gps衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生器星歷產(chǎn)生模型

gps衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生器星歷產(chǎn)生模型

gps衛(wèi)星信號(hào)模擬器（全球信號(hào)系統(tǒng)）可以根據(jù)承載的動(dòng)態(tài)環(huán)境正確產(chǎn)生駕駛員接收的gps衛(wèi)星信號(hào)。根據(jù)這些信號(hào)，gps跟蹤儀可以測(cè)量目標(biāo)的位置和速度。通過比較理論值，我們可以確定gps接收機(jī)的探測(cè)、跟蹤和測(cè)量精度。近年來(lái)，國(guó)外對(duì)gps衛(wèi)星信號(hào)模擬器進(jìn)行了成功的研究。開發(fā)出了幾種gps衛(wèi)星信號(hào)模擬器并已應(yīng)用于國(guó)外。例如，英國(guó)斯皮頓通信學(xué)會(huì)開發(fā)的str3750衛(wèi)星信號(hào)模擬器和美國(guó)計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)會(huì)開發(fā)的cc-g-2000衛(wèi)星信號(hào)模擬器。這些模擬器可以模擬gpsl1、c-a和gpsl。然而，模擬器的開發(fā)在中國(guó)仍然是不可能的。由于涉及軍事秘密領(lǐng)域，幾乎沒有有用的數(shù)據(jù)。模擬器的開發(fā)對(duì)于提高整個(gè)gps系統(tǒng)非常重要，因此開發(fā)變得困難。然而，模擬器的開發(fā)對(duì)于中國(guó)有效利用gps系統(tǒng)以及中國(guó)自己的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。GPS衛(wèi)星信號(hào)模擬器有多種功能模塊.其中,導(dǎo)航電文產(chǎn)生功能模塊是高動(dòng)態(tài)GPS衛(wèi)星信號(hào)模擬器要解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù).該模塊自動(dòng)編輯各顆GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航信息.衛(wèi)星的星歷和歷書直接由用戶設(shè)定的軌道導(dǎo)出,通過插值或外推得到模擬時(shí)刻的有效數(shù)據(jù).本文在考慮這些因素的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地探討了GPS衛(wèi)星信號(hào)模擬器中衛(wèi)星導(dǎo)航電文的產(chǎn)生方法.1計(jì)數(shù)、星歷和時(shí)間參數(shù)的擬和時(shí)間間隔模擬器的時(shí)間參數(shù)包括GPS時(shí)的周計(jì)數(shù)WN、得到星歷參數(shù)的時(shí)間的周計(jì)數(shù)WNa、得到時(shí)間轉(zhuǎn)換參數(shù)的時(shí)間的周計(jì)數(shù)WNt、Z計(jì)數(shù)、星歷和時(shí)間參數(shù)的擬和時(shí)間間隔IODE,IODC,toc,toe,toa,tot等.其中,toc,toe指基于WN的周內(nèi)時(shí)間;toa指基于WNa的周內(nèi)時(shí)間;tot指基于WNt的周內(nèi)時(shí)間,WNt和tot為UTC(CoordinatedUniverealTime)參數(shù)生成的時(shí)間;IODE為衛(wèi)星星歷的數(shù)據(jù)齡期;IODC為衛(wèi)星時(shí)鐘的數(shù)據(jù)齡期.1.1模擬的周數(shù)周數(shù)全部的TOM計(jì)數(shù)包含29bits(每1.5s計(jì)數(shù)加1-X1歷元),其中第3～19bit是星歷HOW字的1～17bit,是被截短的周內(nèi)時(shí)間TOM即Z計(jì)數(shù),指示下一子幀的起始時(shí)間.TOM計(jì)數(shù)的第20～29bit是周數(shù)(WN),是第一子幀的第3字的前10bits.相對(duì)GPS時(shí)間起點(diǎn)(1980-01-06T00∶00∶00)所經(jīng)過的時(shí)間(模1024),由于電文僅用10bits表示周數(shù),最大周數(shù)為1023周,所以存在模糊度問題.在利用該周數(shù)解算測(cè)量時(shí)刻的格林尼治時(shí)間時(shí),需要結(jié)合其它參數(shù)確定無(wú)模糊的周數(shù).由于10bits表示的周數(shù)只能表示到1999-08-21T23∶59∶59,因此模擬器由目前的格林尼治時(shí)間計(jì)算周數(shù)時(shí)得出的數(shù)值需減去1024;由于UTC時(shí)有閏秒,1999-12-31T23∶59∶59后,UTC時(shí)與GPS時(shí)相差13s,故10bits表示的周數(shù)只能表示到1999-08-21T23∶59∶47;考慮模擬器的本地時(shí)間(年月日時(shí)分秒)和模擬器所在的時(shí)區(qū),將本地時(shí)間應(yīng)轉(zhuǎn)化為格林尼治零時(shí)區(qū)的時(shí)間,再將格林尼治零時(shí)區(qū)的時(shí)間轉(zhuǎn)化為GPS時(shí).WΝ={(y-1?980)×365+doy[m-1]+d+D1-6}/7-1?024d1=(y-1?980)×365+doy[m-1]+d+D1-6D1=y-1?9804+1}(1)WN={(y?1?980)×365+doy[m?1]+d+D1?6}/7?1?024d1=(y?1?980)×365+doy[m?1]+d+D1?6D1=y?1?9804+1???????????????????(1)如(y-1980)%4=0或m≤2,則D1-1tsec=(d1%7)×86?400+(hh-Τimezone)×3?600+mm×60+ss+13(2)tsec=(d1%7)×86?400+(hh?Timezone)×3?600+mm×60+ss+13(2)如tsec≤0,則WN-1,且tsec=tsec+604800Ζ-Count=ΙΝΤ(tsec/6)+1(3)Z?Count=INT(tsec/6)+1(3)其中,y,m,d,hh,mm,ss為目前的年,月,日,時(shí),分,秒;tsec為GPS時(shí)周內(nèi)秒數(shù);%為模運(yùn)算;doy(12)={0,31,59,90,120,151,181,212,243,273,304,334};Timezone為模擬器所在的時(shí)區(qū).1.2月內(nèi)時(shí)間間隔WNa與第一子幀播發(fā)的GPS周數(shù)WN的關(guān)系是WΝa=fmod(WΝ,256)(4)toc=(d1%7)×86?400+(hh-Τimezone)×3?600+mm×60+ss+13(5)t′oc=toc16式中,16為星歷中toc的系數(shù);t′oc為由toc經(jīng)系數(shù)轉(zhuǎn)換后放入星歷中的數(shù)值.toe和toa的算法與toc相同.IODC是時(shí)鐘改正數(shù)的外推時(shí)間間隔,它向用戶指明時(shí)鐘改正數(shù)的置信度,該值越小,時(shí)鐘改正數(shù)的置信度越高.ΙΟDC=toc-tl(6)其中,toc星歷第一子幀的參考時(shí)間,即得到時(shí)鐘改正數(shù)的周內(nèi)時(shí)間;tl是用來(lái)計(jì)算時(shí)鐘改正數(shù)所作測(cè)量的最后觀測(cè)時(shí)間.IODE是衛(wèi)星星歷的外推時(shí)間間隔.該值越小,衛(wèi)星星歷的置信度越高.ΙΟDE=toe-tL(7)其中,toe指從每星期起始?xì)v元,即周六/周日子夜零點(diǎn)起計(jì)算星歷的參考時(shí)刻;tL指用于計(jì)算廣播星歷所作測(cè)量的最后觀測(cè)時(shí)間.1.3與子幀2所對(duì)應(yīng)的lsb-toa星歷數(shù)據(jù)期號(hào)IODE是一個(gè)8bits的數(shù),它與同一組10bits星鐘數(shù)據(jù)期號(hào)低8bits的值相等.子幀2和子幀3給出IODE是用來(lái)和子幀1給出的8位LSB的IODC來(lái)比較.當(dāng)它們不相匹配(表示一個(gè)新的數(shù)據(jù)塊將要輸入),或2個(gè)IODE不一致(表示2個(gè)IODE對(duì)應(yīng)不同的toe),此時(shí)用戶會(huì)放棄這個(gè)星歷.子幀4,5各頁(yè)的toa應(yīng)相同.如子幀2第25頁(yè)的toa與子幀4,5其它頁(yè)的toa不同,此時(shí),子幀5第25頁(yè)的WNa只對(duì)應(yīng)子幀5第25頁(yè)的toa,與其它頁(yè)的toa無(wú)關(guān),用戶會(huì)認(rèn)為該歷書無(wú)效.模擬器將toa值設(shè)為相同值.2gps星時(shí)鐘參數(shù)由于時(shí)間誤差Δt(t)是一個(gè)可由多項(xiàng)式表示的以時(shí)間t為自變量的函數(shù),因此,時(shí)間可在toc處進(jìn)行泰勒展開.Δt(t)=Δttoc+Δt(1)toc(t-toc)+Δt(2)toc2!(t-toc)2(8)其中,Δt(n)toc為時(shí)間誤差函數(shù)在t=toc處的n階導(dǎo)數(shù)值.同時(shí),根據(jù)星歷接口文件,時(shí)間誤差為Δtsv=af0+af1(t-toc)+af2(t-toc)2其中,af0,af1,af2為GPS星的導(dǎo)航電文中的GPS星時(shí)鐘參數(shù).可知af0=Δttocaf1=Δt(1)tocaf2=Δt(2)toc2!=Δt(2)toc2}(9)其中,Δttoc(af0)為在toc時(shí)刻測(cè)得的模擬器與GPS時(shí)的時(shí)間差值;Δt(1)toc(af1)為在toc時(shí)刻測(cè)得的頻偏誤差;Δt(2)toc為在toc時(shí)刻測(cè)得晶體老化率;af2為在toc時(shí)刻測(cè)得晶體老化率的值的一半.通過定期與高精度的原子鐘進(jìn)行頻率比對(duì),得到最新的af1,af2.同時(shí),根據(jù)星歷接口文件,總的時(shí)間誤差為Δtsv=at0+af1(t-toc)+af2(t-toc)2-ΤGD(10)其中,TGD是GPS星發(fā)射L1,L2信號(hào)之前存在的群延遲差,該值是根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射之前工廠測(cè)試得出的.對(duì)單頻信號(hào)模擬器只發(fā)出L1載波信號(hào),因此,模擬器設(shè)該值為全零.對(duì)信號(hào)模擬器而言,af1,af2反映模擬器頻鐘的頻率偏差和頻率漂移且各顆衛(wèi)星的鐘差參數(shù)置為同一組參數(shù).由于模擬器的導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星鐘改正數(shù)等均是在一定量的已知參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一段時(shí)間外推后得到的.已知在T0,T1,T2,T3,T4時(shí)刻af1,af2的值,可以用曲線擬和的辦法來(lái)預(yù)測(cè)T5時(shí)刻及后續(xù)時(shí)刻的值.3軌道準(zhǔn)經(jīng)度的構(gòu)成衛(wèi)星的星歷直接由用戶設(shè)定的軌道導(dǎo)出,通過插值或外推得到模擬時(shí)刻的有效數(shù)據(jù),這樣就不再需要用戶把星座文件的數(shù)據(jù)與仿真的日期時(shí)間聯(lián)系在一起.利用一臺(tái)GPS接收機(jī)連續(xù)工作24h,完整地搜集星座內(nèi)各顆健康GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文,對(duì)電文解調(diào),可以得到各星的一組星歷參數(shù),則以此組參數(shù)為基礎(chǔ)推算任意時(shí)刻GPS衛(wèi)星的星歷.地球非球形攝動(dòng)對(duì)GPS星軌道長(zhǎng)半徑a、偏心率e、軌道面傾角i沒有影響,但可引起軌道升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω、軌道近地點(diǎn)角矩ω、平近點(diǎn)角M的變化,ωe為地球自轉(zhuǎn)速率,Δn為衛(wèi)星平均角速度的改正項(xiàng).因此a(t)=a(t0)e(t)=e(t0)i(t)=i(t0)Ω(t)=Ω(t0)-(32a2eJ2p2ncos?i)(t-t0)ω(t)=ω(t0)+32a2eJ2p2n?(2-52sin2i)(t-t0)Μ0(t)=Μ0(t0)+[n+Δn-32a2eJ2p2n(1-32sin2i)√1-e2](t-t0)[模2π]}(11)其中p=a(1-e2)n=√μa3J2=108?263×10-8ae=6378137mμ=3986005×108?(m3/s2)Ω0(t0)=Ω(t0)-GATSω(12)dΩdt=32a2eJ2p2ncosiΩ0(t)=Ω0(t0)+dΩdt(t-t0)+ωe×604800×(WNt0-WNt)[模2π](13)其中,Ω0(t0)為t0時(shí)刻對(duì)應(yīng)的星歷中的軌道準(zhǔn)經(jīng)度;WNt0為t0時(shí)刻對(duì)應(yīng)的星歷中的星期數(shù);WNt為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的星歷中的星期數(shù);GATSω為一個(gè)星期的歷元開始時(shí)刻tω的格林尼治恒星時(shí).以t0時(shí)刻的GPS星軌道根數(shù)a(t0),e(t0),i(t0),Ω0(t0),ω(t0),M(t0)為基礎(chǔ)可推導(dǎo)出t時(shí)刻的a(t),e(t),i(t),Ω(t),ω(t),M(t)及各軌道根數(shù)的時(shí)間變化率并設(shè)6個(gè)攝動(dòng)修正參數(shù)為零.這樣,可得i時(shí)刻的星歷.電離層修正參數(shù)、UTC轉(zhuǎn)換參數(shù)均通過接收下傳并保持不變.4gps星的測(cè)距算法使用接收機(jī)接收第16#GPS衛(wèi)星的在2個(gè)不同時(shí)刻的的導(dǎo)航電文,見表1.表1中,t1為2003-07-31T16∶00∶00,t2為2003-09-01T12∶00∶00.由2003-07-31T16∶00∶00的星歷參數(shù)推算2003-09-01T12∶00∶00的星歷參數(shù),計(jì)算出t2推算時(shí)刻的Ω0,ω和M0.通過使用自主產(chǎn)生的電文來(lái)計(jì)算GPS星的坐標(biāo)及速度并進(jìn)行比較,可以證明在自主產(chǎn)生的電文中,可以將攝動(dòng)力6個(gè)參數(shù)Cus,Cuc,Cis,Cic,Crs,Cic及傾角變化率*i均設(shè)為零,不會(huì)影響GPS星的星座排列規(guī)律.5gps衛(wèi)星軌道最佳化處理由于導(dǎo)航電文反映模擬器自身