Analysis on the development of core positioning parameters of GPS navigation message
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摘要: 文章总结了GPS空间信号接口控制文件的发展历程，对比了现有3种导航电文类型的电文结构及播发方式， 详细分析了星历参数、钟差参数及完好性参数等核心定位参数的发展演变特点和改进效果. 结果表明：GPS新型导航电文采用增加核心定位参数和减小量化单位的方法，提高了广播星历和钟差产品的精度. 增加两个参数后，地面星历拟合位置误差均方根(RMS)平均值由0.137 m减小为0.025 m. 为适应高精度星历拟合模型，距离量化单位也减小至毫米量级. 通过减小卫星钟差参数的量化单位，预报1 h钟差误差RMS由0.097 m减小至0.042 m.Abstract: This paper summarizes the development process of GPS spatial signal interface control file, and compares the message structure and broadcast mode of three existing navigation message types. The development characteristics and improvement effects of ephemeris parameters, clock error parameters and integrity parameters are analyzed in detail. The analysis results show that the new GPS navigation message provides high accuracy of broadcast ephemeris and clock error products by increasing the core positioning parameters and reducing the quantization unit. After adding two parameters, the average root mean square (RMS) value of the ephemeris fitting position error is reduced from 0.137 m to 0.025 m. In order to adapt to the high-precision ephemeris fitting model, the distance quantization unit is also reduced to millimetre. By reducing the quantization unit of satellite clock error parameters, the RMS predicted 1 h clock error is reduced from 0.097 m to 0.042 m.
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Key words:
- GPS /
- interfce control file /
- ephemeris parameter /
- clock error parameter /
- integrity parameter
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表 1 GPS 导航电文规划
空间信号接口
文件系列信号 卫星类型 电文类型 IS-GPS-200 L1CA、P1、P2 Block IIR、Block IIR-M、Block IIF、GPS III/ IIIF LNAV L2CM、L2CL Block IIR-M、Block IIF、
GPS III/ IIIFCNAV IS-GPS-705 L5 Block IIF、GPS III/ IIIF CNAV IS-GPS-800 L1C GPS III/ IIIF CNAV-2 
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表 2 GPS卫星新旧星历参数对比
标识 意义 比例因子 比特位 单位 LNAV CNAV LNAV CNAV IODE 星历参数版本号 - - 8 - - ${t_{{\rm{op}}} }$ CEI数据序列预报时刻 - 300 - 11 s ${C_{{\rm{rs}}} }$ 轨道半径的正弦调和改正项的振幅 $ {2^{ - 5}} $ $ {2^{ - 8}} $ 16* 24* m $ \Delta n $ 平均角速度与计算值之差 $ {2^{ - 43}} $ - 16* - ${\text{π }}$/s $ {M_0} $ 参考时刻的平近点角 $ {2^{ - 31}} $ $ {2^{ - 32}} $ 32* 33* ${\text{π }}$ ${C_{{\rm{uc}}} }$ 纬度幅角的余弦调和改正项的振幅 $ {2^{ - 29}} $ $ {2^{ - 30}} $ 16* 21* rad $ e $ 偏心率 $ {2^{ - 33}} $ $ {2^{ - 34}} $ 32 33 - ${C_{{\rm{us}}} }$ 纬度幅角的正弦调和改正项的振幅 $ {2^{ - 29}} $ $ {2^{ - 30}} $ 16* 21* rad $ \sqrt A $ 长半轴的平方根 $ {2^{ - 19}} $ - 32 - $\sqrt {\text{m}} $ $ \Delta A $ 参考时刻长半轴相对于参考值的偏差 - $ {2^{ - 9}} $ - 26* m $ \dot A $ 长半轴变化率 - $ {2^{ - 21}} $ - 25* m/s $ \Delta {n_0} $ 参考时刻卫星平均角速度与计算值之差 - $ {2^{ - 44}} $ - 17* ${\text{π }}$/s $ \Delta {\dot n_0} $ 参考时刻卫星平均角速度与计算值之差的变化率 - $ {2^{ - 57}} $ - 23* ${\text{π }}$/s2 ${t_{{\rm{oe}}} }$ 星历参考时刻 $ {2^4} $ 300 16 11 s ${C_{{\rm{ic}}} }$ 轨道倾角的余弦调和改正项的振幅 $ {2^{ - 29}} $ $ {2^{ - 30}} $ 16* 16* rad $ {\Omega _0} $ 周历元零时刻计算的升交点经度 $ {2^{ - 31}} $ $ {2^{ - 32}} $ 32* 33* $ {\text{π }} $ ${C_{{\rm{is}}} }$ 轨道倾角的正弦调和改正项的振幅 $ {2^{ - 29}} $ $ {2^{ - 30}} $ 16* 16* rad $ {i_0} $ 参考时刻的轨道倾角 $ {2^{ - 31}} $ $ {2^{ - 32}} $ 32* 33* ${\text{π }}$ ${C_{{\rm{rc}}} }$ 轨道半径的余弦调和改正项的振幅 $ {2^{ - 5}} $ $ {2^{ - 8}} $ 16* 24* m $ \omega $ 近地点幅角 $ {2^{ - 31}} $ $ {2^{ - 32}} $ 32* 33* ${\text{π }}$ $ \dot \Omega $ 升交点赤经变化率 $ {2^{ - 43}} $ - 24* - ${\text{π }}$/s $ \Delta \dot \Omega $ 升交点赤经相对于参考值的变化率 - $ {2^{ - 44}} $ - 17* ${\text{π }}$/s ${\rm{IDOT}}$ 轨道倾角变化率 $ {2^{ - 43}} $ $ {2^{ - 44}} $ 14* 15* ${\text{π }}$/s 注：*为二进制补码，最高有效位(MSB)是符合位(+或-).
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表 3 GPS卫星新旧钟差参数对比
标识 意义 比例因子 比特位 单位 LNAV CNAV LNAV CNAV IODE 星历参数版本号 - - 10 - - ${t_{{\rm{op}}} }$ CEI数据序列预报时刻 - 300 - 11 s ${t_{{\rm{oc}}} }$ 钟差参数参考时刻 $ {2^4} $ 300 16 11 s $ {a_{f2}} $ 卫星钟漂移率系数 $ {2^{ - 55}} $ $ {2^{ - 60}} $ 8* 10* s/s2 $ {a_{f1}} $ 卫星钟漂移系数 $ {2^{ - 43}} $ $ {2^{ - 48}} $ 16* 20* s/s $ {a_{f0}} $ 卫星钟偏差系数 $ {2^{ - 31}} $ $ {2^{ - 35}} $ 22* 26* s
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表 4 旧电文星历拟合RMS统计
m PRN 位置平均值 位置最大值 URE平均值 URE最大值 11 0.139 0.537 0.054 0.191 12 0.139 0.572 0.054 0.199 14 0.134 0.625 0.052 0.221 平均 0.137 0.578 0.053 0.204
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表 5 新电文星历拟合RMS统计
m PRN 位置平均值 位置最大值 URE平均值 URE最大值 11 0.025 0.109 0.010 0.053 12 0.026 0.105 0.010 0.054 14 0.025 0.109 0.010 0.052 平均 0.025 0.108 0.010 0.053
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表 6 旧电文URA指数与URA关系映射表
m URA指数 URA下限 URA上限 15 6144.00 - 14 3072.00 6144.00 13 1536.00 3072.00 12 768.00 1536.00 11 384.00 768.00 10 192.00 384.00 9 96.00 192.00 8 48.00 96.00 7 24.00 48.00 6 13.65 24.00 5 9.65 13.65 4 6.85 9.65 3 4.85 6.85 2 3.40 4.85 1 2.40 3.40 0 0.00 2.40
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表 7 新电文URAED指数与URAED关系映射表
m URAED指数 URAED下限 URAED上限 0 1.70 2.40 −1 1.20 1.70 −2 0.85 1.20 −3 0.60 0.85 −4 0.43 0.60 −5 0.30 0.43 −6 0.21 0.30 −7 0.15 0.21 −8 0.11 0.15 −9 0.08 0.11 −10 0.06 0.08 −11 0.04 0.06 −12 0.03 0.04 −13 0.02 0.03 −14 0.01 0.02 −15 0.00 0.01
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图(3) / 表(7)
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