卫星导航电文的地面控制更新──GNSS导航信号的收发问题之七

刘基余

（武汉大学测绘学院，武汉 430079）

导航讲座

卫星导航电文的地面控制更新──GNSS导航信号的收发问题之七

刘基余

（武汉大学测绘学院，武汉 430079）

为了确保动态已知点的所需精度，需要不断地更新发送给用户的卫星导航电文。本文以GPS地面监控系统为例，论述了对卫星导航电文的更新方法及其相关问题。

卫星导航电文；地面监控系统；星历

GNSS用户是依赖卫星导航电文进行导航定位的，其测量精度的高低，卫星导航电文所提供的星历精度发挥着关键作用。如何保持星历的所需精度，是GNSS系统必须解决的重大问题。综观现况，“地面控制更新”或“在轨自主更新”是实现星历所需精度持久稳定的基本方法。本文以GPS卫星导航电文为例，论述它的地面控制更新。

1 地面监控系统生成卫星导航电文

对于卫星导航定位而言，GNSS卫星是一种动态已知点，后者是依据卫星发送的星历算得的。所谓“GNSS星历”，是一列描述GNSS卫星运动及其轨道的参数。它分为“广播星历”和“后处理星历”两大类。“广播星历”是由GNSS卫星通过导航电文直接向用户播发的用于实时数据处理的预报（外推）星历。例如，GPS由C/A码传送的民用星历，叫做C/A码星历；由P码传送的军用星历，叫做P码星历。“后处理星历”是一种用于测后数据处理的GNSS精密星历，它不是GNSS卫星直接播发的星历，而是由第三者提供用户的GNSS星历。例如，精度为厘米级的IGS星历（见下文所述）。

每颗GNSS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供和定期更新的。例如，GPS II/IIA工作卫星的设计寿命是七年半，当它们入轨运行以后，卫星的“健康”状况如何，即卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，这都需要由地面设备进行监测和控制。此外，地面监控系统还有一个重要作用：保持各颗卫星处于同一时间标准，即处于GPS时间系统。这就需要在地面上设站监测各颗卫星的时间，并计算出它们的有关改正数，进而由导航电文发送给用户，以确保处于GPS时系。GPS试验卫星的地面监控系统包括设在加利福尼亚州范登堡空军基地的一个主控站。一个注入站和一个监控站，以及位于其他地方的四个监控站。但是，GPS工作卫星则采用新的地面监控系统，它包括一个主控站、三个注入站和五个监控站（如图1所示）。主控站位于美国本上科罗拉多•斯平士（Colorado Springs）的联合空间执行中心（CSOC）和位于加利福尼亚州范登堡空军基地（Vandenberg AFB California）的备用主控站；三个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的三个美国军事基地上，即大西洋的阿森松（Ascension）岛、印度洋的狄哥、伽西亚（Diego Garcia）和太平洋的卡瓦加兰（Kwajalein）。五个监测站除了位于主控站和三个注入站之处的四个站以外，还在夏威夷设立了一个监测站；该五个监测站也叫做空军跟踪站（Air Force Tracking Station）；此外，还有美国国家地理空间情报局（National Geospatial-Intelligence Agency）的10个NGA跟踪站；美国空军卫星控制网（Air Force Satellite Control Network）的8个AFSCN遥控跟踪站。这三者的站坐标如表1所示。地面监控系统的主控站，拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算、传输、诊断等设备。地面监控系统的主要功能如下（如图2所示）：

图1 GPS卫星的地面监测站分布

图2 GPS地面监控系统的主要功能图解

（1）监测GPS信号。各个监测站对飞越其上空的所有GPS卫星，进行伪距等项测量，并将其测量值发向主控站；现行的GPS全球监测网一般有三个监测站同时观测一颗GPS卫星，这有利于提高广播星历的精度。

（2）收集数据。主控站收集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值，气象要素、卫星时钟和工作状态的数据，监测站自身的状态数据，以及海军水面兵器中心发来的参考星历。

（3）编算导航电文。主控站除了控制和协调各个监测站和注入站的工作以外，主要是根据所收集的数据及时地计算每颗GPS卫星的星历、时钟改正、状态数据、以及信号的大气传播改正，并按一定格式编制成导航电文，传送到注入站。

（4）注入电文。对于飞越注入站上空的GPS卫星，注入站用S波段的注入信号（10cm），依序将它们的导航电文分别注入到各自的GPS卫星。

（5）诊断状态。主控站还肩负监测整个地面监控系统是否正常工作，检验注入给卫星的导航电文是否正确，监测卫星有否将导航电文发送给了用户。

（6）调度卫星。当某一颗GPS卫星偏离分配给它的轨道位置太远时，主控站能够对它进行轨道改正，将它“拉回来”；而且还能进行卫星调度，让备用卫星去取代失效的工作卫星。

（7）管控GPS用户导航定位精度。控制是否给GPS信号施加人为降低精度的SA/AS技术（详见刘基余的《GPS卫星导航定位原理与方法》一书§3.5所述）。

表1 GPS监控站和NGA跟踪站在WGS-84系中的坐标（G1150，时元为2001.0）*

2 预报星历与精密星历

主控站的星历编算分成两步：第一步是编算参考星历，根据上述五个监控站在一个星期左右所观测的数据，估算GPS卫星轨道参数的初始值，以形成参考星历，其误差约为±100m；第二步编算注入星历，根据每个监测站对每颗可见GPS卫星每6秒钟所作的伪距测量和积分多普勒观测值，用联机卡尔滤波器计算参考星历的线性摄动，并以后者改正参考星历，依此改正后的参考星历（称之为GPS广播基准星历，也称OCS星历），外推出26小时轨道弧段的全部数据，称为预报星历。主控站按照一定的格式，将预报星历编制成导航电文，并发送给注入站，由后者注入到卫星。GPS工作卫星预报星历的精度，据估算径向误差约为±1m，切向误差约为±7m，法向误差约为±3m左右；这主要得益于甚长基线射电干涉测量和卫星激光测距能够精化定轨观测站的站坐标，以及双频接收机对GPS卫星的精密定轨观测。

主控站按上述程序所编算的星历，由GPS卫星发送给广大用户，称为广播星历。它的实际精度一般为1～2PPM，有时又只有3～4PPM；后续讲座还将进一步讨论广播星历的精度问题。低精度的广播星历，主要用于解算实时位置。但是，在某些高精度应用场合，广播星历的精度远不能满足GPS数据处理的需要，而要求一种精度较高的用于测后数据处理的“精密星历”。目前，除了几种用于测后数据处理的商品精密星历以外，还有下列几种形式：

（1）官方精密星历。它是国家地理空间情报局（NGA，它的前身为美国国防制图局DMA，后更名为美国国家影像制图局NIMA，现更名为NGA）、国家大地测量局（NGS）和美国航空航天局（NASA）联合测量和计算的。为此，他们采用了来自下列GPS定轨观测站的数据：地面监控系统的五个监测站，位于澳大利亚、塞舌尔、英格兰和阿根延的DMA跟踪站，位于西班牙、澳大利亚和美国加利福尼亚州的NASA跟踪站，位于美国德克萨斯州、马萨堵塞州和佛罗里达州的VLBI（甚长基线射电干涉测量）站上的NGS跟踪站。根据这些跟踪站对GPS卫星的观测数据，计算出各颗GPS卫星的精密星历。其计算过程大体上如下述：首先对各个跟踪站的伪距观测值进行电离层效应等项改正，进而每15分钟计算一个平滑值。这些平滑值被送到计算中心，而组成一个以时间序列排列的观测值文件。积分多普勒观测值每15分钟进行一次抽样，但不进行平滑。然后，对每颗GPS卫星的资料依次进行改正和编辑，并施加下列改正：对流层效应改正，相对论效应中周期性项的改正，天线相位中心和卫星质心不一致的改正，地球固体潮导致测站高程变化的改正等。对由GPS卫星参考轨道所计算的伪距和观测值之差进行多项式拟合，进而依据拟合后的残差去剔除不合格的观测值。在上述数据编辑过程中同时可以求得卫星时钟相对于标准时钟的钟差。最后，利用改正和编辑后的数据进行多站滤波和平滑，而求解出精密星历，以及卫星时钟的钟差和频偏，地球定向参数，拟合后的残差图示和相关系数矩阵。由于上述定轨跟踪站不仅分布广阔，而且具有厘米级精度的站坐标，因此，官方精密星历的精度在1PPM以内。美国国防制图局不仅负责计算精密星历，而且向国外特许用户提供精密星历用于事后数据处理；美国国家大地测量局负责向国内用户发布精密星历。

（2）CIGNET国际定轨网。1986年9月，美国联邦地质局（USGS）和德克萨斯大学合作，用美国本土的三个跟踪站（Austin，Westford，Mojave）定轨数据计算精密星历。1987年，加拿大的Yellowkife站、德国的Wettzell站、瑞典的Onsala站和挪威的Tromso站加入了他们的定轨观测，从而构成了一个国际性的定轨观测网，并命名为CIGNET（Cooperative International GPS Network）。它是专门用来测得GPS卫星的精密星历，目前已有分布在欧、亚、非、美、大洋五大州的20个跟踪站参加了CIGNET国际定轨网。

（3）全球GPS多用网。随着GPS工作卫星星座的全面建成，在全球各大洲和若干海岛上布设GPS跟踪站，就具有更大的实用价值。用它们长期和周期性的国际大会战数据，不仅可以计算特高精度的GPS卫星星历，而且可以广泛地研究全球性的地球动力学和地球物理学的问题。1991年1月22日至2月13日所观测的GIG网，就是一种具有所述作用的全球GPS多用网。实际上，它是美国喷气推进实验室（JPL）组织的一次盛况空前的全球性的地球动态参数测量大会战，叫做“地球自转和地球动力学国际首次GPS试验”（GIG 91），它的英文全称为“the First GPS IERS（International Earth Rotation Service）and Geodynamics Experiment ,1991”称为GIG’91。根据初步统计，全球有124个GPS测站用下述类型的GPS信号接收机参加了这次大会战：2台rogue，23台TI-4100，22台Trimble 4000SST，8台Trimble 4000STD，11台Trimble 4000SLD，9台Min Mac 2816AT，13台Ashetech LD-XII，4台Ashetech MD-XII，5台WM-102和5台GPS Monitor Station。同年8月6日至8日，在德国波恩召开了GIG91学术讨论会，其主要议题是GPS全球大地测量学。它的主要任务是，用全球性GPS卫星定位网，测定包括海平面在内的地球动态参数；综合利用GPS、VLBI和SLR的观测数据，反演和探测地球内部结构，研究地球内部的物理特性，以及地表和岩石圈的密度，为地球物理探矿和地热调查等项工作提供依据。

图3 IGS观测网的站址的全球分布

在GIG’91试验成功的促进下，国际大地测量协会（IGS）决定在全球范围内建立一个IGS（International GPS Service）观测网，并成立了一个国际性的组织协调机构——国际GPS服务局，负责组织全球性的GPS跟踪观测和GPS数据处理、分析与成果生成。它的中心局设在美国喷气推进实验室（JPL），该局为用户提供包括GPS卫星精密星历在内的所有IGS信息。IGS网的近200个GPS跟踪站分布在世界各地（如图3所示），包括我国上海、武汉、拉萨和西安等四个GPS跟踪站。自1992年6月21日至9月22日进行了IGS网的第一期观测以来，一直在连续工作着。IGS网的建设目的在于研究地球自转和定向，地球构造运动和地壳形变监测，全球海平面变化，冰后期回弹，全球精密地球坐标系，并测得厘米级精度的GPS卫星星历，供各个参加观测单位和有关行业使用。IGS中心局在全球GPS跟踪站观测两个星期后，方可提供出该观测期的GPS卫星精密星历，称之为后处理IGS星历，其精度为5cm。为了获得如此高精度的GPS卫星星历，IGS实施下列措施：

⊙ IGS所属的全球GPS跟踪站，对GPS卫星进行全天候24小时观测，并将所观测的GPS数据，用电话线或卫星通信或因特网发送到IGS区域数据处理中心（Regional Data Center），进而汇集到全球数据处理中心（Global Data Center）。

⊙ IGS的7个数据分析中心（Analysis Center），每天从全球数据处理中心取出它的GPS数据，独立地进行GPS数据处理和分析，并将各自的分析成果，如卫星星历、卫星时钟改正参数、电离层/对流层效应信息、GPS跟踪站的站坐标及其速度以及地球自转参数等，发送到IGS综合分析中心（Analysis Center Coordinator）。其所历时间是一个多星期；即从全球数据处理中心取出它的GPS数据后的一个多星期，方能生成上述分析成果。

⊙ 设在加拿大的IGS综合分析中心，将7个数据分析中心的分析成果，进行综合和加权平均，进而生成IGS的最终成果。例如，具有厘米级精度的最终的GPS卫星星历，其所历时间3天左右。IGS最终成果，被发送到美国喷气推进实验室的IGS中心局。后者通过http://igscb.jpl.nasa.gov/向全球用户提供包括GPS卫星精密星历在内的所有IGS最终成果。

近年来，IGS不仅发布GPS/GLONASS卫星的在轨作业基本数据，而且发布130余个IGS跟踪观测站的大地坐标和速率精度、地球自转参数以及大气时延改正数。对于GPS用户而言，IGS最终星历，是一种易于获取而应用广泛的高精度后处理星历；此外，IGS还提供快递GPS卫星星历和预报GPS卫星星历。它们的生成时间和精度，如表2所示。此外，我国国家测绘地理信息局也发布局域性的GPS精密星历，可供中国用户使用。

表2A IGS供用的GPS卫星和GLONASS卫星在轨作业基本数据

表2B IGS供用的GNSS卫星导航的大气参数

3 地面监控系统更新卫星导航电文

对于大多数用户而言，一般均从GPS卫星播发的导航电文中译出轨道参数。GPS卫星的导航电文是由地面监控系统的注入站注射给GPS卫星的。当某颗GPS卫星飞越注入站上空时，它先取该颗卫星的导航电文，用10cm（S）波段的微波作载波，将导航电文注射给该颗卫星（见图4所示）。每天注射1次，每次注射14天的星历（因Block II型卫星的存储器只能存储14天的导航电文；只有Block IIA型卫星的存储器才能丰收储180天的导航电文），而存入卫星上的存储器。因此，即使地面监控系统停止注射，卫星仍能继续发送导航电文14天。但是，随着时间的流逝，预报星历的精度越来越差，例如，可使定位精度从10m降低到200m，而需要不断更新所注入的导航电文。此外，注入站还能够自动地向主控站发射信号，每分钟报告一次它的工作状态。

监测站的主要任务是为主控站编算导航电文提供观测数据。每个监控站均用GPS信号接收机对每颗可见卫星每6秒钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。监控站是一种无人值守的数据采集中心，它在主控站的遥控下自动地采集定轨数据，并对它们进行各项改正（如电离层、对流层、天线相位中心、相对论效应等项改正），每15分钟平滑一次观测数据，依此而推算每2分钟间隔的观测值，而将它们发送给主控站。GPS试验卫星的四个监测站分别设在：加利福尼亚的范登堡空军基地；阿拉斯加的埃利门多夫空军基地、关岛的安得森空军基地、夏威夷的瓦希阿瓦。这四个监控站都设在美国本土，限制了定轨精度的提高。为了克服这种不足，GPS工作卫星采用了包括1个主控站，1个备用主控站，12个指挥和控制天线和分布在全球的16个监测站点构成的地面监控系统（详见图1所示），由位于科罗拉多州施里弗Schriever空军基地的美国空军空间司令部第二空间作战中队（2SOPS），负责GPS星座军用和民用的运行管理和卫星导航电文的更新控制，图3表示现行的GPS地面监控系统，以致GPS工作卫星的星历预报精度比GPS试验卫星的星历预报精度要提高一个数量级。近年所做的GPS卫星星历精度监测实验表明，31颗GPS卫星800天的星历最大误差平均值，其中仅PRN29号卫星为5.5m，而最小者是2m左右，如图5所示。此外，据《GPS world》期刊于2013年5月30日报道，下一代的GPS地面监控系统，不仅履行对GPS卫星的全面监控，而且还要对GLONASS卫星和Galileo卫星进行合作监控。

图4 现行的GPS地面监控系统

对于Galileo系统而言，它的监测网络是由分布在全球范围内的近30地面监测站（GSS）构成的，如图6所示。各个地面监测站用Galileo导航信号接收机监测所有在视卫星导航信号及其导航电文的质量，以及气象和其他所要求的环境信息；并将这些所监测的信息将通过一个全球性的中继通信网传输至两个Galileo控制中心（GCC），进而实施对Galileo卫星导航电文的更新。

图5 800天的GPS星历最大误差平均值

值得注意的是，GLONASS正在改进卫星导航电文的地面控制更新。自1995年12月由24颗卫星构成的GLONASS星座运行以来，GLONASS地面监控系统的监测站仅设置在前苏联境内，而依靠对GLONASS卫星的卫星激光测距成果精化GLONASS卫星的星历。这对实时导航定位测量是不利的，难以获得较高的实时导航定位测量精度，无法与GPS抗衡。为克服这种缺点，近年来，俄罗斯已在澳大利亚、委内瑞拉、古巴和巴西等国设立了GLONASS卫星监测站。这样就可以显著提高GLONASS卫星的实时导航定位测量精度。据2014年5月的新闻报道，俄罗斯计划在全球36个国家布建50个GLONASS卫星跟踪站，全面提升GLONASS地面监控系统卫星导航电文的实时导航定位测量精度。

图6 Galileo监测站的全球分布

4 结束语

现行的GNSS卫星导航定位，是基于被动式定位原理，GNSS用户只需要接收来自GNSS卫星发送的导航定位信号，测量用户至GNSS卫星的距离，用卫星导航电文提供的动态已知点，就能够自主精确地解算出自己的7维状态参数和3维姿态参数。因此，卫星导航电文是GNSS导航的灵魂。为了确保动态已知点的所需精度，需要不断地更新发送给用户的卫星导航电文。本文以GPS地面监控系统为例，论述了对卫星导航电文的更新方法及其相关问题。卫星导航电文的更新实践表明，为了确保卫星导航电文的所需精度，需要有四、五十个地面监测站分布在全球的广阔地区，这是值得我国建设北斗地面监控网借鉴的。

[1] 刘基余．GPS卫星导航定位原理与方法．北京：北京科学出版社，2014年1月.

[2] GPS Control Segment, http://www.gps.gov/systems/gps/control/, 9 October 2013.

[3] What is Galileo? http://www.esa.int/esaNA/, 21 October 2011.

Cobham参加第九届全国应急通信研讨会暨应急通信系统设备展

7月17日，Cobham中国区携手中国交通通信信息中心，参加了“第九届全国应急通信研讨会暨应急通信系统设备展”。CobhamSatcom解决方案经理余昊楠就“Inmarsat海事卫星新服务GX以及Cobham新产品E710”做了主题演讲。

此次会议由电子工业出版社主办，《数字通信世界》杂志社承办。工信部、公安部、交通运输部、水利部等相关部委领导，省级政府应急中心、应急管理办公室，以及行业应用单位领导及技术骨干专家出席并进行议题讨论。

Fitbit应用程序升级

全球智能乐活科技品牌Fitbit近日在应用程序上推出了一项特色功能——MobileRun，使这款免费应用程序的功能性更强大、使用更便利。MobileRun利用智能手机上的GPS功能准确且轻松地对跑步、行走和远足活动进行追踪、记录和比较。Fitbit应用程序在iTunes和Google Play商店连接健身设备的下载应用程序中排名居于领先地位。具有GPS功能的“MobileRun”可以追踪速度、分段、时间、距离以及路线从而提高锻炼效果。

带有MobileRun功能的新版本Fitbit应用程序现已能从iTunes商店下载（安卓版本即将推出），且适用于Fitbit所有屡获奖项的活动和睡眠追踪产品：智能乐活手环Fitbit Flex、智能乐活夹扣Fitbit One和Fitbit Zip。同时，MobileRun也与iPhone 5s版本应用程序中的MobileTrack功能相兼容。

通过与GPS相结合，MobileRun向用户实时更新每次跑步、行走或远足的关键数据，包括精确路线、每公里的速度（分段）、所行距离和时间，从而让用户及时追踪训练或锻炼的情况并予以提升。

Updating Satellite Navigation Message by means of the Ground Control Systems-- Transmitting/receiving Issue(7) of GNSS Navigation Signals

Liu Jiyu
(School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan, 430079)

In order to ensure the required accuracy of the dynamic known points, it is necessary to update constantly the satellite navigation message sent to the users. GPS ground control system as an example, this paper discusses updating method of satellite navigation message and its associated issues.

satellite navigation message; ground control system; Ephemeris

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.08.001

TN96

A

1672-7274（2014）08-0001-07

刘基余，现任武汉大学测绘学院教授/博士生导师，兼任美国纽约科学院（New York Academy of Sciences）外籍院士、中国电子学会会士。主要研究方向是GNSS卫星导航定位/卫星激光测距技术，在国内外30余种中英文学术期刊上发表了280余篇相关研究论文，独著了（北京）科学出版社于2013年1月出版发行的《GPS卫星导航定位原理与方法》一书。他的主要业绩已分别载于美国于2001年出版发行的《世界名人录》（Who's Who in the World）、美国于2005年出版发行的《科技名人录》（Who's Who in Science and Engineering）和中国科学技术协会于2007年出版发行的《中国科学技术专家传略》工程技术编《电子信息科学技术卷2》等五十多种国内外辞书上。