劉基余

（武漢大學(xué)測繪學(xué)院，武漢 430079）

GPS，GLONASS，Galile和北斗系統(tǒng)被簡稱為“四大系統(tǒng)”。按照“定位電文”之異，可分兩大類型：第一類是“在軌坐標(biāo)式”，它是發(fā)送導(dǎo)航衛(wèi)星的在軌三維坐標(biāo)，以及導(dǎo)航衛(wèi)星的速度和加速度，例如，GLONASS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文即為在軌坐標(biāo)式；第二類是“軌道參數(shù)式”，它是發(fā)送導(dǎo)航衛(wèi)星的開普勒軌道及其攝動參數(shù)，例如，GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文即為軌道參數(shù)式。本文擬對兩者予以簡要論述，以便讀者詳細(xì)解讀相關(guān)衛(wèi)星導(dǎo)航電文。

1 GLONASS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文

GLONASS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，是一種用數(shù)字信息流形成的連續(xù)重復(fù)幀群。它包括超幀、主幀和子幀（如圖1所示）。一個超幀含有5個主幀，每一個主幀占用30s，一個主幀包括15個子幀，每一個子幀持續(xù)2s時間，傳遞100個信息位，共75個子幀；因此，需要2.5分鐘才能傳送完畢一個超幀電文。一個占用2s的子幀，其中1.7s用于發(fā)送信息位和糾錯碼（漢明碼），它們均以相對雙二進(jìn)制碼表示，共84位，而它們的第85位用作時標(biāo)碼補(bǔ)充位，該位恒為零；糾錯碼（漢明碼）共8位，碼距為4。一個子幀的剩余0.3s用于發(fā)送時標(biāo)碼，該時標(biāo)碼是由30個碼元組成的截短偽噪聲序列（1111100…110）。

GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航電文傳送的數(shù)據(jù)分為兩大類型：一類是可操作數(shù)字信息，其更新率為30分鐘，在定義該數(shù)據(jù)實用時間之前15分鐘傳送的數(shù)據(jù)，由用戶借助前推或后推的方法，求得傳送時元前后15分鐘的需用數(shù)據(jù)。可操作數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星時標(biāo)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星時鐘相對于GLONASS時間系統(tǒng)的時鐘數(shù)據(jù)，射電頻率與其標(biāo)稱值之差的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星位置及其速度數(shù)據(jù)。另一類是不可操作數(shù)據(jù)，其更新率為24小時；不可操作數(shù)據(jù)包括預(yù)報的全部衛(wèi)星狀態(tài)，各顆衛(wèi)星時鐘與GLONASS時間系統(tǒng)的偏差數(shù)據(jù)，各顆衛(wèi)星的概略軌道參數(shù)（歷書數(shù)據(jù)），GLONASS時間系統(tǒng)的修正參數(shù)，它被用于歸算成莫斯科世界協(xié)調(diào)時，進(jìn)而便于化算成巴黎國際時間局（BIH）的世界協(xié)調(diào)時。

從圖1可見，第1～4子幀和第61～64子幀用于發(fā)送該衛(wèi)星的星歷，其內(nèi)容如下所述字碼所示：

圖1 GLONASS衛(wèi)星電文的基本結(jié)構(gòu)

M為子幀序號；tk為當(dāng)前天數(shù)內(nèi)主幀的起始時間，它可由衛(wèi)星電文的時標(biāo)推算出來，5個高位符表示從當(dāng)前天數(shù)開始經(jīng)過的整小時數(shù)，6個中間位表示從當(dāng)前小時開始時元經(jīng)過的整分?jǐn)?shù)；Bn為包括3個二進(jìn)位，GLONASS信號接收機(jī)能夠分析出這個Bn字碼的高位，若它為“1”，表示對該顆衛(wèi)星觀測無效，但接收機(jī)不能夠分析出Bn字碼的第2和第3位；tb為可操數(shù)字信息的時間基準(zhǔn)，它基于莫斯科法定時間；tb的間斷時間為15分鐘，按衛(wèi)星時標(biāo)的30分鐘或60分鐘的倍數(shù)更新可操作數(shù)字信息；n1為可操作數(shù)字信息的更新標(biāo)識符，它是tb值（min）當(dāng)前主幀與前一主幀之間的間隔時間，n1標(biāo)以00，01，10和11，它們對應(yīng)于△tb值分別為0分鐘，30分鐘，45分鐘，60分鐘；n2為當(dāng)前分鐘時間段30(60)序號的標(biāo)識符，它標(biāo)明在奇數(shù)“1”或偶數(shù)“0”之間的tb值；n3為歷書發(fā)送狀態(tài)，當(dāng)n3為“1”狀態(tài)時，該主幀發(fā)送5顆衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)，當(dāng)“n3”為“0”狀態(tài)時，該主幀只發(fā)送4顆衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)；γn(tb)為第n顆GLONASS衛(wèi)星載波頻率的預(yù)報值于時元tb相對于標(biāo)稱值之差：

式中，fn(tb)為第n顆衛(wèi)星的載頻預(yù)報值；fHn是第n顆衛(wèi)星的載波標(biāo)稱值；Tn(tb)為第n顆GLONASS衛(wèi)星時間tb相對于GLONASS系統(tǒng)時間tc的差值，且知

表1 GLONASS衛(wèi)星和GLONASS-M衛(wèi)星的廣播星歷精度比較

2003年10月以來實施的GLONASS現(xiàn)代化，也使GLONASS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文發(fā)生了一些變化。自第一顆GLONASS-M衛(wèi)星于2004年12月開始向廣大用戶發(fā)送導(dǎo)航定位信號以來，它的導(dǎo)航電文就增加了一些新的電文內(nèi)容。后者是利用原有電文的備用空間播發(fā)的，與原電文不發(fā)生沖突。GLONASS-M衛(wèi)星的導(dǎo)航電文增加了下述內(nèi)容：

（1）τGPS。τGPS代表GPS與GLONASS之間的系統(tǒng)時間差。GPS與GLONASS分別使用各自的時間系統(tǒng)，即GPS時系與GLONASS時系之間相差1μs左右。在使用該兩系統(tǒng)混合定位時，通常需要設(shè)定本地接收機(jī)與各自導(dǎo)航系統(tǒng)的時間修正量，然后再分別修正各自系統(tǒng)的時間模型，解算復(fù)雜。τGPS的出現(xiàn)，統(tǒng)一了GPS與GLONASS的時間標(biāo)準(zhǔn)，可以簡化混合定位時的解算過程。需要指出的是，由于GLONASS隨UTC跳秒，而GPS不跳秒，二者存在十幾個整秒差，該秒差由GPS的歷書提供。τGPS僅是兩系統(tǒng)時間差值的小數(shù)部分。GLONASS.ICD指出τGPS的精度為30ns(1 σ)。

（2）In。In為星上電文完整性檢驗標(biāo)志。雖然GLONASS的星歷與歷書均有健康標(biāo)志Bn與Cn，但從檢驗出錯到信息給出存在1分鐘左右的延遲。In的延遲僅為10秒鐘，它可以幫助用戶更及時地發(fā)現(xiàn)問題。

（3）KP。KP是GLONASS時間在相應(yīng)時間點是否發(fā)生跳秒的預(yù)報參數(shù)。GLONASS時間是隨UTC跳秒而跳秒的。全年一共有4個時間點可能發(fā)生跳秒，分別是UTC時間1月1日、4月1日、7月1日和10月1日的午夜零時。GLONASS-M衛(wèi)星將于相應(yīng)的時間點前8周內(nèi)給出KP信息供用戶參考。

（4）N4與NT。N4代表從1996年開始，4年為一周期的周期數(shù)；NT代表在4年周期內(nèi)，從閏年1月1日開始至當(dāng)前的累計天數(shù)。比如N4=3，NT=1013對應(yīng)的UTC時間為2006年10月10日。第一代GLONASS衛(wèi)星的電文中僅能反映4年以內(nèi)的時間信息，且GLONASS天數(shù)NA往往兩天才更新一次，因此，沒有GPS的校準(zhǔn)是無法準(zhǔn)確得到當(dāng)前的UTC時間的。因此，GLONASS-M衛(wèi)星解決了GLONASS時間的模糊問題。

GPS時間的周數(shù)受到了電文數(shù)據(jù)位的限制，累計到1024周后自動復(fù)零，因此，GPS時間存在周期大約為20年的模糊問題。雙系統(tǒng)接收機(jī)可以利用GLONASS-M衛(wèi)星的電文N4與NT對GPS時間進(jìn)行校準(zhǔn)，避免GPS時間模糊問題的困擾。

（5）FT。FT為GLONASS-M衛(wèi)星提供的偽距測量精度估值，它能使用戶更有效地利用接收機(jī)的原始觀測量，F(xiàn)T與GPS電文提供的URA值屬于同一類型。

FT與URA的取值范圍均為[0，15]，隨著數(shù)值的增大，表示偽距測量精度越來越差。當(dāng)它們均取值為15時，代表該顆衛(wèi)星的偽距測量精度缺乏估計值，用戶需要通過其他的方式獲得偽距精度。目前所有的GLONASS-M衛(wèi)星的FT均為15，代表此參數(shù)無效。

（6）B1與B2。B1與B2為計算UTl與UTC(SU)差值的系數(shù)。具體的計算公式為：

（7）τc。τc是GLONASS時系與UTC(SU)之間的修正量。原GLONASS電文也有這個參數(shù)，精度為2-27秒，GLONASS-M衛(wèi)星的電文將此參數(shù)的精度提升至了2-31秒。

（8）n。n為GLONASS-M衛(wèi)星的在軌衛(wèi)星編號。接收機(jī)在冷啟動搜索GLONASS衛(wèi)星時，往往是一個通道分配一個頻點。但通常情況下，一個頻點對應(yīng)著兩顆GLONASS衛(wèi)星，因此，在沒有n的情況下，具體是哪一顆衛(wèi)星需要通過其他的方法來判斷。本參數(shù)的給出，簡化了接收機(jī)的冷啟動過程。

上述導(dǎo)航電文新內(nèi)容，已由在軌作業(yè)的GLONASS-M衛(wèi)星播發(fā)，并通過了我國GNSS導(dǎo)航信號接收機(jī)給出的驗證。

2 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文

GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文主要包括衛(wèi)星星歷、時鐘改正、電離層時延改正、工作狀態(tài)信息以及C/A碼轉(zhuǎn)到捕獲P碼（詳見下文轉(zhuǎn)換碼）的信息。這些數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制碼的形式發(fā)送給用戶的，故衛(wèi)星電文又叫數(shù)據(jù)碼，或稱之為D碼。它的基本單位是長達(dá)1 500比特的一個主幀（如圖2所示）；它的傳輸速率是每秒50比特，30秒鐘才能夠傳送完畢一個主幀。后者包括5個子幀，第1，2，3子幀各有10個字碼，每個字碼為30比特；第4，5子幀各有25個頁面，共有37 500比特，長達(dá)12.5分鐘；它們不像第1，2，3子幀那樣，每30秒鐘重復(fù)一次，而需要長達(dá)750秒鐘才能夠傳送完畢第4，5子幀的全部信息量，也即，第4，5子幀是12.5分鐘才重復(fù)一次；這表明，一臺GPS信號接收機(jī)獲取一幀完整的衛(wèi)星導(dǎo)航電文，需要750秒鐘。GPS衛(wèi)星電文各子幀內(nèi)容概如圖3所示，其基本意義如下所述。

圖2 衛(wèi)星電文的基本構(gòu)成圖

圖3 GPS衛(wèi)星電文的基本內(nèi)容

2.1 遙測碼

圖4 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文的遙測碼

每個子幀的第一個字碼都是遙測碼（TLW，Telemertry Word），它的主要作用是指明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)。遙測碼的第1～8比特是同步碼（10001011），作為識別電文內(nèi)容的先兆，致使用戶易于解調(diào)導(dǎo)航電文。第9～22比特為遙測電文，它包括地面監(jiān)控系統(tǒng)注入數(shù)據(jù)時的狀態(tài)信息、診斷信息和其他信息，以此指示用戶是否選用該顆衛(wèi)星。第23和第24比特是備用比特；第25～30比特為奇偶檢驗碼，它用于發(fā)現(xiàn)錯誤，糾正個別錯誤，確保正確地傳送導(dǎo)航電文。

2.2 轉(zhuǎn)換碼

每個子幀的第二個字碼都是轉(zhuǎn)換碼（HOW，Hand Over Word），它的主要作用是幫助用戶從所獲的C/A碼轉(zhuǎn)換到P碼的捕獲。轉(zhuǎn)換碼的第1～17比特表示所謂的Z計數(shù)，后者表示自星期天零時至星期六24時，P碼子碼X1的周期（1.5s）重復(fù)數(shù)，即Z計數(shù)的量程是0～403200。因此，知道Z計數(shù)，便可較快地捕獲到P碼。轉(zhuǎn)換碼的第18比特表明衛(wèi)星注入電文后有否發(fā)生滾動動量矩卸載現(xiàn)象；第18比特用于指示數(shù)據(jù)幀的時間是否與子碼X1的鐘信號同步；第20～22比特是子幀識別標(biāo)志；第23和第24比特是無意義的連接比特；第25～30比特是奇偶檢驗碼。

圖5 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文的轉(zhuǎn)換碼

2.3 第一數(shù)據(jù)塊

第一子幀的第3～10字碼稱為第一數(shù)據(jù)塊（見圖6所示）；它的主要內(nèi)容是：①標(biāo)識碼，它指明載波L2的調(diào)制波類型、星期序號、衛(wèi)星的健康狀況等；②數(shù)據(jù)齡期；③衛(wèi)星時鐘改正系數(shù)。值得注意的是，第一批的1024個GPS星期已于1999年8月22日子夜結(jié)束，新的GPS星期數(shù)已于該結(jié)束時元起算。第一批GPS星期數(shù)，是從1980年1月5日子夜/6日凌晨開始起算；直到1999年8月22日子夜/23日凌晨為止，共累計為1 024個GPS星期，當(dāng)其結(jié)束時，即為新的GPS周數(shù)開始起算。例如，1999年8月29日，是第二批GPS星期數(shù)的第一個GPS星期。因此，所用的GPS信號接收機(jī)及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，均應(yīng)作GPS周數(shù)變換調(diào)整，否則，GPS信號接收機(jī)將發(fā)生計算粗差，甚至拒絕定位計算。第二批GPS星期數(shù)，將于2019年4月6日子夜結(jié)束；第三批GPS星期數(shù)將于該結(jié)束時元起算，而于2038年11月20日子夜結(jié)束它。現(xiàn)對上述三方面的有關(guān)參數(shù)予以說明。

圖6 GPS衛(wèi)星電文的結(jié)構(gòu)

2.3.1 傳輸參數(shù)N

第3字碼的第13～16比特給出傳輸參數(shù)N，它向非特許用戶指明，當(dāng)用該顆GPS衛(wèi)星作導(dǎo)航定位測量時，可能達(dá)到的測距精度（URA，即是Predicated User Range Accuracy）。URA值的傳輸參數(shù)N為0～15。當(dāng)N為1111（＝15）時，表示用戶可達(dá)測距精度（URA值）大于6 144m，非特許用戶若用該顆衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航定位測量，則他們自己承擔(dān)風(fēng)險，意即不能確保能否獲得令人滿意的導(dǎo)航定位精度。傳輸參數(shù)N與用戶可達(dá)測距精度（URA）的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。但是，在我國境內(nèi)用Trimble 4000SST雙頻接收機(jī)所作三年的實際測量數(shù)據(jù)表明，即使傳輸參數(shù)等于9，非特許用戶也不宜用該顆衛(wèi)星作導(dǎo)航定位測量；例如，用這種衛(wèi)星測量8m左右的站間距離時，GPS測量值與其標(biāo)準(zhǔn)值之較差大達(dá)11.2cm（應(yīng)為亳米級），而無法獲得預(yù)期的定位精度。而且各顆GPS衛(wèi)星的URA值（其具體數(shù)值如圖7所示）不過逐年在提高（如圖8）。近年來，由于Block II-R/II-R-M衛(wèi)星實施了星間鏈路測距，進(jìn)行衛(wèi)星在軌星歷改進(jìn)，致使用戶可達(dá)測距精度有了顯著提高；2008年12月21日，對28顆在軌GPS工作衛(wèi)星的用戶測距誤差（URE）統(tǒng)計表明，它們的最大值為1.81m，最小值是0.05m，平均值為0.523m。

表2 傳輸參數(shù)N與用戶可達(dá)測距精度（URA）

研究表明，GPS衛(wèi)星七天的全球用戶測距誤差（UREG）定義為

圖7 800天的GPS全球用戶測距最大誤差平均值（m）

式中，△tcolck為七天的衛(wèi)星時鐘誤差；△Pradial為七天的衛(wèi)星位置徑向誤差；△Pcross為七天的衛(wèi)星位置法向誤差；△Pdown為七天的衛(wèi)星位置切向誤差。

圖8 GPS衛(wèi)星的用戶測距誤差逐年減小

2.3.2 電離層時延改正Tgd

第7字碼的第17～24比特表示L1-C/A碼和L1-P碼偽距測量的電離層時延改正（Tgd），它采用Klobuchar電離層時延改正模型。該模型的基本點是，夜間的電離層時延穩(wěn)定不變，且恒為5ns；而白天電離層時延改正的最大值，出現(xiàn)在當(dāng)?shù)孛刻斓?4:00；余者的變化規(guī)律是如下式所述的余弦函數(shù)：

式中，

2.3.3 星鐘數(shù)據(jù)齡期AODC

第3字碼的第23和第24比特，以及第8字碼的第1～8比特，均表示衛(wèi)星時鐘的數(shù)據(jù)齡期AODC。GPS試驗衛(wèi)星的AODC只占8個比特，而GPS工作衛(wèi)星卻擴(kuò)展到了10個比特。AODC是時鐘改正數(shù)的外推時間間隔，它向用戶指明對衛(wèi)星時鐘改正數(shù)的置信度，且知

式中tOC為第一數(shù)據(jù)塊的參考時刻；tL是計算時鐘參數(shù)所作測量的最后觀測時間。

2.3.4 衛(wèi)星時鐘改正

GPS系統(tǒng)采用了GPS星期和GPS時間系統(tǒng)（時系），WN表示從1980年1月6日子夜零點（UTC）起算的星期數(shù)，即GPS星期數(shù)。GPS時系是以地面監(jiān)控系統(tǒng)主控站的主（原子）鐘為基準(zhǔn)的連續(xù)時間尺度。由于UTC時間尺度的跳秒和主控站主鐘的不穩(wěn)定性，GPS時間和UTC時間之間存在著變化差值，它由地面監(jiān)控系統(tǒng)予以監(jiān)測，其大小用導(dǎo)航電文播發(fā)給廣大用戶。1990年6月，GPS時間較UTC時間提前了6s左右。

衛(wèi)星時鐘改正，是每一顆GPS衛(wèi)星的時鐘相對于GPS時系的差值。由于相對論效應(yīng)，衛(wèi)星時鐘比地面時鐘走得快，每秒約差448微微秒（每天相差3.87×10-5s）。為了消除它的影響，而將衛(wèi)星時鐘的10.23MHz之標(biāo)稱頻率減小到10.22999999545MHz的實際頻率。雖經(jīng)過這種改正，但相對論效應(yīng)所產(chǎn)生的時間偏移并非常數(shù)，對于某一顆給定偏心率e的GPS衛(wèi)星，一階相對論效應(yīng)改正如下式所示：

式中，

表3 衛(wèi)星時鐘的A系數(shù)

圖9 800天的GPS星鐘最大誤差平均值（m）

此外，各顆衛(wèi)星時鐘相對于GPS時間系統(tǒng)的偏差誤差，也需加以改正，其值為

式中，a0為相對于GPS時系的時間偏差（鐘差）；a1是相對于實際頻率的偏差系數(shù)（鐘速）；a2為時鐘頻率的漂移系數(shù)（鐘速變化率，即鐘漂）。這些系數(shù)分別由第9字碼和第10字碼給出，詳見圖6。表3列出了幾種類型的時鐘多項式系數(shù)向量A，這三個時鐘多項式系數(shù)a0a1a2總稱為時鐘參數(shù)；且知GPS工作衛(wèi)星的鐘差和鐘速最小，銫鐘優(yōu)于銣鐘。根據(jù)每顆衛(wèi)星的時鐘改正△ts和一階相對論效應(yīng)改正△tR，則可將每顆衛(wèi)星的時間（tS）化算為統(tǒng)一的GPS時間：

各顆衛(wèi)星的GPS時間，還可依據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文提供的相關(guān)參數(shù)，化算成UTC時間。圖9是800天的GPS星鐘最大誤差平均值。從圖7和圖9可見，GPS衛(wèi)星PRN1的星鐘誤差和全球用戶測距最大誤差平均值都比較大，因此，依式（3）算得的用戶測距誤差就比較大。這說明，全球用戶測距誤差（UREG）的定義是正確的。

GPS衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)，采用GPS時間系統(tǒng)和GPS星期；GPS時間相對于世界協(xié)調(diào)時（UTC）的差別，由GPS導(dǎo)航電文給出。自1980年1月6日以來，GPS星期已進(jìn)入了第二輪，詳述如下：

當(dāng)GPS周數(shù)變換后（1999年8月22日），所用的GPS信號接收機(jī)及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，均應(yīng)立即作出GPS周數(shù)變換調(diào)整；否則，GPS信號接收機(jī)將發(fā)生計算粗差，甚至拒絕定位計算。

第二數(shù)據(jù)塊是由第二和第三子幀共同構(gòu)成的，它給出GPS衛(wèi)星的星歷，這是GPS衛(wèi)星為導(dǎo)航定位應(yīng)用發(fā)送的主要電文。特別指出的是，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文提供的星歷數(shù)據(jù)，是一種外推的軌道參數(shù)，其精度不僅受到外推計算時衛(wèi)星初始位置誤差和速度誤差的制約，而且隨著外推時間延長而顯著降低。第三數(shù)據(jù)塊是由第4和第5兩個子幀構(gòu)成的，它提供GPS衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)，后者是第一和第二數(shù)據(jù)塊的簡略形式，當(dāng)接收機(jī)捕獲到某顆GPS衛(wèi)星后，利用第三數(shù)據(jù)塊提供的其他衛(wèi)星的概略星歷、時鐘改正、碼分地址和衛(wèi)星工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，用戶不僅能選擇工作正常和位置適當(dāng)?shù)男l(wèi)星，以致它們能夠構(gòu)成較理想的空間幾何圖形，而且依據(jù)已知的碼分地址能夠較快地捕獲到所選擇的待測衛(wèi)星。第二、三數(shù)據(jù)塊見參考文獻(xiàn)[1]。

3 北斗衛(wèi)星的導(dǎo)航電文

北斗衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，分成I支路導(dǎo)航電文和Q支路導(dǎo)航電文；根據(jù)不同的速率和結(jié)構(gòu)，又分為D1（50b/s）導(dǎo)航電文和D2（500b/s）導(dǎo)航電文，而且在D1碼上調(diào)制著二次編碼（1kb/s）信息。不同的北斗衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航電文速率如表4所示，表5則為I支路的導(dǎo)航電文內(nèi)容。

表4 北斗衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航電文速率

D1碼導(dǎo)航電文由超幀、主幀、子幀和字碼組成（如圖10所示）。每個超幀為36 000bits，歷時12分鐘，每個超幀包括24個主幀（24個頁面）；每個主幀為1 500bits，歷時30s，每個主幀由5個子幀組成；每個子幀為300bits，歷時6s；每個子幀包括10個字碼，每個字碼為30bits，歷時0.6s。每個字碼由導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)及其校驗碼兩部分組成。其中每個子幀第一個字碼的前15bits信息不進(jìn)行糾錯編碼，后11bits信息采用BCH(15,11,1)加交織方式進(jìn)行糾錯編碼，因此只含一組BCH碼，信息位共有26bits；其他9個字碼均采用BCH(15,11,1)加交織方式進(jìn)行糾錯編碼，每個字碼30bits含兩組BCH碼，信息位各有22bits。

表5 I支路的導(dǎo)航電文內(nèi)容

圖10 D1（50b/s）的導(dǎo)航電文構(gòu)成

D1碼導(dǎo)航電文的主要內(nèi)容是基本導(dǎo)航信息，它由下列信息組成：本星導(dǎo)航信息（周內(nèi)秒計數(shù)、整周計數(shù)、用戶距離精度標(biāo)志、衛(wèi)星鐘自主健康信息、電離層模型改正參數(shù)、衛(wèi)星星歷參數(shù)及其數(shù)據(jù)齡期、衛(wèi)星鐘參數(shù)及其數(shù)據(jù)齡期、星上設(shè)備時延差）、全部衛(wèi)星歷書、以及與其他系統(tǒng)（UTC、軍用時頻系統(tǒng)、其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）的時間同步信息。整個導(dǎo)航電文需要12分鐘時間才能夠傳送完畢，電文內(nèi)容每小時更新一次。

圖11是MEO/IGSO衛(wèi)星I支路D1碼主幀電文結(jié)構(gòu)與信息內(nèi)容。從該圖可見，子幀1～3發(fā)送基本導(dǎo)航信息；子幀4～5的信息內(nèi)容由24個頁面分時發(fā)送，其中子幀4的頁面1～24和子幀5的頁面1～10發(fā)送全部衛(wèi)星歷書以及與其他系統(tǒng)的時間同步信息；子幀5的頁面11～24為預(yù)留頁面。

圖11 MEO/IGSO衛(wèi)星I支路D1碼主幀電文結(jié)構(gòu)與信息內(nèi)容

D2導(dǎo)航電文由超幀、主幀和子幀組成。每個超幀為180 000比特，歷時6分鐘，每個超幀由120個主幀組成，每個主幀為1 500比特，歷時3秒，每個主幀由5個子幀組成，每個子幀為300比特，歷時0.6秒，每個子幀由10個字碼組成，每個字碼為30比特，歷時0.06秒。每個字碼由導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)及校驗碼兩部分組成。每個子幀第1個字碼的前15比特信息不進(jìn)行糾錯編碼，后11比特信息采用BCH(15,11,1)方式進(jìn)行糾錯，信息位共有26比特；其他9個字碼均采用BCH(15,11,1)加交織方式進(jìn)行糾錯編碼，信息位共有22比特。D2導(dǎo)航電文包含基本導(dǎo)航信息和增強(qiáng)服務(wù)信息。D2導(dǎo)航電文包括：本衛(wèi)星基本導(dǎo)航信息，全部衛(wèi)星歷書，與其他系統(tǒng)時間同步信息，北斗系統(tǒng)完好性及差分信息，格網(wǎng)點電離層信息。子幀1播發(fā)基本導(dǎo)航信息，由10個頁面分時發(fā)送，子幀2～4信息由6個頁面分時發(fā)送，子幀5中信息由120個頁面分時發(fā)送。為了節(jié)省篇幅，此處不予以詳述。

4 Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航電文

在Galileo導(dǎo)航定位解算中，Galileo衛(wèi)星的在軌位置，是作為一種動態(tài)已知點參與解算的；該動態(tài)已知點是從Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航電文獲得的。2006年5月23日，歐洲空間局（ESA）首次公布了Galileo開放服務(wù)（OS）空間信號的接口控制文檔草案，稱之為GAL OS SIS ICD/D.0；2010年4月13日，正式發(fā)布了Galileo開放服務(wù)空間信號接口控制文檔（Galileo OS SIS ICD）；2010年9月，發(fā)布了Galileo開放服務(wù)空間信號接口控制文檔1.1版本。根據(jù)這個ICD文檔，Galileo衛(wèi)星發(fā)送三種導(dǎo)航電文：F/NAV自由接收的導(dǎo)航電文；I/NAV完好性導(dǎo)航電文；C/NAV商用導(dǎo)航電文。此處僅對F/NAV自由接收的導(dǎo)航電文做出簡要介紹。

圖12是Galileo衛(wèi)星F/NAV自由接收的導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)和I/NAV完好性導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)（在“Galileo OS SIS ICD, Issue 1.1，September 2010”中沒有提供C/NAV商用導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)），由圖12A可見，F(xiàn)/NAV電文是由主幀、子幀和頁面構(gòu)成的，1個主幀包括12個子幀，需要10分鐘才能夠發(fā)送完畢。它發(fā)送四種導(dǎo)航數(shù)據(jù)：Galileo衛(wèi)星星歷、Galileo衛(wèi)星歷書、時間和衛(wèi)星時鐘改正參數(shù)以及導(dǎo)航服務(wù)參數(shù)。表6列述了所發(fā)送的Galileo衛(wèi)星星歷參數(shù)；如何利用星歷參數(shù)計算Galileo衛(wèi)星的在軌位置。

圖12A Galileo衛(wèi)星F/NAV自由接收的導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)

圖12B Galileo衛(wèi)星I/NAV完好性導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)

表6所述的星歷參數(shù)，實際上是由Galileo衛(wèi)星開普勒（Johannes Kepler）6參數(shù)、軌道攝動9參數(shù)和時間參數(shù)等三類參數(shù)構(gòu)成。Galileo衛(wèi)星開普勒6參數(shù)是衛(wèi)星軌道長半軸的平方根、衛(wèi)星軌道偏心率e、參考時刻toe的軌道傾角i0、參考時刻toe的升交點赤經(jīng)Ω0、近地點角距ω和參考時刻toe的平近點角M0。軌道攝動九參數(shù)是：①衛(wèi)星平均運動角速度與計算值之差△n，或稱△n為平近地點角速度的改正數(shù)，它是近地點角距ω攝動量（dω/dt）中的長期漂移項，起因于二階帶諧系數(shù)（C20），及其平滑間期內(nèi)的日月引力攝動和太陽光壓攝動；②升交點赤經(jīng)的變化率(Ω-dot)，它是升交點赤經(jīng)(Ω)攝動量（dΩ/dt）中的長期漂移項，起因于二階帶諧系數(shù)（C20）和極移影響；③軌道傾角的變化率i-dot；④起因于二階帶諧系數(shù)（C20）和高階帶諧系數(shù)的短周期項影響以及月球引力和其他攝動力的攝動影響的Cus，Cuc，Crs，Crc，Cis，Cic。

當(dāng)依據(jù)上述星歷參數(shù)計算出Galileo衛(wèi)星的在軌位置后，便可與所測量的站星距離聯(lián)合解算出用戶的實時點位，其測量精度隨著服務(wù)類型不同而異，詳如表7所示，由該表可知，用Galileo E1信號的單頻測量的二維位置精度為±15m，用Galileo E1+E5A信號的雙頻測量的二維位置精度為±4m，而高程精度為±8m，這可滿足航空航天業(yè)務(wù)的一般應(yīng)用。

表6 Galileo衛(wèi)星F/NAV電文軌道參數(shù)及其長度

表7A Galileo不同服務(wù)的測量精度

表7B Galileo守時精度和校頻精度

在Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航電文中，導(dǎo)航服務(wù)參數(shù)是值得我們特別關(guān)注的，它包括下述內(nèi)容：

（1）衛(wèi)星標(biāo)識符，它通過1組6bit的二進(jìn)制數(shù)來表示Galileo星座中的衛(wèi)星。

（2）數(shù)據(jù)期號（IOD），它用于向用戶播發(fā)數(shù)據(jù)的有效性，能夠保證用戶在接收不同的Galileo衛(wèi)星信號時數(shù)據(jù)的連續(xù)性，它在所有的頁面類型當(dāng)中都進(jìn)行播發(fā)，其中在頁面類型1，2，3，4中被編碼為10bit的二進(jìn)制數(shù)，在頁面類型5，6當(dāng)中被編碼為2bit的二進(jìn)制數(shù)。

（3）導(dǎo)航數(shù)據(jù)有效性參數(shù)，該參數(shù)被編碼為1bit的二進(jìn)制數(shù)，用于指示數(shù)據(jù)的有效性狀況，當(dāng)其為“0”時，表明數(shù)據(jù)有效，當(dāng)其為“1”時，表明此時數(shù)據(jù)的有效性得不到保證。

（4）信號健康狀況參數(shù)，該參數(shù)被編碼為2bit的二進(jìn)制數(shù)，用于表示信號的健康狀況，其含義是，“0”表明信號正常，“1”表明信號異常，“2”表明信號將要出現(xiàn)異常，“3”表明信號狀況目前正在測試之中。

值得一提的是，Galileo衛(wèi)星還具有全球搜尋援救（SAR）功能，能夠接收和處理來自遇險用戶的求援信號，實施及時援救?，F(xiàn)已發(fā)射的4顆Galileo IOV衛(wèi)星（MEO），均安置了全球搜救收發(fā)設(shè)備，以便驗證Galileo SAR功能。Galileo SAR功能是充分利用COSPAS/SARSAT全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的地面援救網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而對用戶搜救示位標(biāo)引入高精度的Galileo E1信號定位測量，其二維定位精度可達(dá)到±15m，高程測量精度為±35m，兩者的置信度均為99.5%，而且能夠向遇險用戶發(fā)送信號，告知其所處險境已被探測到，其救援工作已在積極進(jìn)行中。2013年3月，歐空局用4顆在軌Galileo IOV衛(wèi)星導(dǎo)航信號的仿真試驗結(jié)果表明，77%的模擬遇險用戶可達(dá)2公里范圍內(nèi)的救援定位，而95%的模擬遇險用戶可達(dá)5公里范圍內(nèi)的救援定位。Galileo任務(wù)控制中心能夠在一分半鐘內(nèi)檢測到所有的報警用戶，這高于10分鐘檢測到所有報警用戶的設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本文概論了GPS，GLONASS，Galileo和北斗衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，為讀者詳細(xì)解讀這四大系統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航電文打開了便捷之門。且知四大系統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航電文主要分成兩大類型；即GLONASS衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航衛(wèi)星的在軌三維坐標(biāo)和運行速度/加速度的“在軌坐標(biāo)式”，GPS衛(wèi)星/Galileo衛(wèi)星/北斗衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航衛(wèi)星的開普勒軌道及其攝動參數(shù)的“軌道參數(shù)式”。兩類衛(wèi)星導(dǎo)航電文各有特色，但是，“軌道參數(shù)式”應(yīng)用了多種參數(shù)，這既有利于衛(wèi)星導(dǎo)航電文的發(fā)送糾錯，又便于導(dǎo)航衛(wèi)星實時在軌位置的精確解算。因此，筆者認(rèn)為，采用“軌道參數(shù)式”編制衛(wèi)星定位電文是適宜的。正如“衛(wèi)星導(dǎo)航電文是GNSS的導(dǎo)航靈魂”一文（《數(shù)字通信世界》，2014年第2期）所述，衛(wèi)星導(dǎo)航電文主要包括獲取、定位、改正、導(dǎo)測和輔助等電文；對于GNSS信號接收機(jī)的研制者而言，應(yīng)該充分利用衛(wèi)星導(dǎo)航電文提供的信息，研制出價廉物美而具有高精度的產(chǎn)品；這就需要精細(xì)解讀各類導(dǎo)航衛(wèi)星的導(dǎo)航電文。為此，本文做了入門之論。

[1] 劉基余．GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法．北京：科學(xué)出版社，2014年1月

[2] GPS IS-GPS-200 Revision D 7 December 2004

[3] GLONASS ICD Navigational radiosignal In bands L1/L2(Edition 5.1)2008.

[4] Galileo OS SIS ICD, Issue 1.1，September 2010

[5] 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件公開服務(wù)信號[BDS-SISICD-2.0(2013.12)]