唐 曙，易先清，于 凱

（國防科技大學五院信息系統(tǒng)工程重點實驗室，湖南 長沙410073）

0 引 言

導航電文是衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)中定位計算的重要基礎數據之一，導航電文編排的好壞直接關系到系統(tǒng)定位的準確性和定位計算的效率[1]，對整個定位系統(tǒng)的性能影響是很大的，GPS全球定位導航系統(tǒng)一直是國際上GNSS行業(yè)內的領跑者，那么其在電文設計上有什么獨到之處？并且隨著系統(tǒng)的更新升級，其在導航電文上的變化對于系統(tǒng)性能的提升主要表現在哪些方面？主要對導航電文NAV（Navigation）、現代化導航電文CNAV（Civil Navigation）、CNAV－2（Civil Navigation 2）3類導航電文的組成、特點以及性能進行了詳細分析，并對上述問題作了一些合理的解答。

1 電文的結構

首先從電文的組成、電文編排結構、電文播發(fā)方式、編碼設計這4個方面對GPS的3類電文作了一些簡要的介紹。

1.1 導航電文NAV

如圖1所示，在NAV電文結構中，由5個300 bit的子幀構成一個主幀，再由25個主幀構成一個超幀，總長為37500bit，導航衛(wèi)星廣播電文的速率為50bps（bit per second），采用按照子幀幀號和頁面號的順序的電文播發(fā)方式，全部的電文播發(fā)需12.5min。單顆衛(wèi)星以12.5min的周期向用戶廣播[2－4]，如圖1所 示；NAV 采 用 漢 明 碼 和 BCH 等線性編碼，糾錯能力有限，而且子幀每24位就有6位奇偶校檢碼，這種編碼很大程度上限制了電文內容的編排，靈活性很差[5－7]。

圖1 NAV結構圖

1.2 導航內文CNAV

如圖2所示，CNAV 由64（0～63）個數據塊組成，其中數據塊0為默認數據塊。其中只有14個數據塊定義了具體參數，剩余50個數據塊作為預留。每個數據塊長為300bit，總長為15000bit，導航衛(wèi)星在L2C頻點上播發(fā)速率為25bps，單顆衛(wèi)星12s播發(fā)完畢；L5頻點上播發(fā)速率為50bps，單顆衛(wèi)星6s播發(fā)完畢。采用在規(guī)定的最長播發(fā)間隔內或根據用戶需求隨機播發(fā)，預留塊不播發(fā)，需要廣播的電文總長為4200bit.具體參數分布請參見圖2[2－4]。CNAV進行了改變，采用卷積碼，CRC循環(huán)冗余校檢。性能優(yōu)于分組碼，但相對于LDPC碼，編碼增益有限、抗突發(fā)、抗截獲性能較差[5－7]。

圖2 CNAV結構圖

1.3 導航內文CNAV－2

如圖3、4所示，CNAV－2由3個子幀構成1個主幀，7個主幀構成1個超幀，子幀3的第7頁為預留。從圖上可知，子幀的長度各不相同，子幀1為9bit，子幀2為600bit，子幀3為274bit，電文總長為6181bit.CNAV－2采用的是多重差錯控制方式，子幀1、2采用CRC編碼，然后對各子幀、各頁面單獨進行LDPC編碼，最后將編碼后的子幀或頁面進行交織[2－4]。

圖3 CNAV－2示意圖

圖4 CNAV－2結構圖

主幀883bit電文編碼成1800字碼（symbol），播發(fā)速率為100sps（symbol per second），單顆主幀18s播發(fā)完畢，雖然采用幀的結構，但在播發(fā)方式上，與CNAV一樣采用在規(guī)定的最長播發(fā)間隔內或根據用戶需求隨機播發(fā)，預留幀都不播發(fā)。7幀中每一頁的子幀1、2作為重復冗余幀，子幀3不同頁碼對應的內容各不相同[5－7]。

2 電文的變化

在分析電文變化前，先對電文中一些主要的參數作個長度的比較，統(tǒng)計出來的數值是依據ICD接口文件為準。

從表1可以看出電文被劃分了5個部分，依照

表1 電文信息統(tǒng)計

順序分別對應著電文演變的5個方面：參數精度提高、電文參數新增、電文改進、電文刪減、電文編排變化。依照電文年代又分成傳統(tǒng)電文和現代化電文。而表中現代化電文CNAV和CNAV－2在前4個部分基本上沒有區(qū)別，主要是電文編排上的區(qū)別。而像衛(wèi)星時鐘參數、測距精度指示、UTC參數、信號延時修正等方面基本上變化不大，主要是在前一代電文的基礎上提高了些精度以及應對衛(wèi)星載波的變化作了的一些調整，因此，在表中以其他列出。接口文件中三類電文其總的長度從NAV的37500bit降低為6181bit，以下分析電文變化表現在哪些方面以及對系統(tǒng)性能的影響。

1）參數精度提高

星歷參數是對GPS衛(wèi)星軌道的精密擬合，是導航定位解算的基礎數據，從NAV的16參數星歷358bit演變成CNAV和CNAV－2的18參數星歷401bit，精度的提高也更精確地描述了衛(wèi)星的運行軌道。

2）電文參數新增

新增加的電文主要是GGTO（GPS／GNSS時間偏差）和地球定向參數，前者是GPS與其他GNSS系統(tǒng)時間偏差，目的就是實現與不同GNSS之間的兼容和互操作，是GPS實現互操作的表現之一；后者的作用是方便用戶實現地心地固坐標系與地心慣性坐標系之間的轉換，提高接收機的解算效率。

3）電文改進

改進的電文又可以從4個方面來體現，分別是歷書被分成中等精度歷書和簡化歷書；原來的導航信息修正表由差分修正取代；衛(wèi)星健康狀況由信號健康狀況取代；專用電文變成了文本信息。

①歷書

每顆衛(wèi)星除了廣播自己的星歷外，還在導航信息中以歷書的形式廣播星座中所有衛(wèi)星簡單的星歷。歷書是時鐘數據和星歷數據的子集，精度較低。歷書的目的主要是接收機近似地確定衛(wèi)星什么時候上升到水平面上，給出用戶的近似位置，這樣接收機可以確定信號的初捕，所以歷書參數不要求像星歷參數那樣精確而且歷書更新的頻率比星歷低。

在現代化GPS電文CNAV和CNAV－2中，歷書由兩部分構成，中等精度歷書和簡化歷書，其中中等精度歷書為包含2個星鐘修正參數在內的10參數127bit，簡化歷書由N個簡化歷書包組成，簡化歷書包由包含3個信號健康狀況在內的6參數構成。CNAV：31（單歷書包長度）×11（歷書包個數）＝341bit；CNAV－2：33＊6＝198bit.在傳統(tǒng)電文中，所有衛(wèi)星歷書都以中等精度歷書給出，而在現代化電文中除了本星歷書是中等精度歷書外，其余星全以簡化歷書給出，當然CNAV和CNAV－2的電文中簡化歷書從長度上看并未包含全部的衛(wèi)星。

圖5 導航衛(wèi)星星座投影圖

圖5是2004年7月在軌衛(wèi)星的投影圖，其中有灰色陰影點12為GPS blockⅡR衛(wèi)星，黑色點為以前批號的衛(wèi)星，而ICD文件發(fā)布日期為2004年11月7號，而CNAV中算上本星中等精度歷書一共有12個歷書數據組，也就是說GPS blockⅡR衛(wèi)星播發(fā)電文中歷書數與在軌衛(wèi)星數是相符的，不過卻存在如下的問題：就是不同批號間衛(wèi)星采用的電文類型不一樣，那么用戶在收集歷書數據時，無法從一顆衛(wèi)星上收集全網衛(wèi)星的歷書。至于CNAV－2中為什么只有7顆衛(wèi)星歷書數據組，可能和GPS新一代衛(wèi)星發(fā)射計劃有關。

如果以30顆衛(wèi)星來計算，星歷就節(jié)省了2726 bit電文長度，因為簡化歷書比中等精度歷書的播發(fā)周期短，所以削減電文中歷書總長度可以縮短啟動狀態(tài)或其它特殊場景用戶對歷書數據的收集時間，更好的滿足不同用戶的需求[9]。

②差分修正

在有的論文中，把差分修正作為現代化GPS新增電文來分析，其實在NAV中就有關于對于星歷與時鐘的估計誤差修正——NMCT，導航信息修正表。包含有30個6bit的估算范圍誤差。直接用來修正用戶的偽距測量值，而差分修正則把修正量分散到各個參數中，對于每顆衛(wèi)星，估算范圍偏差是對偽距的估計誤差修正，它們由控制段計算用于對星歷和時鐘誤差的修正，可以說是差分修正的前身。

而差分修正雖然長度增加了，由原來的NMCT的6（單顆衛(wèi)星修正參數長度）×30（衛(wèi)星個數）＝180bit演變成了CNAV和CNAV－2的514 bit和126bit，但是在精度上更加符合系統(tǒng)對修正精度的要求。

差分修正也由兩部分組成，時鐘差分（CDC）和星歷差分（EDC），單個參數包長度分別為4參數34bit和8參數92bit.主要目的就是使用戶獲得更高的時鐘和星歷精度，進一步提高導航精度。

表2分別是CNAV和CNAV－2中差分修正包個數，這些參數主要的目的就是使用戶獲得更高的時鐘和星歷精度，進一步提高導航的精度。

表2 差分修正參數包

③信號健康狀況

信號的健康狀況由衛(wèi)星的健康狀況演變而來，長度也由462bit演變?yōu)椴坏?0bit.傳統(tǒng)電文中包含了總共32顆衛(wèi)星的健康狀況，削減到了現在的只包含本星的信號健康狀況。也達到了精簡不必要電文的目的，提高信號廣播效率。

④文本信息

文本信息也同樣被當成現代化GPS電文的新增電文，其實在NAV中就已經有了專用電文，其作用和文本信息一樣，存儲控制指令和ASCⅡ參數。

4）電文刪減

刪減的電文包括防電子對抗特征符、衛(wèi)星型號、選擇可用性。在NAV電文中，每顆衛(wèi)星的選擇可用性與衛(wèi)星型號參數為4bit，關于選擇可用性，是GPS提高民用導航精度，實現商業(yè)化的結果。而衛(wèi)星型號這類不隨時間變化的固定的數據完全可以存儲在用戶接收機中，只要從電文中獲取衛(wèi)星的PRN編號，則可以找到對應的信息。不僅僅局限于上述參數，如果必要的話，甚至其他固定的數值參數也可以存儲在接受機中，這對與電文的精簡，提高電文播發(fā)效率。

5）電文編排變化

從表1中，其實可以看出影響電文長度變化的參數除了歷書外，主要就是在第5部分中的一些參數量，比如預留位，重復冗余位和校檢位。

①預留位

電文預留是為以后系統(tǒng)升級更新，或增加系統(tǒng)服務留作備用的空白位，是系統(tǒng)可擴展性能力的體現。在3類電文中，預留的形式有兩種，一種是與正式電文內容在同一幀或數據塊，另一種是專門留出獨立的幀或數據塊，下面具體的論述3類電文在預留位上的區(qū)別。表1中各電文的預留位分別為2366bit、15000bit和236bit、CNAV 多達50個300位預留部分，極大提高了系統(tǒng)編排電文的靈活性，致使該系統(tǒng)的功能擴展和兼容性很強。

②重復冗余位

重復冗余位的目的就是使得一些基本導航信息（如星歷、星鐘）能以最快的速度被用戶接收，在GPS導航電文中，NAV和CNAV－2都采用重復冗余幀的形式，CNAV雖然沒有重復幀的設計，但是可以縮短基本導航信息所在數據塊的播發(fā)最短間隔，但是卻增加了其他導航信息的播發(fā)間隔，具體分析如下：

需要注意的是這里在分析時只考慮單顆衛(wèi)星的播發(fā)，不考慮頻間或星間的交叉播發(fā)。從表3中可以看出電文編排上的演變，在NAV中采用重復冗余幀的編排，但是卻是順序播發(fā)整個超幀的數據，使得其他導航信息的播發(fā)間隔全是12.5min；CNAV采用的隨機播發(fā)數據塊的方式，可以使得除基本導航信息以外，其他重要的數據的播發(fā)間隔縮短。CNAV－2卻完美的結合以上兩者的優(yōu)點，隨機播發(fā)各主幀，又因為是采用重復冗余幀的編排結構，在使得基本導航信息播發(fā)間隔最短的前提下，又提高了其他導航信息的播發(fā)間隔；還有兩點值得注意，在重復幀的設計上，CNAV－2與NAV并不完全相同：1）CNAV－2精簡了重復幀的長度，使得重復幀的參數編排更合理緊湊。星歷加上星鐘參數總長并未超過600bit，但是NAV卻占用了3個子幀900bit，可能是出了為基本導航參數作預留來考慮，但重復幀的播發(fā)卻整整多了7500bit的播發(fā)量；2）CNAV－2在完全編排全部導航信息的前提下使得主幀數量更合理，在不考慮備用的前提下，從NAV的25幀、CNAV的14數據塊削減到了7幀。主幀或數據塊的數量直接影響了重復冗余幀的長度和參數的最短播發(fā)間隔。

相比CNAV，CNAV－2最長的播發(fā)間隔從120 min縮短到了216s.也就是說最理想的情況下，單顆衛(wèi)星在216s內能向地面完整的播發(fā)一遍全部導航信息，這對導航定位性能提升是可觀的。眾所周知，導航數據的更新周期越短，其導航精度越高，而這種高效的播發(fā)效率是通過縮短導航數據更新周期來提高定位精度的有力保障。

可以說重復冗余幀加上隨機播發(fā)各主幀的設計是提高導航定位時效性和保證定位精度的措施之一，除了上述原因外還有：1）基本導航信息的播發(fā)最短間隔決定了用戶接收機的首次定位時間的長短，首次定位時間是系統(tǒng)定位性能的體現。NAV、CNAV L2CM、CNAV L5和 CNAV－2的首次定位時間平均值分別為33s、51s、30s和18s.2）基本導航信息是影響定位精度最重要的數據，重復幀的設計可以使得更新后的重要參數第一時間被用戶接受，保證高效的定位精度[8－9]。

表3 單顆衛(wèi)星電文播發(fā)間隔

③校檢位

NAV預留的部分被分割成24位長度的獨立小塊，后面包含6位奇偶校檢碼，剛好構成一個30位長度的字，它極大限制了電文編排的靈活度，如圖6，NAV電文中參數的長度限制在24位以內，使得有些連續(xù)的信息變得不連續(xù)，例如一個參數被分配到兩個字碼中，甚至為了保證參數的完整性，在編排的時候極大限制了編排的靈活度。而CNAV、CNAV－2則不存在這樣的問題。CNAV和CNAV－2在形式上完全相同并且都采用采用了CRC循環(huán)冗余校檢，預留部分未被分割，保持了相對完整性，如圖6所示，圖中＊＊＊、RESERVED為預留部分，P為奇偶校檢碼。

圖6 電文預留示意

3 電文的播發(fā)

關于電文的播發(fā)方式，除了以上單顆衛(wèi)星的播發(fā)方式，還有一種星間和頻間的電文組合播發(fā)方式。通常，導航電文在每顆衛(wèi)星、每個頻點上的播發(fā)是基于相同時間起點同步進行的，即在不考慮接收端處理順序和處理時延的前提下，相同時間用戶收到的來自不同衛(wèi)星或不同頻點的導航電文類型是一致的，當數據內容相同時（如歷書數據）必將存在冗余[9]。如果能夠使得不同衛(wèi)星、不同頻點在不同時刻內播發(fā)不同的數據，這樣就能大大提高導航電文的時效性，在接收機啟動狀態(tài)下的快速衛(wèi)星預報和信號捕獲、減少首次定位時間等方面有重要意義[10－11]。

4 結 論

1）GPS電文的演變首先體現在電文參數的變化上，精度提高上，增加參數個數和參數的長度；

2）增加GPS與其他GNSS的時間偏移量，進一步提高系統(tǒng)的兼容性與互操作性，增加地球定向參數，提高用戶解算效率。

3）精簡電文，把某些常年數值固定不變的參數或默認值，直接存貯在接收機內；在保證導航精度前提下減少電文的長度，例如簡化歷書，就削減了電文的整體長度。

4）優(yōu)化電文則是把專用電文、導航信息修正表、衛(wèi)星健康狀況分別由文本信息、差分修正參數所取代、信號健康狀況，不僅精練了電文長度，且更加滿足系統(tǒng)的需要。

5）結合了NAV的重復冗余幀編排結構和CNAV的隨機播發(fā)各主幀或數據塊方式，使得重復幀縮短導航信息播發(fā)間隔的效能最大化，降低了用戶首次定位時間和全部導航數據接收時間。

6）采用偽隨機下行播發(fā)方式，使得各導航信息最短播發(fā)間隔更合理。但是ICD文件中并未提到衛(wèi)星組合播發(fā)方式，而GLONASS和GALILEO則提到了采用星間、頻間組合播發(fā)各子幀的方式，這種組合播發(fā)方式能使某一時間段某接收機可接收的不同衛(wèi)星播發(fā)不同的內容，這樣就能最大限度減少接收機獲取全部導航數據所需的時間。

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