GPS民用导航电文演变分析＊

唐 曙，易先清，于 凯

（国防科技大学五院信息系统工程重点实验室，湖南 长沙410073）

0 引 言

导航电文是卫星导航定位系统中定位计算的重要基础数据之一，导航电文编排的好坏直接关系到系统定位的准确性和定位计算的效率[1]，对整个定位系统的性能影响是很大的，GPS全球定位导航系统一直是国际上GNSS行业内的领跑者，那么其在电文设计上有什么独到之处？并且随着系统的更新升级，其在导航电文上的变化对于系统性能的提升主要表现在哪些方面？主要对导航电文NAV（Navigation）、现代化导航电文CNAV（Civil Navigation）、CNAV－2（Civil Navigation 2）3类导航电文的组成、特点以及性能进行了详细分析，并对上述问题作了一些合理的解答。

1 电文的结构

首先从电文的组成、电文编排结构、电文播发方式、编码设计这4个方面对GPS的3类电文作了一些简要的介绍。

1.1 导航电文NAV

如图1所示，在NAV电文结构中，由5个300 bit的子帧构成一个主帧，再由25个主帧构成一个超帧，总长为37500bit，导航卫星广播电文的速率为50bps（bit per second），采用按照子帧帧号和页面号的顺序的电文播发方式，全部的电文播发需12.5min。单颗卫星以12.5min的周期向用户广播[2－4]，如图1所 示；NAV 采 用 汉 明 码 和 BCH 等线性编码，纠错能力有限，而且子帧每24位就有6位奇偶校检码，这种编码很大程度上限制了电文内容的编排，灵活性很差[5－7]。

图1 NAV结构图

1.2 导航内文CNAV

如图2所示，CNAV 由64（0～63）个数据块组成，其中数据块0为默认数据块。其中只有14个数据块定义了具体参数，剩余50个数据块作为预留。每个数据块长为300bit，总长为15000bit，导航卫星在L2C频点上播发速率为25bps，单颗卫星12s播发完毕；L5频点上播发速率为50bps，单颗卫星6s播发完毕。采用在规定的最长播发间隔内或根据用户需求随机播发，预留块不播发，需要广播的电文总长为4200bit.具体参数分布请参见图2[2－4]。CNAV进行了改变，采用卷积码，CRC循环冗余校检。性能优于分组码，但相对于LDPC码，编码增益有限、抗突发、抗截获性能较差[5－7]。

图2 CNAV结构图

1.3 导航内文CNAV－2

如图3、4所示，CNAV－2由3个子帧构成1个主帧，7个主帧构成1个超帧，子帧3的第7页为预留。从图上可知，子帧的长度各不相同，子帧1为9bit，子帧2为600bit，子帧3为274bit，电文总长为6181bit.CNAV－2采用的是多重差错控制方式，子帧1、2采用CRC编码，然后对各子帧、各页面单独进行LDPC编码，最后将编码后的子帧或页面进行交织[2－4]。

图3 CNAV－2示意图

图4 CNAV－2结构图

主帧883bit电文编码成1800字码（symbol），播发速率为100sps（symbol per second），单颗主帧18s播发完毕，虽然采用帧的结构，但在播发方式上，与CNAV一样采用在规定的最长播发间隔内或根据用户需求随机播发，预留帧都不播发。7帧中每一页的子帧1、2作为重复冗余帧，子帧3不同页码对应的内容各不相同[5－7]。

2 电文的变化

在分析电文变化前，先对电文中一些主要的参数作个长度的比较，统计出来的数值是依据ICD接口文件为准。

从表1可以看出电文被划分了5个部分，依照

表1 电文信息统计

顺序分别对应着电文演变的5个方面：参数精度提高、电文参数新增、电文改进、电文删减、电文编排变化。依照电文年代又分成传统电文和现代化电文。而表中现代化电文CNAV和CNAV－2在前4个部分基本上没有区别，主要是电文编排上的区别。而像卫星时钟参数、测距精度指示、UTC参数、信号延时修正等方面基本上变化不大，主要是在前一代电文的基础上提高了些精度以及应对卫星载波的变化作了的一些调整，因此，在表中以其他列出。接口文件中三类电文其总的长度从NAV的37500bit降低为6181bit，以下分析电文变化表现在哪些方面以及对系统性能的影响。

1）参数精度提高

星历参数是对GPS卫星轨道的精密拟合，是导航定位解算的基础数据，从NAV的16参数星历358bit演变成CNAV和CNAV－2的18参数星历401bit，精度的提高也更精确地描述了卫星的运行轨道。

2）电文参数新增

新增加的电文主要是GGTO（GPS／GNSS时间偏差）和地球定向参数，前者是GPS与其他GNSS系统时间偏差，目的就是实现与不同GNSS之间的兼容和互操作，是GPS实现互操作的表现之一；后者的作用是方便用户实现地心地固坐标系与地心惯性坐标系之间的转换，提高接收机的解算效率。

3）电文改进

改进的电文又可以从4个方面来体现，分别是历书被分成中等精度历书和简化历书；原来的导航信息修正表由差分修正取代；卫星健康状况由信号健康状况取代；专用电文变成了文本信息。

①历书

每颗卫星除了广播自己的星历外，还在导航信息中以历书的形式广播星座中所有卫星简单的星历。历书是时钟数据和星历数据的子集，精度较低。历书的目的主要是接收机近似地确定卫星什么时候上升到水平面上，给出用户的近似位置，这样接收机可以确定信号的初捕，所以历书参数不要求像星历参数那样精确而且历书更新的频率比星历低。

在现代化GPS电文CNAV和CNAV－2中，历书由两部分构成，中等精度历书和简化历书，其中中等精度历书为包含2个星钟修正参数在内的10参数127bit，简化历书由N个简化历书包组成，简化历书包由包含3个信号健康状况在内的6参数构成。CNAV：31（单历书包长度）×11（历书包个数）＝341bit；CNAV－2：33＊6＝198bit.在传统电文中，所有卫星历书都以中等精度历书给出，而在现代化电文中除了本星历书是中等精度历书外，其余星全以简化历书给出，当然CNAV和CNAV－2的电文中简化历书从长度上看并未包含全部的卫星。

图5 导航卫星星座投影图

图5是2004年7月在轨卫星的投影图，其中有灰色阴影点12为GPS blockⅡR卫星，黑色点为以前批号的卫星，而ICD文件发布日期为2004年11月7号，而CNAV中算上本星中等精度历书一共有12个历书数据组，也就是说GPS blockⅡR卫星播发电文中历书数与在轨卫星数是相符的，不过却存在如下的问题：就是不同批号间卫星采用的电文类型不一样，那么用户在收集历书数据时，无法从一颗卫星上收集全网卫星的历书。至于CNAV－2中为什么只有7颗卫星历书数据组，可能和GPS新一代卫星发射计划有关。

如果以30颗卫星来计算，星历就节省了2726 bit电文长度，因为简化历书比中等精度历书的播发周期短，所以削减电文中历书总长度可以缩短启动状态或其它特殊场景用户对历书数据的收集时间，更好的满足不同用户的需求[9]。

②差分修正

在有的论文中，把差分修正作为现代化GPS新增电文来分析，其实在NAV中就有关于对于星历与时钟的估计误差修正——NMCT，导航信息修正表。包含有30个6bit的估算范围误差。直接用来修正用户的伪距测量值，而差分修正则把修正量分散到各个参数中，对于每颗卫星，估算范围偏差是对伪距的估计误差修正，它们由控制段计算用于对星历和时钟误差的修正，可以说是差分修正的前身。

而差分修正虽然长度增加了，由原来的NMCT的6（单颗卫星修正参数长度）×30（卫星个数）＝180bit演变成了CNAV和CNAV－2的514 bit和126bit，但是在精度上更加符合系统对修正精度的要求。

差分修正也由两部分组成，时钟差分（CDC）和星历差分（EDC），单个参数包长度分别为4参数34bit和8参数92bit.主要目的就是使用户获得更高的时钟和星历精度，进一步提高导航精度。

表2分别是CNAV和CNAV－2中差分修正包个数，这些参数主要的目的就是使用户获得更高的时钟和星历精度，进一步提高导航的精度。

表2 差分修正参数包

③信号健康状况

信号的健康状况由卫星的健康状况演变而来，长度也由462bit演变为不到40bit.传统电文中包含了总共32颗卫星的健康状况，削减到了现在的只包含本星的信号健康状况。也达到了精简不必要电文的目的，提高信号广播效率。

④文本信息

文本信息也同样被当成现代化GPS电文的新增电文，其实在NAV中就已经有了专用电文，其作用和文本信息一样，存储控制指令和ASCⅡ参数。

4）电文删减

删减的电文包括防电子对抗特征符、卫星型号、选择可用性。在NAV电文中，每颗卫星的选择可用性与卫星型号参数为4bit，关于选择可用性，是GPS提高民用导航精度，实现商业化的结果。而卫星型号这类不随时间变化的固定的数据完全可以存储在用户接收机中，只要从电文中获取卫星的PRN编号，则可以找到对应的信息。不仅仅局限于上述参数，如果必要的话，甚至其他固定的数值参数也可以存储在接受机中，这对与电文的精简，提高电文播发效率。

5）电文编排变化

从表1中，其实可以看出影响电文长度变化的参数除了历书外，主要就是在第5部分中的一些参数量，比如预留位，重复冗余位和校检位。

①预留位

电文预留是为以后系统升级更新，或增加系统服务留作备用的空白位，是系统可扩展性能力的体现。在3类电文中，预留的形式有两种，一种是与正式电文内容在同一帧或数据块，另一种是专门留出独立的帧或数据块，下面具体的论述3类电文在预留位上的区别。表1中各电文的预留位分别为2366bit、15000bit和236bit、CNAV 多达50个300位预留部分，极大提高了系统编排电文的灵活性，致使该系统的功能扩展和兼容性很强。

②重复冗余位

重复冗余位的目的就是使得一些基本导航信息（如星历、星钟）能以最快的速度被用户接收，在GPS导航电文中，NAV和CNAV－2都采用重复冗余帧的形式，CNAV虽然没有重复帧的设计，但是可以缩短基本导航信息所在数据块的播发最短间隔，但是却增加了其他导航信息的播发间隔，具体分析如下：

需要注意的是这里在分析时只考虑单颗卫星的播发，不考虑频间或星间的交叉播发。从表3中可以看出电文编排上的演变，在NAV中采用重复冗余帧的编排，但是却是顺序播发整个超帧的数据，使得其他导航信息的播发间隔全是12.5min；CNAV采用的随机播发数据块的方式，可以使得除基本导航信息以外，其他重要的数据的播发间隔缩短。CNAV－2却完美的结合以上两者的优点，随机播发各主帧，又因为是采用重复冗余帧的编排结构，在使得基本导航信息播发间隔最短的前提下，又提高了其他导航信息的播发间隔；还有两点值得注意，在重复帧的设计上，CNAV－2与NAV并不完全相同：1）CNAV－2精简了重复帧的长度，使得重复帧的参数编排更合理紧凑。星历加上星钟参数总长并未超过600bit，但是NAV却占用了3个子帧900bit，可能是出了为基本导航参数作预留来考虑，但重复帧的播发却整整多了7500bit的播发量；2）CNAV－2在完全编排全部导航信息的前提下使得主帧数量更合理，在不考虑备用的前提下，从NAV的25帧、CNAV的14数据块削减到了7帧。主帧或数据块的数量直接影响了重复冗余帧的长度和参数的最短播发间隔。

相比CNAV，CNAV－2最长的播发间隔从120 min缩短到了216s.也就是说最理想的情况下，单颗卫星在216s内能向地面完整的播发一遍全部导航信息，这对导航定位性能提升是可观的。众所周知，导航数据的更新周期越短，其导航精度越高，而这种高效的播发效率是通过缩短导航数据更新周期来提高定位精度的有力保障。

可以说重复冗余帧加上随机播发各主帧的设计是提高导航定位时效性和保证定位精度的措施之一，除了上述原因外还有：1）基本导航信息的播发最短间隔决定了用户接收机的首次定位时间的长短，首次定位时间是系统定位性能的体现。NAV、CNAV L2CM、CNAV L5和 CNAV－2的首次定位时间平均值分别为33s、51s、30s和18s.2）基本导航信息是影响定位精度最重要的数据，重复帧的设计可以使得更新后的重要参数第一时间被用户接受，保证高效的定位精度[8－9]。

表3 单颗卫星电文播发间隔

③校检位

NAV预留的部分被分割成24位长度的独立小块，后面包含6位奇偶校检码，刚好构成一个30位长度的字，它极大限制了电文编排的灵活度，如图6，NAV电文中参数的长度限制在24位以内，使得有些连续的信息变得不连续，例如一个参数被分配到两个字码中，甚至为了保证参数的完整性，在编排的时候极大限制了编排的灵活度。而CNAV、CNAV－2则不存在这样的问题。CNAV和CNAV－2在形式上完全相同并且都采用采用了CRC循环冗余校检，预留部分未被分割，保持了相对完整性，如图6所示，图中＊＊＊、RESERVED为预留部分，P为奇偶校检码。

图6 电文预留示意

3 电文的播发

关于电文的播发方式，除了以上单颗卫星的播发方式，还有一种星间和频间的电文组合播发方式。通常，导航电文在每颗卫星、每个频点上的播发是基于相同时间起点同步进行的，即在不考虑接收端处理顺序和处理时延的前提下，相同时间用户收到的来自不同卫星或不同频点的导航电文类型是一致的，当数据内容相同时（如历书数据）必将存在冗余[9]。如果能够使得不同卫星、不同频点在不同时刻内播发不同的数据，这样就能大大提高导航电文的时效性，在接收机启动状态下的快速卫星预报和信号捕获、减少首次定位时间等方面有重要意义[10－11]。

4 结 论

1）GPS电文的演变首先体现在电文参数的变化上，精度提高上，增加参数个数和参数的长度；

2）增加GPS与其他GNSS的时间偏移量，进一步提高系统的兼容性与互操作性，增加地球定向参数，提高用户解算效率。

3）精简电文，把某些常年数值固定不变的参数或默认值，直接存贮在接收机内；在保证导航精度前提下减少电文的长度，例如简化历书，就削减了电文的整体长度。

4）优化电文则是把专用电文、导航信息修正表、卫星健康状况分别由文本信息、差分修正参数所取代、信号健康状况，不仅精练了电文长度，且更加满足系统的需要。

5）结合了NAV的重复冗余帧编排结构和CNAV的随机播发各主帧或数据块方式，使得重复帧缩短导航信息播发间隔的效能最大化，降低了用户首次定位时间和全部导航数据接收时间。

6）采用伪随机下行播发方式，使得各导航信息最短播发间隔更合理。但是ICD文件中并未提到卫星组合播发方式，而GLONASS和GALILEO则提到了采用星间、频间组合播发各子帧的方式，这种组合播发方式能使某一时间段某接收机可接收的不同卫星播发不同的内容，这样就能最大限度减少接收机获取全部导航数据所需的时间。

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