多模多频卫星导航接收机数据处理技术研究

陈 亮，孟海涛，展 昕，赵 胜

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.西安卫星测控中心，陕西 西安 710043；4.中国船舶重工集团公司第七二二研究所，湖北 武汉 430205)

0 引言

卫星导航接收机数据处理技术主要实现对导航接收机上报的观测信息、导航电文、相关峰信息和实时频谱等信息的数据处理，并将各种信息按标准格式进行存储和实时输出[1]。在卫星导航系统不断升级的背景下，在针对原有数据处理技术的基础上，提出了包括业务处理全面化[2]、数据输出自动化及远程加载快速化等新需求[3]。

目前国内外关于导航接收机数据处理技术已经有了较为深入的研究，国内许多公司都已研发出自主知识产权的多模多频卫星导航接收机，并且在导航接收机数据处理技术基础上研发的软件实现了工程应用[4]。国外导航公司也推出了针对目前多系统多频点的导航接收机[5]。但是针对导航接收机数据处理技术的新需求应用设计还没有任何公开资料。本文通过自主研发的导航接收机数据处理软件，重点针对多模多频导航定位技术、数据输出技术和远程加载技术等重点进行深入研究，为导航接收机数据处理技术发展提供技术支持。

1 概述

中国第三代北斗卫星导航系统BDS于2018年12月正式提供服务[6]；美国全球定位系统GPS的第三代导航卫星GPSⅢ卫星于2018年12月底完成发射，逐步实现GPS卫星导航系统的现代化；俄罗斯GLONASS系统和欧盟Galileo系统已完成全球布局并提供正式服务[7]。随着各导航系统的不断升级完善，导航接收机需要具备卫星导航系统的多体制导航信号兼容和自动运行维护的能力[8]。

导航接收机数据处理技术针对目前导航接收机的更新换代提出了更全面化的需求。

业务处理全面化：具备处理全部导航信号的能力。实现四大导航系统的数据接收、数据分析和定位授时等各类业务数据的综合处理[9]。

数据输出自动化：目前导航系统输出的信息具有数量大、种类多和实时性要求高等特点[10]。接收机作为导航信息的采集终端需要准确可靠地采集全部信息并将信息按标准格式进行输出[11]。

远程加载快速化：卫星导航接收机面向系统增量、体制变更或协议变更需求[12]，必须具备可通过远程或本地在线加载方式进行程序升级，缩短硬件维护的时间，提高设备的可维护性和使用效率。

2 多模多频导航定位技术

多模多频导航定位技术需要分别对BDS，GPS，GLONASS，Galileo每个导航系统的所有频点进行观测量获取、导航电文解析、定位解算、授时处理及时间管理，并完成定位结果输出和钟面校时等功能[13]。其中，BDS系统需要处理频点包括B1I，B2I，B3I，B1C，B2a，B2b等频点。GPS系统需要处理频点包括L1C/A，L1C，L2，L5等频点；GLONASS系统需要处理频点包括G1CA，G2CA，G3OC等频点；Galileo系统需要处理包括E1，E5a，E5b等频点[14]。在处理这些频点过程中有些处理步骤是通用的，但是又不能对处理过程进行过份耦合，否则会导致异常处理。通过对全部频点进行分析，多模多频定位技术处理差异主要体现在导航电文类别及电离层模型方面。其中，导航电文类别主要包括BDS系统的D1，D2，CNAV1，CNAV2；GPS系统包括NAV，CNAV，CNAV-2；GLONASS系统的电文为超帧导航电文格式[15]；Galileo系统的F/NAV和I/NAV等多种导航电文。电离层模型主要包括8参数模型和9参数模型。

针对多模多频导航定位处理差异的特点，本文采用一种“高内聚、低耦合”定位处理流程，所有可通用处理方法不进行系统区分，各步骤处理独立无耦合。具体步骤如下：

① 接收各频点导航电文，通过电文类别分别解析出导航电文参数和电离层参数等信息。其中GLONASS直接解析出卫星位置和卫星速度等信息。处理内容包括4个系统的所有频点。

② 利用观测时间和解析出的导航电文参数计算导航卫星位置，再利用卫星位置和接收机粗略坐标计算卫星的方位角和俯仰角等信息。处理内容包括BDS，GPS和Galileo的所有频点。

③ 利用卫星信息计算电离层延迟改正值、对流层延迟改正、相对论延迟改正和卫星钟差改正等误差项，并将全部改正相加得到该卫星该频点的伪距误差改正值。

④ 重复步骤②和步骤③，计算全部卫星的卫星信息和伪距误差改正值。

⑤ 将全部卫星位置、伪距误差改正值和卫星观测进行最小二乘处理，得到接收机的位置速度和钟差，并计算DOP值。

多模多频导航定位处理流程如图1所示。

图1 多模多频导航定位处理流程Fig.1 Multi-mode and multi-frequency navigation positioning processing flow

3 数据输出技术

目前，导航系统接收机具有观测导航系统数目多和信号体制多、处理通道多等特点[16]，根据目前需求，BDS系统需具备20颗(包含北斗二号和BDS)以上卫星跟踪能力；10颗以上GPS系统卫星、GLONASS系统卫星和Galileo系统卫星同时处理能力。 导航接收机输出的信息较以前接收机数据量有很大增长。

3.1 数据输出技术研究方法

数据输出采用文件输出和实时数据输出2种方式，文件输出采用RINEX格式。实时数据输出可采用NMEA，RTCM等格式。但是在目前所定义的NMEA，RTCM格式中，输出的观测量信息长度随着观测频点的增加而增长，导致观测信息数据协议包较长。为缩短观测数据包，保证数据传输可靠性，本文设计了一种伪距增量的方式进行数据传输，具体步骤如下：

① 根据接收机输出的观测信息，获取当前历元的观测卫星数、观测卫星编号、每颗卫星的观测频点和各频点的伪距观测量。

② 计算单颗卫星全部频点伪距平均值：

(1)

式中，n为卫星的观测频点数。

③ 计算每颗卫星每个频点的伪距增量：

(2)

④ 重复步骤②和步骤③，完成全部卫星的伪距均值和伪距增量的计算。

⑤ 将计算好的伪距平均值和伪距增量按协议进行打包。卫星观测信息协议格式如图2所示。

图2 观测信息协议格式Fig.2 Protocol format of observation data

3.2 实验结果与分析

为验证上述方法的正确性，以北斗三号系统为例。目前北斗三号系统在中国范围内实时可见卫星数超过15颗，按每颗卫星输出B1I，B2I，B3I，B1C，B2a，B2b等6个频点计算，1 s总共需要输出15×6=90个伪距观测值，RTCM格式也采用增量进行输出，其伪距基本量长度定义为24 bit，伪距增量定义长度为14 bit，总共需要传输的长度为24+14×89=1 270 bit。伪距增量格式将伪距均值定义长度24 bit，伪距增量一般在300 m以内，可采用1 bit符号位，9 bit数据位，只需定义为10 bit即满足要求，故需要传输的长度为24+10×89=914 bit，较RTCM格式减少了356 bit，大大提高了传输效率。

4 远程加载技术

为了缩短硬件维护时间，提高导航接收机的可维护性和使用效率[17]，需要具备可在线升级导航接收机中FPGA，DSP程序的能力。导航接收机通过与升级软件之间信息交互即可实现接收机内部嵌入式程序的在线加载。远程加载系统功能框图如图3所示。

图3 远程加载系统功能框图Fig.3 Remote loading system function diagram

升级软件通过与导航接收机信号采集传输主板实现以太网通信，信号采集传输主板通过加载总线将加载信息传输至FPGA，DSP，实现 FPGA，DSP程序的加载[18]。一般远程加载流程如下：选择待升级的程序文件；将程序文件读入到升级软件内存中[19]；如果确定升级，则将程序文件通过软件发送给硬件，随即升级嵌入式FPGA，DSP程序。如果取消升级，则清除内存并退出。

4.1 远程加载技术研究方法

针对多模多频导航接收机含有多FPGA和多DSP芯片，本文设计了一种利用CRC校验方式进行加载技术，具体步骤如下：

① 升级软件发送命令字为0x0a的数据包到信号采集传输主板，告诉信号采集传输主板需要加载的文件个数。信号采集传输主板发送命令字为0x08的数据包到升级软件，告诉升级软件CRC校验状态。

② 若CRC校验成功，升级软件发送命令字为0x05的数据包到信号采集传输主板，告诉信号采集传输主板将要发送的文件长度以及该文件的CRC。信号采集传输主板发送命令字为0x08的数据包到升级软件，告诉升级软件CRC校验状态。

③ 若CRC校验成功，升级软件发送命令字为0x01的数据包到信号采集传输主板，告诉信号采集传输主板发送文件数据。信号采集传输主板发送命令字为0x08的数据包到升级软件，告诉升级软件CRC校验状态。

④ 信号采集传输主板判断已经接收的数据长度与步骤②所收到的数据进行比较，若长度不同返回步骤③执行。

⑤ 若长度相同，信号采集传输主板发送命令字为0x07的数据包到升级软件，告诉升级软件整个文件的CRC校验状态。

⑥ 若CRC校验成功，则判断下发的文件个数是否足够，若不够，返回步骤②执行。

⑦ 信号采集传输主板向FPGA或DSP下载每个文件成功时，发送命令字为0xc的包给升级软件，告诉升级软件某个文件固化成功。

远程加载技术流程如图4所示。

图4 远程加载处理流程Fig.4 Remote loading process

4.2 实验结果与分析

在北京与成都搭建测试环境，接收机部署在成都某站，升级软件部署在北京某地，接收机与软件通过专属互联网相连，升级软件如图5所示。

图5 升级软件Fig.5 Software upgrade

升级文件总共6个，每个升级文件大小为600 MB。在网络正常环境中测试，完成升级用时12 min。

网络异常环境测试，通过插拔网线模拟网络断开进行升级测试，当网络断开后升级停止，等待网络连接成功后，升级继续进行，没有受到网络断开影响。通过基于CRC校验方式进行远程加载有效减少了误码率的影响，具备加载速度快、成功率高等优点。

5 结束语

针对多模多频卫星导航接收机数据处理技术进行深入研究，重点分析了多模多频导航定位技术、数据输出技术和远程加载技术。针对各项技术提供了解决思路和实现方案，并给出了具体各项技术的实现步骤，利用相关技术自主研发了相应的卫星导航接收机数据处理软件并应用于工程实践，取得了较好的经济效益和社会效益。随着卫星导航系统的不断完善，卫星导航接收机数据处理新技术受到广泛关注，本文提出的各种方法为技术实现提供了指导意义。