通過(guò)基站高效的發(fā)送給手機(jī),用來(lái)提高手機(jī)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(shù)據(jù),很多機(jī)構(gòu)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(chǔ),歷書(shū)一般以YUMA格式或TLE格式存儲(chǔ),標(biāo)準(zhǔn)化的文件格式為全球的衛(wèi)星導(dǎo)航用戶(hù)提供了統(tǒng)一的接口,為定位導(dǎo)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(shù)格式TLE的歷書(shū)文件。

思博倫的PosApp軟件支持導(dǎo)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(wèi)星分布保持一致。


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總結(jié)


GNSS星歷和歷書(shū)在定位和授時(shí)方面起著關(guān)鍵作用。準(zhǔn)確星歷數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)更精確、可靠、高效的GNSS定位、導(dǎo)航和授時(shí)功能。隨著GNSS技術(shù)的不斷改進(jìn),未來(lái)的發(fā)展將繼續(xù)圍繞著提高星歷、歷書(shū)的準(zhǔn)確性、可用性、播發(fā)效率等展開(kāi),為GNSS技術(shù)的廣泛應(yīng)用開(kāi)辟新的機(jī)遇。