國防科技大學五院信息系統(tǒng)工程重點實驗室 李健杰 羅雪山 唐曙 于凱

國防科技大學電子科學與工程學院衛(wèi)星導航研發(fā)中心 徐成濤

一、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(shù)據(jù)之一，其編排的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)定位的準確性和定位計算的效率，對整個定位系統(tǒng)的性能影響是很大的。我國可以充分借鑒國外先進衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展思路與經(jīng)驗，揚長避短，并結(jié)合我國的導航系統(tǒng)建設的特點來設計Compass系統(tǒng)導航電文以滿足系統(tǒng)對性能的要求。本文結(jié)合Galileo以及GLONASS電文，主要對GPS過去、現(xiàn)在和將來使用三類導航電文的特點與性能進行了詳細分析。

二、電文的結(jié)構(gòu)

1. 電文內(nèi)容及編排結(jié)構(gòu)

本節(jié)首先從電文的結(jié)構(gòu)來分析GPS的NAV（Navigation），CNAV（Civil Navigation），CNAV-2（Civil Navigation-2）三套電文，主要介紹電文具體內(nèi)容和編排結(jié)構(gòu)。電文的內(nèi)容包括星鐘修正、星歷、電離層模型參數(shù)、歷書、衛(wèi)星狀態(tài)信息等等；編排結(jié)構(gòu)上NAV采用的是子幀、幀、超幀的固定格式，雖然幀的結(jié)構(gòu)利于用戶解算，但是靈活性和效率上存在不足；CNAV采用數(shù)據(jù)塊形式解決了NAV電文上述的不足；CNAV-2綜合上述兩種電文的優(yōu)點，更大程度上提升了整個衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的時效性。

（1）NAV

NAV由25幀構(gòu)成一個超幀，5個子幀構(gòu)成一個幀，導航衛(wèi)星以每秒50位的速率發(fā)送導航信息。每位信息的周期是20ms。電文按幀傳送（如圖1），每幀電文包含1500個位，周期為30s。每幀又分為5個300位的子幀，每個子幀的周期是6s，包含10個30位的字。每幀的第1，2，3子幀內(nèi)容都是重復的，子幀4，5包含信息有所不同。因為其播發(fā)方式是按照幀號順序的播發(fā)，需要25幀（12.5分鐘）才能傳輸完所有的導航信息。

（2）CNAV

整個電文由64（0～63）個數(shù)據(jù)塊組成（如圖2），其中數(shù)據(jù)塊0為默認數(shù)據(jù)塊。除了10，11，30，31，32，33，34，35，36，37，12，13，14，15有具體內(nèi)容外，剩下的數(shù)據(jù)塊全部留作備用，其中預留的數(shù)據(jù)塊不播發(fā)，只是為了以后功能擴展備用。導航電文以12秒的周期隨機地向地面播發(fā)各數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊長300位且包含24位的循環(huán)冗余校檢碼。

（3）CNAV-2

該導航電文被調(diào)制在L1CD頻點上（如圖3），電文由三個子幀構(gòu)成1個幀，7個幀構(gòu)成1個超幀。子幀1為9位，子幀2包含24位CRC總共600位，子幀3包含24位CRC總共274位。7幀按隨機方式任意播發(fā)各幀信息提供給GPS接收機，其中第7幀為預留幀，為以后的功能的擴展作預備。一幀983位長的電文被編碼成了1800個字碼長并以每幀周期為18秒的速率播發(fā)。7幀中每一頁的子幀1和子幀2內(nèi)容都是一樣的，子幀3不同頁碼對應的內(nèi)容各不相同。

2. 電文內(nèi)容的變化

在對CNAV和CNAV-2電文的對比中，我們發(fā)現(xiàn)兩者在具體的電文內(nèi)容上幾乎一模一樣，只是在具體內(nèi)容編排的格式和參數(shù)精度上有所區(qū)別，因此在內(nèi)容的變化方面本文僅對NAV和CNAV作對比和分析。首先，值得注意的是電文的總長度（包括預留部分）是不斷減少的，NAV，CNAV和CNAV-2總電文長度分別為37500位、19200位和6181位，其中CNAV-2因為GPSⅢ還處于研究階段，其預留的部分只占到一幀，明顯不符合實際的要求，但是總的趨勢肯定是電文的長度在不斷的削減，內(nèi)容是在不斷精簡的。

在內(nèi)容方面CNAV，CNAV-2相對NAV既有減少，有增加，也有修改的部分。減少的部分有衛(wèi)星健康狀態(tài)、專用電文、衛(wèi)星型號、防電子對抗特征、導航信息修正表；修改的部分有歷書；增加的部分有差分修正參數(shù)、文本信息、地球定向參數(shù)、GGTO修正參數(shù)。

其實衛(wèi)星健康狀態(tài)、專用電文、衛(wèi)星型號、防電子對抗特征、導航信息修正等等信息并沒有真正的在電文中消失，只是存在的形式發(fā)生了改變。

（1）首先衛(wèi)星的健康狀態(tài)被信號健康度所取代了，至于專用電文、導航信息修正表則分別被文本信息、差分修正參數(shù)所取代，且內(nèi)容更加簡潔精練。

（2）像衛(wèi)星型號、防電子對抗特征等等內(nèi)容是不隨時間變化的，只要知道相應衛(wèi)星的ID，那么這些固定不變的信息完全可以存儲在GPS接收機里，然后根據(jù)衛(wèi)星的ID就能從接收機中找到相應參數(shù)。甚至接下來將提到的簡化歷書也存在這種情況，因為它對精度的要求不是很高，很多參數(shù)可以采用相對固定的默認值，例如星歷參數(shù)中的離心率等，只需要衛(wèi)星向下播發(fā)隨時間改變參數(shù)就行了。

（3）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(shù)據(jù)和星歷數(shù)據(jù)的子集，精度較低。歷書的目的主要是可以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。因此歷書參數(shù)不要求像星歷參數(shù)那樣精確，而且歷書更新的頻率比星歷低。

NAV中每顆衛(wèi)星的歷書都以表1中的中等精度歷書形式給出，而CNAV和CNAV-2中把歷書分成了中等精度歷書（Midi Almanac）和簡化歷書（Reduced Almanac）兩種，具體的內(nèi)容見表1。與NAV不同的是，CNAV和CNAV-2的中等精度歷書精度有所下降，且只有一組本星的歷書數(shù)據(jù)；而簡化歷書包含星座中其他所有衛(wèi)星。中等精度歷書的長度大概為127位，簡化歷書為33位，以30顆衛(wèi)星為準的話，在歷書這塊就減少了2726位的電文。

表1 中等精度歷書與簡化歷書包

簡化歷書比中等精度歷書的播發(fā)周期更短，這樣可以縮短啟動狀態(tài)或其他特殊場景用戶對歷書數(shù)據(jù)的收集時間，更好地滿足不同用戶的需求。

（4）差分修正參數(shù)。前面我們提到差分修正參數(shù)取代了NAV中導航信息修正表，這里順便說下，NMCT即導航信息修正表是用來修正導航信息的，而差分修正參數(shù)取代的前者，并且在精度和長度上更趨向合理。差分修正參數(shù)分為兩部分，CDC時鐘差分修正和EDC星歷差分修正，具體的參數(shù)見表2。這些參數(shù)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(shù)

（5）文本信息。關(guān)于文本信息則和NAV中的專用電文一樣，其存儲的信息是控制指令和ASCⅡ參數(shù)。

（6）地球定向參數(shù)。在介紹EOP即地球定向參數(shù)前，先介紹一些GPS中采用的三種坐標系，它們分別為地心慣性坐標系、地心地固坐標系和站心坐標系。而EOP包含的一些參數(shù)就是方便用戶實現(xiàn)地心地固坐標系和地心慣性坐標系之間的轉(zhuǎn)換。

（7）GGTO修正參數(shù)。GGTO的全稱是GPS/GNSS時間偏移，它主要是GPS與其他GNSS（如Galileo和GLONASS）的系統(tǒng)時間偏差，目的就是實現(xiàn)不同GNSS之間的兼容和互操作，提高系統(tǒng)的服務能力。這是GNSS現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢，在CNAV導航電文中得到了體現(xiàn)。

（8）電文預留。在三種不同電文中，預留的形式有兩種，一種是在正式電文內(nèi)容的后面，校檢碼的前面；另一種是專門留出獨立的幀或數(shù)據(jù)塊。下面具體介紹三套電文的區(qū)別。

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(gòu)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4(a)。

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4(b)所示。

圖4中，***、RESERVED為預留部分，P為奇偶校檢碼。

NAV電文中參數(shù)的長度限制在24位以內(nèi)，使得有些連續(xù)的信息變得不連續(xù)，例如一個參數(shù)被非配到兩個字碼中，甚至為了保證參數(shù)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。這里需要特別提起的是CNAV的預留部分多達50個300位的數(shù)據(jù)塊，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。

除了以上方面的不同外，在衛(wèi)星時鐘修正參數(shù)、衛(wèi)星星歷參數(shù)、測距精度指示、UTC參數(shù)、信號延時修正等方面也有些小改變，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)星載波的變化作出的一些調(diào)整，這里就不詳細敘述了。

3. 電文編排與播發(fā)

三套電文采用的編排結(jié)構(gòu)的變化，我們能從前文看出，NAV和CNAV-2采用的都是幀的方式，CNAV采用的是數(shù)據(jù)塊的形式，但是NAV和CNAV-2還是有不同的地方，主要體現(xiàn)在其播發(fā)的方式上。

（1）NAV采用幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)內(nèi)容在電文中位置固定，而且子幀、幀、超幀與系統(tǒng)時間嚴格對應，用戶可根據(jù)時間信息正確解析接收到的電文數(shù)據(jù)，這有利于用戶接收和使用數(shù)據(jù)，特別適合數(shù)據(jù)處理能力較低的接收機，但是它采用的播發(fā)方式是順序播發(fā)，其中空白預留部分也在播發(fā)的內(nèi)容中，占據(jù)了相當量的通信資源。

（2）CNAV采用數(shù)據(jù)塊，不具有NAV采用幀結(jié)構(gòu)所具有利于接收機解算的特點，但是隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，用戶接收機的處理能力已經(jīng)普遍提高，利于數(shù)據(jù)解算的優(yōu)勢已經(jīng)不存在，播發(fā)方式是隨機播發(fā)各數(shù)據(jù)塊，空白的預留部分不在播發(fā)的內(nèi)容中，不占據(jù)通信資源。

（3）CNAV-2雖然也采取了幀結(jié)構(gòu)，但是卻綜合了前兩者的優(yōu)點，空白的預留幀不于播發(fā)，其他含有導航信息的幀隨機播發(fā)。

關(guān)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相對播發(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(shù)據(jù)內(nèi)容相同時（如歷書數(shù)據(jù)）必將存在冗余。如果能夠使不同衛(wèi)星、不同頻點在不同時刻內(nèi)播發(fā)不同的數(shù)據(jù)，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。而GLONASS和Galileo就采用了這種交錯的播發(fā)方式，在陳金平等人的《衛(wèi)星導航電文設計分析》中有詳細的介紹。

在圖1、圖2和圖3中，采取不同編排方法作用體現(xiàn)在哪呢？很明顯，在電文的一個超幀中往往有很多重復的子幀內(nèi)容，如在NAV的星鐘修正參數(shù)和衛(wèi)星星歷參數(shù)等基本導航電文，它們位于每幀的1，2，3子幀中；CNAV中，10，11數(shù)據(jù)塊包含重復的星歷，30～37包含重復的星鐘修正；CNAV-2中，每幀的子幀2中都含有相同的基本導航數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是導航定位解算中最重要的參數(shù)，因此當電文更新時，這些數(shù)據(jù)必須第一時間被接收機獲取。參照資料和分析結(jié)果，我們得出各主要參數(shù)的最大播發(fā)間隔，見表3、表4和表5。

三個表中，因為NAV和CNAV-2的接口文件中沒有直接提到播發(fā)間隔，因此，參照CNAV分析編排方式和播發(fā)方式，估計出相應的參數(shù)播發(fā)間隔。我們可以看出，三套電文在數(shù)據(jù)的播發(fā)周期上，最大播發(fā)間隔是越來越少了。這首先就影響了用戶首次定位的時間，從上面三個表中的數(shù)據(jù)分析，NAV，CNAV，CNAV-2的平均首次定位時間分別為33s，51s，27s，從以上結(jié)果可以看出，CNAV在首次定位時間上比NAV的時間長，這是因為CNAV的下行播發(fā)速率為25b/s，是NAV的一半的緣故，但是更低的速率有著更高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性；其次電文的更新周期和定位的精度是有關(guān)系的，當電文的更新間隔越短，其導航精度越高。可見數(shù)據(jù)播發(fā)周期越短，能使接收機更快地獲取更新的電文，這對整個系統(tǒng)的時效性和定位精度的影響是很大的。

表3 NAV電文播發(fā)間隔

表4 CNAV電文播發(fā)間隔

表5 CNAV-2電文播發(fā)間隔

三、編碼設計

1. 下行編碼

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，這和這種編碼有關(guān)系。這種編碼很大程度上限制了電文內(nèi)容的編排，靈活性很差，而且奇偶校檢碼在一個子幀中就占了60位，一個超幀就占用了7500（一個超幀是37500位）位，占整個超幀的20%，光校檢位就占了五分之一，極大浪費了通信資源。

CNAV進行了改變，采用卷積碼，CRC循環(huán)冗余校檢。其性能優(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。

隨著編碼技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在導航電文的編碼方案已經(jīng)發(fā)展到了多重差錯控制方式，以CNAV-2為例，其電文中采用的是多重差錯控制方式，先對電文進行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. 上行編碼

大多數(shù)文獻資料主要是針對下行播發(fā)電文的編碼設計作過研究分析，所有的下行播發(fā)電文都是采用前向糾錯FEC編碼，那么在考慮星間鏈路的情況下，上行的信息采用何種編碼方式呢？是繼續(xù)采用FEC還是自動重傳ARQ，還是混合糾錯HEC呢？這還有待進一步的深入分析。

四、電文設計建議

（1）對于下行播發(fā)電文內(nèi)容的設計，可以參照CNAV-2，采用幀與數(shù)據(jù)塊相結(jié)合的編排方式。

（2）對于電文結(jié)構(gòu)也可以參照CNAV-2的結(jié)構(gòu)，一個播發(fā)的最小單元中（例如每子幀中）最好包含實現(xiàn)導航定位所必須的本星基本導航參數(shù)；這樣用于基本導航的數(shù)據(jù)能以最短的周期被用戶接受（例如GPS block Ⅲ是每12秒周期播發(fā)基本導航參數(shù)）。

（3）采用適當?shù)南滦胁グl(fā)方式：采用隨機播發(fā)各子幀的方式，但是這種隨機播發(fā)方式使得各導航衛(wèi)星播發(fā)內(nèi)容相對錯開，即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(nèi)容，這樣就能最大限度減少接收機獲取全部導航數(shù)據(jù)所需的時間。

（4）在無線網(wǎng)絡能覆蓋到的地方，接收機直接從互聯(lián)網(wǎng)上或地面基站獲取相關(guān)導航電文的內(nèi)容，只要從衛(wèi)星獲取衛(wèi)星的ID號和測距碼就能實現(xiàn)短時間內(nèi)精確的定位。

（5）精簡電文，把某些常年數(shù)值固定不變的參數(shù)或默認值，直接存儲在接收機內(nèi)，在保證導航精度前提下減少電文的長度，降低星間鏈路之間的傳輸量和播發(fā)的周期。例如簡化歷書，就削減了電文的整體長度。

（6）增加參數(shù)的精度修正和其他GNSS的時間偏移量，進一步提高系統(tǒng)的導航精度和實現(xiàn)多系統(tǒng)的兼容與互操作性。

（7）進一步優(yōu)化電文，像GPS一樣把專用電文、導航信息修正表分別由文本信息、差分修正參數(shù)所取代，不僅精練了電文長度，且更加滿足系統(tǒng)的需要。

（8）參照下行播發(fā)電文的設計，對上行和星間傳輸信息作指導性的規(guī)劃，利于其在星上對數(shù)據(jù)包的分包和拆包等處理，減少電文注入的時間。

（9）對于星間傳輸信息的編碼方式的設計上，要充分考慮其星上的處理能力和信息傳輸延時是否滿足系統(tǒng)設計需求。

五、存在問題

電文的預留主要考慮兩方面的因素，一是添加新的內(nèi)容以滿足新服務，二是為了系統(tǒng)的兼容。例如，修改的和增加的那些電文就可以添加到預留的那部分中，現(xiàn)在運行中的GPS系統(tǒng)包含兩種批次的衛(wèi)星（如圖5）。

圖5中灰色陰影點為GPS blockⅡR衛(wèi)星，黑色點為以前批次的衛(wèi)星。上面已經(jīng)介紹過，它們采用播發(fā)的方式和內(nèi)容都不一樣，用戶接收機在解算的時候肯定存在時效性、電文完整性和精度的問題。GPS是如何解決這個問題的，還有待進一步的探討，這對我國Compass系統(tǒng)的更新時解決電文的兼容問題也有一定的借鑒意義。

六、結(jié)束語

本文是在充分研究美國GPS系統(tǒng)接口文件的基礎上，對GPS導航電文的設計作了深入的分析，從導航電文設計的各方面總結(jié)了NAV，CNAV，CNAV-2電文的優(yōu)劣和值得我國借鑒的地方，最后對電文的設計給出了初步的建議。

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