BDS IODE字段制定方法研究

郑洪艳，刘 晖，钱 闯

(武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北武汉430072)

一、概 述

北斗差分技术(Differential BeiDou Satellite System，DBDS)与现有DGNSS原理相同，是利用误差相关性或通过分离误差源提高定位精度和可靠性的一种方法。2013年中国卫星导航系统管理办公室公布《北斗卫星导航系统空间信号接口文件》第二版本(ICD 2.0)，ICD 2.0 较 ICD 1.0 增加了 B2I信号方面的定义［1］，使得单独基于北斗卫星导航定位系统(BeiDou Satellite Navigation System，BDS)的双频伪距和载波相位差分成为可能。

差分协议规定了提高卫星导航精度和完备性性能的数据传输格式、计算方法、硬件和数据链要求等。RTCM SC-104是目前全球应用最为广泛的差分系列标准，其中最具代表性的是RTCM SC-10402.X和RTCM SC-10403.X标准系列，它们对BDS的支持正在不断完善中。

差分协议要求参考站和流动站间必须使用同一组卫星星历和钟差参数进行差分改正计算，因此正确标识与识别星历和钟差参数组便成为正确差分计算的基础。GPS、GLONASS、Galileo和 BDS的差分计算都存在对星历和钟差参数组的标识和识别问题，解决方案也不尽相同。

本文在分析GPS等星历和钟差参数组识别方法的基础上，结合BDS导航电文参数的特点，提出北斗差分数据期卷(BDS RTCM IOD)的设计方案并进行比较，最终给出该字段的建议方案。

二、差分电文的数据龄期字段

差分协议对星历和钟差参数组的标识和识别可分为两部分:一是根据一定规则建立与参数组相关的识别参数，该识别参数在一定时间段内应唯一;二是利用识别参数对参数组进行识别，判断差分电文采用的参数组与本地接收到的参数组是否一致。GPS、GLONASS和Galileo分别定义了不同的识别参数［2-3］，详见表 1。

表1 GPS、GLONASS和Galileo卫星星历和钟差识别参数

1.GPS数据期卷字段

GPS卫星星历和钟差参数组的识别参数是星历数据期卷IODE(issue of data，ephemeris)和钟差数据期卷IODC(issue of data，clock)，二者都是数字。当卫星星历和钟差参数变化时，IODE和IODC值也相应地改变，且在一段时间内取值唯一。

GPS IODC由2位最高有效位(MSB)和8位最低有效位(LSB)构成。IODE长8 bit，一般与IODC的8位最低有效位相同，当IODE与IODC最低8位不相等时，说明数据集发生变化，需要进行数据采集。GPS IODE取值与前6 h不同，IODC取值需保证与前7 d不同［2-4］。图1是 GPS卫星(PRN8)在15 d内IODE和IODC取值的变化情况。

图1 GPS卫星IODE及IODC变化情况(PRN 08，2014年 DOY140～154)

由图1可以看出，GPS卫星IODE与IODC相等，且在7 d时间内取值唯一。

由于GPS L5信号对应的CNAV电文不包含IODE参数定义，其 toe 参数长 11 bit，分辨率为 300 s［4-6］。RTCM采用CNAV toe的8位最低有效位作为识别参数，其取值在12 h内唯一，发挥IODE的作用。

2.GLONASS卫星星历识别参数

GLONASS不采用“数据期卷(IOD)”这一定义。但是，在GLONASS系统正常运营期间，其卫星星历的变化与参数tb(Time of Data)的取值相呼应，可以使用tb识别卫星星历。tb为基于UTC(SU)+3 h的天内时间间隔。差分电文中定义的GLONASS IOD长8 bit，其0～6 bit是由 tb构成的最低有效位，第7 bit设为“0”并忽略不计。即在差分应用中，用户通过将差分电文与GLONASS导航电文的参数tb进行比较，判断用户设备与参考站改正数是否基于同一组卫星轨道计算［2-3，7-8］。

3.Galileo卫星数据龄期

与GPS相似，Galileo定义了IODnav字段识别卫星星历、IODa识别历书参数。RTCM差分协议计划采用10 bit长的IODnav识别卫星星历。由于差分协议中IOD参数数据域仅长8 bit，暂定Galileo系统IOD由最高位的一个“0”与IODnav的7位最低有效位(LSB)构成。实际应用中可能存在两个相邻历元IOD的7个最低有效位相等的情况，此时Galileo 系统 IOD 最高位取值为“1”［2-3，8-9］。

三、BDS数据龄期

BDS导航电文中定义了数据龄期AOD(age of data)而非数据期卷IOD(issue of data)，是卫星星历和钟差参数的外推时间间隔［1］。其中，星历数据龄期AODE是星历参数的外推时间间隔，即本时段卫星星历参数参考时刻与计算星历参数所作测量的最后观测时刻之差。同理，钟差数据龄期AODC是钟差参数的外推时间间隔，即本时段钟差参数参考时刻与计算钟差参数所作测量的最后观测时刻之差。二者均在BDT整点更新，取值范围为0～31。

分析数据由CDDIS官网获得。由图2—图6可以看出:

1)BDS AODE和AODC间没有确定的关系，其值之差大部分情况下为1。

2)GEO卫星AODE取值变化很小且大部分时间为1，一般不大于4。

3)IGSO卫星AODE呈现出周期约为1 d的变化规律，且大部分时间取值为1，一般不大于8。

4)MEO卫星AODE取值范围0～31，数值变化较大。

探究原因认为，由于BDS GEO卫星相对于地球静止，可以保持与控制中心的持续通信，参考时刻与最后观测时刻之差恒小于1 h(特殊情况除外)，表现为其AODE取值大部分时间为1［10］。而由于目前BDS控制中心在全球分布不均匀，主要集中在中国大陆地区，因此IGSO和MEO卫星在逐渐靠近中国大陆地区时，参考时刻与最后观测时刻之差减小，相应AODE取值变小，反之AODE取值增大，如图5和图6所示。

图2 BDS GEO卫星AODE与AODC取值随时间的变化(PRN 04，2014年 DOY 139～154)

综上可知，BDS已定义的数据龄期(AOD)与卫星空间位置紧密相关，而与时间和数据集变化的关系并不明显。AODE和AODC不能用于识别卫星星历和钟差参数数据集的变化，为此需要定义新的参数用于在差分应用中识别卫星星历。

图3 BDS IGSO卫星AODE与AODC取值随时间的变化(PRN 08，2014年 DOY 139～154)

图4 BDS MEO卫星AODE与AODC取值随时间的变化(PRN 14，2014年 DOY 139～154)

图5 BDS IGSO卫星AODE取值随卫星空间位置变化情况(PRN 05-10，2014年 DOY 139～154)

四、BDS RTCM IODE字段制订方案

综合GPS、GLONASS和 Galileo系统空间接口文件和差分协议中IOD(GLONASS tb)的定义，BDS卫星星历识别参数应具有以下性质:

1)体现卫星星历数据集的变化，即识别参数随卫星星历数据集的变化取值不同。

2)数据域长8 bit，取值范围0～255。

3)在一定时间段内取值唯一。

4)体现数据的有效性［9］。

参考GPS、GLONASS和 Galileo系统卫星星历识别方法，提出以下3种计算BDS卫星星历识别参数的方法:

1)采用toe作为识别参数。

2)基于toe生成识别参数。

3)基于AODE和toe生成识别参数。

1.采用toe作为识别参数

BDS toe参数长17 bit，分辨率为8 s，在7 d时间内取值唯一。根据分析，BDS正常运行中不会出现导航电文不同而toe相同的情况(BDS不正常时，导航电文中的卫星健康字会发生变化，提示不要使用该卫星数据)。因此可以考虑采用toe作为卫星星历识别参数。

但是由于 toe参数长度为 17 bit，远远超过RTCM差分协议中IODE定义的8 bit长度，会造成差分和导航电文的数据量的增加。尤其在低速数据链环境下(如沿海差分台站)，将极大影响使用效率。

2.基于toe生成识别参数

(1)采用“0”/“1”+toe的7位最低有效位作为识别参数

参考RTCM差分协议关于GPS CNAV识别参数的定义，以toe的8位最低有效位作为差分应用中BDS卫星星历识别参数，如图7、图8所示。

图7 以toe的8位最低有效位作为识别参数

图8 以toe的7位最低有效位作为识别参数

BDS卫星星历存在非BDS更新间隔整数倍时刻更新的情况，可能会使相邻历元toe的8位最低有效位相等，见表2。针对这种情况，参考差分协议中GLONASS星历识别方法和Galileo数据期卷的提议方法［2-3，8］，考虑采用“0”/“1”+toe 的 7 位最低有效位识别卫星星历。

参数构成思路如下:

①最低有效位

IODELSB=toe的7位最低有效位

②最高位

初始值 IODEMSB=“0”;若(IODELSB)t=(IODELSB)t0，(IODEMSB)t=ABS((IODEMSB)t0－ 1);若(IODELSB)t≠ (IODELSB)t0，IODEMSB)t=(IODEMSB)t0。其中，t0指上一历元时刻，t为当前本历元时刻;ABS()为绝对值函数。

表2 BDS卫星星历数据集在非BDS更新间隔整数倍时刻更新举例

理论上可以在1024 s(210)内唯一标识某一历元卫星星历。BDS toe分辨率为8 s，因此该方法生成的识别参数分辨率为8 s，BDS卫星星历更新间隔为(8N)(N∈N*)秒，一般取 30 min、1 h 或2 h。

其中，LCM()为最小公倍数函数。

由上式可知，由于toe取值每周重复一次，在星历更新间隔设为30 min、1 h或2 h时，采用该方法生成的识别参数的有效识别时间间隔为40 h，约1.5 d。与以toe的8位最低有效位作为星历识别参数相同。

(2)采用“0”/“1”+toe的9位最低有效位作为识别参数

结合GPS CNAV和Galileo系统卫星星历识别方法［2-3，8］，考虑使用 toe 的 10 位最低有效位(LSB)作为BDS卫星星历识别参数。

差分电文中数据龄期的定义长度为8 bit，因此仅有8 bit位于GNSS IOD数据域内。移除10 bit参数的2位最低有效位(LSB)，使用剩余的8位最低有效位作为BDS卫星星历识别参数，如图9、图10所示。

图9 采用toe的10为最低有效位作为识别参数

图10 采用toe的10为最低有效位作为识别参数

同理针对相邻历元toe的10位最低有效位可能相等的情况，参考差分应用中GLONASS卫星星历识别方法和RTCM SC-10402.4中关于Galileo数据龄期的提议［2-3，8］，考虑采用“0”/“1”+toe 的 9 位最低有效位识别卫星星历，详见上一节。

理论上可以在4096 s(212)内唯一标识某一历元卫星星历。由于BDS toe分辨率为8 s，该方法获得的识别参数分辨率为32 s，采用该方法生成识别参数时，星历更新间隔可以设为(32N)(N∈N*)秒，一般取2 h。理论上可以在4096 s(212)内唯一标识某一历元卫星星历。

其中，LCM()为最小公倍数函数。

由于toe参数取值每周重复一次，由上式可知采用2 h的卫星星历更新间隔时，该方法生成的识别参数可以在一周内唯一识别每一组导航电文数据。与以toe的10位最低有效位作为星历识别参数相同。

方法2两种思路满足条件1)—3)。通过比较可以看出，方法2较方法1理论上有效识别时间间隔明显增长，但是方法2参数分辨率为32 s，BDS toe分辨率为8 s，在星历每8 s更新一次的极端情况下，其有效识别间隔会急剧缩短为16 s。此外，表2所示的卫星星历在非BDS整时变化的情况，还有可能造成方法2两种思路的可识别时间间隔的缩短，这是通过识别参数定义无法避免的。

3.基于AODE和toe参数生成识别参数

结合BDS卫星星历识别参数应具备的性质，考虑基于已有星历参数AODE和toe生成识别参数。

按照图11所示的结构，按照如下方式进行变换:

(1)1位最低有效位

IODELSB=“1”，星历在BDS更新间隔非整数倍时刻变化;IODELSB=“0”，星历在BDS更新间隔整数倍时刻变化。

(2)m位最高有效位(2≤m≤5)

n=AODE二进制形式最高非零位位数，若n=0，m=2，IODEMSB=“00”;若 n=1，m=2，IODEMSB=“01”;否则，IODEMSB=DEC2BIN(AODE)，2≤m=n≤5。其中，DEC2BIN()为十进制转二进制函数。

图11 基于AODE和toe计算卫星星历识别参数结构组成示意图

(3)识别参数中间位

根据toe计算天内秒数，并按照MID=DEC2BIN(INT(天内秒数/interval))计算中间位取值。其中，interval为BDS卫星星历数据平均更新间隔，单位为s。目前BDS卫星星历数据更新间隔为1h，interval=3600s。

若n≤2，中间数据位长 5 bit。若 MID不足5 bit，中间位的高位以“0”填充。若 n＞2，中间数据位长(7-n)bit。若MID不足(7-n)bit，中间位的高位以“0”填充;若MID长度大于(7-n)，取其最低(7-n)bit作为中间位。

采用该方法对实际观测数据处理获得的识别参数变化情况如图12—图14所示。

图12 BDS GEO卫星设计参数取值随时间变化情况(PRN 04，2014年 DOY 139～154)

图13 BDS IGSO卫星设计参数取值随时间变化情况(PRN 08，2014年 DOY 139～154)

图14 BDS MEO卫星设计参数取值随时间变化情况(PRN 14，2014年 DOY 139～154)

由图12—图14可以看出，该方法获得的识别参数可以在一天内很好地区分不同类型卫星星历数据集的变化。此外，该方法还具有以下特点:

1)以AODE作为最高位获得的参数可以体现出卫星星历计算时延，即体现数据的有效性。其值越大，时延越长，数据有效性越低。

2)最低位通过判断是否在更新间隔整数倍时刻更新判断赋值，可以区分非更新间隔整数倍时刻数据变化。虽然分辨率不高，根据经验，可以满足卫星星历的变化频率。

3)中间位由toe计算得到的天内秒数和星历数据更新间隔确定，使得每组数据的识别参数在一天内唯一。

4)GEO和IGSO卫星的AODE的取值变化不明显，主要通过中间位区分数据集。而MEO卫星，AODE取值的变化很大，主要通过高位区分每组数据。

虽然方法3两种思路满足条件1)—4)。但是对该方法的分析是建立在现有BDS和GPS已有经验数据的基础上，未来BDS卫星星历结构性质会发展成熟并发生变化，该方法也就需要进行相应的调整。此外，该方法的可识别时间段无法明确衡量。

五、结 论

综合分析以上3种方法可以看出:①方法2和方法3在方法1的基础上提出;②方法2参考GPS、GLONASS和Galileo系统识别参数生成方法，思路简单，但适用性强;③方法3可以体现数据的有效性，但是对于其分析是建立在现有数据的基础上，是否适用于卫星星历卫星发展变化有待进一步考证。综上，从体现性质全面性方面考虑建议采用方法3，但是从适用性方面考虑方法2更优。

［1］中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号(2.0版)［S］.北京:［s.n.］，2013.

［2］RTCM Special Committee.Committee Draft for Vote RTCM 10402.4:Differential GNSS(Global Navigation Satellite Systems)Services，Version 2［S］.［S.l.］:SC，2013.

［3］RTCM Special Committee.RTCM Recommended Standards forDifferentialGNSS(GlobalNavigation Satellite Systems)Service，Version 2.3［S］.［S.l.］:SC，2001.

［4］GPS Navatar.Global Positioning System Standard Positioning Service Signal Specification(2nd Edition)［S］.［S.l.］:GPS Navatar，1995.

［5］GPS Navstar JPO SMC/CZ(AFMC)，Rockwell International Space Systems Division and Communations Division，International Business Machines(IBM)Federal System Company，et al.Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces［S］.1993.

［6］GPS Navstar JPO SMC/CZ(AFMC).Navstar GPS Space Segment/User Segment L5 Interfaces［S］.2002.

［7］Coordinate Scientific Information Center.GLONASS ICD(Version，2002，5)［S］.2002.

［8］Radio Technical Commission for Maritime Service.RTCM Standard 10403.2:Differential GNSS(Global Navigation Satellite Satellite Systems)Service，Version 3［S］.2013.

［9］European GNSS Supervisory Authority.Galileo O S.SIS ICD:Galileo Open Service，Signal in Space Interface Control Document Draft 1.1［S］.2010.

［10］MONTENBRUCK O，STEIGENBERGER P.The BeiDou Navigation Message［J］.Journal of Global Positioning Systems，2013，12(1):1-12.