5G網(wǎng)絡(luò)中狀態(tài)空間表達(dá)式輔助數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期演進(jìn)定位協(xié)議消息格式設(shè)計(jì)

龐晉煒, 陳 瀟

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100089；2.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100089)

衛(wèi)星定位技術(shù)先后經(jīng)歷了傳統(tǒng)單點(diǎn)定位、經(jīng)典相對(duì)定位和精密單點(diǎn)定位，與傳統(tǒng)單點(diǎn)定位和經(jīng)典相對(duì)定位相比，精密單點(diǎn)定位(precise point positioning, PPP)技術(shù)具有可獨(dú)立作業(yè)，不需要在已知點(diǎn)架設(shè)基準(zhǔn)站，不受距離限制，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用前景不可限量[1]。網(wǎng)絡(luò)輔助導(dǎo)航是一種有效的導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)，可明顯縮短衛(wèi)星導(dǎo)航的首次定位時(shí)間，提升終端定位性能[2]。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將迎來(lái)新的時(shí)代。因此，如何利用地面網(wǎng)絡(luò)輔助增強(qiáng)衛(wèi)星精密單點(diǎn)定位是一個(gè)重要的研究課題。

目前，一些相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)輔助的信息格式及傳輸方式展開(kāi)研究。文獻(xiàn)[3]研究了國(guó)際海運(yùn)事業(yè)無(wú)線(xiàn)電技術(shù)委員會(huì)(Radio Technical Commission for Maritime Services, RTCM)協(xié)議第三版本中3.1版本和3.2版本兩種格式之間的差異，并指出RTCM V3.2格式中輔助GNSS技術(shù)將主要應(yīng)用于GNSS高精度實(shí)時(shí)定位領(lǐng)域。文獻(xiàn)[4]研究了A-GPS基于無(wú)線(xiàn)資源位置服務(wù)協(xié)議(radio resource location service protocol, RRLP)通過(guò)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(global system for mobile communications, GSM)網(wǎng)絡(luò)利用信令控制方式下發(fā)輔助信息的方法。泛在無(wú)線(xiàn)信號(hào)指的是非專(zhuān)門(mén)用于導(dǎo)航定位的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，包括移動(dòng)蜂窩信號(hào)、無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)信號(hào)等。RTCM SC-104格式是國(guó)際海事無(wú)線(xiàn)電技術(shù)委員會(huì)104特別委員會(huì)(Radio Technical Commission for Maritime Services, Special Committee No.104)制定的DGPS數(shù)據(jù)通用格式。NMEA 0183是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electronics Association)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式。文獻(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)RTCM SC-104和NMEA 0183這兩種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行擴(kuò)展，使其包含泛在無(wú)線(xiàn)信號(hào)定位相關(guān)的輔助數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)輔助數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化。但是，上述文獻(xiàn)中均未涉及5G網(wǎng)絡(luò)輔助精密單點(diǎn)定位的狀態(tài)空間表達(dá)式(state space representation, SSR)信息，可見(jiàn)SSR輔助數(shù)據(jù)在5G網(wǎng)絡(luò)中的傳輸格式問(wèn)題有待解決。

根據(jù)第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd generation partnership project, 3GPP)組織的規(guī)定[6]，5G網(wǎng)絡(luò)將使用長(zhǎng)期演進(jìn)定位協(xié)議(long term evolution positioning protocol, LPP)提供輔助增強(qiáng)功能，于是，基于LPP定位協(xié)議[7]提出了一種用于5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腟SR輔助數(shù)據(jù)消息格式，并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行仿真分析。本文首先設(shè)計(jì)了SSR數(shù)據(jù)的LPP消息格式，然后針對(duì)該格式給出了解碼方案，最后通過(guò)仿真，利用SSR數(shù)據(jù)進(jìn)行事后靜態(tài)精密單點(diǎn)定位，驗(yàn)證消息格式的有效性，并對(duì)GPS系統(tǒng)PPP和GPS+GLONASS雙系統(tǒng)PPP定位結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1 LPP協(xié)議

LPP是用于位置服務(wù)器與目標(biāo)設(shè)備間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的定位協(xié)議，該協(xié)議支持的定位方式有可觀察到達(dá)時(shí)間差定位法(observed time difference of arrival，OTDOA)、網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(assisted-global navigation satellite system, A-GNSS)、增強(qiáng)型小區(qū)標(biāo)識(shí)定位法(enhancedCell-ID，E-CID)、地面信標(biāo)系統(tǒng)定位法(terrestrial beacon system，TBS)等。一次LPP會(huì)話(huà)中，位置服務(wù)器或目標(biāo)設(shè)備可獲取相關(guān)的測(cè)量值或輔助數(shù)據(jù)等信息。一次LPP會(huì)話(huà)又包含一個(gè)或多個(gè)LPP事務(wù)，一個(gè)事務(wù)只能進(jìn)行單一操作，比如只能進(jìn)行輔助數(shù)據(jù)的傳輸，或只能進(jìn)行位置信息的傳輸。在LPP協(xié)議層，不同的事務(wù)利用事務(wù)ID進(jìn)行區(qū)分。每個(gè)LPP事務(wù)都會(huì)涉及一個(gè)或多個(gè)LPP消息，每個(gè)LPP消息包含一個(gè)或多個(gè)定位方式的相關(guān)信息。

LPP消息包括事務(wù)ID、事務(wù)終止標(biāo)志符、序列號(hào)、確認(rèn)位、LPP消息主體，其中，事務(wù)ID用于區(qū)分不同的事務(wù)，事務(wù)終止標(biāo)志符指示事務(wù)是否結(jié)束，序列號(hào)用于在接收器上檢測(cè)重復(fù)的LPP消息，當(dāng)LPP消息在控制平面上傳輸時(shí)，確認(rèn)位字段包含在LPP確認(rèn)和請(qǐng)求確認(rèn)的任何LPP消息中。LPP消息主體用于標(biāo)識(shí)消息類(lèi)型并包含特定消息類(lèi)型的信息，包括“請(qǐng)求功能”類(lèi)型、“提供功能”類(lèi)型、“請(qǐng)求輔助數(shù)據(jù)”類(lèi)型、“提供輔助數(shù)據(jù)”類(lèi)型、“請(qǐng)求位置信息”類(lèi)型、“提供位置信息”類(lèi)型等。在LPP消息主體為“提供輔助數(shù)據(jù)”類(lèi)型時(shí)，其內(nèi)容支持A-GNSS、OTDOA等定位方式。本文主要討論“提供輔助數(shù)據(jù)”類(lèi)型下，定位方式為A-GNSS，支持PPP的輔助數(shù)據(jù)類(lèi)型的LPP消息格式，輔助數(shù)據(jù)類(lèi)型包括SSR軌道改正參數(shù)、SSR鐘差改正參數(shù)和SSR碼偏差參數(shù)[7]。

狀態(tài)空間概念是為了提供單一GNSS誤差源的狀態(tài)信息而提出的，SSR信息可以分別對(duì)GNSS的各項(xiàng)誤差源進(jìn)行描述。相對(duì)于觀測(cè)空間表示方法(observation space representation, OSR)，SSR更適合于GNSS單點(diǎn)定位的誤差改正[8]。GNSS的SSR向量包括下列幾個(gè)參數(shù)：衛(wèi)星軌道改正、衛(wèi)星鐘差改正、衛(wèi)星信號(hào)偏差(包括衛(wèi)星硬件或軟件碼偏差和載波相位偏差)電離層延遲參數(shù)、對(duì)流層延遲參數(shù)、狀態(tài)質(zhì)量指示參數(shù)[9]。文獻(xiàn)[6]給出的SSR輔助數(shù)據(jù)信息如表1～表3。

表1 SSR軌道改正參數(shù)

表2 SSR鐘差改正參數(shù)

表3 SSR碼偏差

2 誤差模型

2.1 觀測(cè)方程

偽距和載波相位觀測(cè)方程分別為

(1)

(2)

2.2 SSR改正

(3)

接下來(lái)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，將軌道改正量ΔO轉(zhuǎn)換到地心地固坐標(biāo)系下，得到:

(4)

Xorbit=Xbroadcast-ΔX

(5)

精密鐘差由廣播星歷和SSR鐘差改正參數(shù)計(jì)算得出，設(shè)SSR數(shù)據(jù)參考時(shí)刻為t0，由廣播星歷得到的衛(wèi)星鐘差記為T(mén)broadcast，由SSR鐘差改正參數(shù)得到的鐘差改正量記為ΔT，精密鐘差記為T(mén)clock。SSR鐘差改正參數(shù)分別記為C0、C1和C2，則時(shí)刻t的鐘差改正量為

(6)

式(6)中：Vc是真空中的光速。則精密鐘差為

Tclock=Tbroadcast-ΔT

(7)

衛(wèi)星和接收機(jī)終端在發(fā)射和接收信號(hào)時(shí)，不同頻率以及同一頻率不同測(cè)距信號(hào)通道間都存在時(shí)延偏差，不同信號(hào)通道之間的時(shí)延偏差稱(chēng)為差分碼偏差。硬件延遲是GNSS誤差源之一，差分碼偏差可用于消除硬件延遲[9-10]。

2.3 改正參數(shù)及模型選取

選取無(wú)電離層組合相位和偽距觀測(cè)值，截止高度角為15°，對(duì)流層采用Saastamonien模型改正，利用雙頻接收信號(hào)消除電離層影響，硬件延遲改正數(shù)、軌道改正數(shù)和鐘差改正數(shù)由NTRIP服務(wù)器提供，同時(shí)采用相對(duì)論效應(yīng)、天線(xiàn)相位中心、固體潮等較為成熟的改正模型[11-13]。定位流程如圖1所示。

圖1 定位流程圖Fig.1 Positioning flow chart

3 關(guān)鍵模塊及傳輸流程

3.1 LPP消息格式設(shè)計(jì)

針對(duì)GPS和GLONASS系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，SSR輔助數(shù)據(jù)的LPP消息是位串，由圖2表示，其中第一行的最左位是第一位以及最高位，最后一行的最右位是最后一位以及最低位。該消息格式字節(jié)對(duì)齊(即8位的倍數(shù))，各字段比特?cái)?shù)如表4所示。

圖2 SSR數(shù)據(jù)LPP消息格式Fig.2 SSR data LPP message format

表4 LPP消息各字段比特?cái)?shù)

LPP消息分為消息頭和消息主體,LPP消息頭包括事務(wù)ID(TsID)、保留位、事務(wù)結(jié)束標(biāo)志位(F)和序列號(hào)(SN)。事務(wù)ID由消息類(lèi)型指示符(type)(8比特)和消息來(lái)源指示符(re)(1比特)組成。規(guī)定消息類(lèi)型指示符為“00001111”時(shí)，傳輸支持精密單點(diǎn)定位的SSR輔助數(shù)據(jù)，消息來(lái)源符指示消息來(lái)自位置服務(wù)器還是終端。規(guī)定消息來(lái)源指示符為1時(shí)，LPP消息來(lái)自位置服務(wù)器，消息來(lái)源指示符為0時(shí)，LPP消息來(lái)自終端。保留位供今后設(shè)計(jì)使用，占6比特。事務(wù)結(jié)束符占1比特，指示當(dāng)前事務(wù)是否結(jié)束。序列號(hào)占8比特，序列號(hào)用于在接收器上檢測(cè)重復(fù)接收的LPP消息。

消息主體包含歷元(e)、SSR軌道改正參數(shù)更新周期(UI1)、SSR鐘差改正參數(shù)更新周期(UI2)、SSR碼偏差參數(shù)更新周期(UI3)、衛(wèi)星參考基線(xiàn)(RD)、SSR改正數(shù)IOD(iodssr)、保留位、軌道改正支持衛(wèi)星數(shù)量指示符(OCsN)、SSR軌道改正參數(shù)集(L1)、鐘差改正支持衛(wèi)星數(shù)量指示符(CCsN)、SSR鐘差改正參數(shù)集(L2)、碼偏差支持衛(wèi)星數(shù)量指示符(CBsN)和碼偏差參數(shù)集(L3)。其中，歷元時(shí)間范圍為0～604 799 s；UI1、UI2和UI3分別占4比特，分別對(duì)應(yīng)不同的更新時(shí)間，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5所示，消息的發(fā)送周期取三者的最大公約數(shù)；SSR改正數(shù)IOD用于表示SSR信息和廣播星歷之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；支持衛(wèi)星數(shù)量指示符表示該消息體支持改正的衛(wèi)星顆數(shù)，最大支持64顆衛(wèi)星；改正參數(shù)集包含改正用到的有效參數(shù)。

表5 UI與SSR更新周期對(duì)照表

圖3 E1、E2和E3結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of E1, E2 and E3

表6 E1、E2和E3字節(jié)數(shù)

3.2 LPP解碼模塊

首先識(shí)別消息前8位，獲取該LPP消息傳輸信息類(lèi)型，接著獲取第2、3字節(jié)，了解LPP消息的來(lái)源、事務(wù)是否結(jié)束等信息，解碼流程如圖4所示。在解析E1、E2和E3參數(shù)包的過(guò)程中，原始SSR參數(shù)是帶符號(hào)位的二進(jìn)制比特序列，需要先轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，再乘以相應(yīng)的精度因子，最終得到實(shí)際的SSR參數(shù)。

圖4 LPP消息解碼流程圖Fig.4 LPP message decoder

3.3 SSR數(shù)據(jù)通信仿真流程

本文使用RTKLIB進(jìn)行仿真試驗(yàn)，選取合適的掛載點(diǎn)，接收并保存RTCM3格式SSR數(shù)據(jù)，通過(guò)RTCM轉(zhuǎn)LPP格式模塊處理RTCM3格式的SSR數(shù)據(jù)，并生成LPP格式消息。參考文獻(xiàn)[14]使用MATLAB語(yǔ)言仿真5G物理廣播信道，并在其中傳輸LPP格式消息，接收端按照解碼方案解碼獲取SSR數(shù)據(jù)。圖5為SSR數(shù)據(jù)通信仿真流程圖。

圖5 SSR數(shù)據(jù)通信仿真流程圖Fig.5 SSR data transmittion simulation flow chart

4 性能分析

4.1 信息量分析

SSR消息長(zhǎng)度隨更新周期、衛(wèi)星數(shù)和信號(hào)類(lèi)型數(shù)變化而變化，在仿真試驗(yàn)中，取軌道改正數(shù)更新周期為5 s，鐘差改正數(shù)更新周期為5 s，碼偏差改正數(shù)更新周期為5 s，衛(wèi)星數(shù)OCsN=CCsN=CBsN=x，支持y種信號(hào)碼偏差改正，那么，在60 s的時(shí)間里，SSR消息總字節(jié)數(shù)記為B1，計(jì)算公式為

B1=12[8+(1+17x)+(1+10x)+

(1+5xy)]

(8)

從圖6中可以看出，支持的信號(hào)類(lèi)型數(shù)一定時(shí)，總字節(jié)數(shù)隨衛(wèi)星數(shù)的增加而線(xiàn)性增加。當(dāng)衛(wèi)星數(shù)為10，信號(hào)類(lèi)型數(shù)為2時(shí)，SSR消息字節(jié)數(shù)為1 980 bytes；當(dāng)衛(wèi)星數(shù)為18，信號(hào)類(lèi)型數(shù)為2時(shí)，SSR消息字節(jié)數(shù)為2 940 bytes。

圖6 60 s內(nèi)總字節(jié)數(shù)Fig.6 The size in bytes within 60 seconds

4.2 定位結(jié)果與分析

選取CLK93掛載點(diǎn)，接收并保存RTCM3格式的SSR信息，靜態(tài)情況下利用NOVATEL接收機(jī)接收實(shí)際的衛(wèi)星信號(hào)，并將觀測(cè)值和星歷保存為renix文件。按照定位流程圖，利用這些源數(shù)據(jù)分別進(jìn)行GPS系統(tǒng)事后PPP定位和GPS+GLONASS雙系統(tǒng)事后PPP定位，定位結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 GPS系統(tǒng)PPP結(jié)果Fig.7 PPP results of GPS single system

圖8 GPS+GLONASS雙系統(tǒng)PPP結(jié)果Fig.8 PPP results of GPS+GLONASS dual-system

從圖7和圖8中可以看出，GPS+GLONASS雙系統(tǒng)PPP整體收斂至0.2 m約需40 min， GPS系統(tǒng)PPP整體收斂至0.2 m約需50 min，可見(jiàn)，在收斂時(shí)間上，GPS+GLONASS雙系統(tǒng)比GPS系統(tǒng)更快，并且從圖中可以看出，雙系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

本文將觀測(cè)數(shù)據(jù)按照5、10、15、20、25、30、40、50、60、90、120 min不同的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)，分別統(tǒng)計(jì)了兩種定位方式下PPP所達(dá)到的定位精度，如表6所示。可以看到在第5 min的時(shí)候，GPS系統(tǒng)在E、N和U方向上的均方根分別為0.97、0.78、0.55 m，GPS+GLONASS雙系統(tǒng)在E、N和U方向上的均方根分別為0.42、0.11和0.90 m，均在1 m以?xún)?nèi)。相比GPS系統(tǒng)，GPS+GLONASS雙系統(tǒng)在E和N方向上有明顯的改善，分別有40%和64%的提升，而在U方向上，兩者精度相當(dāng)。在整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中，兩種定位方式的可見(jiàn)星數(shù)量統(tǒng)計(jì)表如表7，再結(jié)合圖6，可以發(fā)現(xiàn)，雙系統(tǒng)以1 040 bytes/min的額外信息換取了上述精度的提升。

表7 衛(wèi)星數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表6 PPP精度(RMS)統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

利用MATLAB仿真5G物理廣播控制信道，模擬了LPP消息從生成到解碼的過(guò)程，并利用解碼得到的SSR信息進(jìn)行了事后靜態(tài)PPP定位。定位結(jié)果表明，不論是GPS系統(tǒng)PPP定位，還是GPS+GLONASS雙系統(tǒng)PPP定位，定位精度均能夠達(dá)到分米級(jí)，在E、N方向上，GPS+GLONASS雙系統(tǒng)精度明顯優(yōu)于GPS系統(tǒng)，以每分鐘1 040 bytes的額外信息換取了40%和64%的精度提升，在U方向上，GPS系統(tǒng)與GPS+GLONASS雙系統(tǒng)定位精度相當(dāng)，得到以下結(jié)論：

(1)消息格式可用于事后靜態(tài)PPP定位。

(2)隨著消息中衛(wèi)星信息量的增大，定位精度會(huì)相應(yīng)增大。