GPS控制段到用户支持社团的接口设计研究与启示

吴海玲，李作虎

（北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094）

GPS控制段到用户支持社团的接口设计研究与启示

吴海玲，李作虎

（北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094）

本文归纳分析了GPS系统技术状态、历史性能状态和实时性能状态这三种信息公开发布的措施，详细解读GPS控制段与用户及用户支持社团之间的数据接口文件，重点介绍GPS实时状态信息发布的措施与机制，归纳其特点，并提出了对北斗卫星导航系统发展的几点启示。

GPS；北斗；控制段；用户支持社团

1 GPS信息公开措施发展概述

早在1992年2月，美国海岸警卫队（USCG）和美国空间司令部（USSPACECOM）就共同签署了GPS状态信息发布协议备忘录[1～2]。自1993年GPS建成以来，美国政府主要从系统技术状态、历史性能状态和实时性能状态这三个方面公开发布GPS状态信息（涉及的所有文档都可以在GPS政府网站www. gps.gov或USCG的网站www.navcen.uscg.gov上免费下载）。

1.1 系统技术状态

主要通过GPS空间段与用户段的接口控制文件（ICD）来体现。自1997年10月20日正式公布第一个ICD文件（ICD-GPS-200C）以来，美国相继发布了ICD-GPS-200D（2004年11月23日）、ICD-GPS-200E（2010年6月8日）、ICD-GPS-200F（2011年9月21日）、IS-GPS-705（2003年11月24日）、ISGPS-800（2008年9月4日）等系列文件，并且这些文件根据相关的修订管理机制还在不断完善和更新。ICD文件的及时发布与不断更新，一方面，确保了GPS终端厂商可以及时推出具有新服务功能的GPS用户接收机；另一方面，通过良好的后向兼容机制，可以有效确保现存接收机的功能和性能[3～5]。

1.2 历史性能状态

主要通过GPS标准定位服务（SPS）或精密定位服务（PPS）性能规范系列文档、GPS民用监测性能说明（CMPS）等文件予以明确和更新。自1993年11月5日发布第一版SPS PS以来，GPS共发布4个版本的SPS PS和1个版本的PPS PS，以及2个版本的CMPS。通过这些文档，美国政府旨在向全球各行各业GPS用户表明，GPS不断发展与改进的服务性能，确保GPS用户获得的服务性能不低于这些文档规定的指标，帮助用户熟悉和了解GPS在各种运行模式下的性能表现，提升用户使用GPS的信心[6～10]。

1.3 实时性能状态

历书、运行通告（OA）、防电子欺骗状态（A-S Status）、GPS导航用户通告（NANUs）等文件的及时公布和更新，这些数据格式定义了控制段与用户以及用户支持机构或组织之间的接口。随着GPS现代化计划的持续推进，特别是GPS III空间段和地面段的研制建设，美政府发布了GPS控制段到用户支持单位的接口文档，该文档在形式上被划归到GPS ICD序列中。到目前为止，美政府先后发布了ICDGPS-240和ICD-GPS-870两个文件。其中，2004年10月1日发布了ICD-GPS-240初始版，2010年1月12日修订形成ICD-GPS-240A；2010年8月13日发布了GPS-ICD-870初始版，2011年6月15日修订完成GPS-ICD-870A，并于2011年11月1日批准发布。GPS-ICD-870是在ICD-GPS-240文件的基础上增加了两类数据格式形成的，主要对控制段与用户及用户支持机构或组织之间的数据接口进行了系统定义，在数据应用层面对数据的产生、发布及数据完好性验证等进行了说明[1～2]。

需要说明的是，这三种状态，系统技术和历史性能状态的文件发布较早，相关文件发展比较成熟，而实时性能状态文件近几年才出现，并且直到2011年才形成相对系统的文件ICD-GPS-870，本文将重点研究解析。

2 ICD-GPS-870文件概况

ICD-GPS-870全称GPS控制段到用户支持社团的接口（Navstar GPS Control Segment to User Support Community Interfaces），接口控制合同商（ICC）为美国SAIC（Science Applications International Corporation）公司。文件初始版本于2010年8月13日获得批准，2011年11月1日完成ICDGPS-870A版的更新与最终批准。

该接口文档针对GPS下一代运行控制系统（OCX），定义了GPS控制段到用户支持单位的接口文件，介绍了GPS控制段生成的描述系统实时性能状态的数据文件格式以及这些数据文件发布的途径和方法，该接口文件完成的关键里程碑节点是GPS OCX实现初始运行能力[2]。

3 ICD-GPS-870文件的批准和修订

根据GPS接口控制文档工作组（ICWG）的相关规定，SAIC公司负责文档的准备、批准、发布及维护。该接口文档须有以下单位联合会签后方可生效：隶属于美国空军太空司令部（AFSPC）的GPS空间与导弹中心董事会（GP SMC）和第五十飞行中队（50 SW），作为OCX合同商的雷神公司，隶属于美国国土安全部（DHS）的美国海岸警卫队（USCG）和导航中心（NAVCEN），隶属于交通运输部（DOT）的美联邦航空管理局（FAA）。

该接口文档的最初会签批准取决于反映相关问题的抗议信（Letters of Exception）的处理情况，这些抗议信可以由上述任何会签方准备，然后需要提交到ICC，以便包含在官方发布版中。即使该ICD已经获得批准，任何会签方都可以提出修改，但必须获得所有会签方的同意。ICC负责修改文本的准备、修改协调以及获得所有会签方的批准。一旦抗议信的所有问题得到解决，提出修改的会签方可以通知ICC对文本进行修改。当其中一个会签方提出的部分问题得到解决时，需要及时向ICC提供最新的抗议信。为此，ICC不需要对所有问题进行修改处理，仅需在下一个版本中删除过时的抗议信，如有必要，用新的抗议信进行替换。对于一份提议的接口修订通知（PIRN），ICC通常需要在接收之日起45天内完成审查，除非收到弃权声明书。

4 ICD-GPS-870文件内容

4.1 数据传递接口总体情况

根据ICD-GPS-870，GPS控制段向用户提供的文件包括历书、运行通告、防电子欺骗状态及GPS导航用户通告，这些信息适用于GPS原有信号和包括L1C、L2C和L5在内的新民用信号。控制段将把这些数据传送到运行在OCX之外的一台服务器上，从而实现对各类用户的传送与发布。控制段发布数据的主要手段是电子邮件、互联网和秘密互联网协议路由网络。该ICD定义的接口关系见图1，接口所涉及到的信息交换矩阵见表1。

图1 GPS控制段到GPS用户的数据接口关系

此外，该接口文件对GPS控制段的管理与运行以及GPS用户分别进行了明确。GPS控制段由美空军第50空间联队管理，具体由第二空间作战中队负责运行维护；GPS控制段的运行主要通过主控站（MCS）、备份主控站（AMCS）、监测站（MS）及地面天线（GA）来完成。对于该ICD而言，主控站负责为各类用户生成表1中的4种数据。由于AMCS在配置上与MCS一致，以便在MCS发生紧急故障时进行接管，所以图1中控制段包括MCS和AMCS。

表1 信息交换矩阵

GPS用户及用户支持单位包括：隶属于DHS的UCSG、隶属于DOT的FAA以及其他民用用户和各类军用用户。其中，NANU数据的民用用户单位除了USCG和FAA之外，还包括其他获得2 SOPS批准或授权的单位，这些用户是表1中信息的接收者和使用者。

4.2 数据接口定义

ICD-GPS-870在数据接口方面定义了GPS控制段到各类用户之间的功能需求和物理接口。GPS控制段将采用TCP/IP通信协议来实现这一接口，并且根据国防部IPv6相关标准，该接口也能够基于IPv6来实现。当前，该ICD所描述的控制段到用户支持单位之间的信息传递仅限于功能应用层面，文档并没有对互联网或SIPRNet的软硬件配置进行说明。

4.2.1 历书数据的产生

GPS历书数据由GPS控制段产生，目前有YUMA和SEM两种格式，每种格式都有2种数据文件，其中，YUMA格式有面向PRN 1～32的current.alm和面向PRN 1～63的current.blm；SEM格式有面向PRN 1～32的current.al3和面向PRN 1～63的current.bl3。YUMA格式的历书具有很强的可读性，而SEM通常作为其他软件工具的输入数据格式，此外，还包括一个当前的扩展信号健康状态（ESHS）格式历书（current.ale）。下面分别对SEM，YUMA，ESHS的格式进行简要说明。

（1）SEM格式历书分为2部分：文件头包括记录条数（卫星数）、文件名、GPS及TOA信息；文件体部分包括卫星PRN、SVN、平均URA，以及该卫星的7个轨道参数、2个星钟参数、1个卫星健康状态和1个卫星配置信息。参数的定义和精度取值都按照ISGPS-200的相关定义。

（2）YUMA格式历书中给出的参数与SEM历书中相同，但表达形式略有差异。YUMA历书中角度单位为弧度，而SEM历书中的单位为半弧，其他均相同。YUMA历书由于使用较为广泛，在此不再赘述。

（3）EHSE格式历书数据将为每颗卫星的每个现代化民用信号（L1C，L2C，L5）提供健康状态信息，现代化民用信号的具体情况见表2。

表2 现代化民用信号

健康状态信息按照IS-GPS-200的定义为准，L1，L2，L5的健康状态由CNAV导航电文第10类信息的52，53，54 bit来指示。当该bit为0时，表示信号健康；为1是则表示信号不健康或不能使用。

4.2.2 OA数据的产生

描述GPS星座状态的运行通告（OA）数据文件（current.oa1）由GPS控制段产生。OA数据包括目前星座中工作卫星的PRN号、轨道分配及星钟的使用情况，还包括目前和近期星座状态变化通告，如卫星在轨维护预告及其他卫星不能使用的通告。另外，还给出了军民用户需要获得关于星座状态帮助时的联系方式。

4.2.3 NANU数据产生

用来通知用户计划和非计划卫星停工和其他GPS问题的NANU数据（current.nnu）由控制段产生，NANU数据包括计划停工、非计划停工、一般及其他等四类信息。

（1）计划停工类NANU数据。主要预报在不久的将来计划发生的停工事件，该类事件的标示均以FCST（Forecast）开头，可能的计划停工及其标示和事件描述见表3。

表3 计划停工类NANU信息解析

（2）非计划停工NANU数据。用来描述正在发生的或已经发生的非计划停工，该类事件的标示均以UNU或UNUS（unusable）开头，可能的非计划停工及其标示和事件描述见表4。

表4 非计划停工类NANU信息解析

（3）一般类NANU数据。用来描述GPS用户值得关注的问题或事件，可能包括但不仅限于以下问题：性能下降而不能满足SPS性能规范产生的问题，不能通过其他NANU格式信息发布的空间段故障，以及卫星退出服务等事件。这种类型的NANU信息标示都以GENERAL为前缀，信息以文本段落格式来表达。

（4）其他类NANU数据。用来描述偶然发生的事件，其事件标示以及相关的事件描述见表5。

该ICD还对NANU的通知时限进行了说明。计划类NANU信息正常是在事件发生之前就向用户发布，而非计划类NANU信息正常是在事件发生之后立即向用户发布。然而，与导航任务相关的关键问题通常比用户通告更为重要，所以会导致正常的NANU获取受到延迟。NANU信息类别不同，其通知时限也会差异很大。4类NANU的正常和目标时限见表6。

表5 其他类NANU信息解析

表6 NANU的正常和目标通知时限说明

4.2.4 A-S状态数据的产生

A-S状态信息可以告诉用户每颗GPS卫星的防电子欺骗的开关状态。A-S状态信息有2类文件as.txt和as2.txt，都是简单的文本文件，采用2bit的PRN码和3bit的SVN号。2类文件的差异在于as.txt对应于PRN 1～32，而as2对应于PRN 1～63。对于as2.txt，PRN和SVN暂时为空时均用“补零”处理。

4.2.5 GPS主控站到军民用用户的接口

对于民用用户而言，GPS控制段上传NANU，OA，A-S状态及卫星历书文件，到2 SOPS互联网安全网站的星座状态网页（https://gps.afspc.af.mil/ gps）；对于军用用户，这些数据将上传到SIPRNet的相应网站上。需要说明的是，这些网站运行在相应的服务器上。NANU数据一旦产生就会上传至该网站；而OA，A-S状态及卫星历书文件通常是一天上传一次，全年从不间断。USCG，FAA及其他GPS军民用户，只要通过互联网能够登录到2 SOPS的网站，就可以采用超文本传输协议下载这些数据文件。但只有军用授权用户可以通过SIPRNet采用超文本传输协议下载所需数据文件。

4.3 GPS主控站数据到用户支持单位的数据完好性验证

对GPS状态信息数据的完好性验证没有要求的用户可直接使用，GPS控制段应该提供数据完好性验证功能，并且对于有需求的用户而言是可选的。为此，GPS控制段将根据国防部公共关键设施功能接口说明（3.0），采用国防部公开密钥基础设施（PKI）对所有的数据文件进行数字签名，数字签名将采用基于2048bit的密钥和SHA-256（Secure Hash Algorithm-256）的RSA（Rivest-Shamir-Adleman）公开密钥算法。GPS控制段支持国防部PKI算法、密钥长度、认证授权以及证书的模块增加或替换功能，并且证书结构只需很少或不需要进行代码改动。GPS控制段确保所有用户都可以获得关于数据完好性验证和数据源鉴定的非密认证，该认证对应于公开密钥。用户可以通过国防部3级公开密钥基础设施网站（http://dodpki.c3pki.chamb. disa.mil/）上提供的国防部PKI源证书进行证书链验证。

4.3.1 基于互联网的数据发布

鉴于该ICD涉及的所有数据都是非密的，GPS控制段将允许公众不需要进行身份认证就可以获得所有的信息及相关数字签名。发布的数据将一直保持数字签名，但仅对信息本身，而不是对传输协议。而且，用户很容易获得这些数据的数字签名，无需传输协议就可完成签名验证。

4.3.2 基于自动接口的数据发布

用户在首次通过自动接口申请获取GPS状态数据时，需要提供一些信息。对于那些没有以.mil结尾的电子邮件用户，可能需要到NAVCEN相关网站获得数据自动上传服务。注册申请一旦批准就不会再有其他审核要求，GPS控制段将自动发送用户申请的系统状态数据以及相应的数字签名。如果数据发送通过电子邮件，则数字签名针对数据本身，而不是电子邮件。因此，直接提取数字签名就可以验证邮件发送的数据。

5 结论与启示

5.1 结论

通过对ICD-GPS-870文件的解析，本文对GPS向各类军民用户实时发布状态信息机制进行了阐述。综上所述，GPS控制段到用户支持社团的接口文件的特点如下：

（1）首次系统地对GPS控制段与用户之间的接口以ICD的形式进行了约定，丰富了现有GNSS ICD体系。与传统的空间段与用户段的ICD不同，该接口首次对控制段到用户支持单位的接口关系进行了系统约定，这无疑是对GNSS ICD体系的创新。这说明，GNSS控制段与用户之间也可以有联系，而且这种联系完全可以使得用户得到的服务质量更好，性能更优。同时，这也为GNSS系统级性能的提升提供了另外一种思路，即通过加强控制段到用户之间的联系，可以提升服务层（位置域和授时域）的完好性、连续性、可用性以及防电子欺骗带来的安全性，这一新思路对于GNSS系统级性能的提升来说无疑是一种重要而又有价值的选择。

（2）涉及多个星座状态信息，描述了GPS系统不同的性能表现，满足了用户多样化的需求。在这些星座状态信息中，历书继承了已有的功能，为用户卫星轨道预报和信号快速捕获提供有力手段；同时历书还增加了面向未来新的民用信号健康状态信息的功能，为未来民用信号的使用提供更为可靠的完好性信息；OA和NANU为用户提供GPS运行维护预报和故障实时监测通报信息，确保GPS用户获得的导航、定位与授时服务具有更好的完好性、连续性和可用性；A-S状态信息为用户提供了更为可靠的安全性。

（3）采取多种数据格式予以发布，增加了由于扩展卫星PRN号带来的新数据格式，方便了用户使用。GPS系统自建成以来，无论是空间段还是用户段，都表现出了优良的后向兼容性能，在保护现有用户利益的基础上实现了系统的扩展和更新，这也是该接口采取多种数据格式的重要原因。多种数据格式有利于提高系统状态信息发布的针对性和有效性，特别是PRN扩展后的数据格式提前发布，极大地方便了用户的选择，并实现了向新技术、新信号的平稳过渡。

5.2 启示

当前，我国北斗卫星导航系统业已完成第二步发展规划，并且在2012年底，已经向亚太地区用户正式提供免费的无源定位、导航和授时服务[11]。在正式提供服务之后，系统性能的稳步提升、系统状态信息的逐步开放以及完善与用户相关的接口信息，都是北斗发展面临的重要课题。基于对本文GPS接口发展的思考，作者认为北斗需要加强以下几个方面工作。

（1）积极开展北斗系统数据接口研究，加快融入国际GNSS发展行列。融入国际GNSS行列是北斗发展的必然之路，北斗必须积极学习并加入GNSS既有的数据接口和标准规范，确保现有GNSS用户利益最大化。当前，GPS已经形成许多数据接口和标准规范，并得到了国际公认和全球用户使用，事实上已经成为GNSS标准的发展引领。另外，必须承认GPS/北斗将会成为未来几年中国以及亚太地区的重要应用模式。因此，一方面，北斗需要积极制定与GPS兼容的数据接口和标准规范，做好标准化和推广工作，为北斗大规模兼容应用推广做好准备；另一方面，北斗也需要根据用户需求，结合位置服务等产业的发展现状和趋势，加强北斗数据标准的研究与创新，全方位、多层次地为北斗位置服务产业的发展做好准备。总之，北斗的发展必须坚持确保现有GNSS用户使用北斗的改造成本最小化，获得的利益最大化。

（2）积极推动北斗系统状态信息开放，全面提升北斗系统的性能指标。目前，除了与区域系统开放信号相关的空间信号接口ICD文件以及性能规范文件已在北斗官网公布以外，类似于ICD-GPS-870文件的北斗相关文件与状态信息还没有完善透明的生成和开放体系。而毋庸置疑，卫星导航系统状态信息的开放，一方面有利于提升用户使用的信心，另一方面也可以通过预报和实时或准实时的通报，提高用户服务层面的完好性、连续性和可用性。特别在民航、海事等涉及生命安全的应用领域，这种信息必不可少。当前，北斗行业应用示范正在稳步推进，要抓住这个契机，结合民航、海事等国际性需求，积极推动北斗系统开放状态信息。同时，积极推动北斗相关部门就北斗系统状态信息的公布开展研究，做好准备，充分发挥状态信息在提升系统性能方面的作用，建立并提升用户对于北斗应用的信心。■

[1] Navstar GPS Control Segment to User Support Community Interfaces (GPS-ICD-870). http://www.gps.gov.

[2] Navstar GPS Control Segment to User Support Community Interfaces (GPS-ICD-870). http://www.gps.gov.

[3] Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces (GPS-ICD-200). http://www.gps.gov.

[4] Navstar GPS Space Segment/User Segment L5 Interfaces (GPS-ICD-705). http://www.gps.gov.

[5] Navstar GPS Space Segment/User Segment L1C Interfaces (GPS-ICD-800). http://www.gps.gov.

[6] Department of Transportation. GLOBAL POSITIONING SYSTEM (GPS) CIVIL MONITORING PERFORMANCE SPECIFICATION[R]. El Segundo, CA, 2009.

[7] ASSISTANT SECRETARY OF DEFENSE. GLOBAL POSITIONING SYSTEM STANDARD POSITIONING SERVICE SIGNAL SPECIFICATION[R]. Washington DC, 1993.11.

[8] U.S. Department of Defense. GLOBAL POSITIONING SYSTEM STANDARD POSITIONING SERVICE SIGNAL SPECIFICATION (2nd Edition)[R]. Washington, DC, 1995.

[9] U.S. Department of Defense. GLOBAL POSITIONING SYSTEM STANDARD POSITIONING SERVICE PERFORMANCE STANDARD (3th Edition)[R]. Washington, DC, 2001.

[10] U.S. Department of Defense. GLOBAL POSITIONING SYSTEM STANDARD POSITIONING SERVICE PERFORMANCE STANDARD (4th Edition)[R]. Washington, DC, 2008.

[11]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统发展报告（2.0）版. http://www.beidou.gov.cn

O3b亚太区容量需求不断扩大

帕劳电信（Palau Telecoms）在不到24个月内第五次增加了O3b网络的网络容量，自2015年1月O3b启用以来，其服务容量几乎翻了一番。互联网服务提供商（ISP）已经定期升级以满足用户需求，在2015年和2016年每年两次扩容，今年2017年已经一次扩容。帕劳电信公司位于帕劳岛，这是一个偏远的群岛，位于西太平洋菲律宾东南部300多个岛屿中。

O3b预期在亚太地区的需求将出现大幅增长。截止2016年底，该公司在亚太地区的合同总带宽量超过7.5Gb/s，使总的使用带宽同比增长约30%。根据O3b发布的一份声明，这种增长是O3b 3G LTE/4G移动和宽带互联网服务在该地区取得成功的直接结果。在地理位置偏僻和资金短缺的地区，架设地面网线不太现实，但同时又需要高质量的通信网络，这方面的需求增长也占据一定比例。

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.02.007

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1672-7274（2017）02-0029-06