[科普中国]-广播星历

定义

卫星星历是描述卫星运动轨道的信息。也可以说卫星星历就是一组对应某一时刻的轨道参数及其变率。有了卫星星历就可以计算出任意时刻的卫星位置及其速度。GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。

预报星历又叫广播星历。广播星历通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数。相应参考历元的卫星开普勒轨道参数也叫参考星历。参考星历只代表卫星在参考历元的轨道参数，但在摄动力影响下，卫星的实际轨道随后将偏离参考轨道。偏离的程度主要取决于观测历元与所选参考历元之间的时间差。如果用轨道参数的摄动项对已知的卫星参考星历加以改正，就可以外推出任一观测历元的卫星星历。广播星历参数的选择采用了开普勒轨道参数加调和项修正的方案。GPS卫星的运动在二体运动的基础上加入了长期摄动和周期摄动，其中主要的周期摄动是周期约六小时的二阶带谐项引起的短周期摄动。1

发展GPS卫星向全球用户播发的星历，是用两种波码进行传送的。一种是用叫做C/A码所传送的GPS卫星星历（简称C/A码星历），其星历精度为数十米。1991年后，美国对GPS工作卫星实施了SA技术，C/A码星历精度降低，使GPS单点定位精度由原来的几十米降低到近百米。另一种用P码所传送的GPS卫星星历（简称P码星历）精度提高到5m左右，只有工作于P码的接收机才能从P码中解译出精密的P码星历。精密的P码星历主要用于军事目的导航定位。C/A码星历交付民用。目前绝大多数的商品接收机，都是工作于C/A码的，只能使用降低了精度的C/A码星历。C/A码星历精度的人为降低，给用户的GPS定位引入相应误差。SA政策取消后，广播星历所给出的卫星三维点位中误差由过去的50~100m变为约5~7m。

早期，广播星历是由分布在全球的5个监测站对卫星进行跟踪观测，然后将观测数据送到主控站；主控站利用采集到的数据中的P码观测值，根据卡尔曼滤波方法估计卫星位置、速度、太阳光压系数、钟差、钟漂和漂移速度等参数，再利用这些参数推估后续时刻卫星位置和钟差，并对这些结果进行拟合得到相应的轨道参数，最后生成导航电文进行播发。2

自从GPS卫星正式运行以来，广播星历的轨道精度一直在提高。2002年以来，为了进一步提高广播星历的精度，在地球空间情报局NGA和GPS的联合工作办公室JPO的支持下成功地实施了精度改进计划L-ALL（Legacy Accuracy Improvement Initiative）。其主要内容为：

（1）把NGA所属的6~11个GPS卫星跟踪站的观测资料逐步添加到广播星历的定轨资料中去，使所有的GPS卫星在任意时刻至少有一个地面站对其进行跟踪观测。

（2）对卫星定轨/预报中所使用的动力学模型进行改正。

参数GPS广播星历参数共有16个，其中包括1个参考时刻，6个对应参考时刻的开普勒轨道参数和9个反映摄动力影响的参数。这些参数通过GPS卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户。1

GPS卫星广播星历预报参数及其定义如下：

①时间二参数

toe——星历表参考历元（s）；

IODE(AODE）——星历表数据龄期（N）；

②开普勒六参数

M0——按参考历元toe计算的平近点角（弧度）；

△n——由精密星历计算得到的卫星平均角速度与按给定参数计算所得的平均角速度之差（弧度）；

e——轨道偏心率；

——轨道长半径的平方根（0.5m）；

Ω0——按参考历元计算的升交点赤经（弧度）；

i0——按参考历元计算的轨道倾角（弧度）；

ω——近地点角距（弧度）；

③轨道摄动九参数

Ω——升交点赤经变化率（弧度/秒）；

——轨道倾角变化率（弧度/秒）；

Cuc——纬度幅角的余弦调和项改正的振幅（弧度）；

Cus——纬度幅角的正弦调和项改正的振幅（弧度）；

Crc——轨道半径的余弦调和项改正的振幅（m）；

Crs——轨道半径的正弦调和项改正的振幅（m）；

Cic——轨道倾角的余弦调和项改正的振幅（弧度）；

Cis——轨道倾角的正弦调和项改正的振幅（弧度）；

④其余参数

GPD——周数（周）；

Tgd——载波L1、L2的电离层时延迟差（秒）；

IODC——星钟的数据龄期（N）；

a0——卫星钟差（s）——时间偏差；

a1——卫星钟速（s/s）——频率偏差系数；

a2——卫星钟速变率（s/s2）——漂移系数；

卫星精度——（N）；

卫星健康——（N）；

其中△n包括了轨道参数ω的长期摄动。△n主要是二阶带谐项引起的ω的长期漂移，也包括了日、月引力摄动和太阳光压摄动。在Ω中主要是二阶带谐项引起Ω的长期漂移，也包括了极移的影响。

星历表参考历元toe是从星期日子夜零点开始计算的参考时刻，星历表数据龄期IODE为从toe时刻至为作预报星历的外推时间间隔。