GPS从入门到放弃（五） --- GPS导航电文

GPS从入门到放弃（五） — GPS导航电文

GPS的导航电文以帧的形式编排为比特流，每一帧为1500比特，这1500比特又分为5个子帧，每个子帧为300比特。每一子帧又分为10个字，每个字30为比特。发送时MSB在前。每一比特发送需要20ms，所以发送一帧需要30s。

每周开始的时候（周六半夜12点/周日凌晨0点），不管之前数据发到哪个子帧，从第一子帧重新开始发；第四、五子帧从第一页开始发。

对每一个子帧来说，其第一个字是遥测字（TLW: Telemetry Word），第二个字是交接字（HOW: HandOver Word），后8个字为数据。

遥测字

其结构如下图所示。其首8个比特为前导码（preamble），前导码固定为10001011。这个固定的前导码可以用来搜索、确定子帧的起始沿。第9位到第22位提供特许用户使用的数据，我们不用管。第23位为完好性状态指示标志（ISF：Integrity Status Flag），为1表示有发射的信号有增强的完好性保证，即更加靠谱。当然这个靠谱是有标准的，在GPS的接口说明文档里有详细数值指标，需要详细了解的可以去查阅。第24位保留。最后6位为奇偶校验码。

交接字

其结构如下图所示。第1到17比特为被截断的周内时（TOW: Time of Week），表示的是下一子帧起始沿的GPS时间，单位为6s，即变动1表示时间6s。第18位为警告标志，为1时非特许用户自行承担使用该卫星信息的风险。第19位为反电子欺骗措施（AS）标志，为1表示实施了该措施。第20位到22位为子帧ID，每一帧有5个子帧，ID为1~5。第23、24比特是通过求解得到的，目的是保证奇偶校验码的最后29、30比特为0。

数据字

对于数据字，各个子帧就不一样了，下面分子帧来讲。

第一子帧

第一子帧包含的数据有

• 周数（WN: Week Number）：10位，最大值为1023，表示从GPS时间0时开始的第几周。因位数限制，最大表示范围只有约19.6年，于是每19.6年会翻转一次。最近一次翻转发生在今年4月6日。
• L2载波上是否有P码和C/A码：2位，这个我们不管。
• 用户测距精度（URA: User Range Accuracy）：4位，16个级别，数值越小，精度越高。
• 卫星健康状况：6位，其中1位为汇总是否有问题，5位具体表示是什么问题。
• 时钟数据的期号（IODC: Issue of Data, Clock）：10位，同一期（同样）的时钟校正参数有着相同的期号，因此可用于确定时钟校正参数是否发生变化。
• L2载波的P码上是否有导航电文：1位，这个我们不管。
• 预估群波延时（Estimated Group Delay Differential）：8位，单频接收机用这个数据来校正电离层延时。
• 时钟校正参数：包含$t_{oc},a_{f0},a_{f1},a_{f2}$。用于校正卫星时钟。卫星时钟在GPS时间为t时的卫星钟差$\Delta t_s$可以表示为：
  $$\Delta t_s=a_{f0}+a_{f1}(t-t_{oc})+a_{f2}(t-t_{oc}{)}^2$$

第二、三子帧

第二子帧和第三子帧的数据合在一起可以提供一套卫星星历（Ephemeris）参数。

参数名	位数	含义
$t_{oe}$	16	星历参考时间
$\sqrt{A}$	32	卫星轨道半长轴A的平方根
$e$	32	卫星轨道偏心率
$i_0$	32