常志巧，辛潔，時(shí)鑫，黃雙臨，邵佳妮

（ 32021部隊(duì), 北京 100094 ）

0 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)空間信號(hào)接口控制文件定義了導(dǎo)航電文的內(nèi)容、編排結(jié)構(gòu)、編碼方式、播發(fā)方式以及用戶算法等信息[1]，是連接導(dǎo)航系統(tǒng)空間段和用戶段的橋梁. 依據(jù)該文件，用戶接收機(jī)完成偽距測(cè)量、導(dǎo)航電文解析，根據(jù)提供的導(dǎo)航算法進(jìn)行定位解算. 各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在正式提供服務(wù)前，都需要對(duì)外界發(fā)布相應(yīng)的接口控制文件.

GPS是世界最先建成并投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，現(xiàn)有導(dǎo)航電文類型包括傳統(tǒng)導(dǎo)航電文(LNAV:legacy navigation)和新型民用導(dǎo)航電文(CNAV: civil navigation、CNAV-2)，其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航電文以GPS導(dǎo)航電文為基礎(chǔ)發(fā)展而來. GPS現(xiàn)有IS-GPS-200、IS-GPS-705和IS-GPS-800 三種空間信號(hào)接口控制文件系列. 早在1983年1月25日，GPS官方發(fā)布了空間信號(hào)接口控制文件初始版本ICD-GPS-200[2]，該文件定義了最初3種傳統(tǒng)信號(hào)L1CA、P1、P2的空間信號(hào)接口. 為了適應(yīng)GPS現(xiàn)代化增加民用信號(hào)L2C的需求，2004年11月23日，在ICD-GPS-200的基礎(chǔ)上增加了民用中等長(zhǎng)度碼(L2CM)和民用長(zhǎng)碼信號(hào)(L2CL)的接口定義，并正式更名為ISGPS-200[3]，現(xiàn)有最新版本為2020年8月3日發(fā)布的IS-GPS-200L[2]. 為了滿足用戶的生命安全需求，Block IIF及其后續(xù)衛(wèi)星都規(guī)劃播發(fā)L5民用信號(hào)[4]，該信號(hào)的空間信號(hào)接口在IS-GPS-705系列文件中定義，自2003年11月24日發(fā)布初始版本后，隨后歷經(jīng)A～G 7個(gè)版本，目前最新版本為2020年8月3日發(fā)布的IS-GPS-705G[5]. GPS現(xiàn)代化規(guī)劃在GPS III/ IIIF衛(wèi)星的L1頻點(diǎn)增加全球兼容信號(hào)L1C[4]，官方于2003年11月24日發(fā)布了L1C空間信號(hào)接口文件的初始版本，隨后歷經(jīng)A～G 7個(gè)版本，目前最新版本為2020年8月3日發(fā)布的IS-GPS-800G[6]. 2018年12月隨著第一顆GPS III發(fā)射升空[4]，伴隨著L1C信號(hào)接收試驗(yàn)，IS-GPS-800G得以啟用.

GPS導(dǎo)航電文類型包括傳統(tǒng)導(dǎo)航電文和民用導(dǎo)航電文，表1列出了GPS現(xiàn)有在軌各類衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)、導(dǎo)航電文類型及對(duì)應(yīng)的空間信號(hào)接口文件系列.

由表1可知，傳統(tǒng)GPS信號(hào)的電文類型采用LNAV，GPS現(xiàn)代化增加的民用信號(hào)L2C和L5采用CNAV類型，新增民用信號(hào)L1C采用CNAV-2類型.

1 GPS導(dǎo)航電文結(jié)構(gòu)及播發(fā)方式

調(diào)制在C/A 碼及P(Y)碼上的傳統(tǒng)導(dǎo)航電文LNAV采用固定幀結(jié)構(gòu)，以“幀”為單位，按固定順序依次向外播發(fā). 一個(gè)主幀的長(zhǎng)度為1 500 bit，電文的播發(fā)速率為50 bit/s，播發(fā)一個(gè)主幀的電文需30 s. 一個(gè)主幀包含5個(gè)子幀，每個(gè)子幀的長(zhǎng)度為300 bit，播發(fā)時(shí)間為6 s. 其中第一、二、三子幀播發(fā)衛(wèi)星鐘差、TGD參數(shù)、星歷參數(shù)等基本定位信息，第四、五子幀各有25個(gè)不同的頁面，可依次提供電離層參數(shù)、UTC參數(shù)及其他衛(wèi)星的歷書等相關(guān)信息. 每隔30 s，播完一個(gè)主幀，用戶獲得第一、二、三子幀完整的基本定位信息，第四子幀和第五子幀將依次翻轉(zhuǎn)1頁.第四子幀和第五子幀在播完25頁后再從頭開始播發(fā)，用戶需花費(fèi)12.5 min來接收一組完整的導(dǎo)航電文. 這種固定幀結(jié)構(gòu)被大多數(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用，如GLONASS導(dǎo)航電文[7]、Galileo F/NAV和I/NAV導(dǎo)航電文[8]、北斗D1和D2導(dǎo)航電文，這些導(dǎo)航電文與GPS LNAV在播發(fā)順序方面存在差異[9].

調(diào)制在L2C和L5上的CNAV導(dǎo)航電文采用數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)，以300 bit為一個(gè)基本電文數(shù)據(jù)塊向外播發(fā)，每條信息包含24 bit冗余校驗(yàn)位對(duì)整幀電文進(jìn)行檢核. L2C播發(fā)一條數(shù)據(jù)塊需要12 s[2]，而L5只需6 s[5].CNAV導(dǎo)航電文中共有15種不同形式的電文類型，系統(tǒng)功能擴(kuò)展可通過定義新的數(shù)據(jù)塊類型來實(shí)現(xiàn)，具有很好的靈活性. 電文類型的播發(fā)順序可以采用隨機(jī)的方式，但通常需要考慮向用戶提供最優(yōu)服務(wù). 在ISGPS-200和IS-GPS-705空間信號(hào)接口控制文件中具體定義了星歷參數(shù)類型10和11、衛(wèi)星鐘差參數(shù)類型30～37中任意類型的最大更新周期，其余電文類型在保證不超過各自最大更新周期的前提下插空播發(fā). 北斗三號(hào)(BDS-3) B2a信號(hào)播發(fā)的B-CNAV2電文也采用GPS CNAV這種數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)，與GPS CNAV在信息速率方面存在差異[10].

調(diào)制在L1C上的CNAV-2導(dǎo)航電文，采用固定幀和數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合幀結(jié)構(gòu)[11]，一個(gè)主幀由3個(gè)不同長(zhǎng)度的子幀構(gòu)成，前2個(gè)子幀按照固定順序發(fā)播，第三子幀根據(jù)系統(tǒng)需求隨機(jī)發(fā)播[6]. 第一子幀發(fā)播時(shí)間間隔信息；第二子幀發(fā)播廣播星歷、星鐘信息、衛(wèi)星群延遲參數(shù)和完好性參數(shù)；第三子幀發(fā)播電離層參數(shù)、UTC參數(shù)、歷書參數(shù)等輔助信息，允許不同頁面的發(fā)播順序隨機(jī)，既滿足核心定位參數(shù)播發(fā)的固定性和輔助信息播發(fā)的靈活性. 在電文內(nèi)容上CNAV-2與CNAV基本一致[9]. BDS-3 B1C信號(hào)播發(fā)的B-CNAV1電文也采用GPS CNAV-2這種混合幀結(jié)構(gòu)[12].

2 核心定位參數(shù)的發(fā)展演變

GPS在系統(tǒng)建設(shè)和早期運(yùn)行階段，定位精度通常為幾十米量級(jí)，LNAV中衛(wèi)星星歷和鐘差表達(dá)精度在分米量級(jí)即可滿足性能需求. 隨著GPS的發(fā)展，地面控制系統(tǒng)可以獲得更高精度的衛(wèi)星軌道和鐘差結(jié)果，用戶可以獲得米級(jí)甚至分米級(jí)的定位精度. 這就要求在新導(dǎo)航電文中設(shè)計(jì)新的模型和工程接口適應(yīng)高精度定位需求.

2.1 衛(wèi)星星歷參數(shù)

GPS傳統(tǒng)導(dǎo)航電文LNAV采用開普勒軌道根數(shù)及其攝動(dòng)變化量組成的星歷參數(shù)，包括1個(gè)參考時(shí)刻、6個(gè)參考時(shí)刻的開普勒根數(shù)、6個(gè)短周期調(diào)和改正項(xiàng)振幅、3個(gè)長(zhǎng)期項(xiàng)改正數(shù)共16個(gè)參數(shù). 考慮到半長(zhǎng)徑和偏心率在地球非球形引力項(xiàng)J22的影響下存在長(zhǎng)周期變化，CNAV及CNAV-2新型民用導(dǎo)航電文在原來16參數(shù)的基礎(chǔ)上，引入半長(zhǎng)徑長(zhǎng)期變化率A˙以 及與半長(zhǎng)徑相關(guān)的Δn˙0[13]，使星歷擬合精度得到提高[14]. 同時(shí)，精化了大部分參數(shù)的比例因子，增加了比特?cái)?shù)，以便更精確地描述衛(wèi)星軌道. 在新導(dǎo)航電文中取消了星歷參數(shù)版本號(hào)IODE，增加衛(wèi)星鐘、星歷和完好性(CEI：Clock， Ephemeris， Integrity)數(shù)據(jù)序列預(yù)報(bào)時(shí)刻top， 當(dāng)衛(wèi)星星歷、鐘差等電文中的top一致時(shí)，表示同一時(shí)刻上注的電文參數(shù)，可以聯(lián)合使用，星歷參數(shù)如表2所示.

2.2 衛(wèi)星鐘差參數(shù)

新型民用導(dǎo)航電文鐘差修正模型仍然延用

LNAV二階多項(xiàng)式模型，各參數(shù)的比例因子和比特?cái)?shù)有變化，除鐘差參數(shù)參考時(shí)刻量化單位從16增大至300，比特位從16降低至11位，其余af0、af1、af2衛(wèi)星

鐘偏差、衛(wèi)星鐘漂移、衛(wèi)星鐘漂移率參數(shù)的量化單位減小，比特位增加，可以更精確的描述衛(wèi)星鐘差，GPS衛(wèi)星新舊鐘差對(duì)比如表3所示.

表3 GPS衛(wèi)星新舊鐘差參數(shù)對(duì)比

2.3 衛(wèi)星群延遲參數(shù)

在LNAV電文中衛(wèi)星群延遲只有1個(gè)參數(shù)TGD，在CNAV導(dǎo)航電文中增加至5個(gè)參數(shù)，分別為TGD、ISCL1C/A、I SCL2C、I SCL5/I5、I SCL5/Q5；在CNAV-2導(dǎo) 航電文中增加至3個(gè)參數(shù)，分別為TGD、I SCL1CP、I SCL1CD.在CNAV和CNAV-2電文中同時(shí)將群延遲參數(shù)的比例因子由0.5 ns精化至0.03 ns，表達(dá)范圍由±60 ns調(diào)整至±119 ns，描述衛(wèi)星群延遲更加精確.

2.4 用戶測(cè)距精度指數(shù)

GPS用戶測(cè)距精度(URA)是特定衛(wèi)星特定信號(hào)測(cè)距精度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo). URA提供用戶測(cè)距誤差(URE)保守均方根(RMS)估計(jì)，包括空間段和地面控制段引起的誤差. 無論完好性標(biāo)志是否打開，4.42倍URA以每小時(shí)1-(1 ×10-5)的概率(“傳統(tǒng)”完好性保證水平)包絡(luò)瞬時(shí)URE，告警時(shí)間小于8 s[1，5-6].當(dāng)完好性標(biāo)識(shí)打開時(shí)，5.73倍URA以每小時(shí)1-(1×10-8)的概率(“增強(qiáng)”完好性保證)包絡(luò)瞬時(shí)URE，告警時(shí)間小于5.2 s[1，5-6]. 對(duì)任一URA指數(shù)(N)，用戶可以利用ICD中提供的公式計(jì)算名義URA.

在LNAV電文中用戶測(cè)距精度用URA指數(shù)1個(gè)參數(shù)表示，由4 bit組成，其取值為0～15，在新型民用導(dǎo)航電文中，對(duì)用戶測(cè)距精度參數(shù)進(jìn)行了擴(kuò)充，擴(kuò)展為由星歷引起的測(cè)距精度URAoe指數(shù)和衛(wèi)星鐘引起的測(cè)距精度指數(shù)(URAoc指數(shù)、URAoc1指數(shù)、URAoc2指數(shù))共4個(gè)參數(shù). URAoe指數(shù)和URAoc指數(shù)各占5 bit，表示范圍也從原來的0～15擴(kuò)展為-16～15，當(dāng)指數(shù)取值為1～15時(shí)，其含義與傳統(tǒng)電文相同，但把傳統(tǒng)電文中N=0的情況細(xì)分為16個(gè)等級(jí)，分別用0～-15來表示，以適應(yīng)精度提升需要. URAoc1指數(shù)和URAoc2各占3 bit，表示范圍為0～7.

從IS-GPS-200F、IS-GPS-705B、IS-GPS-800B開始的所有文件規(guī)定URA由高度角相關(guān)的URAED和與高度角不相關(guān)的URANED的RMS組成. 用URAED指數(shù)代替URAoe指；URANED0指數(shù)代替URAoc指數(shù)；URANED1指數(shù)代替URAoc1指數(shù)；URANED2指數(shù)代替URAoc2指數(shù)；并優(yōu)化了完好性指數(shù)與URA映射表達(dá)式.

3 核心定位參數(shù)改進(jìn)效果分析

3.1 衛(wèi)星星歷參數(shù)的改進(jìn)效果分析

利用2013年北斗中軌道(MEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)全年的精密星歷(軌道參數(shù)與GPS衛(wèi)星相近)分別進(jìn)行新舊星歷參數(shù)擬合試驗(yàn)，星歷擬合采用4 h擬合弧長(zhǎng)，采用滑動(dòng)窗口的方式，每1 h擬合1次. 圖1～2分別給出了舊、新電文星歷擬合誤差RMS序列.

圖2 新電文星歷擬合RMS序列

表4 ～5分別給出了舊、新電文星歷擬合RMS統(tǒng)計(jì). 對(duì)比表4和表5，可得新星歷相對(duì)于舊星歷擬合位置誤差RMS平均值由0.137 m減小為0.025 m，擬合URE RMS平均值由0.053 m減小為0.010 m.為適應(yīng)高精度星歷擬合模型，距離量化單位也減小至毫米量級(jí).

表4 舊電文星歷擬合RMS統(tǒng)計(jì) m

表5 新電文星歷擬合RMS統(tǒng)計(jì) m

3.2 星鐘差參數(shù)的改進(jìn)效果分析

利用MATLAB工具仿真產(chǎn)生0～0.5的隨機(jī)數(shù)，分別與新、舊導(dǎo)航電文衛(wèi)星鐘差參數(shù)的量化單位誤差相乘，獲得量化誤差，設(shè)置鐘差預(yù)報(bào)時(shí)間為1 h，分別求出新、舊導(dǎo)航電文由鐘差參數(shù)量化單位誤差引起的鐘差預(yù)報(bào)誤差. 圖3給出了1 000次試驗(yàn)中，新、舊電文衛(wèi)星鐘差參數(shù)量化單位引起的預(yù)報(bào)誤差對(duì)比.統(tǒng)計(jì)1 000次預(yù)報(bào)結(jié)果獲得舊電文鐘差預(yù)報(bào)誤差RMS為0.097 m，新電文RMS為0.042 m.

3.3 衛(wèi)星群延遲參數(shù)的改進(jìn)效果分析

衛(wèi)星群延遲參數(shù)通過增加參數(shù)個(gè)數(shù)來描述新信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差異，同時(shí)通過擴(kuò)大參數(shù)范圍和縮小量化單位，使得表達(dá)更加精確.

3.4 用戶測(cè)距精度指數(shù)的改進(jìn)效果分析

新電文中對(duì)用戶測(cè)距精度參數(shù)進(jìn)行了擴(kuò)充和精化，將URA指數(shù)擴(kuò)展為由星歷引起的測(cè)距精度URAED指數(shù)和衛(wèi)星鐘引起的測(cè)距精度URANED指數(shù)；把傳統(tǒng)電文中N=0的情況細(xì)分為16個(gè)等級(jí)，分別用0～-15來表示，以適應(yīng)精度提升需要. 以URAED指數(shù)為例，說明改進(jìn)效果，表6為舊電文中UAR指數(shù)與URA關(guān)系映射表，URA指數(shù)范圍為0～15，表達(dá)的用戶測(cè)距精度最小尺度為2.4 m；在新電文中，1～15指數(shù)的含義如表6所示，而0～-15指數(shù)代表的映射關(guān)系如表7所示，表達(dá)的用戶測(cè)距精度最小尺度為0.01 m，用戶測(cè)距精度表達(dá)更精細(xì).

表6 舊電文URA指數(shù)與URA關(guān)系映射表 m

表7 新電文URAED指數(shù)與URAED關(guān)系映射表 m

4 結(jié)束語

本文首先比較了新舊GPS導(dǎo)航電文在星歷、鐘差、群延遲及完好性等核心定位參數(shù)的參數(shù)個(gè)數(shù)、參數(shù)意義和所占比特位等方面的異同. 通過對(duì)新舊電文星歷擬合和鐘差表達(dá)精度的比較分析，揭示了GPS導(dǎo)航電文核心定位參數(shù)的發(fā)展演變規(guī)律，即采用增加核心定位參數(shù)和減小量化單位的方法，提供高了廣播星歷、鐘差產(chǎn)品和群延遲參數(shù)的精度，精化了完好性參數(shù)的表達(dá)尺度. 總體而言，相對(duì)于舊電文新電文衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差和群延遲參數(shù)的表達(dá)精度由分米量級(jí)提升至厘米量級(jí)；完好性參數(shù)URA指數(shù)的最小表達(dá)尺度從米級(jí)提升至厘米量級(jí).