衛星導航電文設計研究

辛 潔，王冬霞，郭 睿，楊尚鋒

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

1　引言

衛星導航電文是由地面主控站基于各監測站的原始數據處理后生成的，并上行注入至衛星；衛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給地面站和用戶，以提供衛星的空間位置、工作狀態、星鐘改正、電離層延遲改正等重要信息。

隨著衛星導航定位技術和通信技術的發展，GPS導航電文經歷NAV、CNAV到CNAV-2的發展，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了靈活和開放的特點，尤其是在電文頁流機構、導航系統間兼容性與互操作、電文星間交叉播發技術和完好性等方面的設計體現了導航定位技術的新發展和導航電文設計理念的進步。

導航電文設計方案的優劣將直接影響系統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，需要根據衛星導航信號的服務需求，綜合考慮各設計參數，達到兼顧信號收發性能以及導航系統間的兼容性與互操作性的目的。衛星導航定位技術已在交通運輸、海洋漁業、水文監測、氣象測報、通信時統、電力調度、救災減災和國家安全等諸多領域得到廣泛應用。各衛星導航系統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，對衛星導航信號設計標準進行了初步研究，為多系統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。北斗區域導航系統的空間段是由MEO/IGSO/GEO三種衛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了現代衛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據塊結構，或者采用固定幀和數據塊結構相結合的模式。

固定幀結構的優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位置固定，更改或優化導航電文參數的過程繁瑣，系統擴展性差、通信資源利用率低。早期的導航電文設計，如GPS NAV導航電文和北斗區域導航系統電文等，采用了固定格式、固定播發頻度的幀結構，且各子幀播發內容也是基本固定的，有利于簡化地面系統和接收機的設計，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。

數據塊結構優點是當系統功能擴展需要增添新的數據類型時，可以通過定義一個新的數據塊類型來解決，在系統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據塊結構；其缺點是用戶需增加時間等輔助信息。

因此，兼具幀結構和數據塊結構優勢的組合方式擁有數據內容擴充靈活、播發類型隨機等優點，成為現代衛星導航系統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據塊結構相結合的編排格式，以數據幀為基本格式，每個數據幀又由3個長度不同的子幀組成。

2.3　播發方式

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，使得各類別信息能夠按照固定周期播發，但重復播發預留的空白數據段勢必造成通信資源的浪費。以數據塊為單位的導航電文可根據用戶需求隨機播發相關數據塊，而預留數據塊不需要播發。對于GPS CNAV-2，它不但可以按照固定子幀播發順序，還允許不同頁面的播發順序隨機，滿足重要信息播發的固定性和隨機信息播發的隨機性。

通常，同一時間用戶收到的來自不同衛星或不同頻點的導航電文類型是一致的，當數據內容相同時將存在冗余[1]。Galileo F/NAV整幀結構傳輸數據包，奇數子幀包含頁面類型5，偶數子幀包含頁面類型6，這樣可以通過兩個連續的子幀完成三顆衛星歷書數據的傳輸。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先后順序有所不同，從而使雙頻用戶能夠快速接收數據。Galileo F/NAV和I/NAV采用這種交叉播發方式對星間和頻間電文相對播發順序進行了優化[2]，有效地縮短了用戶收齊所有歷書數據的時間，提高了導航電文的時效性，是一種十分值得借鑒的播發方式。

3　導航電文內容設計

衛星導航電文是由導航衛星播發給用戶的描述導航衛星運行狀態參數的電文。時間、軌道、電離層、設備時延等信息均可通過數據模型參數向用戶播發，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：一般包括衛星位置信息、衛星鐘差改正信息、衛星基本完好性信息（包括衛星健康信息和信號精度信息）、UTC時間偏差信息、以及衛星通道時延信息等。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：一般包括衛星廣播星歷差分改正、鐘差差分改正、電離層格網、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、衛星鐘差分改正信息、電離層格網信息、差分完好性信息等。

（3）擴展導航信息：一般包括衛星歷書信息、衛星健康信息、電離層修正模型參數信息、地球定向EOP參數信息、GNSS系統間時間偏差等信息。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星歷書信息，僅在擴展導航信息中播發簡化歷書信息。

按信息發送頻率來分，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據的時效性要求。

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

（2）非即時信息：一般包括衛星歷書、衛星狀態、電離層模型參數等。

3.1　星歷

星歷參數是影響動態系統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，通過衛星轉發給用戶。

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

在現代導航電文設計中，GPS CNAV電文中首次采用了18參廣播星歷參數，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據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，18參數的廣播星歷精度要優于16參數的，但其穩定性明顯要低[3]。

3.2　系統時

目前，衛星導航系統一般采用以周計數和周內秒為參數的時間表述方式，如GPS時、Galileo系統時和北斗時（RNSS服務）等，但各系統時的起點不同[4，5]，且參數比特位數不同，周內秒單位也有所差異。因此，考慮到各衛星系統間的兼容性，解決不同導航系統間的時間轉化問題，電文中應包含與其他導航系統時進行直接轉換的時間轉換參數。

同時，各衛星導航定位系統均與UTC協調世界時保持一致，但也有其差異，系統時均為連續的，而UTC會周期性的作跳秒修正，即系統時與UTC 時間有固聯但又存在一定的漂移。電文中應包含系統時和UTC關系的必要數據。

3.3　星鐘改正參數

星上時鐘并不穩定，每顆衛星都需通過相關的播發其自身的星鐘改正數據，以對時間進行更精確的修正。衛星時間改正數利用以下二階多項式模型計算：

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

3.4　設備延遲參數

設備群延遲改正參數又稱為硬件延遲差或頻間偏差參數，反映了衛星不同頻點信號經星上發射鏈路到達衛星天線電子相位中心產生的延遲[6]，適用于GPS和Galileo等系統。每個衛星群延遲參數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系統為例。播發群延遲參數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為：

單頻接收機用戶處理f2頻點的偽距時，星鐘改正數為：

BDS定義的群延遲參數則意義不同于GPS系統。它以B3頻點天線電子相位中心為衛星鐘差時空參考點，并以B1、B2和B3導航信號信號發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。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，并機械能相應歸算，才能正確使用衛星發播的鐘差參數[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，各衛星導航系統采用的電離層改正模型不盡相同，如GPS、BDS采用了8參數球諧參數（Klobuchar）經典模型，Galileo則獨特的采用了3個電離層電子濃度參數和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，制定相應標準。

3.6　數據齡期

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

⊙ 用戶可以識別從不同衛星上接收的不同批次的數據。

⊙ 用戶接收機識別數據的有效性（更新為最新齡期的導航數據）。

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

3.7　歷書

歷書包含導航定位所需的基本參數，對接收機快速捕獲衛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和鐘差改正參數，其參數比特尾數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星位置，大大減少導航電文的數據量，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

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

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的冗余碼元，來監測和糾正衰落、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的可靠性。

衛星導航系統通常采用前向糾錯（FEC）方式對導航電文在信道傳輸中的隨機錯誤和突發錯誤進行控制。隨著接收機和通信技術的發展，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，發展到后來的卷積碼、LDPC碼等；對抗突發錯誤的碼有CRC碼、交織碼等。

現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　衛星導航電文設計

從GPS、Galileo、BDS等系統的導航電文設計來看，各系統在電文內容、信道編碼、數據編排結構及播發方式等方面均有相似之處，其差異體現在系統對服務性能、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化。同時，各衛星導航系統的迅速發展使得互操作成為了全球衛星導航領域的關注熱點，各供應商對系統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調工作。因此，為實現導航電文設計的標準化，應進行以下幾個方面的考慮：

（1）坐標框架及系統時的轉換。目前，各大系統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，設計各系統間坐標和時間的轉換參數，可為各系統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，各大系統均設計了不同類型的導航電文，并采用固定幀/數據塊結構或二者結合的電文基本結構。若各大系統均設計一類采用相同電文基本結構，并借鑒Galileo 的交叉播發方式，可有效降低兼容型接收機和地面監測站的設計成本，改善接收機首次定位時間，提高導航電文的時效性和數據資源利用率。

（3）改正參數的個性化設計。由于各衛星導航系統通常播發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、導航定位技術的發展以及設計約束條件不同，各國衛星導航信號電文的設計結構和參數有著些許差異，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，為各國衛星導航定位系統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，引領衛星導航產業的國際化發展。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，需要隨著技術的發展，進行改正參數和模型的優化設計，并對導航電文設計標準進行同步更新?！?/p>

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