2020-01-14
177
В настоящем разделе описывается смысловое содержание и формат навигационного сообщения, передаваемого НКА «НАВСТАР» в навигационном радиосигнале.
Передаваемое в навигационных радиосигналах НКА «НАВСТАР» навигационное сообщение предназначено для проведения потребителями навигационных определений, привязки к точному времени и для планирования сеансов навигации.
По своему содержанию навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию.
Оперативная информация относится к тому НКА, с борта которого передается данный навигационный радиосигнал и содержит:
· оцифровку меток времени НКА;
· сдвиг шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы «НАВСТАР»;
· относительное отличие несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала от номинального значения;
· эфемериды НКА и другие параметры.
Неоперативная информация содержит альманах системы, включающий в себя:
· данные о состоянии всех НКА системы (альманах состояния);
|
|
|
· сдвиг шкалы времени каждого НКА относительно шкалы времени системы «НАВСТАР» (альманах фаз);
· параметры орбит всех НКА системы (альманах орбит);
· сдвиг шкалы времени системы «НАВСТАР» относительно UTC(SU) и другие параметры. Это значение может использоваться приемником, чтобы установить UTC с точностью в пределах 100 ns.
Основное сообщение, передаваемое с каждого навигационного спутника GPS, формируется в виде кадра. Поток навигационных данных передается со скоростью 50 бит/сек. Длительность информационного символа «0» или «1» равна 20 мсек.
Кадр состоит из пяти подкадров. Подкадры с 1 по 3 содержат по 300 информационных символов. Триста информационных символов разделяются на 10 слов по 30 символов в слове.
Подкадры 4 и 5 содержат по 25 страниц. Каждая страница состоит из 300 информационных символов (или разрядов), которые также разделены на 10 слов по 30 символов в слове.
Таким образом, сформированных кадр всегда содержит 1, 2, 3 подкадры, одну страницу из подкадра 4 и одну страницу из подкадра 5.
Поскольку каждая строка или страница имеет объем 300 символов, длительность символа 20 мсек, то время передачи кадра из пяти подкадров составляет 30 сек, время передачи строки (страницы)- 6 сек, время передачи всего со общения (25 кадров) - 12.5 мин. Период повторения подкадров 1-3 составляет 30 сек, периоды повторения страниц из подкадров 4 и 5 большее время, что обусловлено значимостью передаваемой информации. Формат сообщений подкадров 1-3 и строк (страниц) подкадров 4, 5 изображен на рисунке 2.1.
| Всего 300 бит (старшие разряды слева, младшие справа) | |||||||||||||||||||||
| Слово 1 | Слово 2 | Слово 3
| Слово 4 | Слово 5 | Слово 6 | Слово 7 | Слово 8 | Слово 9 | Слово 10 | ||||||||||||
| TLM | P | HOW | P | P | P | P | P | P | P | P | P | ||||||||||
| 1-24 | 6 | 1-24 | 6 | 1-24 | 6 | 1-24 | 6 | 1-24 | 6 | 1-24 | 6 | 1-24 | 6 | 1-24 | 6 | 1-24 | 6 | 1-24 | 6 | ||
| Разряды | Разряды | Разряды | Разряды | Разряды | Разряды | Разряды | Разряды | Разряды | Разряды | ||||||||||||
Рисунок 2.1 – Формат сообщений подкадров
Расположение информации, передаваемой с навигационного спутника системы «НАВСТАР» приведено на рисунке 2.2.
| Содержание кадра | Содержание подкадра | ||
| Подкадр 1 | Слово TLM | Слово HOW | Номер недели GPS, точность, состояние и параметры коррекции времени спутника |
| Подкадр 2 | Слово TLM | Слово HOW | Информация об эфемеридах спутника |
| Подкадр 3 | Слово TLM | Слово HOW | Информация об эфемеридах спутника |
| Подкадр 4 (25 страниц) | Слово TLM | Слово HOW | Альманах и состояние спутников с номерами 25-32, конфигурация спутников, признаки, данные ионосферы и всемирной шкалы времени (UTC), специальные сообщения, резервные разряды |
| Подкадр 5 (25 страниц) | Слово TLM | Слово HOW | Альманах и состояние спутников с номерами 1-2, опорное время, номер недели альманаха, резервные разряды |
Рисунок 2.2 – Расположение информации, передаваемой с навигационного спутника системы «НАВСТАР»
В формате (см. рисунок 2.1) после каждого слова имеется 6 проверочных битов, занимающих разряды 25-30 каждого слова. Информация передается старшими разрядами вперед.
Слово. Каждое слово строки (страницы) подкадров 1-5 содержит 30 символов (разрядов). Шесть младших разрядов каждого слова имеют проверочные символы для контроля и проверки правильности передаваемой информации.
Строка (страница). Каждая строка (страница) подкадров 1-5 начинается со слов TLM (первое слово), HOW (второе слово).
Первое слово телеметрии (TLM) включает преамбулу (8 старших разрядов), телеметрическое сообщение для санкционированных потребителей, два резервных разряда и 6 младших разрядов для проверочных символов.
Второе слово передачи (ключ, HOW) содержит 19 младших разрядов 29-разрядного Z-отсчета, три разряда (20, 21, 22) для идентификатора (ID) подкадра, два разряда (23, 24) резервных и 6 разрядов проверочных символов.
Идентификатор (ID) для подкадров 1, 2, 3, 4, 5 принимает соответственно значения: 001, 010, 011, 100, 101.
Z - отсчет. Каждый навигационный спутник формирует 1.5 - секундную эпоху (момент времени) для точного отсчета и привязки времени. Отсчет времени, установленный таким образом, называется Z - отсчетом.
Z - отсчет предоставляется потребителю в виде 29-разрядного двоичного числа. Десять старших разрядов (MSB) Z - отсчета являются двоичным представлением последовательного номера текущей недели. Отсчет недель лежит в пределах от 0 до 1023. Нулевое состояние соответствует той неделе, которая начинается с 1.5 - секундной эпохи в нулевой (приблизительно) временной точке всемирного времени (UTC). По окончании GPS - недели с номером 1023 номер недели сбрасывается в ноль. При этом потребитель при переходе от системного времени GPS к календарной дате предыдущие 1024 недели учитывает (прибавляет).
Неделя - это самая большая единица измерения времени в системе «НАВСТАР». Неделя определена как 604800 секунд. Т.е. неделя = 7 суток * 24часа * 60минут * 60 секунд = 604800секунд.
Нулевой отсчет времени GPS определен в полночь с 5 на 6 января 1980 года.
Девятнадцать следующих разрядов Z - отсчета, расположенных в слове 2 (HOW), определяются как количество 1.5 - секундных интервалов отсчитанных от момента перехода «конец/начало» любой недели. Отсчет лежит в пределах от О до 403199. Число 403199 есть количество 1.5 - секундных интервалов в неделе (в 604800 секундах).
В таблице 1.6 на конкретных данных приводится объяснение Z-счета.
В течение недели передаваемая в 17 старших разрядах слова 2 информация в десятичном эквиваленте изменяется в диапазоне от 0 до 100799 с шагом 1, что соответствует 6 секундам Т.е. продолжительности передачи информации 1 подкадра. Можно отметить, что за неделю каждый навигационный спутник транслирует потребителям 100800 подкадров (строк).
|
|
|
Начало каждого подкадра соответствует отсчету, указанному в 17 старших разрядах слова 2 переданных в предыдущем подкадре.
Таблица 2.1 – Объяснение Z-счета
| Десятичный эквивалент Z-счета 1 шаг = 1.5 сек | 19 двоичных разрядов Z-счета (курсивом выделены 17 совпадающих старших разрядов) | 17 старших двоичных разрядов Z-счета (передаются в подкадре I-1) | Десятичный эквивалент 17 старших разрядов Z-счета 1 шаг = 6 сек | Подкадр |
| 403160 | 11000100110110110 00 | 11000100110110110 | 100790 | I |
| 403161 | 1100010011011011001 | |||
| 403162 | 1100010011011011010 | |||
| 403163 | 1100010011011011011 | |||
| 403164 | 11000100110110111 00 | 11000100110110111 | 100791 | I+1 |
| 403165 | 1100010011011011101 | |||
| 403166 | 1100010011011011110 | |||
| 403167 | 1100010011011011111 | |||
| 403168 | 11000100110111000 00 | 11000100110111000 | 100792 | I+2 |
| 403169 | 1100010011011100001 | |||
| 403170 | 1100010011011100010 | |||
| 4031971 | 1100010011011100011 | |||
| 403172 | 11000100110111001 00 | 11000100110111001 | 100793 | I+3 |
| 403173 | 1100010011011100101 | |||
| 403174 | 1100010011011100110 | |||
| 403175 | 1100010011011100111 |
Содержание и расположение данных подкадра 1 приведено в таблице 2.2.
Таблица 2.2 – Информация подкадра 1
| № | Расположение информации: слово, разряды | Символьное обозначение | Содержание информации | ||
| 1 | Слово 3 Разряды 1-10 | WH | Номер текущей недели GPS в начале передачи данных. Десять старших разрядов 29-ти разрядного Z-счета | ||
| 2 | Слово 3 Разряды 11-12 | C/A или P на L2 | Включение C/A или P кода для частоты L2 | ||
| 3 | Слово 3 Разряды 13-16 | URA | Точность измерения дальности потребителем (15 градаций от 2 метров до 4096 метров, плюс 16 градация – «не использовать») | ||
| 4 | Слово 3 Разряды 17-22 | SV HEALTH | Состояние спутника: старший разряд «0» - вся навигационная информация в норме; старший разряд «1» - часть навигационной информации не достоверна | ||
| 5 | Слово 3 Разряды 23-24 Слово 8 Разряды 1-8 | IODC | Идентификатор набора параметров времени. Значения передаваемого IODC отличается от любого другого значения IODC, передаваемого в течении предыдущих 7 дней. 8 младших разрядов IODC соответствуют 8 разрядам IODE подкадров 2 и 3 | ||
| 6 | Слово 4 Разряды 1 | L2 P | Признак данных для P-кода на частоте L2 | ||
| 7 | Слово 7 Разряды 17-24 | TGD | Поправка для учета группового времени задерживания | ||
| 8 | Слово 8 Разряды 9-24 | toc | Параметры коррекции бортовой шкалы времени
| ||
| 9 | Слово 9 Разряды 1-8 | at2 | |||
| 10 | Слово 9 Разряды 9-24 | at1 | |||
| 11 | Слово 10 Разряды 1-22 | at0 |
Общая точность потребителя (URA) - статистический индикатор всего диапазона точностей, относящихся к специфике навигационного спутника. URA - это целое число от О до 15, при URA = 15 прогноз по точности отсутствует и потребителю предлагается использовать данные на собственный риск. Еще одно определение URA - прогнозируемая точность определения дальности потребителем до навигационного спутника. Точностные параметры аппаратуры потребителя URA не учитываются.
Содержание и расположение эфемеридной информации GPS приведено в таблице 2.3.
Таблица 2.3 – Эфемеридная информация GPS
| № | Расположение информации: слово, разряды | Символьное обозначение | Содержание информации |
| Подкадр 2 | |||
| 1 | Слово 3 Разряды 1-8 | IODC | Идентификатор набора данных эфемерид. Используется для идентификации подкадров 2 и 3 при обновлении содержащейся в них информации. Критерий обновления – несовпадения 8 младших разрядов IODC в подкадре 1 с IODC подкадров 2 и 3 |
| 2 | Слово 3 Разряды 9-24 | Crs | Амплитуда синусной гармонической поправки к радиусу орбиты спутника |
| 3 | Слово 4 Разряды 1-16 | 
| Отличие среднего движения от расчетного |
| 4 | Слово 4 Разряды 17-24 Слово 5 Разряды 1-24 | M0 | Средняя аномалия на время привязки |
| 5 | Слово 6 Разряды 1-16 | Cuc | Амплитуда косинусной гармонической поправки к аргументу широты |
| 6 | Слово 6 Разряды 17-24 Слово 7 Разряды 1-24 | E | Эксцентриситет |
| 7 | Слово 8 Разряды 1-16 | Cus | Амплитуда синусной гармонической поправки к аргументу широты |
| 8 | Слово 8 Разряды 17-24 Слово 9 Разряды 1-24 | 
| Корень квадратный из большой полуоси орбиты |
| 9 | Слово 10 Разряды 1-16 | toe | Опорное время привязки передаваемых эфемерид |
| 10 | Слово 10 Разряды 17-22 | AODO | Не эфемеридный параметр, характеризующий изменение срока службы данных |
| Подкадр 3 | |||
| 11 | Слово 3 Разряды 1-16 | Cic | Амплитуда косинусной гармонической поправки к углу наклонения |
| 12 | Слово 3 Разряды 17-24 Слово 4 Разряды 1-24 | Ω0 OMEGA 0 | Долгота восходящего угла орбитальной плоскости на недельную эпоху |
| 13 | Слово 5 Разряды 1-16 | Cis | Амплитуда синусной гармонической поправки к углу наклонения |
| 14 | Слово 5 Разряды 17-24 Слово 6 Разряды 1-24 | i0 | Угол наклонения орбиты спутника наклонение орбиты спутника |
| 15 | Слово 7 Разряды 1-16 | Crc | Амплитуда косинусной гармонической поправки к радиусу орбиты спутника |
| 16 | Слово 7 Разряды 17-24 Слово 8 Разряды 1-24 | Ω | Аргумент перигея |
| 17 | Слово 9 Разряды 1-24 | Ω OMEGADOT | Скорость изменения прямого восхождения |
| 18 | Слово 10 Разряды 1-8 | IODE | Идентификатор набора данных эфемерид. Используется для идентификации подкадров 2 и 3 при обновлении содержащейся в них информации. Критерий обновления – несовпадения 8 младших разрядов IODC в подкадре 1 с IODC подкадров 2 и 3 |
| 19 | Слово 10 Разряды 9-22 | IDOT | Скорость изменения угла наклона |
Содержание и расположение информации альманаха GPS приведено в таблице 2.4.
Таблица 2.4 – Информация по альманаху GPS
| № | Расположение информации: слово, разряды | Символьное обозначение | Содержание информации |
| Подкадр 4, строки со 2 по5 и с 7 по 10; подкадр 5, строки с 1 по 24 | |||
| 1 | Слово 3 Разряды 9-24 | e | Эксцентриситет (пониженная точность) |
| 2 | Слово 4 Разряды 1-8 | toa | Опорное время привязки альманаха |
| 3 | Слово 4 Разряды 9-24 | δi | Отклонение от номинального угла наклонения орбиты спутника. За номинальный угол наклонения принята величина равная i0 = 0.3 полуцикла |
| 4 | Слово 5 Разряды 1-16 | Ω OMEGADOT | Скорость изменения прямого восхождения (пониженная точность) |
| 5 | Слово 6 Разряды 1-24 | 
| Корень квадратный из большой полуоси орбиты спутника (пониженная точность) |
| 6 | Слово 7 Разряды 1-24 | Ω0 OMEGA 0 | Долгота восходящего узла орбитальной плоскости на недельную эпоху (пониженная точность) |
| Слово 8 Разряды 1-24 | ω | Аргумент перигея (пониженная точность) | |
| Слово 9 Разряды 1-24 | M0 | Средняя аномалия на время привязки (пониженная точность) | |
| Слово 10 Разряды 1-8, 20-22 | af0 | Коэффициент (постоянной составляющей) аппроксимации временных параметров альманаха | |
| Слово 10 Разряды 9-19 | af1 | Коэффициент (первого порядка составляющей) аппроксимации временных параметров альманаха | |
| Подкадр 5, строка 25 | |||
| Слово 3 Разряды 9-16 | toa | Опорное время привязки альманаха в неделе с номером WNa | |
| Слово 3 Разряды 17-24 | WNa | Полный номер недели, к которой относится опорное время привязки альманаха (toa) | |
Содержание и расположение информации для привязки системного времени GPS к UTC приведено в таблице 2.5.
Таблица 2.5 – Информация по параметрам UTC для привязки системного времени GPS к UTC
| № | Расположение информации: слово, разряды | Символьное обозначение | Содержание информации | Цена деления младшего разряда | Единицы измерений | |
| Подкадр 4, строка 18 | ||||||
| 1 | Слово 6 Разряды 1-24 | A1 | Коэффициенты при первом и нулевом членах аппроксимирующего полинома | 2-50 | Секунда | |
| 2-30 | секунда | |||||
| 2 | Слово 7 Разряды 1-24 Слово 8 Разряды 1-8 | A0 | ||||
| 3 | Слово 9 Разряды 9-16 | tot | Опорное время UTC | 212 | Секунда | |
| 4 | Слово 8 Разряды 17-24 | WNt | Восемь младших разрядов текущей недели, указанной в подкадре 1 словом 3 | 1 | Недели | |
| 5 | Слово 9 Разряды 1-8 | ΔtLS | Секундная коррекция | 1 | Секунда | |
| 6 | Слово 9 Разряды 9-16 | WNLSF | Восемь младших разрядов недели, на которой планируется или проведена односекундная коррекция времени | 1 | Недели | |
| 7 | Слово 9 Разряды 17-24 | DN | День недели WNLSF, в конце которого планируется или проведена односекундная коррекция времени | 1 | Сутки | |
| 8 | Слово 10 Разряды 1-8 | ΔtLSF | Значение поправки, обусловленная скачками секунд | 1 | Секунда | |
Содержание и расположение информации для ионосферной коррекции GPS приведено в таблице 2.6.
Таблица 2.6 – Информация по параметрам для ионосферной коррекции
| № | Расположение информации: слово, разряды | Символьное обозначение | Содержание информации | Цена деления младшего разряда | Единицы измерений | |
| Подкадр 4, строка 18 | ||||||
| 1 | Слово 3 Разряды 9-16 | α0 | Коэффициенты позволяют потребителю применить модель ионосферы для расчета ионосферной задержки. У всех коэффициентов старший разряд является знаковым (+ или -) | 2-30 | Секунда/ полуцикл | |
| 2 | Слово 3 Разряды 17-24 | α1 | 2-27 | Секунда/ полуцикл | ||
| 3 | Слово 4 Разряды 1-8 | α 2 | 2-24 | Секунда/ (полуцикл)2 | ||
| 4 | Слово 4 Разряды 9-16 | α 3 | 2-24 | Секунда/ (полуцикл)3 | ||
| 5 | Слово 4 Разряды 17-24 | β 0 | 211 | Секунда | ||
| 214 | Секунда/ (полуцикл) | |||||
| 6 | Слово 5 Разряды 1-8 | β 1 | ||||
| 216 | Секунда/ (полуцикл)2 | |||||
| 7 | Слово 5 Разряды 9-16 | β 2 | ||||
| 216 | Секунда/ (полуцикл)3 | |||||
| 8 | Слово 5 Разряды 17-24 | β 3 | ||||
