GPS从入门到放弃（五） --- GPS导航电文

GPS从入门到放弃（五） — GPS导航电文

GPS的导航电文以帧的形式编排为比特流，每一帧为1500比特，这1500比特又分为5个子帧，每个子帧为300比特。每一子帧又分为10个字，每个字30为比特。发送时MSB在前。每一比特发送需要20ms，所以发送一帧需要30s。

每周开始的时候（周六半夜12点/周日凌晨0点），不管之前数据发到哪个子帧，从第一子帧重新开始发；第四、五子帧从第一页开始发。

对每一个子帧来说，其第一个字是遥测字（TLW: Telemetry Word），第二个字是交接字（HOW: HandOver Word），后8个字为数据。

遥测字

其结构如下图所示。其首8个比特为前导码（preamble），前导码固定为10001011。这个固定的前导码可以用来搜索、确定子帧的起始沿。第9位到第22位提供特许用户使用的数据，我们不用管。第23位为完好性状态指示标志（ISF：Integrity Status Flag），为1表示有发射的信号有增强的完好性保证，即更加靠谱。当然这个靠谱是有标准的，在GPS的接口说明文档里有详细数值指标，需要详细了解的可以去查阅。第24位保留。最后6位为奇偶校验码。

交接字

其结构如下图所示。第1到17比特为被截断的周内时（TOW: Time of Week），表示的是下一子帧起始沿的GPS时间，单位为6s，即变动1表示时间6s。第18位为警告标志，为1时非特许用户自行承担使用该卫星信息的风险。第19位为反电子欺骗措施（AS）标志，为1表示实施了该措施。第20位到22位为子帧ID，每一帧有5个子帧，ID为1~5。第23、24比特是通过求解得到的，目的是保证奇偶校验码的最后29、30比特为0。

数据字

对于数据字，各个子帧就不一样了，下面分子帧来讲。

第一子帧

第一子帧包含的数据有

• 周数（WN: Week Number）：10位，最大值为1023，表示从GPS时间0时开始的第几周。因位数限制，最大表示范围只有约19.6年，于是每19.6年会翻转一次。最近一次翻转发生在今年4月6日。
• L2载波上是否有P码和C/A码：2位，这个我们不管。
• 用户测距精度（URA: User Range Accuracy）：4位，16个级别，数值越小，精度越高。
• 卫星健康状况：6位，其中1位为汇总是否有问题，5位具体表示是什么问题。
• 时钟数据的期号（IODC: Issue of Data, Clock）：10位，同一期（同样）的时钟校正参数有着相同的期号，因此可用于确定时钟校正参数是否发生变化。
• L2载波的P码上是否有导航电文：1位，这个我们不管。
• 预估群波延时（Estimated Group Delay Differential）：8位，单频接收机用这个数据来校正电离层延时。
• 时钟校正参数：包含 $t_{oc}, a_{f0}, a_{f1}, a_{f2}$。用于校正卫星时钟。卫星时钟在GPS时间为t时的卫星钟差 $\Delta t_s$可以表示为：
  $\Delta t_s = a_{f0} + a_{f1}(t-t_{oc}) + a_{f2}(t-t_{oc})^2$

第二、三子帧

第二子帧和第三子帧的数据合在一起可以提供一套卫星星历（Ephemeris）参数。

参数名	位数	含义
$t_{oe}$	16	星历参考时间
$\sqrt{A}$	32	卫星轨道半长轴A的平方根
$e$	32	卫星轨道偏心率
$i_0$	32	$t_{oe}$时的轨道倾角
$\Omega_0$	32	周内时为0时的轨道升交点赤经
$\omega$	32	近地点角距
$M_0$	32	$t_{oe}$时的平近点角
$\Delta_n$	16	卫星平均角速度校正值
$\dot{i}$	14	轨道倾角的变化率
$\dot{\Omega}$	24	轨道升交点赤经的变化率
$C_{uc}$	16	升交点角距余弦调和校正振幅
$C_{us}$	16	升交点角距正弦调和校正振幅
$C_{rc}$	16	轨道半径余弦调和校正振幅
$C_{rs}$	16	轨道半径正弦调和校正振幅
$C_{ic}$	16	轨道倾角余弦调和校正振幅
$C_{is}$	16	轨道倾角正弦调和校正振幅

除了星历参数以外，还有

• 星历数据的期号（IODE: Issue of Data, Ephemeris）：8位，可用于确定星历数据是否发生变化。它在第二和第三子帧中都有，方便尽快发现星历参数的变化。一般情况下，IODE的值与第一子帧中的IODC值的低8位应该相同，若不同，则发送的参数有变化，需要更新数据。
• 星历数据的有效期（Curve Fit Interval）指示标志：1位，为0表示4小时，为1表示4小时以上。
• AODO（Age of Data Offset）：5位无符号整数，其值需要乘于900，单位为秒。用于判断在第四子帧中的NMCT的有效时间，计算 $t_{NMCT}$，可以在众多卫星发送的NMCT中选取最新的值来使用。

第四、五子帧

第四子帧和第五子帧的数据量比较大，无法包含在一帧内，所以进行了分页，完整电文有25页，即需要25帧才能把完整的数据发送完。发送一帧是30s，所以完整电文发送完一遍需要750s，即12.5分钟。不过第四、五子帧的内容并不是定位所急需的，所以定位并不需要等这么久。

第四子帧和第五子帧包含的数据主要有：

• Data ID 和 SV ID：主要用于指示该页表示的内容，若为星历数据，则SV ID是卫星PRN号。

• 所有卫星的历书（Almanac）参数

历书参数的内容包括：M

参数名	位数	含义
$t_{oa}$	8	历书参考时间
$\sqrt{A}$	24	卫星轨道半长轴A的平方根
$e$	16	卫星轨道偏心率
$\delta_i$	16	$t_{oa}$ 时的轨道倾角 $\delta_i = i_0-0.3\pi$
$\Omega_0$	24	周内时为0时的轨道升交点赤经
$\omega$	24	近地点角距
$M_0$	24	$t_{oa}$时的平近点角
$\dot{\Omega}$	16	轨道升交点赤经的变化率
$a_{f0}$	11	卫星时钟校正参数
$a_{f1}$	11	卫星时钟校正参数

• 卫星健康状况指示：对32颗卫星中的每颗卫星健康状态都有两处地方指示：

  • 一是在每一个含历书的页中；8位，其中3位为问题分类，5位具体表示是什么问题。
  • 一是在第四、五子帧的第25页；6位，其中1位为汇总是否有问题，5位具体表示是什么问题。

• 反电子欺骗措施（AS: Anti-Spoof）标志：在第4子帧的第25页，对32颗卫星中的每颗卫星都有一个4位的标志，其中1位表示是否实施了该措施，3位表示具体配置。

• 历书参考周数 $WN_a$（Almanac Reference Week）：8位，历书参考时间 $t_{oa}$就是相对于 $WN_a$的，这样就可以确定历书参考时间。

• UTC数据：GPS时间与协调时(UTC)的差异参数，位于第4子帧第18页。这些参数由地面站负责更新，至少每6天更新一次，否则准确性会随时间流逝而下降。

参数名	位数	含义
$A_0$	32	计算秒内时间偏差的系数
$A_1$	24	计算秒内时间偏差的系数
$\Delta t_{LS}$	8	因闰秒导致的时间差异
$t_{ot}$	8	UTC的参考时间
$WN_t$	8	基于UTC时间的周数
$WN_{LSF}$	8	GPS周数 mod 256，指示闰秒的日期所在的周
$DN$	8	相对 $WN_{LSF}$的天数，与 $WN_{LSF}$一起指示闰秒的日期
$\Delta t_{LSF}$	8	发生润秒后取代 $\Delta t_{LS}$用于计算

从GPS时间计算UTC时间的方法为：
$t_{UTC} = (t_E - \Delta t_{UTC}) \mod 86400$
其中 $t_E$ 为GPS时间，而 $\Delta t_{UTC}$ 为
$\Delta t_{UTC} = \Delta t_{LS} + A_0 + A_1(t_E-t_{ot}+604800(WN-WN_t))$

• 电离层延时校正参数：位于第4子帧第18页，有8个参数 $\alpha_0, \alpha_1, \alpha_2, \alpha_3, \beta_0, \beta_1, \beta_2, \beta_3$，每个8位，用于电离层延时的校正。

• 特殊信息：第4子帧的第17页。可以包含22个的8位ASCII码，用于传递一些特殊信息。

• 伪距校正值（NMCT: Navigation Message Correction Table）：位于第4子帧第13页，包含一个2位的可用性指示（AI: Availability Indicator）和30个6位的ERD（Estimated Range Deviation）值。
  AI指示校正值是否加密，普通用户和特许用户是否可用。
  30个ERD存放卫星ID 1~31中除了自己的其余30个卫星的ERD值，按ID号升序排列。每个ERD为6位，一位符号位，5位数据，LSB相当于0.3m。
  使用方法为：
  $PR_c = PR - ERD$
  其中 $PR_c$为ERD校正后的伪距， $PR$是ERD校正前的。

星历和历书的比较

• 两者都是用开普勒轨道参数来表示，都用于描述卫星在各个时刻的空间位置和运动速度。
• 星历有效期短，只有4小时；历书有效期长达半年。
• 星历参数多，历书参数少。
• 星历参数中有摄动校正量，而历书没有，因为历书有效期长，不适用。
• 星历参数精度高，历书参数精度低。
• 星历参数与历书参数是由地面站独立推算的，因此它们的参数值有可能不同。
• 一颗卫星只播发自己的星历，但是会播发所有卫星的历书。
• 根据星历计算得到的卫星位置和速度值相当准确，可以直接用于定位与定速；根据历书计算的结果准确度不高，一般只能用于卫星信号的搜索和捕获。