

GNSS技術干貨:衛星歷書,我要找到你喊出你的名字
在GNSS領域的Almanac(歷書)極為重要,歷書內包含整個星座所有衛星的概略位置,狀態等有用信息以幫助GNSS接收機不用漫無目地在星辰大海里去尋找微弱的衛星,而是可以做到所有衛星的大概位置了然于心,借助歷書GNSS接收機可以輕松的對每一顆衛星大聲說:我要找到你-每一顆衛星并喊出你的名字!
這里歷書的作用與我們生活中常用公開的日歷 一樣類似,通過日歷我們很容易查詢到今年有多少周末,每個節假日具體是哪一天等等。同樣的我們去北斗的官方網站一樣能查詢到最新每顆北斗衛星歷書參數。
北斗B1I導航電文
我們以北斗B1I-ICD文件為例,介紹北斗D1 導航電文由超幀、主幀和子幀組成。每個超幀為36000 比特,歷時12 分鐘,每個超幀由24 個主幀組成(24 個頁面);每個主幀為1500 比特,歷時30 秒,每個主幀由5 個子幀組成;每個子幀為300比特,歷時6 秒,每個子幀由10 個字組成;每個字為30 比特,歷時0.6 秒。
D1 導航電文包含有基本導航信息,包括:本衛星基本導航信息(包括周內秒計數、整周計數、用戶距離精度指數、衛星自主健康標識、電離層延遲模型改正參數、衛星星歷參數及數據齡期、衛星鐘差參數及數據齡期、星上設備時延差)、全部衛星歷書信息及與其它系統時間同步信息(UTC、其它衛星導航系統)。
歷書描述了每一顆衛星的位置,在太空中我們常用開普勒軌道六根數描述衛星的軌道形狀大小和空間指向,從而確定任意時刻衛星在軌道上的位置和速度。
幾個關鍵的點需要多著墨:每一顆衛星的導航電文內都有整個星座的歷書,北斗B1I歷書至少需要12分鐘才能完整播完,歷書作為概略位置有效周期比較長,不需要實時更新。
實踐測試
為了實際感受衛星歷書的作用,我們可以通過衛星導航模擬器做一個小測試來檢驗。
實驗目的: 通過本次測試檢驗接收機能否完整接收并正確解析導航電文的歷書信息,實現對未見衛星的位置預測。
GPS L1 C/A同樣與B1I信號有類似的歷書結構,利用思博倫衛星導航模擬器GSS7000 仿真一個單GPS場景,場景開始總共有9顆GPS衛星,我們主動關閉多余衛星只保留4顆PosApp軟件帶※的最好DOP值衛星數,這也是能定位的最小衛星數量。
利用接收機上位機軟件我們通過NMEA語句GSV內能看到當前可見的衛星SVID,高度角,方位角,C/N0就只有4顆衛星。
隨著測試時間的繼續,大約20分鐘以后。這里建議可以多等等至30分鐘+以便接收機至少兩次機會充分完整接收完歷書。可以看到PosApp界面仍然只有4顆衛星在發射功率信號,其他的衛星也在仿真但是功率被關閉,并未輸出RF射頻信號。
此時觀察接收機的狀態, 可見的衛星不止之前的4顆衛星,而是多了SVID 9,11,20,6這幾個衛星, 他們的C/N0都為零,也就是并未收到該信號,也正是PosApp軟件界面主動關閉功率的衛星。但是接收機卻能通過當前收到的衛星歷書推算出這些未見面的衛星高度角,方位角,也就是知道了它應該在哪里。
歷書的作用,直接映射到實際中舉一個直觀的例子比如接收機旁邊路過一個高大的建筑物,由于遮擋某顆衛星暫時無法收到,但是接收機通過歷書仍然知道該衛星在哪里,隨著衛星或者接收機的運動脫離了遮擋,這顆衛星便不用再重新掃描搜索而是能快速追蹤鎖定。
總結
衛星歷書Almanac是衛星導航系統中的重要輔助數據, 它包含星座所有衛星概略位置以及衛星健康狀態的合集。因為它是概略的位置信息不能像星歷那樣精確能直接用來定位,但是卻有較長的有效期,有資料提及GPS衛星歷書最長有效期可達90天。接收機利用歷書能夠計算天空中任意時刻衛星的概略位置以幫助接收機快速搜索鎖定衛星,提高定位效率。