GPS卫星星历与卫星历书的区别

GPS卫星星历与卫星历书的区别

一、GPS导航的基本内容
GPS进行定位和导航时，需要用GPS星历信息和历书信息。导航信息最终将以生成导航电文的形式进行播发。导航电文是由GPS卫星向用户播发的一组反应卫星在空间的运行轨道、卫星钟的改正参数、电离层延迟修正参数及卫星的工作状态等信息的二进制码。为了实现导航定位，导航电文中应提供系统时间、卫星时钟、电离层改正等数据，为了辅助用户接收机捕获卫星信号，电文中应提供卫星历书(又称作卫星日程表)等数据。

二、GPS卫星星历

GPS星历可分为广播星历和精密星历两类。精密星历精度较高，主要用于事后处理，一般用于精密定位，如IGS精密星历，往往需要延迟两周左右后才能获得；广播星历是根据美国GPS控制中心跟踪站的观测数据进行外推处理后通过GPS卫星播发的一种预报星历，主要用于实时导航定位。

2.1 GPS广播星历

GPS广播星历提供卫星钟差、开普勒轨道参数和轨道摄动修正量，可由此求得卫星的地固坐标系地心坐标，由其确定的卫星位置精度高，可用于定位计算。广播星历是由其地面运行控制部分(OCS)确定和提供，并经GPS卫星向全球所有用户公开播发的一种预报星历。它是由分布在全球的5个监测站对卫星进行跟踪观测，然后将观测数据送到主控站，主控站利用采集到的数据中的P码观测值根据卡尔曼滤波方法估计卫星位置、速度、太阳光压系数、钟差、钟漂和漂移速度等参数，再利用这些参数推估后续时刻的卫星位置和钟差，并对这些结果进行拟合得到相应的轨道参数，最后生成导航电文进行播发。
广播星历的数据每两小时更新一次，图1就是观测7号卫星在2013年7月9日8点、10点的两个广播星历（其中各项的含义在RINEX格式中都有说明）：

在更新历元的前后各一小时范围内，决定的卫星位置可达到米级精度，使用广播星历外推卫星位置，其精度随相对参考历元时间间隔增大而迅速降低。广播星历提供了星历参考时刻t_oe，3个卫星钟差改正数、6个轨道根数参数和9个摄动改正参数。其所包含的具体导航参数如下表所示：

2.2 IGS精密星历

IGS精密星历采用SP3（Standard Product 3）格式，SP3精密星历数据格式的全称是标准产品第3号，它是一种在卫星大地测量中广泛采用的数据格式，其存储方式为ASCII文本文件，内容是卫星位置和卫星钟记录，还可以包含卫星的运行速度和钟漂。若在SP3格式文件第一行中有位置记录标记“P”，则表示文件中未包含卫星速度信息；若第一行中有速度记录标记“V”，则表示在文件中，对每一历元、每一颗卫星均已计算出了卫星的速度和钟漂。其文件体中每隔15 min给出1个卫星的位置，有时还给出卫星的速度。它的特点就是提供卫星精确的轨道位置。采样率为15分钟，实际解算中可以进行精密钟差的估计或内插，以提高其可使用的历元数。
常用的sp3格式的命名规则为：tttwwwwd．sp3。其中：ttt表示精密星历的类型，包括IGS(事后精密星历)、IGR(快速精密星历)、IGU(预报精密星历)三种，wwww表示GPS周；d表示星期，0表示星期日，1～6表示星期一至星期六。文件名如：igs12901．sp3，其中igs为计算单位名，1290为GPS周，1为星期一。以igr开头的星历文件为快速精密星历文件，以igu开头的星历文件为超快速精密星历文件。三种精密星历文件的时延、精度、历元间隔等各不相同，在实际工作中，根据工程项目对时间及精度的要求，选取不同的sp3文件类型。表列出了三种精密星历的有关指标 ：

2.3 广播星历与IGS精密星历坐标系偏差改正

广播星历是基于WGS84坐标系的，得到的卫星坐标是相对于卫星天线相位中心的，而IGS精密星历中是基于ITRF框架的（ IGS精密星历采用的是IERS国际地球自转服务发布的ITRF框架，ITRF 的构成是基于VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS等空间大地测量技术的观测数据，由IERS中心局分析得到的全球站坐标和速度场。），得到的坐标是相对于卫星质心的，两者之间存在一个差别，因此计算时必须考虑这项偏改正。将该项偏差转化到比较时刻的地心地固系下的具体做法是：首先计算比较时刻太阳在地心惯性系下的坐标，并结合卫星在W GS84坐标系下的坐标，得到卫星在地心惯性系下的坐标，然后再转化到比较时刻的地心地固系。由于该参数的大小并不统一，计算过程中选用不同参数时，计算结果会
有一定差别，且由于不同参数的差别主要在径向上，利用不同参数得到的结果在径向上有一个接近于常数的偏差。

三、GPS卫星历书

GPS历书是广播星历的概略形式，仅包括开普勒轨道参数和钟差改正参数，为用户提供精度较低的卫星位置（用于计算任意时刻天空中任意卫星的概略位置）。历书的更新周期较长，使用历书计算卫星位置只能达到公里级的精度，但使用历书外推卫星位置，其精度可在较长时问内保持公里级精度。历书用于接收机快速捕捉卫星以及预报卫星位置，GPS接收机中通常保存历书数据。
卫星历书信息主要用来求解各卫星的概略位置和速度，以辅助接收机快速捕获卫星。对于GPS的实时定位用户，需要接收机迅速捕获视界内的GPS卫星信号，并选择精度较好的星座。GPS卫星的历书（Almanac）包含在导航电文的第四和第五子桢中，可以看作是卫星星历参数的简化子集。第5子桢的第1-24页分别给出了SV1-24号卫星的历书，第4子桢的第2、3、4、5、7、8、9、10页分别给出了SV25-32号卫星的历书，每页给出一个卫星的历书，其每12.5分钟广播一次，寿命为一周，可延长至6个月。与广播星历相比，历书只提供基本的6轨道参数和2个钟差改正数和1项摄动改正项，具体参数见表：

四、广播星历与卫星历书的区别

广播星历提供了星历参考时刻t_oe，3个卫星钟差改正数、6个轨道根数参数和9个摄动改正参数。与广播星历相比，历书只提供基本的6轨道参数和2个钟差改正数和1项摄动改正项。广播星历与卫星历书的区别见表