GNSS技術(shù)干貨之星歷和歷書-云帆興燁
星歷和歷書往往是解決衛(wèi)星導(dǎo)航問題的重要入口，但這兩個概念容易混淆，今天我們就聊一聊星歷和歷書。
悠久的歷史
星歷（Ephemeris）這個詞源于希臘語 "ephémeros"，意思是"每日的"。在很早以前的航海和天文領(lǐng)域，星歷就有著重要的應(yīng)用，指天體運(yùn)行位置和運(yùn)動參數(shù)的表格或指南，可以用來表示天體在特定時間的位置，便于船舶和航天器的導(dǎo)航和定位。
歷書（Almanac）一詞最早出現(xiàn)在拉丁語中的“almanachus”，意為“日程表”，歐洲的天文學(xué)家和占星家早在十一世紀(jì)就開始編寫阿爾曼紐斯（Almanacs）以記錄準(zhǔn)確的日食、月食、星象和行星位置等觀測數(shù)據(jù)，并用它來預(yù)測未來的行星和潮汐運(yùn)動。
從這兩個名詞的來源看，星歷包含實(shí)時的天體運(yùn)動位置，歷書具有預(yù)報的作用。衛(wèi)星導(dǎo)航借用了星歷和歷書的概念，用來描述導(dǎo)航電文中的重要組成部分 —— 衛(wèi)星位置以及重要衛(wèi)星參數(shù)。
衛(wèi)星導(dǎo)航的星歷和歷書
在衛(wèi)星導(dǎo)航中，星歷與歷書都是表示衛(wèi)星運(yùn)行的參數(shù)，通過導(dǎo)航電文的方式，以比特數(shù)據(jù)的形式發(fā)送給定位接收機(jī)。
星歷是當(dāng)前接收機(jī)能夠觀測到的衛(wèi)星的精確位置，精度很高，并應(yīng)用于定位。星歷數(shù)據(jù)的有效期短，通常1-2個小時就更新一次。
歷書包括導(dǎo)航星座全部衛(wèi)星的大概位置，用于衛(wèi)星預(yù)報。歷書的精度比星歷通常要低很多，有效期也長很多。用戶可以根據(jù)自身位置與歷書的信息，預(yù)測出當(dāng)前接收機(jī)可見衛(wèi)星，從而減少漫天搜索衛(wèi)星的時間。
例如，接收機(jī)搜捕到了1號GPS衛(wèi)星，那么它就可以從導(dǎo)航電文中解出1號星的星歷信息，并計算出1號星的精確位置，同時可以從一號星中收到所有32顆GPS衛(wèi)星的歷書信息，用來預(yù)報此時GPS星座其他衛(wèi)星所處的大概位置。
開普勒與衛(wèi)星軌道
開普勒六根數(shù) （Keplerian Elements）
星歷和歷書中包含最重要的內(nèi)容就是衛(wèi)星的位置了。衛(wèi)星的位置到底是以什么格式體現(xiàn)的呢？是我們通常說的X、Y、Z么？
目前除了GLONASS系統(tǒng)播發(fā)其坐標(biāo)系下衛(wèi)星的具體位置之外，像北斗、GPS都是播發(fā)開普勒根數(shù)。
開普勒六根數(shù)是描述行星軌道參數(shù)，它們是：
通過這些參數(shù)就可以計算和預(yù)測行星位置及其運(yùn)動了。
開普勒六根數(shù)描述星體運(yùn)行位置
這些參數(shù)以一定的規(guī)則填寫到導(dǎo)航電文當(dāng)中，接收機(jī)就能通過這個規(guī)則解出開普勒參數(shù)，從而計算出衛(wèi)星的位置了。
北斗導(dǎo)航電文格式（部分）
星歷歷書包含的其他重要內(nèi)容
除了衛(wèi)星的開普勒參數(shù)星歷還包括以下信息：
這些信息對于接收機(jī)的正?？煽抗ぷ饕灿蟹浅Ｖ匾淖饔谩Ａ硗?，軍碼的星歷精度往往會高于民碼。
相比之下，歷書除了開普勒參數(shù)外，包含的信息就少很多，其主要的任務(wù)就是把星座的幾十顆星的參數(shù)完全播發(fā)出來，而且往往需要把完整的歷書數(shù)據(jù)需要拆開來播發(fā)，比如GPS每30秒發(fā)送歷書的一部分內(nèi)容，12.5分鐘才能發(fā)送完成一個完整的歷書。歷書往往存儲在接收機(jī)的非易失存儲器中，用來加快首次定位速度。
星歷和歷書的存放格式
用戶只能通過接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號才能獲得星歷和歷書么？其實(shí)不然，星歷和歷書信息還可以通過其他的方式發(fā)送給接收機(jī)，用來提高接收機(jī)的性能。比如A-GPS中，衛(wèi)星的軌道參數(shù)可以通過基站高效的發(fā)送給手機(jī)，用來提高手機(jī)首次定位時間。另外，我們可以從GPS、BD網(wǎng)站下載到星歷的數(shù)據(jù)，很多機(jī)構(gòu)也會發(fā)布這些信息供用戶下載使用。
星歷一般以RINEX格式存儲，歷書一般以YUMA格式或TLE格式存儲，標(biāo)準(zhǔn)化的文件格式為全球的衛(wèi)星導(dǎo)航用戶提供了統(tǒng)一的接口，為定位導(dǎo)航的研究帶來了極大的方便。比如下面這個網(wǎng)站可以提供最新的兩行根數(shù)格式TLE的歷書文件。
思博倫的PosApp軟件支持導(dǎo)入外部下載的星歷和歷書文件，從而使GSS7000的星座仿真和真實(shí)的衛(wèi)星分布保持一致。
總結(jié)
GNSS星歷和歷書在定位和授時方面起著關(guān)鍵作用。準(zhǔn)確星歷數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)更精確、可靠、高效的GNSS定位、導(dǎo)航和授時功能。隨著GNSS技術(shù)的不斷改進(jìn)，未來的發(fā)展將繼續(xù)圍繞著提高星歷、歷書的準(zhǔn)確性、可用性、播發(fā)效率等展開，為GNSS技術(shù)的廣泛應(yīng)用開辟新的機(jī)遇。