gps卫星信号发生器星历产生模型

gps卫星信号发生器星历产生模型

gps卫星信号模拟器（全球信号系统）可以根据承载的动态环境正确产生驾驶员接收的gps卫星信号。根据这些信号，gps跟踪仪可以测量目标的位置和速度。通过比较理论值，我们可以确定gps接收机的探测、跟踪和测量精度。近年来，国外对gps卫星信号模拟器进行了成功的研究。开发出了几种gps卫星信号模拟器并已应用于国外。例如，英国斯皮顿通信学会开发的str3750卫星信号模拟器和美国计算机应用学会开发的cc-g-2000卫星信号模拟器。这些模拟器可以模拟gpsl1、c-a和gpsl。然而，模拟器的开发在中国仍然是不可能的。由于涉及军事秘密领域，几乎没有有用的数据。模拟器的开发对于提高整个gps系统非常重要，因此开发变得困难。然而，模拟器的开发对于中国有效利用gps系统以及中国自己的卫星网络系统具有重要的现实意义。GPS卫星信号模拟器有多种功能模块.其中,导航电文产生功能模块是高动态GPS卫星信号模拟器要解决的一项关键技术.该模块自动编辑各颗GPS卫星的导航信息.卫星的星历和历书直接由用户设定的轨道导出,通过插值或外推得到模拟时刻的有效数据.本文在考虑这些因素的基础上,系统地探讨了GPS卫星信号模拟器中卫星导航电文的产生方法.1计数、星历和时间参数的拟和时间间隔模拟器的时间参数包括GPS时的周计数WN、得到星历参数的时间的周计数WNa、得到时间转换参数的时间的周计数WNt、Z计数、星历和时间参数的拟和时间间隔IODE,IODC,toc,toe,toa,tot等.其中,toc,toe指基于WN的周内时间;toa指基于WNa的周内时间;tot指基于WNt的周内时间,WNt和tot为UTC(CoordinatedUniverealTime)参数生成的时间;IODE为卫星星历的数据龄期;IODC为卫星时钟的数据龄期.1.1模拟的周数周数全部的TOM计数包含29bits(每1.5s计数加1-X1历元),其中第3～19bit是星历HOW字的1～17bit,是被截短的周内时间TOM即Z计数,指示下一子帧的起始时间.TOM计数的第20～29bit是周数(WN),是第一子帧的第3字的前10bits.相对GPS时间起点(1980-01-06T00∶00∶00)所经过的时间(模1024),由于电文仅用10bits表示周数,最大周数为1023周,所以存在模糊度问题.在利用该周数解算测量时刻的格林尼治时间时,需要结合其它参数确定无模糊的周数.由于10bits表示的周数只能表示到1999-08-21T23∶59∶59,因此模拟器由目前的格林尼治时间计算周数时得出的数值需减去1024;由于UTC时有闰秒,1999-12-31T23∶59∶59后,UTC时与GPS时相差13s,故10bits表示的周数只能表示到1999-08-21T23∶59∶47;考虑模拟器的本地时间(年月日时分秒)和模拟器所在的时区,将本地时间应转化为格林尼治零时区的时间,再将格林尼治零时区的时间转化为GPS时.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,则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,则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为目前的年,月,日,时,分,秒;tsec为GPS时周内秒数;%为模运算;doy(12)={0,31,59,90,120,151,181,212,243,273,304,334};Timezone为模拟器所在的时区.1.2月内时间间隔WNa与第一子帧播发的GPS周数WN的关系是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为星历中toc的系数;t′oc为由toc经系数转换后放入星历中的数值.toe和toa的算法与toc相同.IODC是时钟改正数的外推时间间隔,它向用户指明时钟改正数的置信度,该值越小,时钟改正数的置信度越高.ΙΟDC=toc-tl(6)其中,toc星历第一子帧的参考时间,即得到时钟改正数的周内时间;tl是用来计算时钟改正数所作测量的最后观测时间.IODE是卫星星历的外推时间间隔.该值越小,卫星星历的置信度越高.ΙΟDE=toe-tL(7)其中,toe指从每星期起始历元,即周六/周日子夜零点起计算星历的参考时刻;tL指用于计算广播星历所作测量的最后观测时间.1.3与子帧2所对应的lsb-toa星历数据期号IODE是一个8bits的数,它与同一组10bits星钟数据期号低8bits的值相等.子帧2和子帧3给出IODE是用来和子帧1给出的8位LSB的IODC来比较.当它们不相匹配(表示一个新的数据块将要输入),或2个IODE不一致(表示2个IODE对应不同的toe),此时用户会放弃这个星历.子帧4,5各页的toa应相同.如子帧2第25页的toa与子帧4,5其它页的toa不同,此时,子帧5第25页的WNa只对应子帧5第25页的toa,与其它页的toa无关,用户会认为该历书无效.模拟器将toa值设为相同值.2gps星时钟参数由于时间误差Δt(t)是一个可由多项式表示的以时间t为自变量的函数,因此,时间可在toc处进行泰勒展开.Δt(t)=Δttoc+Δt(1)toc(t-toc)+Δt(2)toc2!(t-toc)2(8)其中,Δt(n)toc为时间误差函数在t=toc处的n阶导数值.同时,根据星历接口文件,时间误差为Δtsv=af0+af1(t-toc)+af2(t-toc)2其中,af0,af1,af2为GPS星的导航电文中的GPS星时钟参数.可知af0=Δttocaf1=Δt(1)tocaf2=Δt(2)toc2!=Δt(2)toc2}(9)其中,Δttoc(af0)为在toc时刻测得的模拟器与GPS时的时间差值;Δt(1)toc(af1)为在toc时刻测得的频偏误差;Δt(2)toc为在toc时刻测得晶体老化率;af2为在toc时刻测得晶体老化率的值的一半.通过定期与高精度的原子钟进行频率比对,得到最新的af1,af2.同时,根据星历接口文件,总的时间误差为Δtsv=at0+af1(t-toc)+af2(t-toc)2-ΤGD(10)其中,TGD是GPS星发射L1,L2信号之前存在的群延迟差,该值是根据卫星发射之前工厂测试得出的.对单频信号模拟器只发出L1载波信号,因此,模拟器设该值为全零.对信号模拟器而言,af1,af2反映模拟器频钟的频率偏差和频率漂移且各颗卫星的钟差参数置为同一组参数.由于模拟器的导航电文中的卫星星钟改正数等均是在一定量的已知参数的基础上进行一段时间外推后得到的.已知在T0,T1,T2,T3,T4时刻af1,af2的值,可以用曲线拟和的办法来预测T5时刻及后续时刻的值.3轨道准经度的构成卫星的星历直接由用户设定的轨道导出,通过插值或外推得到模拟时刻的有效数据,这样就不再需要用户把星座文件的数据与仿真的日期时间联系在一起.利用一台GPS接收机连续工作24h,完整地搜集星座内各颗健康GPS卫星的导航电文,对电文解调,可以得到各星的一组星历参数,则以此组参数为基础推算任意时刻GPS卫星的星历.地球非球形摄动对GPS星轨道长半径a、偏心率e、轨道面倾角i没有影响,但可引起轨道升交点赤经Ω、轨道近地点角矩ω、平近点角M的变化,ωe为地球自转速率,Δn为卫星平均角速度的改正项.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)为t0时刻对应的星历中的轨道准经度;WNt0为t0时刻对应的星历中的星期数;WNt为t时刻对应的星历中的星期数;GATSω为一个星期的历元开始时刻tω的格林尼治恒星时.以t0时刻的GPS星轨道根数a(t0),e(t0),i(t0),Ω0(t0),ω(t0),M(t0)为基础可推导出t时刻的a(t),e(t),i(t),Ω(t),ω(t),M(t)及各轨道根数的时间变化率并设6个摄动修正参数为零.这样,可得i时刻的星历.电离层修正参数、UTC转换参数均通过接收下传并保持不变.4gps星的测距算法使用接收机接收第16#GPS卫星的在2个不同时刻的的导航电文,见表1.表1中,t1为2003-07-31T16∶00∶00,t2为2003-09-01T12∶00∶00.由2003-07-31T16∶00∶00的星历参数推算2003-09-01T12∶00∶00的星历参数,计算出t2推算时刻的Ω0,ω和M0.通过使用自主产生的电文来计算GPS星的坐标及速度并进行比较,可以证明在自主产生的电文中,可以将摄动力6个参数Cus,Cuc,Cis,Cic,Crs,Cic及倾角变化率*i均设为零,不会影响GPS星的星座排列规律.5gps卫星轨道最佳化处理由于导航电文反映模拟器自身