A Study on a Rapid Satellite Ephemeris Binding Device and Its Implementation Strategy

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2026.04.008

Abstract

Abstract:

Satellite ephemeris information is a key parameter for rapid positioning of aircraft after takeoff， and the number of loaded ephemerides and the loading strategy of the ground control system play a crucial role in flight position calculation. To ensure that the aircraft completes the ground debugging work to the maximum extent and simultaneously achieve rapid positioning of the airborne receiver， this paper adopted a modular decoupling design method and developed a ground satellite loading strategy meeting the requirements of rapid positioning. While ensuring the output of auxiliary positioning information， it also met the function of high-precision timing and positioning on the ground. This paper emphatically introduced the satellite ephemeris calculation method based on Newton iteration and the multi-dimensional ephemeris loading strategy in the full sky domain， which met the high-precision positioning requirements of receiving equipment and simultaneously provided a guarantee for rapid positioning of lower-level products. The test results indicate that the rapid convergence algorithm of navigation message based on Newton iteration ensures rapid convergence of ephemeris data within a limited time； the multi-dimensional satellite calculation strategy in the full sky domain steadily promotes the improvement of receiver positioning performance； the receiver can steadily improve satellite calculation speed and accuracy by preloading a certain amount of high-quality satellite information， meeting rapid positioning requirements of equipment under positioning systems at different time periods.

Key words: ephemeris, loading strategy, Newton iteration, modularization, high precision

摘要：

卫星星历信息是飞行器起飞后快速定位的关键参量，地面控制系统装订星历数量和装订策略对飞行位置解算起着至关重要的作用。为了最大限度保证飞行器完成地面调试工作同时实现机载接收机的快速定位，采用模块化解耦设计方式，研制出一种满足快速定位需求的地面卫星装订策略。在保证辅助定位信息输出的同时满足地面高精度授时定位的功能。着重介绍了基于牛顿迭代的卫星星历解算方法及全星域下多维度星历装订策略，满足接收设备高精度定位需求同时为下级产品快速定位提供保障。试验结果表明：基于牛顿迭代的导航电文快速收敛算法确保星历数据在有限时间内快速收敛，全星域下多维度解星策略为接收机定位性能提升产生稳步促进效用，接收机可以通过预装一定数量的优质卫星信息稳步提升为卫星解算速度和精度，满足不同时段定位系统下设备快速定位需求。

关键词: 星历, 装订策略, 牛顿迭代, 模块化, 高精度

CLC Number:

V553.1

Shuai ZHANG, Aibing SUN, Zhenyu HE, Xiaowen HAN, Ang GAO, Chentong XIE, Duan HU, Zhenyu ZANG, Songtao CAI, Xiaolan QUAN, Lingfei HONG. A Study on a Rapid Satellite Ephemeris Binding Device and Its Implementation Strategy[J]. Modern Defense Technology, 2026, 54(4): 81-87.

张帅, 孙爱兵, 贺振宇, 韩小文, 高昂, 谢辰同, 胡端, 臧振宇, 蔡松涛, 权晓岚, 洪灵菲. 一种卫星星历快速装订设备及其实现策略研究[J]. 现代防御技术, 2026, 54(4): 81-87.

Figures/Tables 5

Fig. 1 Principle of system design

Table 1 Main iterative data of single ephemeris

序号

轨道

参数

半长轴

偏心率

轨道

倾角

升交点

赤经

近地点

角距

平近

点角

星历

参考时间

符号

α

Ω

ω

t 0

Table 1 Main iterative data of single ephemeris

序号

轨道

参数

半长轴

偏心率

轨道

倾角

升交点

赤经

近地点

角距

平近

点角

星历

参考时间

符号

α

Ω

ω

t 0

Table 2 Simulation results of receiver under different strategies

时间	TTFF首次定位时间/s	定位误差（RMS）	算法收敛速度（迭代次数）
特定星历装订策略牛顿迭代（早上）	29.5	6.1	22
顺序装订策略（早上）	32.0	8.7	24
特定星历装订策略牛顿迭代（中午）	20.8	3.8	17
顺序装订策略（中午）	29.2	5.3	19

Table 3 Simulation results of receiver selection judgment for large-number satellites

	不判定		增加判决
时间段	南部	北部	南部		北部
时间段	南部	北部	卫星数（小号星+大号星）	大号卫星号	卫星数（小号星+大号星）	大号卫星号
22∶13开始	12	4	11+3	B36，B37，B38	4+5	B33，B35，B42，B43，B46
23∶13	8	5	9+4	B38，B37，B41，B46	4+3	B36，B37，B40
00∶13	9	3	9+5	B32，B38，B40，B41，B46	4+3	B33，B36，B45
01∶13	10	3	10+5	B32，B35，B38，B40，B45	3+2	B41，B45
02∶13	11	2	10+3	B32，B40，B36	3+3	B41，B38，B45
03∶13	11	3	11+3	B39，B40，B45	3+4	B32，B35，B38，B41
04∶13	12	3	11+2	B39，B40	3+3	B32，B35，B38
05∶13	14	3	14+2	B39，B40	3+4	B32，B35，B38，B44
06∶13	12	4	12+3	B35，B39，B46	4+3	B37，B38，B44
07∶13	10	5	9+5	B35，B36，B38，B39，B46	4+2	B37，B44
08∶13	9	6	9+5	B35，B36，B38，B39 B44	6+3	B34，B37，B46

Table 4 Comparison of satellite distribution in simulation results of receiver selection judgment for large-number satellites

时间段	24通道，不开大号卫星	24通道，开大号卫星	星数变换情况
22：13	16	23	7
23：13	13	20	7
00：13	12	19	7
01：13	13	20	7
02：13	13	19	6
03：13	14	20	6
04：13	15	20	5
05：13	17	23	6
06：13	16	21	5
07：13	15	22	7
08：13	15	23	8

References 14

[1]	熊芷玄，冯畅. GNSS广播星历精度评估与分析［J］. 导航定位学报， 2024， 12（3）： 81-87.
	XIONG Zhixuan， FENG Chang. Evaluation and Analysis of GNSS Broadcast Ephemeris Positioning Performance［J］. Journal of Navigation and Positioning， 2024， 12（3）： 81-87.
[2]	彭华东，乔书波，李林阳，等. 基于广播星历的GPS/BDS-3非差非组合PPP［J］. 大地测量与地球动力学， 2023， 43（12）： 1281-1287.
	PENG Huadong， QIAO Shubo， LI Linyang， et al. GPS/BDS-3 Undifferenced and Uncombined PPP Based on Broadcast Ephemeris［J］. Journal of Geodesy and Geodynamics， 2023， 43（12）： 1281-1287.
[3]	申少飞，雷伟伟，李振南，等. 两种北斗卫星精密星历外推方法的精度分析［J］. 测绘通报， 2023（9）： 12-17， 69.
	SHEN Shaofei， LEI Weiwei， LI Zhennan， et al. Accuracy Analysis of Two Precision Ephemeris Extrapolation Methods for BeiDou Satellites［J］. Bulletin of Surveying and Mapping， 2023（9）： 12-17， 69.
[4]	严镭，李蒙，何智力，等. 一种基于IGS超快速星历的广播星历拟合方法［C］∥第十四届中国卫星导航年会论文集——S07卫星导航用户终端会议论文集. 北京：中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心， 2024： 53-56.
	YAN Lei， LI Meng， HE Zhili， et al. A Broadcast Ephemeris Fitting Method Based on IGS Super Fast Ephemeris［C］∥Proceedings of the 14th China Satellite Navigation Conference-S07 Satellite Navigation User Terminal. Beijing： Academic Exchange Center of China Satellite Navigation System Management Office， 2024： 53-56.
[5]	卞艺潼，聂志喜，王振杰，等. 一种BDS广播星历异常值实时探测方法［J］. 大地测量与地球动力学， 2022， 42（11）： 1122-1127.
	BIAN Yitong， NIE Zhixi， WANG Zhenjie， et al. A Real-Time Anomaly Detection Method for BDS Broadcast Ephemeris［J］. Journal of Geodesy and Geodynamics， 2022， 42（11）： 1122-1127.
[6]	刘隆迪，杜兰，张中凯，等. GEO带目标编目库的星历设计［J］. 导航定位学报， 2023， 11（3）： 29-37.
	LIU Longdi， DU Lan， ZHANG Zhongkai， et al. Ephemeris Design of Space Cataloging Library with Targets on GEO Ring［J］. Journal of Navigation and Positioning， 2023， 11（3）： 29-37.
[7]	梁珂，周晓敏，隋立春，等. 滑动式Lagrange与Chebyshev插值方法对BDS精密星历内插及其精度分析［J］. 导航定位学报， 2022， 10（3）： 145-151.
	LIANG Ke， ZHOU Xiaomin， SUI Lichun， et al. Interpolation of BDS Precise Ephemeris by Sliding Lagrange and Chebyshev Interpolation Method and Its Accuracy Analysis［J］. Journal of Navigation and Positioning， 2022， 10（3）： 145-151.
[8]	许焱，刘智敏，徐保朋，等. 北斗卫星导航系统广播星历轨道精度分析［C］∥第十三届中国卫星导航年会论文集——S04星轨道与精密定位会议论文集. 北京：中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心， 2022： 81-88.
	XU Yan， LIU Zhimin， XU Baopeng， et al. Analysis of Orbit Accuracy of BeiDou Satellite Navigation System Broadcast Ephemeris［C］∥Proceedings of the 13th China Satellite Navigation Conference-S04 Satellite Orbit and Precise Positioning. School of Surveying and Spatial Information. Beijing： Academic Exchange Center of China Satellite Navigation System Management Office， 2022： 81-88.
[9]	刘路，郭金运，周茂盛，等. GNSS广播星历轨道和钟差精度分析［J］. 武汉大学学报（信息科学版）， 2022， 47（7）： 1122-1132.
	LIU Lu， GUO Jinyun， ZHOU Maosheng， et al. Accuracy Analysis of GNSS Broadcast Ephemeris Orbit and Clock Offset［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University， 2022， 47（7）： 1122-1132.
[10]	李送强，赵兴旺，胡豪杰，等. BDS-3广播星历轨道、钟差精度分析［J］. 合肥工业大学学报（自然科学版）， 2021， 44（3）： 407-412.
	LI Songqiang， ZHAO Xingwang， HU Haojie， et al. Accuracy Analysis of Broadcast Ephemeris Orbit and Clock Error of BDS-3 Satellite［J］. Journal of Hefei University of Technology（Natural Science）， 2021， 44（3）： 407-412.
[11]	王朝辉，马下平，严丽，等. 北斗三号全球卫星导航系统的广播星历精度评估［J］. 测绘通报， 2021（1）： 59-65， 98.
	WANG Zhaohui， MA Xiaping， YAN Li， et al. Accuracy Assessment of BDS-3 Broadcast Ephemeris［J］. Bulletin of Surveying and Mapping， 2021（1）： 59-65， 98.
[12]	李红慧，李建刚. MGEX广播星历轨道和钟差的精度评估［J］. 测绘通报， 2020（12）： 101-105.
	LI Honghui， LI Jiangang. Accuracy Evaluation of MGEX Broadcast Ephemeris Orbit and Clock Correction［J］. Bulletin of Surveying and Mapping， 2020（12）： 101-105.
[13]	雷博持，牛新亮，井成，等. STK及IGS广播星历在BDS仿真中的应用［J］. 航天控制， 2020， 38（5）： 54-60.
	LEI Bochi， NIU Xinliang， JING Cheng， et al. Application of STK & IGS Ephemeris to the Simulation of BeiDou Navigation Satellite System［J］. Aerospace Control， 2020， 38（5）： 54-60.
[14]	张熙，刘长建，章繁，等. GPS广播星历长期数据质量分析［J］. 测绘科学技术学报， 2020， 37（2）： 144-148.
	ZHANG Xi， LIU Changjian， ZHANG Fan， et al. Long-Term Quality Analysis on GPS Broadcast Ephemeris Data［J］. Journal of Geomatics Science and Technology， 2020， 37（2）： 144-148.