基于质量树的GPS电文质量评估方法

饶爱水，李永刚，李祥明，汪 毅，王振平，胡 健

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)



基于质量树的GPS电文质量评估方法

饶爱水，李永刚，李祥明，汪 毅，王振平，胡 健

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

从导航电文中及时、准确地计算出电文参数，是导航接收机的核心功能，不同电文参数解算软件由于设计差异，解算电文参数质量也存在差异，电文数据质量也会影响电文参数结果；针对此问题，在传统数据质量模型的基础上，引入质量树分析方法，建立了评估导航电文质量的质量树模型；模型从电文完整性、电文一致性、电文正确性以及电文时效性等4个特性出发，每个质量特性均建立了专属子特性，以及量化子特性的数据指标；在此基础上，以GPS电文质量评估为例，开发了GPS电文质量评估软件，采用GPS接收机的实测数据对模型和软件进行了验证；结果表明，该软件能够发现GPS电文的异常数据，包括数据不完整、数据不一致、数据不正确、数据超时等，处理结果可用于改进电文参数解算算法，提高电文参数解算软件的可靠性。

完整性；一致性；正确性；时效性；质量模型

0 引言

图1 GPS电文质量模型

导航电文是导航定位计算的基础，电文数据质量及电文解算算法直接影响电文参数解算结果，进而影响定位结果。测量船利用火箭下传伪距数据，结合导航电文计算火箭的GPS弹道，该弹道对于实时引导雷达设备，实时判断火箭飞行是否正常，事后分析设备跟踪精度均具有重要作用。历次任务中发生过多次由于电文质量引起的定位结果异常问题[1]，为此，研究一种客观评价导航电文质量的方法模型，既可以分析电文原码的数据质量，又可以评价电文参数解算软件的质量，在工程应用中具有很高的价值。当前国内外对于导航数据质量的研究，重点在于分析观测数据质量[2-4]、电文纠错设计等方面[5]，对电文数据质量的研究论文尚不多见。本文针对GPS电文质量的评估方法进行了研究，并研制了电文质量评估软件对实测数据进行了分析。

1 电文质量评估模型

电文质量模型建模方法：根据GPS电文对用户的实际作用，借鉴了通用数据质量标准[6]和空间数据质量标准模型[7-8]，采用质量树描述电文质量模型。从电文完整性、电文一致性、电文正确性以及电文时效性等4个方面描述电文质量，如图1所示。

1)电文完整性：指接收的电文数据完整、无遗漏。描述电文完整性的指标包括星历完整性、历书完整性、帧完整性以及超帧完整性。

2)电文一致性：指解算后的同类电文参数，在同一历元时刻数据的一致性。描述电文一致性的指标包括星历数据一致性、历书数据一致性、电离层数据一致性、UTC数据一致性。

3)电文正确性：指解算后的各类电文参数，物理量正确，满足一定的物理要求。描述电文正确性的指标包括星历数据正确性、历书数据正确性以及UTC数据正确性。

4)电文时效性：指接收或解算后的电文数据，满足一定的时间效率要求。描述电文时效性的指标包括电文及时性、电文有效性、星历有效性以及历书有效性。

2 GPS电文质量计算方法

2.1 GPS电文完整性计算方法

1)星历完整性：GPS电文星历数据位于电文的第1～3子帧，当完全收齐1～3子帧数据后，可解算出一组星历数据。特性指标为星历接收数、星历遗漏数，计算方法为：

星历遗漏数=理论星历数-星历接收数

2)历书完整性：GPS电文历书数据位于电文的第4子帧的25～32页以及第5子帧的1～24页。理论上，每个超帧均可解算出32组历书数据。特性指标为历书收齐星数、历书遗漏星数，计算方法为：

历书遗漏星数=32-历书收齐星数

3)帧完整性：GPS电文帧由5个子帧组成，子帧编号从1～5。理论上，每30秒传送一帧电文。特性指标为帧识别数、帧遗漏数，计算方法为：

帧遗漏数=理论帧数-帧识别数

4)超帧完整性：GPS超帧由25个帧组成，帧的页面编号从1～25。理论上，每750秒传送一个超帧。特性指标为超帧识别数、超帧遗漏数，计算方法为：

超帧识别率=超帧识别数/理论超帧数

2.2 GPS电文一致性计算方法

1)星历数据一致性：指从电文数据中解算的星历数据，在同一个历元时刻的一致性。特性指标为星历数据个数、星历是否一致。

2)历书数据一致性：指从电文数据中解算的历书数据，在同一个历元时刻的一致性。特性指标为历书数据个数、历书是否一致。

3)电离层数据一致性：指从电文数据中解算的电离层数据，在同一个历元时刻的一致性。特性指标包括电离层数据个数、电离层是否一致。

4)UTC数据一致性：指从电文数据中解算的UTC数据，在同一个历元时刻的一致性。表达UTC数据一致性的指标包括UTC数据个数、UTC是否一致。

上述星历数据个数、历书数据个数等指标，统计方法为：当两组数据的所有字段均相同时统计为1个数据，否则统计为2个数据。

2.3 GPS电文正确性计算方法

1)星历数据正确性：指从电文数据中解算的星历数据，每组星历数据各元素是否符合物理特性要求。表达星历数据正确性的指标包括星历数据正确总数、星历数据错误总数。星历正确性判断方法包括：卫星高度理论值为20 200 km，偏心率在0到0.1之间，轨道倾角理论值为55°等。

2)历书数据正确性：指从电文数据中解算的历书数据，每组历书数据各元素是否符合物理特性要求。表达历书数据正确性的指标包括历书数据正确总数、历书数据错误总数。历书正确性判断方法与星历正确性判断方法相同。

3)UTC数据正确性：指从电文数据中解算的UTC数据，每组UTC数据各元素是否符合物理特性要求。表达UTC数据正确性的指标包括UTC数据正确总数、UTC数据错误总数。

2.4 GPS电文时效性计算方法

通过电文及时性、电文有效性、星历有效性以及历书有效性描述电文时效性，具体如下：

1)电文及时性：指统计时间内，接收机解调电文的及时程度。表达电文及时性指标包括电文识别数、电文识别率，计算方法为：

电文识别率=电文识别数/理论电文数

2)电文有效性：指接收到的电文串，数据合法的程度。表达电文及时性指标包括电文校验数、电文有效率，计算方法为：

电文有效率=电文校验数/电文识别数

3)星历有效性：指通过正确性检查的星历数据，其历元时刻是否满足要求，GPS星历数据在当前时的2小时前后有效。特性指标为星历超时数。

4)历书有效性：指通过正确性检查的历书数据，其历元时刻是否满足要求，GPS历书数据在当前时的6天前后有效。特性指标为历书超时数。

3 GPS电文质量算例分析

3.1 GPS电文完整性算例

采用某次实测数据，得到GPS电文的完整性如表1所示。其中，3号、6号、16号、27号、31号卫星等5颗卫星数据完整，因为其星历遗漏数、帧遗漏数、超帧遗漏数均为0，跟踪过程中解算出了全部的星历数据；其余5颗卫星按照帧遗漏数从小到大排序依次为23号、21号、14号、19号以及22号卫星，因此22号卫星的完整性最差。图2、图3分别绘制了22号卫星、3号卫星的子帧接收情况，图中可以看出22号卫星子帧不连续，而3号卫星子帧连续。

表1 GPS电文完整性评估算例

3.2 GPS电文一致性算例

采用某次实测数据，得到GPS电文的一致性，如表2所示，表中仅包含正常跟踪到的卫星。表中“是否一致”的值共3种，1表示一致，0表示不一致，-1表示未获取到有效数据。正常接收的10颗卫星中：

1)星历数据一致性方面，除21号卫星星历不一致外，其余卫星星历均一致；

2)历书数据一致性方面，除6号、14号、23号卫星历书一致外，其余卫星历书均不一致；

3)电离层数据一致性方面，21号卫星获取的电离层不一致，其余卫星电离层均一致；

表2 GPS电文一致性及正确性评估算例

图2 22号卫星子帧接收情况

图3 3号卫星子帧接收情况

4)UTC数据一致性方面，21号卫星获取的UTC不一致，其余卫星UTC均一致；

5)所有卫星获得的卫星健康数据、卫星配置码信息均一致。

下面分析历书数据不一致的原因，为此把获取到的所有卫星的历书一致性情况列在表3中，共17颗卫星历书不一致，14颗卫星历书一致(30号卫星故障，其历书未广播)。表4列出了不一致卫星历书的原码，这些历书原码分层值相差为1。可认为是地面不同测站在注入卫星参数时的计算误差导致。

表3 算例中GPS电文历书一致性表

表4 算例中GPS电文历书一致性的原码差值为1

3.3 GPS电文正确性算例

算例中的GPS电文正确性如表2所示，仅21号卫星星历数据有一个数据错误，其余数据均正确(包括历书数据、UTC数据)。数据错误原因在于按照星历数据处理算法，积累到1、2、3子帧数据时，认为可以获取到一组星历数据，当GPS系统在更新卫星星历时，第1、2、3子帧的数据可能不能完全匹配，此时应当判断数据龄期是否一致，当数据龄期一致时，该星历数据才合法，如表5所示。

表5 21号卫星错误星历来源

3.4 GPS电文时效性算例

在以下算例中，采用某次长弧段数据(近7个小时)，得到GPS电文时效性如表6所示，表中数据按照电文识别率由小到大排序。跟踪过程中共发现19颗卫星其中5颗卫星(11号、1号、4号、16号、32号)电文识别率小于50%，所有卫星未发现过期星历，但发现过期历书。

以17号卫星为例，其过期历书均来源于2号、5号、9号

表6 GPS电文时效性评估算例

卫星。2号卫星一直下传61440s的历书数据；5号卫星数据分两部分，在14649.94 s到17649.96 s一直下传61440 s的历书数据，在18399.96 s到24399.95 s一直下传147456 s的数据；9号卫星数据从2649.956 s到19149.98 s一直下传61440 s的历书数据，如表7所示。

表7 17号卫星过期历书来源

4 结束语

本文从导航电文的特性出发，采用质量树的方法，从电文完整性、电文一致性、电文正确性以及电文时效性等4个方面，建立了GPS电文质量模型，每个质量特性均建立了专属子特性，以及量化子特性的数据指标；研制了GPS电文质量评估软件，采用实测数据对模型和软件进行了验证，结果表明，该模型能够发现GPS电文的异常数据，如数据不完整、数据不一致、数据不正确、数据超时等，其结果可用于改进电文参数解算算法，提高电文参数解算软件的可靠性。

[1] Hu J, Rao A S, Zhang L ,et al. A GLONASS Navigation Data Verification Algorithm Under High Bit-error Rates[A].China Satellite Navigation Conference(CSNC)2015 Proceedings:Volume I[C].2015:553-562.

[2] 白 锋．徕卡. GNSS QC用于GNSS数据质量分析的研究[J]. 测绘通报，2010, (6):72-46.

[3] 余文坤，戴吾蛟，杨 哲．基于TEQC的GNSS数据质量分析及预处理软件的设计与实现[J]. 大地测量与地球动力学，2010,30(5):81-85.

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[6] 李天阳，侯跃鹏，汪文琳，等．一种通用的数据质量评估控制元数据模型[J]. 计算机与数字工程，2012, 40(9):146-150.

[7] 杨青云，赵培英，杨冬青，等．数据质量评估方法研究[J]. 计算机工程与应用，2004,9(4):3-4.

[8] 杨艳梅，王泽根．空间信息服务质量评价[J]. 测绘科学，2011,36(4):139-141.

Evaluation Method for Quality of GPS Message Based on Qulaity Tree

Rao Aishui, Li Yonggang, Li Xiangming, Wang Yi, Wang Zhengping, Hu Jian

(Satellite Maritime Tracking and Control Department of China, Jiangyin 214431, China)

It is the core function of navigation receiver to calculating message parameters in time and accurately from navigation message. The software quality of message parameters solved isn’t identical because design is different. Also, the results of parameters are under influence of message’s quality. According to the problem, the analysis method of quality tree is introduced based on traditional quality model of data, the quality tree model of evaluating the quality of navigation message is established. The model is described by four characteristics: integrity, consistency, correctness and timeliness. Each characteristic has more sub-characteristics, and a sub-characteristic is quantified by data indexes. Further more, the software is developed which is evaluating the quality of navigation message with GPS as example. The model and the software are verified by measured data from receiver of GPS. The results show that this software could discover the unusual data of GPS message, including the imperfection, inconsistency, incorrect and timeout of the data. The result can be used to improve message parameters solver algorithm, and increase the reliability of message parameters solver software.

integrity; consistency; correctness; timeliness; quality model

2016-01-19；

2016-05-10。

饶爱水(1979-)，男，江西临川人，双学士，工程师，主要从事卫星导航定位技术方向的研究。

1671-4598(2016)09-0284-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.080

P228.4

A