唐 曙，易先清，于 凱

（國(guó)防科技大學(xué)五院信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410073）

0 引 言

導(dǎo)航電文是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中定位計(jì)算的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，導(dǎo)航電文編排的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性和定位計(jì)算的效率[1]，對(duì)整個(gè)定位系統(tǒng)的性能影響是很大的，GPS全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)一直是國(guó)際上GNSS行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)跑者，那么其在電文設(shè)計(jì)上有什么獨(dú)到之處？并且隨著系統(tǒng)的更新升級(jí)，其在導(dǎo)航電文上的變化對(duì)于系統(tǒng)性能的提升主要表現(xiàn)在哪些方面？主要對(duì)導(dǎo)航電文NAV（Navigation）、現(xiàn)代化導(dǎo)航電文CNAV（Civil Navigation）、CNAV－2（Civil Navigation 2）3類導(dǎo)航電文的組成、特點(diǎn)以及性能進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對(duì)上述問(wèn)題作了一些合理的解答。

1 電文的結(jié)構(gòu)

首先從電文的組成、電文編排結(jié)構(gòu)、電文播發(fā)方式、編碼設(shè)計(jì)這4個(gè)方面對(duì)GPS的3類電文作了一些簡(jiǎn)要的介紹。

1.1 導(dǎo)航電文NAV

如圖1所示，在NAV電文結(jié)構(gòu)中，由5個(gè)300 bit的子幀構(gòu)成一個(gè)主幀，再由25個(gè)主幀構(gòu)成一個(gè)超幀，總長(zhǎng)為37500bit，導(dǎo)航衛(wèi)星廣播電文的速率為50bps（bit per second），采用按照子幀幀號(hào)和頁(yè)面號(hào)的順序的電文播發(fā)方式，全部的電文播發(fā)需12.5min。單顆衛(wèi)星以12.5min的周期向用戶廣播[2－4]，如圖1所 示；NAV 采 用 漢 明 碼 和 BCH 等線性編碼，糾錯(cuò)能力有限，而且子幀每24位就有6位奇偶校檢碼，這種編碼很大程度上限制了電文內(nèi)容的編排，靈活性很差[5－7]。

圖1 NAV結(jié)構(gòu)圖

1.2 導(dǎo)航內(nèi)文CNAV

如圖2所示，CNAV 由64（0～63）個(gè)數(shù)據(jù)塊組成，其中數(shù)據(jù)塊0為默認(rèn)數(shù)據(jù)塊。其中只有14個(gè)數(shù)據(jù)塊定義了具體參數(shù)，剩余50個(gè)數(shù)據(jù)塊作為預(yù)留。每個(gè)數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)為300bit，總長(zhǎng)為15000bit，導(dǎo)航衛(wèi)星在L2C頻點(diǎn)上播發(fā)速率為25bps，單顆衛(wèi)星12s播發(fā)完畢；L5頻點(diǎn)上播發(fā)速率為50bps，單顆衛(wèi)星6s播發(fā)完畢。采用在規(guī)定的最長(zhǎng)播發(fā)間隔內(nèi)或根據(jù)用戶需求隨機(jī)播發(fā)，預(yù)留塊不播發(fā)，需要廣播的電文總長(zhǎng)為4200bit.具體參數(shù)分布請(qǐng)參見(jiàn)圖2[2－4]。CNAV進(jìn)行了改變，采用卷積碼，CRC循環(huán)冗余校檢。性能優(yōu)于分組碼，但相對(duì)于LDPC碼，編碼增益有限、抗突發(fā)、抗截獲性能較差[5－7]。

圖2 CNAV結(jié)構(gòu)圖

1.3 導(dǎo)航內(nèi)文CNAV－2

如圖3、4所示，CNAV－2由3個(gè)子幀構(gòu)成1個(gè)主幀，7個(gè)主幀構(gòu)成1個(gè)超幀，子幀3的第7頁(yè)為預(yù)留。從圖上可知，子幀的長(zhǎng)度各不相同，子幀1為9bit，子幀2為600bit，子幀3為274bit，電文總長(zhǎng)為6181bit.CNAV－2采用的是多重差錯(cuò)控制方式，子幀1、2采用CRC編碼，然后對(duì)各子幀、各頁(yè)面單獨(dú)進(jìn)行LDPC編碼，最后將編碼后的子幀或頁(yè)面進(jìn)行交織[2－4]。

圖3 CNAV－2示意圖

圖4 CNAV－2結(jié)構(gòu)圖

主幀883bit電文編碼成1800字碼（symbol），播發(fā)速率為100sps（symbol per second），單顆主幀18s播發(fā)完畢，雖然采用幀的結(jié)構(gòu)，但在播發(fā)方式上，與CNAV一樣采用在規(guī)定的最長(zhǎng)播發(fā)間隔內(nèi)或根據(jù)用戶需求隨機(jī)播發(fā)，預(yù)留幀都不播發(fā)。7幀中每一頁(yè)的子幀1、2作為重復(fù)冗余幀，子幀3不同頁(yè)碼對(duì)應(yīng)的內(nèi)容各不相同[5－7]。

2 電文的變化

在分析電文變化前，先對(duì)電文中一些主要的參數(shù)作個(gè)長(zhǎng)度的比較，統(tǒng)計(jì)出來(lái)的數(shù)值是依據(jù)ICD接口文件為準(zhǔn)。

從表1可以看出電文被劃分了5個(gè)部分，依照

表1 電文信息統(tǒng)計(jì)

順序分別對(duì)應(yīng)著電文演變的5個(gè)方面：參數(shù)精度提高、電文參數(shù)新增、電文改進(jìn)、電文刪減、電文編排變化。依照電文年代又分成傳統(tǒng)電文和現(xiàn)代化電文。而表中現(xiàn)代化電文CNAV和CNAV－2在前4個(gè)部分基本上沒(méi)有區(qū)別，主要是電文編排上的區(qū)別。而像衛(wèi)星時(shí)鐘參數(shù)、測(cè)距精度指示、UTC參數(shù)、信號(hào)延時(shí)修正等方面基本上變化不大，主要是在前一代電文的基礎(chǔ)上提高了些精度以及應(yīng)對(duì)衛(wèi)星載波的變化作了的一些調(diào)整，因此，在表中以其他列出。接口文件中三類電文其總的長(zhǎng)度從NAV的37500bit降低為6181bit，以下分析電文變化表現(xiàn)在哪些方面以及對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

1）參數(shù)精度提高

星歷參數(shù)是對(duì)GPS衛(wèi)星軌道的精密擬合，是導(dǎo)航定位解算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從NAV的16參數(shù)星歷358bit演變成CNAV和CNAV－2的18參數(shù)星歷401bit，精度的提高也更精確地描述了衛(wèi)星的運(yùn)行軌道。

2）電文參數(shù)新增

新增加的電文主要是GGTO（GPS／GNSS時(shí)間偏差）和地球定向參數(shù)，前者是GPS與其他GNSS系統(tǒng)時(shí)間偏差，目的就是實(shí)現(xiàn)與不同GNSS之間的兼容和互操作，是GPS實(shí)現(xiàn)互操作的表現(xiàn)之一；后者的作用是方便用戶實(shí)現(xiàn)地心地固坐標(biāo)系與地心慣性坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，提高接收機(jī)的解算效率。

3）電文改進(jìn)

改進(jìn)的電文又可以從4個(gè)方面來(lái)體現(xiàn)，分別是歷書被分成中等精度歷書和簡(jiǎn)化歷書；原來(lái)的導(dǎo)航信息修正表由差分修正取代；衛(wèi)星健康狀況由信號(hào)健康狀況取代；專用電文變成了文本信息。

①歷書

每顆衛(wèi)星除了廣播自己的星歷外，還在導(dǎo)航信息中以歷書的形式廣播星座中所有衛(wèi)星簡(jiǎn)單的星歷。歷書是時(shí)鐘數(shù)據(jù)和星歷數(shù)據(jù)的子集，精度較低。歷書的目的主要是接收機(jī)近似地確定衛(wèi)星什么時(shí)候上升到水平面上，給出用戶的近似位置，這樣接收機(jī)可以確定信號(hào)的初捕，所以歷書參數(shù)不要求像星歷參數(shù)那樣精確而且歷書更新的頻率比星歷低。

在現(xiàn)代化GPS電文CNAV和CNAV－2中，歷書由兩部分構(gòu)成，中等精度歷書和簡(jiǎn)化歷書，其中中等精度歷書為包含2個(gè)星鐘修正參數(shù)在內(nèi)的10參數(shù)127bit，簡(jiǎn)化歷書由N個(gè)簡(jiǎn)化歷書包組成，簡(jiǎn)化歷書包由包含3個(gè)信號(hào)健康狀況在內(nèi)的6參數(shù)構(gòu)成。CNAV：31（單歷書包長(zhǎng)度）×11（歷書包個(gè)數(shù)）＝341bit；CNAV－2：33＊6＝198bit.在傳統(tǒng)電文中，所有衛(wèi)星歷書都以中等精度歷書給出，而在現(xiàn)代化電文中除了本星歷書是中等精度歷書外，其余星全以簡(jiǎn)化歷書給出，當(dāng)然CNAV和CNAV－2的電文中簡(jiǎn)化歷書從長(zhǎng)度上看并未包含全部的衛(wèi)星。

圖5 導(dǎo)航衛(wèi)星星座投影圖

圖5是2004年7月在軌衛(wèi)星的投影圖，其中有灰色陰影點(diǎn)12為GPS blockⅡR衛(wèi)星，黑色點(diǎn)為以前批號(hào)的衛(wèi)星，而ICD文件發(fā)布日期為2004年11月7號(hào)，而CNAV中算上本星中等精度歷書一共有12個(gè)歷書數(shù)據(jù)組，也就是說(shuō)GPS blockⅡR衛(wèi)星播發(fā)電文中歷書數(shù)與在軌衛(wèi)星數(shù)是相符的，不過(guò)卻存在如下的問(wèn)題：就是不同批號(hào)間衛(wèi)星采用的電文類型不一樣，那么用戶在收集歷書數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)法從一顆衛(wèi)星上收集全網(wǎng)衛(wèi)星的歷書。至于CNAV－2中為什么只有7顆衛(wèi)星歷書數(shù)據(jù)組，可能和GPS新一代衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃有關(guān)。

如果以30顆衛(wèi)星來(lái)計(jì)算，星歷就節(jié)省了2726 bit電文長(zhǎng)度，因?yàn)楹?jiǎn)化歷書比中等精度歷書的播發(fā)周期短，所以削減電文中歷書總長(zhǎng)度可以縮短啟動(dòng)狀態(tài)或其它特殊場(chǎng)景用戶對(duì)歷書數(shù)據(jù)的收集時(shí)間，更好的滿足不同用戶的需求[9]。

②差分修正

在有的論文中，把差分修正作為現(xiàn)代化GPS新增電文來(lái)分析，其實(shí)在NAV中就有關(guān)于對(duì)于星歷與時(shí)鐘的估計(jì)誤差修正——NMCT，導(dǎo)航信息修正表。包含有30個(gè)6bit的估算范圍誤差。直接用來(lái)修正用戶的偽距測(cè)量值，而差分修正則把修正量分散到各個(gè)參數(shù)中，對(duì)于每顆衛(wèi)星，估算范圍偏差是對(duì)偽距的估計(jì)誤差修正，它們由控制段計(jì)算用于對(duì)星歷和時(shí)鐘誤差的修正，可以說(shuō)是差分修正的前身。

而差分修正雖然長(zhǎng)度增加了，由原來(lái)的NMCT的6（單顆衛(wèi)星修正參數(shù)長(zhǎng)度）×30（衛(wèi)星個(gè)數(shù)）＝180bit演變成了CNAV和CNAV－2的514 bit和126bit，但是在精度上更加符合系統(tǒng)對(duì)修正精度的要求。

差分修正也由兩部分組成，時(shí)鐘差分（CDC）和星歷差分（EDC），單個(gè)參數(shù)包長(zhǎng)度分別為4參數(shù)34bit和8參數(shù)92bit.主要目的就是使用戶獲得更高的時(shí)鐘和星歷精度，進(jìn)一步提高導(dǎo)航精度。

表2分別是CNAV和CNAV－2中差分修正包個(gè)數(shù)，這些參數(shù)主要的目的就是使用戶獲得更高的時(shí)鐘和星歷精度，進(jìn)一步提高導(dǎo)航的精度。

表2 差分修正參數(shù)包

③信號(hào)健康狀況

信號(hào)的健康狀況由衛(wèi)星的健康狀況演變而來(lái)，長(zhǎng)度也由462bit演變?yōu)椴坏?0bit.傳統(tǒng)電文中包含了總共32顆衛(wèi)星的健康狀況，削減到了現(xiàn)在的只包含本星的信號(hào)健康狀況。也達(dá)到了精簡(jiǎn)不必要電文的目的，提高信號(hào)廣播效率。

④文本信息

文本信息也同樣被當(dāng)成現(xiàn)代化GPS電文的新增電文，其實(shí)在NAV中就已經(jīng)有了專用電文，其作用和文本信息一樣，存儲(chǔ)控制指令和ASCⅡ參數(shù)。

4）電文刪減

刪減的電文包括防電子對(duì)抗特征符、衛(wèi)星型號(hào)、選擇可用性。在NAV電文中，每顆衛(wèi)星的選擇可用性與衛(wèi)星型號(hào)參數(shù)為4bit，關(guān)于選擇可用性，是GPS提高民用導(dǎo)航精度，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的結(jié)果。而衛(wèi)星型號(hào)這類不隨時(shí)間變化的固定的數(shù)據(jù)完全可以存儲(chǔ)在用戶接收機(jī)中，只要從電文中獲取衛(wèi)星的PRN編號(hào)，則可以找到對(duì)應(yīng)的信息。不僅僅局限于上述參數(shù)，如果必要的話，甚至其他固定的數(shù)值參數(shù)也可以存儲(chǔ)在接受機(jī)中，這對(duì)與電文的精簡(jiǎn)，提高電文播發(fā)效率。

5）電文編排變化

從表1中，其實(shí)可以看出影響電文長(zhǎng)度變化的參數(shù)除了歷書外，主要就是在第5部分中的一些參數(shù)量，比如預(yù)留位，重復(fù)冗余位和校檢位。

①預(yù)留位

電文預(yù)留是為以后系統(tǒng)升級(jí)更新，或增加系統(tǒng)服務(wù)留作備用的空白位，是系統(tǒng)可擴(kuò)展性能力的體現(xiàn)。在3類電文中，預(yù)留的形式有兩種，一種是與正式電文內(nèi)容在同一幀或數(shù)據(jù)塊，另一種是專門留出獨(dú)立的幀或數(shù)據(jù)塊，下面具體的論述3類電文在預(yù)留位上的區(qū)別。表1中各電文的預(yù)留位分別為2366bit、15000bit和236bit、CNAV 多達(dá)50個(gè)300位預(yù)留部分，極大提高了系統(tǒng)編排電文的靈活性，致使該系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和兼容性很強(qiáng)。

②重復(fù)冗余位

重復(fù)冗余位的目的就是使得一些基本導(dǎo)航信息（如星歷、星鐘）能以最快的速度被用戶接收，在GPS導(dǎo)航電文中，NAV和CNAV－2都采用重復(fù)冗余幀的形式，CNAV雖然沒(méi)有重復(fù)幀的設(shè)計(jì)，但是可以縮短基本導(dǎo)航信息所在數(shù)據(jù)塊的播發(fā)最短間隔，但是卻增加了其他導(dǎo)航信息的播發(fā)間隔，具體分析如下：

需要注意的是這里在分析時(shí)只考慮單顆衛(wèi)星的播發(fā)，不考慮頻間或星間的交叉播發(fā)。從表3中可以看出電文編排上的演變，在NAV中采用重復(fù)冗余幀的編排，但是卻是順序播發(fā)整個(gè)超幀的數(shù)據(jù)，使得其他導(dǎo)航信息的播發(fā)間隔全是12.5min；CNAV采用的隨機(jī)播發(fā)數(shù)據(jù)塊的方式，可以使得除基本導(dǎo)航信息以外，其他重要的數(shù)據(jù)的播發(fā)間隔縮短。CNAV－2卻完美的結(jié)合以上兩者的優(yōu)點(diǎn)，隨機(jī)播發(fā)各主幀，又因?yàn)槭遣捎弥貜?fù)冗余幀的編排結(jié)構(gòu)，在使得基本導(dǎo)航信息播發(fā)間隔最短的前提下，又提高了其他導(dǎo)航信息的播發(fā)間隔；還有兩點(diǎn)值得注意，在重復(fù)幀的設(shè)計(jì)上，CNAV－2與NAV并不完全相同：1）CNAV－2精簡(jiǎn)了重復(fù)幀的長(zhǎng)度，使得重復(fù)幀的參數(shù)編排更合理緊湊。星歷加上星鐘參數(shù)總長(zhǎng)并未超過(guò)600bit，但是NAV卻占用了3個(gè)子幀900bit，可能是出了為基本導(dǎo)航參數(shù)作預(yù)留來(lái)考慮，但重復(fù)幀的播發(fā)卻整整多了7500bit的播發(fā)量；2）CNAV－2在完全編排全部導(dǎo)航信息的前提下使得主幀數(shù)量更合理，在不考慮備用的前提下，從NAV的25幀、CNAV的14數(shù)據(jù)塊削減到了7幀。主幀或數(shù)據(jù)塊的數(shù)量直接影響了重復(fù)冗余幀的長(zhǎng)度和參數(shù)的最短播發(fā)間隔。

相比CNAV，CNAV－2最長(zhǎng)的播發(fā)間隔從120 min縮短到了216s.也就是說(shuō)最理想的情況下，單顆衛(wèi)星在216s內(nèi)能向地面完整的播發(fā)一遍全部導(dǎo)航信息，這對(duì)導(dǎo)航定位性能提升是可觀的。眾所周知，導(dǎo)航數(shù)據(jù)的更新周期越短，其導(dǎo)航精度越高，而這種高效的播發(fā)效率是通過(guò)縮短導(dǎo)航數(shù)據(jù)更新周期來(lái)提高定位精度的有力保障。

可以說(shuō)重復(fù)冗余幀加上隨機(jī)播發(fā)各主幀的設(shè)計(jì)是提高導(dǎo)航定位時(shí)效性和保證定位精度的措施之一，除了上述原因外還有：1）基本導(dǎo)航信息的播發(fā)最短間隔決定了用戶接收機(jī)的首次定位時(shí)間的長(zhǎng)短，首次定位時(shí)間是系統(tǒng)定位性能的體現(xiàn)。NAV、CNAV L2CM、CNAV L5和 CNAV－2的首次定位時(shí)間平均值分別為33s、51s、30s和18s.2）基本導(dǎo)航信息是影響定位精度最重要的數(shù)據(jù)，重復(fù)幀的設(shè)計(jì)可以使得更新后的重要參數(shù)第一時(shí)間被用戶接受，保證高效的定位精度[8－9]。

表3 單顆衛(wèi)星電文播發(fā)間隔

③校檢位

NAV預(yù)留的部分被分割成24位長(zhǎng)度的獨(dú)立小塊，后面包含6位奇偶校檢碼，剛好構(gòu)成一個(gè)30位長(zhǎng)度的字，它極大限制了電文編排的靈活度，如圖6，NAV電文中參數(shù)的長(zhǎng)度限制在24位以內(nèi)，使得有些連續(xù)的信息變得不連續(xù)，例如一個(gè)參數(shù)被分配到兩個(gè)字碼中，甚至為了保證參數(shù)的完整性，在編排的時(shí)候極大限制了編排的靈活度。而CNAV、CNAV－2則不存在這樣的問(wèn)題。CNAV和CNAV－2在形式上完全相同并且都采用采用了CRC循環(huán)冗余校檢，預(yù)留部分未被分割，保持了相對(duì)完整性，如圖6所示，圖中＊＊＊、RESERVED為預(yù)留部分，P為奇偶校檢碼。

圖6 電文預(yù)留示意

3 電文的播發(fā)

關(guān)于電文的播發(fā)方式，除了以上單顆衛(wèi)星的播發(fā)方式，還有一種星間和頻間的電文組合播發(fā)方式。通常，導(dǎo)航電文在每顆衛(wèi)星、每個(gè)頻點(diǎn)上的播發(fā)是基于相同時(shí)間起點(diǎn)同步進(jìn)行的，即在不考慮接收端處理順序和處理時(shí)延的前提下，相同時(shí)間用戶收到的來(lái)自不同衛(wèi)星或不同頻點(diǎn)的導(dǎo)航電文類型是一致的，當(dāng)數(shù)據(jù)內(nèi)容相同時(shí)（如歷書數(shù)據(jù)）必將存在冗余[9]。如果能夠使得不同衛(wèi)星、不同頻點(diǎn)在不同時(shí)刻內(nèi)播發(fā)不同的數(shù)據(jù)，這樣就能大大提高導(dǎo)航電文的時(shí)效性，在接收機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)下的快速衛(wèi)星預(yù)報(bào)和信號(hào)捕獲、減少首次定位時(shí)間等方面有重要意義[10－11]。

4 結(jié) 論

1）GPS電文的演變首先體現(xiàn)在電文參數(shù)的變化上，精度提高上，增加參數(shù)個(gè)數(shù)和參數(shù)的長(zhǎng)度；

2）增加GPS與其他GNSS的時(shí)間偏移量，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的兼容性與互操作性，增加地球定向參數(shù)，提高用戶解算效率。

3）精簡(jiǎn)電文，把某些常年數(shù)值固定不變的參數(shù)或默認(rèn)值，直接存貯在接收機(jī)內(nèi)；在保證導(dǎo)航精度前提下減少電文的長(zhǎng)度，例如簡(jiǎn)化歷書，就削減了電文的整體長(zhǎng)度。

4）優(yōu)化電文則是把專用電文、導(dǎo)航信息修正表、衛(wèi)星健康狀況分別由文本信息、差分修正參數(shù)所取代、信號(hào)健康狀況，不僅精練了電文長(zhǎng)度，且更加滿足系統(tǒng)的需要。

5）結(jié)合了NAV的重復(fù)冗余幀編排結(jié)構(gòu)和CNAV的隨機(jī)播發(fā)各主幀或數(shù)據(jù)塊方式，使得重復(fù)幀縮短導(dǎo)航信息播發(fā)間隔的效能最大化，降低了用戶首次定位時(shí)間和全部導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收時(shí)間。

6）采用偽隨機(jī)下行播發(fā)方式，使得各導(dǎo)航信息最短播發(fā)間隔更合理。但是ICD文件中并未提到衛(wèi)星組合播發(fā)方式，而GLONASS和GALILEO則提到了采用星間、頻間組合播發(fā)各子幀的方式，這種組合播發(fā)方式能使某一時(shí)間段某接收機(jī)可接收的不同衛(wèi)星播發(fā)不同的內(nèi)容，這樣就能最大限度減少接收機(jī)獲取全部導(dǎo)航數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。

[1]寇艷紅，Elliott D K，Christopher J H.GPS原理與應(yīng)用[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

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