辛 潔，王冬霞，郭 睿，楊尚鋒

（1.北京衛(wèi)星導航中心，北京　100094；2.北京控制工程研究所，北京　100094）

1　引言

衛(wèi)星導航電文是由地面主控站基于各監(jiān)測站的原始數(shù)據(jù)處理后生成的，并上行注入至衛(wèi)星；衛(wèi)星完成導航電文的格式編排、差錯控制編碼等工作，并經過擴頻和載波調制等處理，按照一定的順序播發(fā)給地面站和用戶，以提供衛(wèi)星的空間位置、工作狀態(tài)、星鐘改正、電離層延遲改正等重要信息。

隨著衛(wèi)星導航定位技術和通信技術的發(fā)展，GPS導航電文經歷NAV、CNAV到CNAV-2的發(fā)展，具有很強的代表性。Galileo雖為后起之秀，其導航電文的整體設計體現(xiàn)了靈活和開放的特點，尤其是在電文頁流機構、導航系統(tǒng)間兼容性與互操作、電文星間交叉播發(fā)技術和完好性等方面的設計體現(xiàn)了導航定位技術的新發(fā)展和導航電文設計理念的進步。

導航電文設計方案的優(yōu)劣將直接影響系統(tǒng)的通信資源的利用率和電文結構的可擴展性，決定了用戶機解調靈敏度、解碼延遲、首次定位時間等方面的性能。導航電文結構的設計要素主要包括電文結構、電文內容、信息速率、校驗及糾錯方式等多個方面。在進行導航電文設計時，需要根據(jù)衛(wèi)星導航信號的服務需求，綜合考慮各設計參數(shù)，達到兼顧信號收發(fā)性能以及導航系統(tǒng)間的兼容性與互操作性的目的。衛(wèi)星導航定位技術已在交通運輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象測報、通信時統(tǒng)、電力調度、救災減災和國家安全等諸多領域得到廣泛應用。各衛(wèi)星導航系統(tǒng)大國也相繼在國際上公開了其民用信號的導航電文結構，以為各類型用戶終端的研制、生產、使用及維護提供標準。目前，各國導航電文均針對各自運行控制系統(tǒng)特點進行設計研究，并未形成國際化的導航電文設計標準，對各類型用戶終端的兼容性設計帶來了很大的復雜性。

本文針對導航電文結構設計、內容設計和信道編碼方式等方面，結合GPS、Galileo、BDS等導航電文設計特點，對衛(wèi)星導航信號設計標準進行了初步研究，為多系統(tǒng)的互操作性能提升提供一定的借鑒。

2　導航電文結構設計

2.1　電文基本類型

隨著導航定位技術的發(fā)展，GPS逐步推出了NAV、CNAV、CANV-2等類型的導航電文，以適應不同頻點的服務需求。Galileo也根據(jù)服務類型、電文內容的不同，設計了F/NAV、I/NAV、C/NAV等多種類型的導航電文。北斗區(qū)域導航系統(tǒng)的空間段是由MEO/IGSO/GEO三種衛(wèi)星組成構成的混合星座，且采用了正交相移鍵控（QPSK）調制方式。因此，其電文類型可劃分為5類。

導航電文類型的多樣化體現(xiàn)了現(xiàn)代衛(wèi)星導航信號體制設計的逐步完善性和服務類型的多樣化，為多航系統(tǒng)的互操作性能提升打下了堅實的基礎。

2.2　電文基本結構

導航電文可以采用固定幀結構也可以采用數(shù)據(jù)塊結構，或者采用固定幀和數(shù)據(jù)塊結構相結合的模式。

固定幀結構的優(yōu)點是用時僅需按照導航電文格式要求直接解析即可，大大方便了用戶使用，早期電文設計時大多采用這種固定結構；缺點是導航電文內容及其具體播發(fā)位置固定，更改或優(yōu)化導航電文參數(shù)的過程繁瑣，系統(tǒng)擴展性差、通信資源利用率低。早期的導航電文設計，如GPS NAV導航電文和北斗區(qū)域導航系統(tǒng)電文等，采用了固定格式、固定播發(fā)頻度的幀結構，且各子幀播發(fā)內容也是基本固定的，有利于簡化地面系統(tǒng)和接收機的設計，與當時的技術水平是相適應的。Galileo雖繼承了這種的層次結構，但還采用了以頁為獨立單位的頁流結構，用戶只需識別頁的類型即可進行快速反應，有效地減少了固定幀結構帶來的弊端。

數(shù)據(jù)塊結構優(yōu)點是當系統(tǒng)功能擴展需要增添新的數(shù)據(jù)類型時，可以通過定義一個新的數(shù)據(jù)塊類型來解決，在系統(tǒng)功能擴展和增強方面具有很好的靈活性，如GPS CNAV導航電文首次采用了數(shù)據(jù)塊結構；其缺點是用戶需增加時間等輔助信息。

因此，兼具幀結構和數(shù)據(jù)塊結構優(yōu)勢的組合方式擁有數(shù)據(jù)內容擴充靈活、播發(fā)類型隨機等優(yōu)點，成為現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)電文設計時值得考慮的方式。GPS CNAV-2則率先采用了幀結構和數(shù)據(jù)塊結構相結合的編排格式，以數(shù)據(jù)幀為基本格式，每個數(shù)據(jù)幀又由3個長度不同的子幀組成。

2.3　播發(fā)方式

以子幀/頁為單位的導航電文，一般按照子幀號/頁面號順序播發(fā)，使得各類別信息能夠按照固定周期播發(fā)，但重復播發(fā)預留的空白數(shù)據(jù)段勢必造成通信資源的浪費。以數(shù)據(jù)塊為單位的導航電文可根據(jù)用戶需求隨機播發(fā)相關數(shù)據(jù)塊，而預留數(shù)據(jù)塊不需要播發(fā)。對于GPS CNAV-2，它不但可以按照固定子幀播發(fā)順序，還允許不同頁面的播發(fā)順序隨機，滿足重要信息播發(fā)的固定性和隨機信息播發(fā)的隨機性。

通常，同一時間用戶收到的來自不同衛(wèi)星或不同頻點的導航電文類型是一致的，當數(shù)據(jù)內容相同時將存在冗余[1]。Galileo F/NAV整幀結構傳輸數(shù)據(jù)包，奇數(shù)子幀包含頁面類型5，偶數(shù)子幀包含頁面類型6，這樣可以通過兩個連續(xù)的子幀完成三顆衛(wèi)星歷書數(shù)據(jù)的傳輸。E5b-I和E1-B頻率上提供基于雙頻差異的雙頻服務。只有通過頁面交互使兩個信號上頁面播發(fā)先后順序有所不同，從而使雙頻用戶能夠快速接收數(shù)據(jù)。Galileo F/NAV和I/NAV采用這種交叉播發(fā)方式對星間和頻間電文相對播發(fā)順序進行了優(yōu)化[2]，有效地縮短了用戶收齊所有歷書數(shù)據(jù)的時間，提高了導航電文的時效性，是一種十分值得借鑒的播發(fā)方式。

3　導航電文內容設計

衛(wèi)星導航電文是由導航衛(wèi)星播發(fā)給用戶的描述導航衛(wèi)星運行狀態(tài)參數(shù)的電文。時間、軌道、電離層、設備時延等信息均可通過數(shù)據(jù)模型參數(shù)向用戶播發(fā)，進而估算用戶的位置坐標和速度。

按服務類型來分，導航電文的內容可以分為基本導航信息、擴展導航信息和增強導航信息三大類信息類型。

（1）基本導航信息：一般包括衛(wèi)星位置信息、衛(wèi)星鐘差改正信息、衛(wèi)星基本完好性信息（包括衛(wèi)星健康信息和信號精度信息）、UTC時間偏差信息、以及衛(wèi)星通道時延信息等。此類信息主要用于滿足最基本的導航服務的需求，即單頻、雙頻單點定位服務或多頻單點定位服務等。

（2）增強導航信息：一般包括衛(wèi)星廣播星歷差分改正、鐘差差分改正、電離層格網(wǎng)、差分完好性等信息。此類信息主要用于滿足單頻或多頻的廣域增強服務需求，主要包括中等精度歷書信息、星歷差分改正信息、衛(wèi)星鐘差分改正信息、電離層格網(wǎng)信息、差分完好性信息等。

（3）擴展導航信息：一般包括衛(wèi)星歷書信息、衛(wèi)星健康信息、電離層修正模型參數(shù)信息、地球定向EOP參數(shù)信息、GNSS系統(tǒng)間時間偏差等信息。主要用于滿足除基本導航服務和增強服務外的其他服務需求。為了使用戶在短時間內收集全部衛(wèi)星歷書信息，僅在擴展導航信息中播發(fā)簡化歷書信息。

按信息發(fā)送頻率來分，導航電文內容主要包括兩類：即時信息和非即時信息，以滿足不同時效性和不同更新周期數(shù)據(jù)的時效性要求。

（1）即時信息：一般包括衛(wèi)星時間、衛(wèi)星時間與系統(tǒng)時的偏差、衛(wèi)星頻率偏差、廣播星歷、群延遲參數(shù)、系統(tǒng)及衛(wèi)星工作狀態(tài)信息等。

（2）非即時信息：一般包括衛(wèi)星歷書、衛(wèi)星狀態(tài)、電離層模型參數(shù)等。

3.1　星歷

星歷參數(shù)是影響動態(tài)系統(tǒng)導航定位精度和可靠性的重要因素，由地面運行控制中心站計算得到的，通過衛(wèi)星轉發(fā)給用戶。

在導航電文設計初期，GPS、Galielo、BDS等導航系統(tǒng)均采用了16參廣播星歷參數(shù)模型，主要參數(shù)包括6個軌道參數(shù)、9個攝動變化量參數(shù)和時間參數(shù)等衛(wèi)星運行及其軌道參數(shù)。

在現(xiàn)代導航電文設計中，GPS CNAV電文中首次采用了18參廣播星歷參數(shù)，其中半長軸平方根A1/2改為參考時刻半長軸與標稱值之差和半長軸變化率，用兩個表示變化率的數(shù)據(jù)代替固定值半長軸平方根A1/2；增加了平均角速度與固定值之差的變化率。當收斂條件相同時，18參數(shù)的廣播星歷精度要優(yōu)于16參數(shù)的，但其穩(wěn)定性明顯要低[3]。

3.2　系統(tǒng)時

目前，衛(wèi)星導航系統(tǒng)一般采用以周計數(shù)和周內秒為參數(shù)的時間表述方式，如GPS時、Galileo系統(tǒng)時和北斗時（RNSS服務）等，但各系統(tǒng)時的起點不同[4，5]，且參數(shù)比特位數(shù)不同，周內秒單位也有所差異。因此，考慮到各衛(wèi)星系統(tǒng)間的兼容性，解決不同導航系統(tǒng)間的時間轉化問題，電文中應包含與其他導航系統(tǒng)時進行直接轉換的時間轉換參數(shù)。

同時，各衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)均與UTC協(xié)調世界時保持一致，但也有其差異，系統(tǒng)時均為連續(xù)的，而UTC會周期性的作跳秒修正，即系統(tǒng)時與UTC 時間有固聯(lián)但又存在一定的漂移。電文中應包含系統(tǒng)時和UTC關系的必要數(shù)據(jù)。

3.3　星鐘改正參數(shù)

星上時鐘并不穩(wěn)定，每顆衛(wèi)星都需通過相關的播發(fā)其自身的星鐘改正數(shù)據(jù)，以對時間進行更精確的修正。衛(wèi)星時間改正數(shù)利用以下二階多項式模型計算：

式中，af0，af1和af2分別表示衛(wèi)星鐘偏差改正系數(shù)、漂移改正系數(shù)和漂移率改正系數(shù)；toc為星鐘改正數(shù)的參考時間；t為系統(tǒng)時的周內秒；Δtr為相對論改正項，計算公式為：

3.4　設備延遲參數(shù)

設備群延遲改正參數(shù)又稱為硬件延遲差或頻間偏差參數(shù)，反映了衛(wèi)星不同頻點信號經星上發(fā)射鏈路到達衛(wèi)星天線電子相位中心產生的延遲[6]，適用于GPS和Galileo等系統(tǒng)。每個衛(wèi)星群延遲參數(shù)會不斷更新以便反映真實的在軌設備群延遲差異。該改正項主要是為單頻用戶考慮。

以Galileo系統(tǒng)為例。播發(fā)群延遲參數(shù)BGD（f1，f2）定義如下：

式中，f1和f2為2個Galileo信號的載波頻率；TR1和TR2為信號載波頻率分別為f1和f2的群延遲。BGD不等于衛(wèi)星設備群延遲差異的均值，它是測量值，代表平均設備群延遲差異乘以1/[1-（f1/f2）2]。單頻接收機用戶處理f1頻點的偽距時星鐘改正數(shù)為：

單頻接收機用戶處理f2頻點的偽距時，星鐘改正數(shù)為：

BDS定義的群延遲參數(shù)則意義不同于GPS系統(tǒng)。它以B3頻點天線電子相位中心為衛(wèi)星鐘差時空參考點，并以B1、B2和B3導航信號信號發(fā)送鏈路的設備時延做差得到B1、B2相對B3設備的群延遲參數(shù)。BDS用戶要使用B1/B2雙頻偽距進行導航定位解算時，必須從電文中獲取B1、B2時延差參數(shù)，并機械能相應歸算，才能正確使用衛(wèi)星發(fā)播的鐘差參數(shù)[7]。

由此可見，GPS、Galileo是以雙頻為基點進行種差修正的，BDS則是以單頻為基點進行鐘差修正。雖然各系統(tǒng)在鐘差修正方法上略有差異，但是對接收層的影響不大[8]。

3.5　電離層改正

電離層誤差是由衛(wèi)星導航信號在穿越電離層時傳播方向、速度、相位及振幅的變化，是嚴重影響定位精度的誤差源之一，采用有效地電離層延遲改正模型可以很好地削弱該誤差源的影響。由于電離層隨測量的位置、時間、太陽的活動等的不同而有所變化[9]，不同電離層延遲改正模型的改正精度往往也是不一樣的。因此，各衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用的電離層改正模型不盡相同，如GPS、BDS采用了8參數(shù)球諧參數(shù)（Klobuchar）經典模型，Galileo則獨特的采用了3個電離層電子濃度參數(shù)和5個電離層分布標志來構建電離層模型。目前，還無法衡量哪種模型更優(yōu)，制定相應標準。

3.6　數(shù)據(jù)齡期

批量播發(fā)的導航數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)齡期來識別。名義上，不同類型的導航數(shù)據(jù)（星歷、星鐘改正和SISA等）在應用中有效期是有限的。通過數(shù)據(jù)齡期來識別每一批數(shù)據(jù)使得：

⊙ 用戶可以識別從不同衛(wèi)星上接收的不同批次的數(shù)據(jù)。

⊙ 用戶接收機識別數(shù)據(jù)的有效性（更新為最新齡期的導航數(shù)據(jù)）。

⊙ 即使丟失了一些頁面或者從數(shù)據(jù)傳播中的某一部分開始接收數(shù)據(jù)，用戶接收機可以估計完整批次的數(shù)據(jù)。

3.7　歷書

歷書包含導航定位所需的基本參數(shù)，對接收機快速捕獲衛(wèi)星信號和選星過程中起著十分重要的作用。一般包括開普勒軌道參數(shù)和鐘差改正參數(shù)，其參數(shù)比特尾數(shù)和尺度因子要求均低于精密星歷，為用戶提供精度較低的衛(wèi)星位置，大大減少導航電文的數(shù)據(jù)量，提高了效率，同時也縮短接收機接收一組完整歷書所需時間，減少了接收機首次定位時間。

3.8　空間信號精度

完好性是衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能評估的重要指標。GPS和BDS在導航電文中播發(fā)用戶距離精度（URA）和健康標志來描述衛(wèi)星空間信號精度；Galileo則在電文中播發(fā)空間信號精度（SISA）、空間信號監(jiān)測精度（SISMA）和完好性標識（IF），以表征系統(tǒng)的完好性。

4　導航電文信道編碼

信道編碼是在信源編碼之后，作為一種差錯控制碼嵌入與信息序列有關聯(lián)的冗余碼元，來監(jiān)測和糾正衰落、噪聲干擾、多普勒頻移等帶來的誤碼，使碼字具有一定的檢錯糾錯能力，可有效提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

衛(wèi)星導航系統(tǒng)通常采用前向糾錯（FEC）方式對導航電文在信道傳輸中的隨機錯誤和突發(fā)錯誤進行控制。隨著接收機和通信技術的發(fā)展，用于控制隨機錯誤的碼從最初的漢明碼、BCH碼等線性分組碼，發(fā)展到后來的卷積碼、LDPC碼等；對抗突發(fā)錯誤的碼有CRC碼、交織碼等。

現(xiàn)代導航電文信道編碼設計一般采用多重差錯控制方法：先進行CRC校驗，隨后將糾錯碼和交織碼結合進行糾錯編碼。

5　衛(wèi)星導航電文設計

從GPS、Galileo、BDS等系統(tǒng)的導航電文設計來看，各系統(tǒng)在電文內容、信道編碼、數(shù)據(jù)編排結構及播發(fā)方式等方面均有相似之處，其差異體現(xiàn)在系統(tǒng)對服務性能、可擴展性、應用范圍、服務效率等方面需求的不同和導航定位算法的優(yōu)化。同時，各衛(wèi)星導航系統(tǒng)的迅速發(fā)展使得互操作成為了全球衛(wèi)星導航領域的關注熱點，各供應商對系統(tǒng)見兼容互操作研究給予了高度重視。為謀求利益的最大化，各供應商都在積極開展互操作研究和協(xié)調工作。因此，為實現(xiàn)導航電文設計的標準化，應進行以下幾個方面的考慮：

（1）坐標框架及系統(tǒng)時的轉換。目前，各大系統(tǒng)采用的坐標和時間參考系均不相同。若能以某一標準坐標系和時間基準為參考，設計各系統(tǒng)間坐標和時間的轉換參數(shù)，可為各系統(tǒng)間兼容互操作打下堅實的基礎。

（2）電文結構歸一化設計。目前，各大系統(tǒng)均設計了不同類型的導航電文，并采用固定幀/數(shù)據(jù)塊結構或二者結合的電文基本結構。若各大系統(tǒng)均設計一類采用相同電文基本結構，并借鑒Galileo 的交叉播發(fā)方式，可有效降低兼容型接收機和地面監(jiān)測站的設計成本，改善接收機首次定位時間，提高導航電文的時效性和數(shù)據(jù)資源利用率。

（3）改正參數(shù)的個性化設計。由于各衛(wèi)星導航系統(tǒng)通常播發(fā)多個頻點的導航信號，各頻點導航信號對應的各廠商生產的設備時延不盡相同，且各系統(tǒng)采用的鐘差、星歷及電離層改正模型也有所差異，無法制定統(tǒng)一標準，需差別對待。

6　結束語

隨著各國通信技術、導航定位技術的發(fā)展以及設計約束條件不同，各國衛(wèi)星導航信號電文的設計結構和參數(shù)有著些許差異，但所涵蓋的設計要素基本一致，進而可以總結歸納形成概要設計標準，為各國衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)兼容性和互操作性打些堅實基礎，也為用戶終端的簡化設計提供前提條件和重要支撐，引領衛(wèi)星導航產業(yè)的國際化發(fā)展。但也需要認識到的是，導航電文的設計是各方面要素綜合權衡的結果，也無絕對的標準，需要隨著技術的發(fā)展，進行改正參數(shù)和模型的優(yōu)化設計，并對導航電文設計標準進行同步更新。■

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