Compass系统ass导航电文初步设计建议

2013-09-04国防科技大学五院信息系统工程重点实验室李健杰罗雪山唐曙于凯

数字通信世界 2013年1期

国防科技大学五院信息系统工程重点实验室李健杰罗雪山唐曙于凯

国防科技大学电子科学与工程学院卫星导航研发中心徐成涛

一、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，其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，对整个定位系统的性能影响是很大的。我国可以充分借鉴国外先进卫星导航系统的发展思路与经验，扬长避短，并结合我国的导航系统建设的特点来设计Compass系统导航电文以满足系统对性能的要求。本文结合Galileo以及GLONASS电文，主要对GPS过去、现在和将来使用三类导航电文的特点与性能进行了详细分析。

二、电文的结构

1. 电文内容及编排结构

本节首先从电文的结构来分析GPS的NAV（Navigation），CNAV（Civil Navigation），CNAV-2（Civil Navigation-2）三套电文，主要介绍电文具体内容和编排结构。电文的内容包括星钟修正、星历、电离层模型参数、历书、卫星状态信息等等；编排结构上NAV采用的是子帧、帧、超帧的固定格式，虽然帧的结构利于用户解算，但是灵活性和效率上存在不足；CNAV采用数据块形式解决了NAV电文上述的不足；CNAV-2综合上述两种电文的优点，更大程度上提升了整个卫星导航定位系统的时效性。

（1）NAV

NAV由25帧构成一个超帧，5个子帧构成一个帧，导航卫星以每秒50位的速率发送导航信息。每位信息的周期是20ms。电文按帧传送（如图1），每帧电文包含1500个位，周期为30s。每帧又分为5个300位的子帧，每个子帧的周期是6s，包含10个30位的字。每帧的第1，2，3子帧内容都是重复的，子帧4，5包含信息有所不同。因为其播发方式是按照帧号顺序的播发，需要25帧（12.5分钟）才能传输完所有的导航信息。

（2）CNAV

整个电文由64（0～63）个数据块组成（如图2），其中数据块0为默认数据块。除了10，11，30，31，32，33，34，35，36，37，12，13，14，15有具体内容外，剩下的数据块全部留作备用，其中预留的数据块不播发，只是为了以后功能扩展备用。导航电文以12秒的周期随机地向地面播发各数据块，每个数据块长300位且包含24位的循环冗余校检码。

（3）CNAV-2

该导航电文被调制在L1CD频点上（如图3），电文由三个子帧构成1个帧，7个帧构成1个超帧。子帧1为9位，子帧2包含24位CRC总共600位，子帧3包含24位CRC总共274位。7帧按随机方式任意播发各帧信息提供给GPS接收机，其中第7帧为预留帧，为以后的功能的扩展作预备。一帧983位长的电文被编码成了1800个字码长并以每帧周期为18秒的速率播发。7帧中每一页的子帧1和子帧2内容都是一样的，子帧3不同页码对应的内容各不相同。

2. 电文内容的变化

在对CNAV和CNAV-2电文的对比中，我们发现两者在具体的电文内容上几乎一模一样，只是在具体内容编排的格式和参数精度上有所区别，因此在内容的变化方面本文仅对NAV和CNAV作对比和分析。首先，值得注意的是电文的总长度（包括预留部分）是不断减少的，NAV，CNAV和CNAV-2总电文长度分别为37500位、19200位和6181位，其中CNAV-2因为GPSⅢ还处于研究阶段，其预留的部分只占到一帧，明显不符合实际的要求，但是总的趋势肯定是电文的长度在不断的削减，内容是在不断精简的。

在内容方面CNAV，CNAV-2相对NAV既有减少，有增加，也有修改的部分。减少的部分有卫星健康状态、专用电文、卫星型号、防电子对抗特征、导航信息修正表；修改的部分有历书；增加的部分有差分修正参数、文本信息、地球定向参数、GGTO修正参数。

其实卫星健康状态、专用电文、卫星型号、防电子对抗特征、导航信息修正等等信息并没有真正的在电文中消失，只是存在的形式发生了改变。

（1）首先卫星的健康状态被信号健康度所取代了，至于专用电文、导航信息修正表则分别被文本信息、差分修正参数所取代，且内容更加简洁精练。

（2）像卫星型号、防电子对抗特征等等内容是不随时间变化的，只要知道相应卫星的ID，那么这些固定不变的信息完全可以存储在GPS接收机里，然后根据卫星的ID就能从接收机中找到相应参数。甚至接下来将提到的简化历书也存在这种情况，因为它对精度的要求不是很高，很多参数可以采用相对固定的默认值，例如星历参数中的离心率等，只需要卫星向下播发随时间改变参数就行了。

（3）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。历书的目的主要是可以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。因此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。

NAV中每颗卫星的历书都以表1中的中等精度历书形式给出，而CNAV和CNAV-2中把历书分成了中等精度历书（Midi Almanac）和简化历书（Reduced Almanac）两种，具体的内容见表1。与NAV不同的是，CNAV和CNAV-2的中等精度历书精度有所下降，且只有一组本星的历书数据；而简化历书包含星座中其他所有卫星。中等精度历书的长度大概为127位，简化历书为33位，以30颗卫星为准的话，在历书这块就减少了2726位的电文。

表1 中等精度历书与简化历书包

简化历书比中等精度历书的播发周期更短，这样可以缩短启动状态或其他特殊场景用户对历书数据的收集时间，更好地满足不同用户的需求。

（4）差分修正参数。前面我们提到差分修正参数取代了NAV中导航信息修正表，这里顺便说下，NMCT即导航信息修正表是用来修正导航信息的，而差分修正参数取代的前者，并且在精度和长度上更趋向合理。差分修正参数分为两部分，CDC时钟差分修正和EDC星历差分修正，具体的参数见表2。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

（5）文本信息。关于文本信息则和NAV中的专用电文一样，其存储的信息是控制指令和ASCⅡ参数。

（6）地球定向参数。在介绍EOP即地球定向参数前，先介绍一些GPS中采用的三种坐标系，它们分别为地心惯性坐标系、地心地固坐标系和站心坐标系。而EOP包含的一些参数就是方便用户实现地心地固坐标系和地心惯性坐标系之间的转换。

（7）GGTO修正参数。GGTO的全称是GPS/GNSS时间偏移，它主要是GPS与其他GNSS（如Galileo和GLONASS）的系统时间偏差，目的就是实现不同GNSS之间的兼容和互操作，提高系统的服务能力。这是GNSS现代化发展的必然趋势，在CNAV导航电文中得到了体现。

（8）电文预留。在三种不同电文中，预留的形式有两种，一种是在正式电文内容的后面，校检码的前面；另一种是专门留出独立的帧或数据块。下面具体介绍三套电文的区别。

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4(a)。

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4(b)所示。

图4中，***、RESERVED为预留部分，P为奇偶校检码。

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，例如一个参数被非配到两个字码中，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。这里需要特别提起的是CNAV的预留部分多达50个300位的数据块，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。

除了以上方面的不同外，在卫星时钟修正参数、卫星星历参数、测距精度指示、UTC参数、信号延时修正等方面也有些小改变，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出的一些调整，这里就不详细叙述了。

3. 电文编排与播发

三套电文采用的编排结构的变化，我们能从前文看出，NAV和CNAV-2采用的都是帧的方式，CNAV采用的是数据块的形式，但是NAV和CNAV-2还是有不同的地方，主要体现在其播发的方式上。

（1）NAV采用帧结构，数据内容在电文中位置固定，而且子帧、帧、超帧与系统时间严格对应，用户可根据时间信息正确解析接收到的电文数据，这有利于用户接收和使用数据，特别适合数据处理能力较低的接收机，但是它采用的播发方式是顺序播发，其中空白预留部分也在播发的内容中，占据了相当量的通信资源。

（2）CNAV采用数据块，不具有NAV采用帧结构所具有利于接收机解算的特点，但是随着微处理技术的发展，用户接收机的处理能力已经普遍提高，利于数据解算的优势已经不存在，播发方式是随机播发各数据块，空白的预留部分不在播发的内容中，不占据通信资源。

（3）CNAV-2虽然也采取了帧结构，但是却综合了前两者的优点，空白的预留帧不于播发，其他含有导航信息的帧随机播发。

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相对播发方式。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。如果能够使不同卫星、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。而GLONASS和Galileo就采用了这种交错的播发方式，在陈金平等人的《卫星导航电文设计分析》中有详细的介绍。

在图1、图2和图3中，采取不同编排方法作用体现在哪呢？很明显，在电文的一个超帧中往往有很多重复的子帧内容，如在NAV的星钟修正参数和卫星星历参数等基本导航电文，它们位于每帧的1，2，3子帧中；CNAV中，10，11数据块包含重复的星历，30～37包含重复的星钟修正；CNAV-2中，每帧的子帧2中都含有相同的基本导航数据。这些数据是导航定位解算中最重要的参数，因此当电文更新时，这些数据必须第一时间被接收机获取。参照资料和分析结果，我们得出各主要参数的最大播发间隔，见表3、表4和表5。

三个表中，因为NAV和CNAV-2的接口文件中没有直接提到播发间隔，因此，参照CNAV分析编排方式和播发方式，估计出相应的参数播发间隔。我们可以看出，三套电文在数据的播发周期上，最大播发间隔是越来越少了。这首先就影响了用户首次定位的时间，从上面三个表中的数据分析，NAV，CNAV，CNAV-2的平均首次定位时间分别为33s，51s，27s，从以上结果可以看出，CNAV在首次定位时间上比NAV的时间长，这是因为CNAV的下行播发速率为25b/s，是NAV的一半的缘故，但是更低的速率有着更高的数据传输可靠性；其次电文的更新周期和定位的精度是有关系的，当电文的更新间隔越短，其导航精度越高。可见数据播发周期越短，能使接收机更快地获取更新的电文，这对整个系统的时效性和定位精度的影响是很大的。

表3 NAV电文播发间隔

表4 CNAV电文播发间隔

表5 CNAV-2电文播发间隔

三、编码设计

1. 下行编码

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，这和这种编码有关系。这种编码很大程度上限制了电文内容的编排，灵活性很差，而且奇偶校检码在一个子帧中就占了60位，一个超帧就占用了7500（一个超帧是37500位）位，占整个超帧的20%，光校检位就占了五分之一，极大浪费了通信资源。

CNAV进行了改变，采用卷积码，CRC循环冗余校检。其性能优于分组码，但相对于LDPC码，编码增益有限、抗突发、抗截获性能较差。

随着编码技术和微处理器技术的发展，现在导航电文的编码方案已经发展到了多重差错控制方式，以CNAV-2为例，其电文中采用的是多重差错控制方式，先对电文进行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. 上行编码

大多数文献资料主要是针对下行播发电文的编码设计作过研究分析，所有的下行播发电文都是采用前向纠错FEC编码，那么在考虑星间链路的情况下，上行的信息采用何种编码方式呢？是继续采用FEC还是自动重传ARQ，还是混合纠错HEC呢？这还有待进一步的深入分析。

四、电文设计建议

（1）对于下行播发电文内容的设计，可以参照CNAV-2，采用帧与数据块相结合的编排方式。

（2）对于电文结构也可以参照CNAV-2的结构，一个播发的最小单元中（例如每子帧中）最好包含实现导航定位所必须的本星基本导航参数；这样用于基本导航的数据能以最短的周期被用户接受（例如GPS block Ⅲ是每12秒周期播发基本导航参数）。

（3）采用适当的下行播发方式：采用随机播发各子帧的方式，但是这种随机播发方式使得各导航卫星播发内容相对错开，即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。

（4）在无线网络能覆盖到的地方，接收机直接从互联网上或地面基站获取相关导航电文的内容，只要从卫星获取卫星的ID号和测距码就能实现短时间内精确的定位。

（5）精简电文，把某些常年数值固定不变的参数或默认值，直接存储在接收机内，在保证导航精度前提下减少电文的长度，降低星间链路之间的传输量和播发的周期。例如简化历书，就削减了电文的整体长度。

（6）增加参数的精度修正和其他GNSS的时间偏移量，进一步提高系统的导航精度和实现多系统的兼容与互操作性。

（7）进一步优化电文，像GPS一样把专用电文、导航信息修正表分别由文本信息、差分修正参数所取代，不仅精练了电文长度，且更加满足系统的需要。

（8）参照下行播发电文的设计，对上行和星间传输信息作指导性的规划，利于其在星上对数据包的分包和拆包等处理，减少电文注入的时间。

（9）对于星间传输信息的编码方式的设计上，要充分考虑其星上的处理能力和信息传输延时是否满足系统设计需求。

五、存在问题

电文的预留主要考虑两方面的因素，一是添加新的内容以满足新服务，二是为了系统的兼容。例如，修改的和增加的那些电文就可以添加到预留的那部分中，现在运行中的GPS系统包含两种批次的卫星（如图5）。

图5中灰色阴影点为GPS blockⅡR卫星，黑色点为以前批次的卫星。上面已经介绍过，它们采用播发的方式和内容都不一样，用户接收机在解算的时候肯定存在时效性、电文完整性和精度的问题。GPS是如何解决这个问题的，还有待进一步的探讨，这对我国Compass系统的更新时解决电文的兼容问题也有一定的借鉴意义。