劉基余

（武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079）

導(dǎo)航講座

衛(wèi)星導(dǎo)航電文的地面控制更新──GNSS導(dǎo)航信號(hào)的收發(fā)問(wèn)題之七

劉基余

（武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079）

為了確保動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)的所需精度，需要不斷地更新發(fā)送給用戶的衛(wèi)星導(dǎo)航電文。本文以GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)為例，論述了對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航電文的更新方法及其相關(guān)問(wèn)題。

衛(wèi)星導(dǎo)航電文；地面監(jiān)控系統(tǒng)；星歷

GNSS用戶是依賴衛(wèi)星導(dǎo)航電文進(jìn)行導(dǎo)航定位的，其測(cè)量精度的高低，衛(wèi)星導(dǎo)航電文所提供的星歷精度發(fā)揮著關(guān)鍵作用。如何保持星歷的所需精度，是GNSS系統(tǒng)必須解決的重大問(wèn)題。綜觀現(xiàn)況，“地面控制更新”或“在軌自主更新”是實(shí)現(xiàn)星歷所需精度持久穩(wěn)定的基本方法。本文以GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文為例，論述它的地面控制更新。

1 地面監(jiān)控系統(tǒng)生成衛(wèi)星導(dǎo)航電文

對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航定位而言，GNSS衛(wèi)星是一種動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)，后者是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)送的星歷算得的。所謂“GNSS星歷”，是一列描述GNSS衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的參數(shù)。它分為“廣播星歷”和“后處理星歷”兩大類。“廣播星歷”是由GNSS衛(wèi)星通過(guò)導(dǎo)航電文直接向用戶播發(fā)的用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的預(yù)報(bào)（外推）星歷。例如，GPS由C/A碼傳送的民用星歷，叫做C/A碼星歷；由P碼傳送的軍用星歷，叫做P碼星歷?！昂筇幚硇菤v”是一種用于測(cè)后數(shù)據(jù)處理的GNSS精密星歷，它不是GNSS衛(wèi)星直接播發(fā)的星歷，而是由第三者提供用戶的GNSS星歷。例如，精度為厘米級(jí)的IGS星歷（見(jiàn)下文所述）。

每顆GNSS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供和定期更新的。例如，GPS II/IIA工作衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命是七年半，當(dāng)它們?nèi)胲夁\(yùn)行以后，衛(wèi)星的“健康”狀況如何，即衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，這都需要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。此外，地面監(jiān)控系統(tǒng)還有一個(gè)重要作用：保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，即處于GPS時(shí)間系統(tǒng)。這就需要在地面上設(shè)站監(jiān)測(cè)各顆衛(wèi)星的時(shí)間，并計(jì)算出它們的有關(guān)改正數(shù)，進(jìn)而由導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶，以確保處于GPS時(shí)系。GPS試驗(yàn)衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括設(shè)在加利福尼亞州范登堡空軍基地的一個(gè)主控站。一個(gè)注入站和一個(gè)監(jiān)控站，以及位于其他地方的四個(gè)監(jiān)控站。但是，GPS工作衛(wèi)星則采用新的地面監(jiān)控系統(tǒng)，它包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)控站（如圖1所示）。主控站位于美國(guó)本上科羅拉多?斯平士（Colorado Springs）的聯(lián)合空間執(zhí)行中心（CSOC）和位于加利福尼亞州范登堡空軍基地（Vandenberg AFB California）的備用主控站；三個(gè)注入站分別設(shè)在大西洋、印度洋和太平洋的三個(gè)美國(guó)軍事基地上，即大西洋的阿森松（Ascension）島、印度洋的狄哥、伽西亞（Diego Garcia）和太平洋的卡瓦加蘭（Kwajalein）。五個(gè)監(jiān)測(cè)站除了位于主控站和三個(gè)注入站之處的四個(gè)站以外，還在夏威夷設(shè)立了一個(gè)監(jiān)測(cè)站；該五個(gè)監(jiān)測(cè)站也叫做空軍跟蹤站（Air Force Tracking Station）；此外，還有美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局（National Geospatial-Intelligence Agency）的10個(gè)NGA跟蹤站；美國(guó)空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)（Air Force Satellite Control Network）的8個(gè)AFSCN遙控跟蹤站。這三者的站坐標(biāo)如表1所示。地面監(jiān)控系統(tǒng)的主控站，擁有以大型電子計(jì)算機(jī)為主體的數(shù)據(jù)收集、計(jì)算、傳輸、診斷等設(shè)備。地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能如下（如圖2所示）：

圖1 GPS衛(wèi)星的地面監(jiān)測(cè)站分布

圖2 GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能圖解

（1）監(jiān)測(cè)GPS信號(hào)。各個(gè)監(jiān)測(cè)站對(duì)飛越其上空的所有GPS衛(wèi)星，進(jìn)行偽距等項(xiàng)測(cè)量，并將其測(cè)量值發(fā)向主控站；現(xiàn)行的GPS全球監(jiān)測(cè)網(wǎng)一般有三個(gè)監(jiān)測(cè)站同時(shí)觀測(cè)一顆GPS衛(wèi)星，這有利于提高廣播星歷的精度。

（2）收集數(shù)據(jù)。主控站收集各個(gè)監(jiān)測(cè)站所測(cè)得的偽距和積分多普勒觀測(cè)值，氣象要素、衛(wèi)星時(shí)鐘和工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)站自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及海軍水面兵器中心發(fā)來(lái)的參考星歷。

（3）編算導(dǎo)航電文。主控站除了控制和協(xié)調(diào)各個(gè)監(jiān)測(cè)站和注入站的工作以外，主要是根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)及時(shí)地計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的星歷、時(shí)鐘改正、狀態(tài)數(shù)據(jù)、以及信號(hào)的大氣傳播改正，并按一定格式編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站。

（4）注入電文。對(duì)于飛越注入站上空的GPS衛(wèi)星，注入站用S波段的注入信號(hào)（10cm），依序?qū)⑺鼈兊膶?dǎo)航電文分別注入到各自的GPS衛(wèi)星。

（5）診斷狀態(tài)。主控站還肩負(fù)監(jiān)測(cè)整個(gè)地面監(jiān)控系統(tǒng)是否正常工作，檢驗(yàn)注入給衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星有否將導(dǎo)航電文發(fā)送給了用戶。

（6）調(diào)度衛(wèi)星。當(dāng)某一顆GPS衛(wèi)星偏離分配給它的軌道位置太遠(yuǎn)時(shí)，主控站能夠?qū)λM(jìn)行軌道改正，將它“拉回來(lái)”；而且還能進(jìn)行衛(wèi)星調(diào)度，讓備用衛(wèi)星去取代失效的工作衛(wèi)星。

（7）管控GPS用戶導(dǎo)航定位精度?？刂剖欠窠oGPS信號(hào)施加人為降低精度的SA/AS技術(shù)（詳見(jiàn)劉基余的《GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法》一書(shū)§3.5所述）。

表1 GPS監(jiān)控站和NGA跟蹤站在WGS-84系中的坐標(biāo)（G1150，時(shí)元為2001.0）*

2 預(yù)報(bào)星歷與精密星歷

主控站的星歷編算分成兩步：第一步是編算參考星歷，根據(jù)上述五個(gè)監(jiān)控站在一個(gè)星期左右所觀測(cè)的數(shù)據(jù)，估算GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)的初始值，以形成參考星歷，其誤差約為±100m；第二步編算注入星歷，根據(jù)每個(gè)監(jiān)測(cè)站對(duì)每顆可見(jiàn)GPS衛(wèi)星每6秒鐘所作的偽距測(cè)量和積分多普勒觀測(cè)值，用聯(lián)機(jī)卡爾濾波器計(jì)算參考星歷的線性攝動(dòng)，并以后者改正參考星歷，依此改正后的參考星歷（稱之為GPS廣播基準(zhǔn)星歷，也稱OCS星歷），外推出26小時(shí)軌道弧段的全部數(shù)據(jù)，稱為預(yù)報(bào)星歷。主控站按照一定的格式，將預(yù)報(bào)星歷編制成導(dǎo)航電文，并發(fā)送給注入站，由后者注入到衛(wèi)星。GPS工作衛(wèi)星預(yù)報(bào)星歷的精度，據(jù)估算徑向誤差約為±1m，切向誤差約為±7m，法向誤差約為±3m左右；這主要得益于甚長(zhǎng)基線射電干涉測(cè)量和衛(wèi)星激光測(cè)距能夠精化定軌觀測(cè)站的站坐標(biāo)，以及雙頻接收機(jī)對(duì)GPS衛(wèi)星的精密定軌觀測(cè)。

主控站按上述程序所編算的星歷，由GPS衛(wèi)星發(fā)送給廣大用戶，稱為廣播星歷。它的實(shí)際精度一般為1～2PPM，有時(shí)又只有3～4PPM；后續(xù)講座還將進(jìn)一步討論廣播星歷的精度問(wèn)題。低精度的廣播星歷，主要用于解算實(shí)時(shí)位置。但是，在某些高精度應(yīng)用場(chǎng)合，廣播星歷的精度遠(yuǎn)不能滿足GPS數(shù)據(jù)處理的需要，而要求一種精度較高的用于測(cè)后數(shù)據(jù)處理的“精密星歷”。目前，除了幾種用于測(cè)后數(shù)據(jù)處理的商品精密星歷以外，還有下列幾種形式：

（1）官方精密星歷。它是國(guó)家地理空間情報(bào)局（NGA，它的前身為美國(guó)國(guó)防制圖局DMA，后更名為美國(guó)國(guó)家影像制圖局NIMA，現(xiàn)更名為NGA）、國(guó)家大地測(cè)量局（NGS）和美國(guó)航空航天局（NASA）聯(lián)合測(cè)量和計(jì)算的。為此，他們采用了來(lái)自下列GPS定軌觀測(cè)站的數(shù)據(jù)：地面監(jiān)控系統(tǒng)的五個(gè)監(jiān)測(cè)站，位于澳大利亞、塞舌爾、英格蘭和阿根延的DMA跟蹤站，位于西班牙、澳大利亞和美國(guó)加利福尼亞州的NASA跟蹤站，位于美國(guó)德克薩斯州、馬薩堵塞州和佛羅里達(dá)州的VLBI（甚長(zhǎng)基線射電干涉測(cè)量）站上的NGS跟蹤站。根據(jù)這些跟蹤站對(duì)GPS衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出各顆GPS衛(wèi)星的精密星歷。其計(jì)算過(guò)程大體上如下述：首先對(duì)各個(gè)跟蹤站的偽距觀測(cè)值進(jìn)行電離層效應(yīng)等項(xiàng)改正，進(jìn)而每15分鐘計(jì)算一個(gè)平滑值。這些平滑值被送到計(jì)算中心，而組成一個(gè)以時(shí)間序列排列的觀測(cè)值文件。積分多普勒觀測(cè)值每15分鐘進(jìn)行一次抽樣，但不進(jìn)行平滑。然后，對(duì)每顆GPS衛(wèi)星的資料依次進(jìn)行改正和編輯，并施加下列改正：對(duì)流層效應(yīng)改正，相對(duì)論效應(yīng)中周期性項(xiàng)的改正，天線相位中心和衛(wèi)星質(zhì)心不一致的改正，地球固體潮導(dǎo)致測(cè)站高程變化的改正等。對(duì)由GPS衛(wèi)星參考軌道所計(jì)算的偽距和觀測(cè)值之差進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，進(jìn)而依據(jù)擬合后的殘差去剔除不合格的觀測(cè)值。在上述數(shù)據(jù)編輯過(guò)程中同時(shí)可以求得衛(wèi)星時(shí)鐘相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的鐘差。最后，利用改正和編輯后的數(shù)據(jù)進(jìn)行多站濾波和平滑，而求解出精密星歷，以及衛(wèi)星時(shí)鐘的鐘差和頻偏，地球定向參數(shù)，擬合后的殘差圖示和相關(guān)系數(shù)矩陣。由于上述定軌跟蹤站不僅分布廣闊，而且具有厘米級(jí)精度的站坐標(biāo)，因此，官方精密星歷的精度在1PPM以內(nèi)。美國(guó)國(guó)防制圖局不僅負(fù)責(zé)計(jì)算精密星歷，而且向國(guó)外特許用戶提供精密星歷用于事后數(shù)據(jù)處理；美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局負(fù)責(zé)向國(guó)內(nèi)用戶發(fā)布精密星歷。

（2）CIGNET國(guó)際定軌網(wǎng)。1986年9月，美國(guó)聯(lián)邦地質(zhì)局（USGS）和德克薩斯大學(xué)合作，用美國(guó)本土的三個(gè)跟蹤站（Austin，Westford，Mojave）定軌數(shù)據(jù)計(jì)算精密星歷。1987年，加拿大的Yellowkife站、德國(guó)的Wettzell站、瑞典的Onsala站和挪威的Tromso站加入了他們的定軌觀測(cè)，從而構(gòu)成了一個(gè)國(guó)際性的定軌觀測(cè)網(wǎng)，并命名為CIGNET（Cooperative International GPS Network）。它是專門用來(lái)測(cè)得GPS衛(wèi)星的精密星歷，目前已有分布在歐、亞、非、美、大洋五大州的20個(gè)跟蹤站參加了CIGNET國(guó)際定軌網(wǎng)。

（3）全球GPS多用網(wǎng)。隨著GPS工作衛(wèi)星星座的全面建成，在全球各大洲和若干海島上布設(shè)GPS跟蹤站，就具有更大的實(shí)用價(jià)值。用它們長(zhǎng)期和周期性的國(guó)際大會(huì)戰(zhàn)數(shù)據(jù)，不僅可以計(jì)算特高精度的GPS衛(wèi)星星歷，而且可以廣泛地研究全球性的地球動(dòng)力學(xué)和地球物理學(xué)的問(wèn)題。1991年1月22日至2月13日所觀測(cè)的GIG網(wǎng)，就是一種具有所述作用的全球GPS多用網(wǎng)。實(shí)際上，它是美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）組織的一次盛況空前的全球性的地球動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量大會(huì)戰(zhàn)，叫做“地球自轉(zhuǎn)和地球動(dòng)力學(xué)國(guó)際首次GPS試驗(yàn)”（GIG 91），它的英文全稱為“the First GPS IERS（International Earth Rotation Service）and Geodynamics Experiment ,1991”稱為GIG’91。根據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，全球有124個(gè)GPS測(cè)站用下述類型的GPS信號(hào)接收機(jī)參加了這次大會(huì)戰(zhàn)：2臺(tái)rogue，23臺(tái)TI-4100，22臺(tái)Trimble 4000SST，8臺(tái)Trimble 4000STD，11臺(tái)Trimble 4000SLD，9臺(tái)Min Mac 2816AT，13臺(tái)Ashetech LD-XII，4臺(tái)Ashetech MD-XII，5臺(tái)WM-102和5臺(tái)GPS Monitor Station。同年8月6日至8日，在德國(guó)波恩召開(kāi)了GIG91學(xué)術(shù)討論會(huì)，其主要議題是GPS全球大地測(cè)量學(xué)。它的主要任務(wù)是，用全球性GPS衛(wèi)星定位網(wǎng)，測(cè)定包括海平面在內(nèi)的地球動(dòng)態(tài)參數(shù)；綜合利用GPS、VLBI和SLR的觀測(cè)數(shù)據(jù)，反演和探測(cè)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究地球內(nèi)部的物理特性，以及地表和巖石圈的密度，為地球物理探礦和地?zé)嵴{(diào)查等項(xiàng)工作提供依據(jù)。

圖3 IGS觀測(cè)網(wǎng)的站址的全球分布

在GIG’91試驗(yàn)成功的促進(jìn)下，國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)（IGS）決定在全球范圍內(nèi)建立一個(gè)IGS（International GPS Service）觀測(cè)網(wǎng)，并成立了一個(gè)國(guó)際性的組織協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)——國(guó)際GPS服務(wù)局，負(fù)責(zé)組織全球性的GPS跟蹤觀測(cè)和GPS數(shù)據(jù)處理、分析與成果生成。它的中心局設(shè)在美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL），該局為用戶提供包括GPS衛(wèi)星精密星歷在內(nèi)的所有IGS信息。IGS網(wǎng)的近200個(gè)GPS跟蹤站分布在世界各地（如圖3所示），包括我國(guó)上海、武漢、拉薩和西安等四個(gè)GPS跟蹤站。自1992年6月21日至9月22日進(jìn)行了IGS網(wǎng)的第一期觀測(cè)以來(lái)，一直在連續(xù)工作著。IGS網(wǎng)的建設(shè)目的在于研究地球自轉(zhuǎn)和定向，地球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地殼形變監(jiān)測(cè)，全球海平面變化，冰后期回彈，全球精密地球坐標(biāo)系，并測(cè)得厘米級(jí)精度的GPS衛(wèi)星星歷，供各個(gè)參加觀測(cè)單位和有關(guān)行業(yè)使用。IGS中心局在全球GPS跟蹤站觀測(cè)兩個(gè)星期后，方可提供出該觀測(cè)期的GPS衛(wèi)星精密星歷，稱之為后處理IGS星歷，其精度為5cm。為了獲得如此高精度的GPS衛(wèi)星星歷，IGS實(shí)施下列措施：

⊙ IGS所屬的全球GPS跟蹤站，對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行全天候24小時(shí)觀測(cè)，并將所觀測(cè)的GPS數(shù)據(jù)，用電話線或衛(wèi)星通信或因特網(wǎng)發(fā)送到IGS區(qū)域數(shù)據(jù)處理中心（Regional Data Center），進(jìn)而匯集到全球數(shù)據(jù)處理中心（Global Data Center）。

⊙ IGS的7個(gè)數(shù)據(jù)分析中心（Analysis Center），每天從全球數(shù)據(jù)處理中心取出它的GPS數(shù)據(jù)，獨(dú)立地進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)處理和分析，并將各自的分析成果，如衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星時(shí)鐘改正參數(shù)、電離層/對(duì)流層效應(yīng)信息、GPS跟蹤站的站坐標(biāo)及其速度以及地球自轉(zhuǎn)參數(shù)等，發(fā)送到IGS綜合分析中心（Analysis Center Coordinator）。其所歷時(shí)間是一個(gè)多星期；即從全球數(shù)據(jù)處理中心取出它的GPS數(shù)據(jù)后的一個(gè)多星期，方能生成上述分析成果。

⊙ 設(shè)在加拿大的IGS綜合分析中心，將7個(gè)數(shù)據(jù)分析中心的分析成果，進(jìn)行綜合和加權(quán)平均，進(jìn)而生成IGS的最終成果。例如，具有厘米級(jí)精度的最終的GPS衛(wèi)星星歷，其所歷時(shí)間3天左右。IGS最終成果，被發(fā)送到美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的IGS中心局。后者通過(guò)http://igscb.jpl.nasa.gov/向全球用戶提供包括GPS衛(wèi)星精密星歷在內(nèi)的所有IGS最終成果。

近年來(lái)，IGS不僅發(fā)布GPS/GLONASS衛(wèi)星的在軌作業(yè)基本數(shù)據(jù)，而且發(fā)布130余個(gè)IGS跟蹤觀測(cè)站的大地坐標(biāo)和速率精度、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)以及大氣時(shí)延改正數(shù)。對(duì)于GPS用戶而言，IGS最終星歷，是一種易于獲取而應(yīng)用廣泛的高精度后處理星歷；此外，IGS還提供快遞GPS衛(wèi)星星歷和預(yù)報(bào)GPS衛(wèi)星星歷。它們的生成時(shí)間和精度，如表2所示。此外，我國(guó)國(guó)家測(cè)繪地理信息局也發(fā)布局域性的GPS精密星歷，可供中國(guó)用戶使用。

表2A IGS供用的GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星在軌作業(yè)基本數(shù)據(jù)

表2B IGS供用的GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航的大氣參數(shù)

3 地面監(jiān)控系統(tǒng)更新衛(wèi)星導(dǎo)航電文

對(duì)于大多數(shù)用戶而言，一般均從GPS衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航電文中譯出軌道參數(shù)。GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是由地面監(jiān)控系統(tǒng)的注入站注射給GPS衛(wèi)星的。當(dāng)某顆GPS衛(wèi)星飛越注入站上空時(shí)，它先取該顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，用10cm（S）波段的微波作載波，將導(dǎo)航電文注射給該顆衛(wèi)星（見(jiàn)圖4所示）。每天注射1次，每次注射14天的星歷（因Block II型衛(wèi)星的存儲(chǔ)器只能存儲(chǔ)14天的導(dǎo)航電文；只有Block IIA型衛(wèi)星的存儲(chǔ)器才能豐收儲(chǔ)180天的導(dǎo)航電文），而存入衛(wèi)星上的存儲(chǔ)器。因此，即使地面監(jiān)控系統(tǒng)停止注射，衛(wèi)星仍能繼續(xù)發(fā)送導(dǎo)航電文14天。但是，隨著時(shí)間的流逝，預(yù)報(bào)星歷的精度越來(lái)越差，例如，可使定位精度從10m降低到200m，而需要不斷更新所注入的導(dǎo)航電文。此外，注入站還能夠自動(dòng)地向主控站發(fā)射信號(hào)，每分鐘報(bào)告一次它的工作狀態(tài)。

監(jiān)測(cè)站的主要任務(wù)是為主控站編算導(dǎo)航電文提供觀測(cè)數(shù)據(jù)。每個(gè)監(jiān)控站均用GPS信號(hào)接收機(jī)對(duì)每顆可見(jiàn)衛(wèi)星每6秒鐘進(jìn)行一次偽距測(cè)量和積分多普勒觀測(cè)，采集氣象要素等數(shù)據(jù)。監(jiān)控站是一種無(wú)人值守的數(shù)據(jù)采集中心，它在主控站的遙控下自動(dòng)地采集定軌數(shù)據(jù)，并對(duì)它們進(jìn)行各項(xiàng)改正（如電離層、對(duì)流層、天線相位中心、相對(duì)論效應(yīng)等項(xiàng)改正），每15分鐘平滑一次觀測(cè)數(shù)據(jù)，依此而推算每2分鐘間隔的觀測(cè)值，而將它們發(fā)送給主控站。GPS試驗(yàn)衛(wèi)星的四個(gè)監(jiān)測(cè)站分別設(shè)在：加利福尼亞的范登堡空軍基地；阿拉斯加的埃利門多夫空軍基地、關(guān)島的安得森空軍基地、夏威夷的瓦希阿瓦。這四個(gè)監(jiān)控站都設(shè)在美國(guó)本土，限制了定軌精度的提高。為了克服這種不足，GPS工作衛(wèi)星采用了包括1個(gè)主控站，1個(gè)備用主控站，12個(gè)指揮和控制天線和分布在全球的16個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)構(gòu)成的地面監(jiān)控系統(tǒng)（詳見(jiàn)圖1所示），由位于科羅拉多州施里弗Schriever空軍基地的美國(guó)空軍空間司令部第二空間作戰(zhàn)中隊(duì)（2SOPS），負(fù)責(zé)GPS星座軍用和民用的運(yùn)行管理和衛(wèi)星導(dǎo)航電文的更新控制，圖3表示現(xiàn)行的GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)，以致GPS工作衛(wèi)星的星歷預(yù)報(bào)精度比GPS試驗(yàn)衛(wèi)星的星歷預(yù)報(bào)精度要提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。近年所做的GPS衛(wèi)星星歷精度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，31顆GPS衛(wèi)星800天的星歷最大誤差平均值，其中僅PRN29號(hào)衛(wèi)星為5.5m，而最小者是2m左右，如圖5所示。此外，據(jù)《GPS world》期刊于2013年5月30日?qǐng)?bào)道，下一代的GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)，不僅履行對(duì)GPS衛(wèi)星的全面監(jiān)控，而且還要對(duì)GLONASS衛(wèi)星和Galileo衛(wèi)星進(jìn)行合作監(jiān)控。

圖4 現(xiàn)行的GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)于Galileo系統(tǒng)而言，它的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是由分布在全球范圍內(nèi)的近30地面監(jiān)測(cè)站（GSS）構(gòu)成的，如圖6所示。各個(gè)地面監(jiān)測(cè)站用Galileo導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)監(jiān)測(cè)所有在視衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)及其導(dǎo)航電文的質(zhì)量，以及氣象和其他所要求的環(huán)境信息；并將這些所監(jiān)測(cè)的信息將通過(guò)一個(gè)全球性的中繼通信網(wǎng)傳輸至兩個(gè)Galileo控制中心（GCC），進(jìn)而實(shí)施對(duì)Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航電文的更新。

圖5 800天的GPS星歷最大誤差平均值

值得注意的是，GLONASS正在改進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航電文的地面控制更新。自1995年12月由24顆衛(wèi)星構(gòu)成的GLONASS星座運(yùn)行以來(lái)，GLONASS地面監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)站僅設(shè)置在前蘇聯(lián)境內(nèi)，而依靠對(duì)GLONASS衛(wèi)星的衛(wèi)星激光測(cè)距成果精化GLONASS衛(wèi)星的星歷。這對(duì)實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位測(cè)量是不利的，難以獲得較高的實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位測(cè)量精度，無(wú)法與GPS抗衡。為克服這種缺點(diǎn)，近年來(lái)，俄羅斯已在澳大利亞、委內(nèi)瑞拉、古巴和巴西等國(guó)設(shè)立了GLONASS衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站。這樣就可以顯著提高GLONASS衛(wèi)星的實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位測(cè)量精度。據(jù)2014年5月的新聞報(bào)道，俄羅斯計(jì)劃在全球36個(gè)國(guó)家布建50個(gè)GLONASS衛(wèi)星跟蹤站，全面提升GLONASS地面監(jiān)控系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航電文的實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位測(cè)量精度。

圖6 Galileo監(jiān)測(cè)站的全球分布

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)行的GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位，是基于被動(dòng)式定位原理，GNSS用戶只需要接收來(lái)自GNSS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，測(cè)量用戶至GNSS衛(wèi)星的距離，用衛(wèi)星導(dǎo)航電文提供的動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)，就能夠自主精確地解算出自己的7維狀態(tài)參數(shù)和3維姿態(tài)參數(shù)。因此，衛(wèi)星導(dǎo)航電文是GNSS導(dǎo)航的靈魂。為了確保動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)的所需精度，需要不斷地更新發(fā)送給用戶的衛(wèi)星導(dǎo)航電文。本文以GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)為例，論述了對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航電文的更新方法及其相關(guān)問(wèn)題。衛(wèi)星導(dǎo)航電文的更新實(shí)踐表明，為了確保衛(wèi)星導(dǎo)航電文的所需精度，需要有四、五十個(gè)地面監(jiān)測(cè)站分布在全球的廣闊地區(qū)，這是值得我國(guó)建設(shè)北斗地面監(jiān)控網(wǎng)借鑒的。

[1] 劉基余．GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法．北京：北京科學(xué)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參加第九屆全國(guó)應(yīng)急通信研討會(huì)暨應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)備展

7月17日，Cobham中國(guó)區(qū)攜手中國(guó)交通通信信息中心，參加了“第九屆全國(guó)應(yīng)急通信研討會(huì)暨應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)備展”。CobhamSatcom解決方案經(jīng)理余昊楠就“Inmarsat海事衛(wèi)星新服務(wù)GX以及Cobham新產(chǎn)品E710”做了主題演講。

此次會(huì)議由電子工業(yè)出版社主辦，《數(shù)字通信世界》雜志社承辦。工信部、公安部、交通運(yùn)輸部、水利部等相關(guān)部委領(lǐng)導(dǎo)，省級(jí)政府應(yīng)急中心、應(yīng)急管理辦公室，以及行業(yè)應(yīng)用單位領(lǐng)導(dǎo)及技術(shù)骨干專家出席并進(jìn)行議題討論。

Fitbit應(yīng)用程序升級(jí)

全球智能樂(lè)活科技品牌Fitbit近日在應(yīng)用程序上推出了一項(xiàng)特色功能——MobileRun，使這款免費(fèi)應(yīng)用程序的功能性更強(qiáng)大、使用更便利。MobileRun利用智能手機(jī)上的GPS功能準(zhǔn)確且輕松地對(duì)跑步、行走和遠(yuǎn)足活動(dòng)進(jìn)行追蹤、記錄和比較。Fitbit應(yīng)用程序在iTunes和Google Play商店連接健身設(shè)備的下載應(yīng)用程序中排名居于領(lǐng)先地位。具有GPS功能的“MobileRun”可以追蹤速度、分段、時(shí)間、距離以及路線從而提高鍛煉效果。

帶有MobileRun功能的新版本Fitbit應(yīng)用程序現(xiàn)已能從iTunes商店下載（安卓版本即將推出），且適用于Fitbit所有屢獲獎(jiǎng)項(xiàng)的活動(dòng)和睡眠追蹤產(chǎn)品：智能樂(lè)活手環(huán)Fitbit Flex、智能樂(lè)活?yuàn)A扣Fitbit One和Fitbit Zip。同時(shí)，MobileRun也與iPhone 5s版本應(yīng)用程序中的MobileTrack功能相兼容。

通過(guò)與GPS相結(jié)合，MobileRun向用戶實(shí)時(shí)更新每次跑步、行走或遠(yuǎn)足的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括精確路線、每公里的速度（分段）、所行距離和時(shí)間，從而讓用戶及時(shí)追蹤訓(xùn)練或鍛煉的情況并予以提升。

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

劉基余，現(xiàn)任武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院教授/博士生導(dǎo)師，兼任美國(guó)紐約科學(xué)院（New York Academy of Sciences）外籍院士、中國(guó)電子學(xué)會(huì)會(huì)士。主要研究方向是GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位/衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外30余種中英文學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了280余篇相關(guān)研究論文，獨(dú)著了（北京）科學(xué)出版社于2013年1月出版發(fā)行的《GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法》一書(shū)。他的主要業(yè)績(jī)已分別載于美國(guó)于2001年出版發(fā)行的《世界名人錄》（Who's Who in the World）、美國(guó)于2005年出版發(fā)行的《科技名人錄》（Who's Who in Science and Engineering）和中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)于2007年出版發(fā)行的《中國(guó)科學(xué)技術(shù)專家傳略》工程技術(shù)編《電子信息科學(xué)技術(shù)卷2》等五十多種國(guó)內(nèi)外辭書(shū)上。