多模多頻衛星導航接收機數據處理技術研究

陳 亮，孟海濤，展 昕，趙 勝

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.西安衛星測控中心，陜西 西安 710043；4.中國船舶重工集團公司第七二二研究所，湖北 武漢 430205)

0 引言

衛星導航接收機數據處理技術主要實現對導航接收機上報的觀測信息、導航電文、相關峰信息和實時頻譜等信息的數據處理，并將各種信息按標準格式進行存儲和實時輸出[1]。在衛星導航系統不斷升級的背景下，在針對原有數據處理技術的基礎上，提出了包括業務處理全面化[2]、數據輸出自動化及遠程加載快速化等新需求[3]。

目前國內外關于導航接收機數據處理技術已經有了較為深入的研究，國內許多公司都已研發出自主知識產權的多模多頻衛星導航接收機，并且在導航接收機數據處理技術基礎上研發的軟件實現了工程應用[4]。國外導航公司也推出了針對目前多系統多頻點的導航接收機[5]。但是針對導航接收機數據處理技術的新需求應用設計還沒有任何公開資料。本文通過自主研發的導航接收機數據處理軟件，重點針對多模多頻導航定位技術、數據輸出技術和遠程加載技術等重點進行深入研究，為導航接收機數據處理技術發展提供技術支持。

1 概述

中國第三代北斗衛星導航系統BDS于2018年12月正式提供服務[6]；美國全球定位系統GPS的第三代導航衛星GPSⅢ衛星于2018年12月底完成發射，逐步實現GPS衛星導航系統的現代化；俄羅斯GLONASS系統和歐盟Galileo系統已完成全球布局并提供正式服務[7]。隨著各導航系統的不斷升級完善，導航接收機需要具備衛星導航系統的多體制導航信號兼容和自動運行維護的能力[8]。

導航接收機數據處理技術針對目前導航接收機的更新換代提出了更全面化的需求。

業務處理全面化：具備處理全部導航信號的能力。實現四大導航系統的數據接收、數據分析和定位授時等各類業務數據的綜合處理[9]。

數據輸出自動化：目前導航系統輸出的信息具有數量大、種類多和實時性要求高等特點[10]。接收機作為導航信息的采集終端需要準確可靠地采集全部信息并將信息按標準格式進行輸出[11]。

遠程加載快速化：衛星導航接收機面向系統增量、體制變更或協議變更需求[12]，必須具備可通過遠程或本地在線加載方式進行程序升級，縮短硬件維護的時間，提高設備的可維護性和使用效率。

2 多模多頻導航定位技術

多模多頻導航定位技術需要分別對BDS，GPS，GLONASS，Galileo每個導航系統的所有頻點進行觀測量獲取、導航電文解析、定位解算、授時處理及時間管理，并完成定位結果輸出和鐘面校時等功能[13]。其中，BDS系統需要處理頻點包括B1I，B2I，B3I，B1C，B2a，B2b等頻點。GPS系統需要處理頻點包括L1C/A，L1C，L2，L5等頻點；GLONASS系統需要處理頻點包括G1CA，G2CA，G3OC等頻點；Galileo系統需要處理包括E1，E5a，E5b等頻點[14]。在處理這些頻點過程中有些處理步驟是通用的，但是又不能對處理過程進行過份耦合，否則會導致異常處理。通過對全部頻點進行分析，多模多頻定位技術處理差異主要體現在導航電文類別及電離層模型方面。其中，導航電文類別主要包括BDS系統的D1，D2，CNAV1，CNAV2；GPS系統包括NAV，CNAV，CNAV-2；GLONASS系統的電文為超幀導航電文格式[15]；Galileo系統的F/NAV和I/NAV等多種導航電文。電離層模型主要包括8參數模型和9參數模型。

針對多模多頻導航定位處理差異的特點，本文采用一種“高內聚、低耦合”定位處理流程，所有可通用處理方法不進行系統區分，各步驟處理獨立無耦合。具體步驟如下：

① 接收各頻點導航電文，通過電文類別分別解析出導航電文參數和電離層參數等信息。其中GLONASS直接解析出衛星位置和衛星速度等信息。處理內容包括4個系統的所有頻點。

② 利用觀測時間和解析出的導航電文參數計算導航衛星位置，再利用衛星位置和接收機粗略坐標計算衛星的方位角和俯仰角等信息。處理內容包括BDS，GPS和Galileo的所有頻點。

③ 利用衛星信息計算電離層延遲改正值、對流層延遲改正、相對論延遲改正和衛星鐘差改正等誤差項，并將全部改正相加得到該衛星該頻點的偽距誤差改正值。

④ 重復步驟②和步驟③，計算全部衛星的衛星信息和偽距誤差改正值。

⑤ 將全部衛星位置、偽距誤差改正值和衛星觀測進行最小二乘處理，得到接收機的位置速度和鐘差，并計算DOP值。

多模多頻導航定位處理流程如圖1所示。

圖1 多模多頻導航定位處理流程Fig.1 Multi-mode and multi-frequency navigation positioning processing flow

3 數據輸出技術

目前，導航系統接收機具有觀測導航系統數目多和信號體制多、處理通道多等特點[16]，根據目前需求，BDS系統需具備20顆(包含北斗二號和BDS)以上衛星跟蹤能力；10顆以上GPS系統衛星、GLONASS系統衛星和Galileo系統衛星同時處理能力。 導航接收機輸出的信息較以前接收機數據量有很大增長。

3.1 數據輸出技術研究方法

數據輸出采用文件輸出和實時數據輸出2種方式，文件輸出采用RINEX格式。實時數據輸出可采用NMEA，RTCM等格式。但是在目前所定義的NMEA，RTCM格式中，輸出的觀測量信息長度隨著觀測頻點的增加而增長，導致觀測信息數據協議包較長。為縮短觀測數據包，保證數據傳輸可靠性，本文設計了一種偽距增量的方式進行數據傳輸，具體步驟如下：

① 根據接收機輸出的觀測信息，獲取當前歷元的觀測衛星數、觀測衛星編號、每顆衛星的觀測頻點和各頻點的偽距觀測量。

② 計算單顆衛星全部頻點偽距平均值：

(1)

式中，n為衛星的觀測頻點數。

③ 計算每顆衛星每個頻點的偽距增量：

(2)

④ 重復步驟②和步驟③，完成全部衛星的偽距均值和偽距增量的計算。

⑤ 將計算好的偽距平均值和偽距增量按協議進行打包。衛星觀測信息協議格式如圖2所示。

圖2 觀測信息協議格式Fig.2 Protocol format of observation data

3.2 實驗結果與分析

為驗證上述方法的正確性，以北斗三號系統為例。目前北斗三號系統在中國范圍內實時可見衛星數超過15顆，按每顆衛星輸出B1I，B2I，B3I，B1C，B2a，B2b等6個頻點計算，1 s總共需要輸出15×6=90個偽距觀測值，RTCM格式也采用增量進行輸出，其偽距基本量長度定義為24 bit，偽距增量定義長度為14 bit，總共需要傳輸的長度為24+14×89=1 270 bit。偽距增量格式將偽距均值定義長度24 bit，偽距增量一般在300 m以內，可采用1 bit符號位，9 bit數據位，只需定義為10 bit即滿足要求，故需要傳輸的長度為24+10×89=914 bit，較RTCM格式減少了356 bit，大大提高了傳輸效率。

4 遠程加載技術

為了縮短硬件維護時間，提高導航接收機的可維護性和使用效率[17]，需要具備可在線升級導航接收機中FPGA，DSP程序的能力。導航接收機通過與升級軟件之間信息交互即可實現接收機內部嵌入式程序的在線加載。遠程加載系統功能框圖如圖3所示。

圖3 遠程加載系統功能框圖Fig.3 Remote loading system function diagram

升級軟件通過與導航接收機信號采集傳輸主板實現以太網通信，信號采集傳輸主板通過加載總線將加載信息傳輸至FPGA，DSP，實現 FPGA，DSP程序的加載[18]。一般遠程加載流程如下：選擇待升級的程序文件；將程序文件讀入到升級軟件內存中[19]；如果確定升級，則將程序文件通過軟件發送給硬件，隨即升級嵌入式FPGA，DSP程序。如果取消升級，則清除內存并退出。

4.1 遠程加載技術研究方法

針對多模多頻導航接收機含有多FPGA和多DSP芯片，本文設計了一種利用CRC校驗方式進行加載技術，具體步驟如下：

① 升級軟件發送命令字為0x0a的數據包到信號采集傳輸主板，告訴信號采集傳輸主板需要加載的文件個數。信號采集傳輸主板發送命令字為0x08的數據包到升級軟件，告訴升級軟件CRC校驗狀態。

② 若CRC校驗成功，升級軟件發送命令字為0x05的數據包到信號采集傳輸主板，告訴信號采集傳輸主板將要發送的文件長度以及該文件的CRC。信號采集傳輸主板發送命令字為0x08的數據包到升級軟件，告訴升級軟件CRC校驗狀態。

③ 若CRC校驗成功，升級軟件發送命令字為0x01的數據包到信號采集傳輸主板，告訴信號采集傳輸主板發送文件數據。信號采集傳輸主板發送命令字為0x08的數據包到升級軟件，告訴升級軟件CRC校驗狀態。

④ 信號采集傳輸主板判斷已經接收的數據長度與步驟②所收到的數據進行比較，若長度不同返回步驟③執行。

⑤ 若長度相同，信號采集傳輸主板發送命令字為0x07的數據包到升級軟件，告訴升級軟件整個文件的CRC校驗狀態。

⑥ 若CRC校驗成功，則判斷下發的文件個數是否足夠，若不夠，返回步驟②執行。

⑦ 信號采集傳輸主板向FPGA或DSP下載每個文件成功時，發送命令字為0xc的包給升級軟件，告訴升級軟件某個文件固化成功。

遠程加載技術流程如圖4所示。

圖4 遠程加載處理流程Fig.4 Remote loading process

4.2 實驗結果與分析

在北京與成都搭建測試環境，接收機部署在成都某站，升級軟件部署在北京某地，接收機與軟件通過專屬互聯網相連，升級軟件如圖5所示。

圖5 升級軟件Fig.5 Software upgrade

升級文件總共6個，每個升級文件大小為600 MB。在網絡正常環境中測試，完成升級用時12 min。

網絡異常環境測試，通過插拔網線模擬網絡斷開進行升級測試，當網絡斷開后升級停止，等待網絡連接成功后，升級繼續進行，沒有受到網絡斷開影響。通過基于CRC校驗方式進行遠程加載有效減少了誤碼率的影響，具備加載速度快、成功率高等優點。

5 結束語

針對多模多頻衛星導航接收機數據處理技術進行深入研究，重點分析了多模多頻導航定位技術、數據輸出技術和遠程加載技術。針對各項技術提供了解決思路和實現方案，并給出了具體各項技術的實現步驟，利用相關技術自主研發了相應的衛星導航接收機數據處理軟件并應用于工程實踐，取得了較好的經濟效益和社會效益。隨著衛星導航系統的不斷完善，衛星導航接收機數據處理新技術受到廣泛關注，本文提出的各種方法為技術實現提供了指導意義。