鄭洪艷，劉 暉，錢 闖

(武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北武漢430072)

一、概 述

北斗差分技術(shù)(Differential BeiDou Satellite System，DBDS)與現(xiàn)有DGNSS原理相同，是利用誤差相關(guān)性或通過分離誤差源提高定位精度和可靠性的一種方法。2013年中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室公布《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口文件》第二版本(ICD 2.0)，ICD 2.0 較 ICD 1.0 增加了 B2I信號(hào)方面的定義［1］，使得單獨(dú)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(BeiDou Satellite Navigation System，BDS)的雙頻偽距和載波相位差分成為可能。

差分協(xié)議規(guī)定了提高衛(wèi)星導(dǎo)航精度和完備性性能的數(shù)據(jù)傳輸格式、計(jì)算方法、硬件和數(shù)據(jù)鏈要求等。RTCM SC-104是目前全球應(yīng)用最為廣泛的差分系列標(biāo)準(zhǔn)，其中最具代表性的是RTCM SC-10402.X和RTCM SC-10403.X標(biāo)準(zhǔn)系列，它們對(duì)BDS的支持正在不斷完善中。

差分協(xié)議要求參考站和流動(dòng)站間必須使用同一組衛(wèi)星星歷和鐘差參數(shù)進(jìn)行差分改正計(jì)算，因此正確標(biāo)識(shí)與識(shí)別星歷和鐘差參數(shù)組便成為正確差分計(jì)算的基礎(chǔ)。GPS、GLONASS、Galileo和 BDS的差分計(jì)算都存在對(duì)星歷和鐘差參數(shù)組的標(biāo)識(shí)和識(shí)別問題，解決方案也不盡相同。

本文在分析GPS等星歷和鐘差參數(shù)組識(shí)別方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合BDS導(dǎo)航電文參數(shù)的特點(diǎn)，提出北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)期卷(BDS RTCM IOD)的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行比較，最終給出該字段的建議方案。

二、差分電文的數(shù)據(jù)齡期字段

差分協(xié)議對(duì)星歷和鐘差參數(shù)組的標(biāo)識(shí)和識(shí)別可分為兩部分:一是根據(jù)一定規(guī)則建立與參數(shù)組相關(guān)的識(shí)別參數(shù)，該識(shí)別參數(shù)在一定時(shí)間段內(nèi)應(yīng)唯一;二是利用識(shí)別參數(shù)對(duì)參數(shù)組進(jìn)行識(shí)別，判斷差分電文采用的參數(shù)組與本地接收到的參數(shù)組是否一致。GPS、GLONASS和Galileo分別定義了不同的識(shí)別參數(shù)［2-3］，詳見表 1。

表1 GPS、GLONASS和Galileo衛(wèi)星星歷和鐘差識(shí)別參數(shù)

1.GPS數(shù)據(jù)期卷字段

GPS衛(wèi)星星歷和鐘差參數(shù)組的識(shí)別參數(shù)是星歷數(shù)據(jù)期卷IODE(issue of data，ephemeris)和鐘差數(shù)據(jù)期卷IODC(issue of data，clock)，二者都是數(shù)字。當(dāng)衛(wèi)星星歷和鐘差參數(shù)變化時(shí)，IODE和IODC值也相應(yīng)地改變，且在一段時(shí)間內(nèi)取值唯一。

GPS IODC由2位最高有效位(MSB)和8位最低有效位(LSB)構(gòu)成。IODE長8 bit，一般與IODC的8位最低有效位相同，當(dāng)IODE與IODC最低8位不相等時(shí)，說明數(shù)據(jù)集發(fā)生變化，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。GPS IODE取值與前6 h不同，IODC取值需保證與前7 d不同［2-4］。圖1是 GPS衛(wèi)星(PRN8)在15 d內(nèi)IODE和IODC取值的變化情況。

圖1 GPS衛(wèi)星IODE及IODC變化情況(PRN 08，2014年 DOY140～154)

由圖1可以看出，GPS衛(wèi)星IODE與IODC相等，且在7 d時(shí)間內(nèi)取值唯一。

由于GPS L5信號(hào)對(duì)應(yīng)的CNAV電文不包含IODE參數(shù)定義，其 toe 參數(shù)長 11 bit，分辨率為 300 s［4-6］。RTCM采用CNAV toe的8位最低有效位作為識(shí)別參數(shù)，其取值在12 h內(nèi)唯一，發(fā)揮IODE的作用。

2.GLONASS衛(wèi)星星歷識(shí)別參數(shù)

GLONASS不采用“數(shù)據(jù)期卷(IOD)”這一定義。但是，在GLONASS系統(tǒng)正常運(yùn)營期間，其衛(wèi)星星歷的變化與參數(shù)tb(Time of Data)的取值相呼應(yīng)，可以使用tb識(shí)別衛(wèi)星星歷。tb為基于UTC(SU)+3 h的天內(nèi)時(shí)間間隔。差分電文中定義的GLONASS IOD長8 bit，其0～6 bit是由 tb構(gòu)成的最低有效位，第7 bit設(shè)為“0”并忽略不計(jì)。即在差分應(yīng)用中，用戶通過將差分電文與GLONASS導(dǎo)航電文的參數(shù)tb進(jìn)行比較，判斷用戶設(shè)備與參考站改正數(shù)是否基于同一組衛(wèi)星軌道計(jì)算［2-3，7-8］。

3.Galileo衛(wèi)星數(shù)據(jù)齡期

與GPS相似，Galileo定義了IODnav字段識(shí)別衛(wèi)星星歷、IODa識(shí)別歷書參數(shù)。RTCM差分協(xié)議計(jì)劃采用10 bit長的IODnav識(shí)別衛(wèi)星星歷。由于差分協(xié)議中IOD參數(shù)數(shù)據(jù)域僅長8 bit，暫定Galileo系統(tǒng)IOD由最高位的一個(gè)“0”與IODnav的7位最低有效位(LSB)構(gòu)成。實(shí)際應(yīng)用中可能存在兩個(gè)相鄰歷元IOD的7個(gè)最低有效位相等的情況，此時(shí)Galileo 系統(tǒng) IOD 最高位取值為“1”［2-3，8-9］。

三、BDS數(shù)據(jù)齡期

BDS導(dǎo)航電文中定義了數(shù)據(jù)齡期AOD(age of data)而非數(shù)據(jù)期卷IOD(issue of data)，是衛(wèi)星星歷和鐘差參數(shù)的外推時(shí)間間隔［1］。其中，星歷數(shù)據(jù)齡期AODE是星歷參數(shù)的外推時(shí)間間隔，即本時(shí)段衛(wèi)星星歷參數(shù)參考時(shí)刻與計(jì)算星歷參數(shù)所作測(cè)量的最后觀測(cè)時(shí)刻之差。同理，鐘差數(shù)據(jù)齡期AODC是鐘差參數(shù)的外推時(shí)間間隔，即本時(shí)段鐘差參數(shù)參考時(shí)刻與計(jì)算鐘差參數(shù)所作測(cè)量的最后觀測(cè)時(shí)刻之差。二者均在BDT整點(diǎn)更新，取值范圍為0～31。

分析數(shù)據(jù)由CDDIS官網(wǎng)獲得。由圖2—圖6可以看出:

1)BDS AODE和AODC間沒有確定的關(guān)系，其值之差大部分情況下為1。

2)GEO衛(wèi)星AODE取值變化很小且大部分時(shí)間為1，一般不大于4。

3)IGSO衛(wèi)星AODE呈現(xiàn)出周期約為1 d的變化規(guī)律，且大部分時(shí)間取值為1，一般不大于8。

4)MEO衛(wèi)星AODE取值范圍0～31，數(shù)值變化較大。

探究原因認(rèn)為，由于BDS GEO衛(wèi)星相對(duì)于地球靜止，可以保持與控制中心的持續(xù)通信，參考時(shí)刻與最后觀測(cè)時(shí)刻之差恒小于1 h(特殊情況除外)，表現(xiàn)為其AODE取值大部分時(shí)間為1［10］。而由于目前BDS控制中心在全球分布不均勻，主要集中在中國大陸地區(qū)，因此IGSO和MEO衛(wèi)星在逐漸靠近中國大陸地區(qū)時(shí)，參考時(shí)刻與最后觀測(cè)時(shí)刻之差減小，相應(yīng)AODE取值變小，反之AODE取值增大，如圖5和圖6所示。

圖2 BDS GEO衛(wèi)星AODE與AODC取值隨時(shí)間的變化(PRN 04，2014年 DOY 139～154)

綜上可知，BDS已定義的數(shù)據(jù)齡期(AOD)與衛(wèi)星空間位置緊密相關(guān)，而與時(shí)間和數(shù)據(jù)集變化的關(guān)系并不明顯。AODE和AODC不能用于識(shí)別衛(wèi)星星歷和鐘差參數(shù)數(shù)據(jù)集的變化，為此需要定義新的參數(shù)用于在差分應(yīng)用中識(shí)別衛(wèi)星星歷。

圖3 BDS IGSO衛(wèi)星AODE與AODC取值隨時(shí)間的變化(PRN 08，2014年 DOY 139～154)

圖4 BDS MEO衛(wèi)星AODE與AODC取值隨時(shí)間的變化(PRN 14，2014年 DOY 139～154)

圖5 BDS IGSO衛(wèi)星AODE取值隨衛(wèi)星空間位置變化情況(PRN 05-10，2014年 DOY 139～154)

四、BDS RTCM IODE字段制訂方案

綜合GPS、GLONASS和 Galileo系統(tǒng)空間接口文件和差分協(xié)議中IOD(GLONASS tb)的定義，BDS衛(wèi)星星歷識(shí)別參數(shù)應(yīng)具有以下性質(zhì):

1)體現(xiàn)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)集的變化，即識(shí)別參數(shù)隨衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)集的變化取值不同。

2)數(shù)據(jù)域長8 bit，取值范圍0～255。

3)在一定時(shí)間段內(nèi)取值唯一。

4)體現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效性［9］。

參考GPS、GLONASS和 Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星星歷識(shí)別方法，提出以下3種計(jì)算BDS衛(wèi)星星歷識(shí)別參數(shù)的方法:

1)采用toe作為識(shí)別參數(shù)。

2)基于toe生成識(shí)別參數(shù)。

3)基于AODE和toe生成識(shí)別參數(shù)。

1.采用toe作為識(shí)別參數(shù)

BDS toe參數(shù)長17 bit，分辨率為8 s，在7 d時(shí)間內(nèi)取值唯一。根據(jù)分析，BDS正常運(yùn)行中不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)航電文不同而toe相同的情況(BDS不正常時(shí)，導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星健康字會(huì)發(fā)生變化，提示不要使用該衛(wèi)星數(shù)據(jù))。因此可以考慮采用toe作為衛(wèi)星星歷識(shí)別參數(shù)。

但是由于 toe參數(shù)長度為 17 bit，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過RTCM差分協(xié)議中IODE定義的8 bit長度，會(huì)造成差分和導(dǎo)航電文的數(shù)據(jù)量的增加。尤其在低速數(shù)據(jù)鏈環(huán)境下(如沿海差分臺(tái)站)，將極大影響使用效率。

2.基于toe生成識(shí)別參數(shù)

(1)采用“0”/“1”+toe的7位最低有效位作為識(shí)別參數(shù)

參考RTCM差分協(xié)議關(guān)于GPS CNAV識(shí)別參數(shù)的定義，以toe的8位最低有效位作為差分應(yīng)用中BDS衛(wèi)星星歷識(shí)別參數(shù)，如圖7、圖8所示。

圖7 以toe的8位最低有效位作為識(shí)別參數(shù)

圖8 以toe的7位最低有效位作為識(shí)別參數(shù)

BDS衛(wèi)星星歷存在非BDS更新間隔整數(shù)倍時(shí)刻更新的情況，可能會(huì)使相鄰歷元toe的8位最低有效位相等，見表2。針對(duì)這種情況，參考差分協(xié)議中GLONASS星歷識(shí)別方法和Galileo數(shù)據(jù)期卷的提議方法［2-3，8］，考慮采用“0”/“1”+toe 的 7 位最低有效位識(shí)別衛(wèi)星星歷。

參數(shù)構(gòu)成思路如下:

①最低有效位

IODELSB=toe的7位最低有效位

②最高位

初始值 IODEMSB=“0”;若(IODELSB)t=(IODELSB)t0，(IODEMSB)t=ABS((IODEMSB)t0－ 1);若(IODELSB)t≠ (IODELSB)t0，IODEMSB)t=(IODEMSB)t0。其中，t0指上一歷元時(shí)刻，t為當(dāng)前本歷元時(shí)刻;ABS()為絕對(duì)值函數(shù)。

表2 BDS衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)集在非BDS更新間隔整數(shù)倍時(shí)刻更新舉例

理論上可以在1024 s(210)內(nèi)唯一標(biāo)識(shí)某一歷元衛(wèi)星星歷。BDS toe分辨率為8 s，因此該方法生成的識(shí)別參數(shù)分辨率為8 s，BDS衛(wèi)星星歷更新間隔為(8N)(N∈N*)秒，一般取 30 min、1 h 或2 h。

其中，LCM()為最小公倍數(shù)函數(shù)。

由上式可知，由于toe取值每周重復(fù)一次，在星歷更新間隔設(shè)為30 min、1 h或2 h時(shí)，采用該方法生成的識(shí)別參數(shù)的有效識(shí)別時(shí)間間隔為40 h，約1.5 d。與以toe的8位最低有效位作為星歷識(shí)別參數(shù)相同。

(2)采用“0”/“1”+toe的9位最低有效位作為識(shí)別參數(shù)

結(jié)合GPS CNAV和Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星星歷識(shí)別方法［2-3，8］，考慮使用 toe 的 10 位最低有效位(LSB)作為BDS衛(wèi)星星歷識(shí)別參數(shù)。

差分電文中數(shù)據(jù)齡期的定義長度為8 bit，因此僅有8 bit位于GNSS IOD數(shù)據(jù)域內(nèi)。移除10 bit參數(shù)的2位最低有效位(LSB)，使用剩余的8位最低有效位作為BDS衛(wèi)星星歷識(shí)別參數(shù)，如圖9、圖10所示。

圖9 采用toe的10為最低有效位作為識(shí)別參數(shù)

圖10 采用toe的10為最低有效位作為識(shí)別參數(shù)

同理針對(duì)相鄰歷元toe的10位最低有效位可能相等的情況，參考差分應(yīng)用中GLONASS衛(wèi)星星歷識(shí)別方法和RTCM SC-10402.4中關(guān)于Galileo數(shù)據(jù)齡期的提議［2-3，8］，考慮采用“0”/“1”+toe 的 9 位最低有效位識(shí)別衛(wèi)星星歷，詳見上一節(jié)。

理論上可以在4096 s(212)內(nèi)唯一標(biāo)識(shí)某一歷元衛(wèi)星星歷。由于BDS toe分辨率為8 s，該方法獲得的識(shí)別參數(shù)分辨率為32 s，采用該方法生成識(shí)別參數(shù)時(shí)，星歷更新間隔可以設(shè)為(32N)(N∈N*)秒，一般取2 h。理論上可以在4096 s(212)內(nèi)唯一標(biāo)識(shí)某一歷元衛(wèi)星星歷。

其中，LCM()為最小公倍數(shù)函數(shù)。

由于toe參數(shù)取值每周重復(fù)一次，由上式可知采用2 h的衛(wèi)星星歷更新間隔時(shí)，該方法生成的識(shí)別參數(shù)可以在一周內(nèi)唯一識(shí)別每一組導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)。與以toe的10位最低有效位作為星歷識(shí)別參數(shù)相同。

方法2兩種思路滿足條件1)—3)。通過比較可以看出，方法2較方法1理論上有效識(shí)別時(shí)間間隔明顯增長，但是方法2參數(shù)分辨率為32 s，BDS toe分辨率為8 s，在星歷每8 s更新一次的極端情況下，其有效識(shí)別間隔會(huì)急劇縮短為16 s。此外，表2所示的衛(wèi)星星歷在非BDS整時(shí)變化的情況，還有可能造成方法2兩種思路的可識(shí)別時(shí)間間隔的縮短，這是通過識(shí)別參數(shù)定義無法避免的。

3.基于AODE和toe參數(shù)生成識(shí)別參數(shù)

結(jié)合BDS衛(wèi)星星歷識(shí)別參數(shù)應(yīng)具備的性質(zhì)，考慮基于已有星歷參數(shù)AODE和toe生成識(shí)別參數(shù)。

按照?qǐng)D11所示的結(jié)構(gòu)，按照如下方式進(jìn)行變換:

(1)1位最低有效位

IODELSB=“1”，星歷在BDS更新間隔非整數(shù)倍時(shí)刻變化;IODELSB=“0”，星歷在BDS更新間隔整數(shù)倍時(shí)刻變化。

(2)m位最高有效位(2≤m≤5)

n=AODE二進(jìn)制形式最高非零位位數(shù)，若n=0，m=2，IODEMSB=“00”;若 n=1，m=2，IODEMSB=“01”;否則，IODEMSB=DEC2BIN(AODE)，2≤m=n≤5。其中，DEC2BIN()為十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制函數(shù)。

圖11 基于AODE和toe計(jì)算衛(wèi)星星歷識(shí)別參數(shù)結(jié)構(gòu)組成示意圖

(3)識(shí)別參數(shù)中間位

根據(jù)toe計(jì)算天內(nèi)秒數(shù)，并按照MID=DEC2BIN(INT(天內(nèi)秒數(shù)/interval))計(jì)算中間位取值。其中，interval為BDS衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)平均更新間隔，單位為s。目前BDS衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)更新間隔為1h，interval=3600s。

若n≤2，中間數(shù)據(jù)位長 5 bit。若 MID不足5 bit，中間位的高位以“0”填充。若 n＞2，中間數(shù)據(jù)位長(7-n)bit。若MID不足(7-n)bit，中間位的高位以“0”填充;若MID長度大于(7-n)，取其最低(7-n)bit作為中間位。

采用該方法對(duì)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)處理獲得的識(shí)別參數(shù)變化情況如圖12—圖14所示。

圖12 BDS GEO衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)取值隨時(shí)間變化情況(PRN 04，2014年 DOY 139～154)

圖13 BDS IGSO衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)取值隨時(shí)間變化情況(PRN 08，2014年 DOY 139～154)

圖14 BDS MEO衛(wèi)星設(shè)計(jì)參數(shù)取值隨時(shí)間變化情況(PRN 14，2014年 DOY 139～154)

由圖12—圖14可以看出，該方法獲得的識(shí)別參數(shù)可以在一天內(nèi)很好地區(qū)分不同類型衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)集的變化。此外，該方法還具有以下特點(diǎn):

1)以AODE作為最高位獲得的參數(shù)可以體現(xiàn)出衛(wèi)星星歷計(jì)算時(shí)延，即體現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效性。其值越大，時(shí)延越長，數(shù)據(jù)有效性越低。

2)最低位通過判斷是否在更新間隔整數(shù)倍時(shí)刻更新判斷賦值，可以區(qū)分非更新間隔整數(shù)倍時(shí)刻數(shù)據(jù)變化。雖然分辨率不高，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以滿足衛(wèi)星星歷的變化頻率。

3)中間位由toe計(jì)算得到的天內(nèi)秒數(shù)和星歷數(shù)據(jù)更新間隔確定，使得每組數(shù)據(jù)的識(shí)別參數(shù)在一天內(nèi)唯一。

4)GEO和IGSO衛(wèi)星的AODE的取值變化不明顯，主要通過中間位區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)集。而MEO衛(wèi)星，AODE取值的變化很大，主要通過高位區(qū)分每組數(shù)據(jù)。

雖然方法3兩種思路滿足條件1)—4)。但是對(duì)該方法的分析是建立在現(xiàn)有BDS和GPS已有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，未來BDS衛(wèi)星星歷結(jié)構(gòu)性質(zhì)會(huì)發(fā)展成熟并發(fā)生變化，該方法也就需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。此外，該方法的可識(shí)別時(shí)間段無法明確衡量。

五、結(jié) 論

綜合分析以上3種方法可以看出:①方法2和方法3在方法1的基礎(chǔ)上提出;②方法2參考GPS、GLONASS和Galileo系統(tǒng)識(shí)別參數(shù)生成方法，思路簡單，但適用性強(qiáng);③方法3可以體現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效性，但是對(duì)于其分析是建立在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，是否適用于衛(wèi)星星歷衛(wèi)星發(fā)展變化有待進(jìn)一步考證。綜上，從體現(xiàn)性質(zhì)全面性方面考慮建議采用方法3，但是從適用性方面考慮方法2更優(yōu)。

［1］中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件公開服務(wù)信號(hào)(2.0版)［S］.北京:［s.n.］，2013.

［2］RTCM Special Committee.Committee Draft for Vote RTCM 10402.4:Differential GNSS(Global Navigation Satellite Systems)Services，Version 2［S］.［S.l.］:SC，2013.

［3］RTCM Special Committee.RTCM Recommended Standards forDifferentialGNSS(GlobalNavigation Satellite Systems)Service，Version 2.3［S］.［S.l.］:SC，2001.

［4］GPS Navatar.Global Positioning System Standard Positioning Service Signal Specification(2nd Edition)［S］.［S.l.］:GPS Navatar，1995.

［5］GPS Navstar JPO SMC/CZ(AFMC)，Rockwell International Space Systems Division and Communations Division，International Business Machines(IBM)Federal System Company，et al.Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces［S］.1993.

［6］GPS Navstar JPO SMC/CZ(AFMC).Navstar GPS Space Segment/User Segment L5 Interfaces［S］.2002.

［7］Coordinate Scientific Information Center.GLONASS ICD(Version，2002，5)［S］.2002.

［8］Radio Technical Commission for Maritime Service.RTCM Standard 10403.2:Differential GNSS(Global Navigation Satellite Satellite Systems)Service，Version 3［S］.2013.

［9］European GNSS Supervisory Authority.Galileo O S.SIS ICD:Galileo Open Service，Signal in Space Interface Control Document Draft 1.1［S］.2010.

［10］MONTENBRUCK O，STEIGENBERGER P.The BeiDou Navigation Message［J］.Journal of Global Positioning Systems，2013，12(1):1-12.