衛(wèi)星導(dǎo)航電文是GNSS的導(dǎo)航靈魂──GNSS導(dǎo)航信號的收發(fā)問題之四

劉基余

（武漢大學(xué)測繪學(xué)院，武漢 430079）

技術(shù)講座

衛(wèi)星導(dǎo)航電文是GNSS的導(dǎo)航靈魂──GNSS導(dǎo)航信號的收發(fā)問題之四

劉基余

（武漢大學(xué)測繪學(xué)院，武漢 430079）

衛(wèi)星導(dǎo)航的實踐證明，衛(wèi)星導(dǎo)航電文是GNSS的導(dǎo)航靈魂。本文主要論述衛(wèi)星導(dǎo)航電文的主要內(nèi)容及其作用，供讀者深入了解四大系統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航電文參考。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；GNSS導(dǎo)航信號；衛(wèi)星導(dǎo)航電文

1 引言

1959年9月，第一顆試驗性子午衛(wèi)星入軌運行；至1961年11月，美國先后發(fā)射了9顆試驗性子午衛(wèi)星。經(jīng)過幾年的試驗研究，解決了衛(wèi)星導(dǎo)航的許多技術(shù)難題，而于1963年12月發(fā)射了第一顆子午工作衛(wèi)星。此后，美國陸續(xù)發(fā)射了工作衛(wèi)星，而形成了由6顆工作衛(wèi)星構(gòu)成的子午衛(wèi)星星座。在該星座信號的覆蓋下，地球表面上任何一個觀測者，至少每隔2個小時便可觀測到該星座中的一顆衛(wèi)星。這些衛(wèi)星的軌道繞過地球的南北兩極上空，以致衛(wèi)星星下點軌跡與地球子午圈一致，也因此被稱呼為子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（TRANSIT）。子午衛(wèi)星軌道距離地面約為1 070km，每一個近圓形軌道上分布著一顆子午衛(wèi)星；軌道橢圓的偏心率很小，而近于圓形。子午衛(wèi)星沿軌道運行的周期約為107分鐘。每一顆子午衛(wèi)星均用400MHz和150MHz的微波信號作載波，向廣大用戶發(fā)送導(dǎo)航電文。子午衛(wèi)星星座運行初期，導(dǎo)航電文是保密的，廣大民間用戶無法使用子午衛(wèi)星進性導(dǎo)航定位。直到1967年7月29日，美國政府宣布，解密子午衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文部分內(nèi)容供民間使用，全球民間用戶才能夠利用子午衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航信號和導(dǎo)航電文進行導(dǎo)航定位測量。此外，前蘇聯(lián)海軍于1965年開始也建立了一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，稱之為CICADA。它與TRANSIT是相類似的，也是基于測量多普勒頻移的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；CICADA衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)雖已投入使用幾十年，由于它的導(dǎo)航電文處于保密狀態(tài)，我們無法應(yīng)用CICADA進行導(dǎo)航定位。由此可見，衛(wèi)星導(dǎo)航電文的極端重要性，筆者謂之為“衛(wèi)星導(dǎo)航的靈魂”。本文主要論述衛(wèi)星導(dǎo)航電文的主要內(nèi)容及其作用，供需要深入了解四大系統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航電文的讀者參考。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航電文是動態(tài)已知點之源

現(xiàn)行的GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位，是基于被動式定位原理，GNSS用戶只需要接收來自GNSS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號（如圖1所示），測量用戶至GNSS衛(wèi)星的距離，用衛(wèi)星導(dǎo)航電文提供的動態(tài)已知點，就能夠自主精確地解算出自己的7維狀態(tài)參數(shù)和3維姿態(tài)參數(shù)。因此，衛(wèi)星導(dǎo)航電文是實現(xiàn)被動式定位的三大條件之一，即每顆GNSS衛(wèi)星必需用導(dǎo)航電文的形式實時地報告自己的現(xiàn)實位置，以便用戶獲取用于位置解算的衛(wèi)星在軌實時點位（動態(tài)已知點）。GNSS導(dǎo)航信號接收機只要測得用戶天線至GNSS衛(wèi)星的距離（簡稱為站星距離），在已知GNSS衛(wèi)星在軌位置的情況下，即可按式（1）解算出用戶位置

式中，Pj(t)為GNSS導(dǎo)航信號接收機測得的用戶在時元t至第j顆GNSS衛(wèi)星的距離；Xj(t)，Yj(t)，Zj(t)為第j顆GNSS衛(wèi)星在時元t的在軌位置；Xu(t)，Yu(t)，Zu(t)為用戶天線在時元t的在途位置；du(t)為GNSS導(dǎo)航信號接收機時鐘偏差等因素引起的站星距離偏差。

從式（1）可見，為了解算出用戶的三維位置，GNSS信號接收機至少要觀測四顆GNSPS衛(wèi)星，而列立出四個如式（1）的方程式。由此可見，GNSS定位精度與用戶航行速度快慢無關(guān)，只取決于下列三大因素：

圖1 GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航的被動式定位原理圖解

⊙ 站星距離的測量誤差；

⊙ 作為動態(tài)已知點的GNSS衛(wèi)星的實時在軌位置誤差；

⊙ 所測四顆以上GNSS衛(wèi)星在太空的幾何分布，即PDOP值。

依據(jù)上述方程式可以解算出用戶在時元t的三維坐標(biāo)和用戶時鐘偏差，但是，它需要進行若干次迭代解算，直到第（n+1）次解算的X(t)(n+1) 等于第n次解算的X(t)n；或者根據(jù)用戶的定位精度要求，規(guī)定［X(t)(n+1)－X(t)n］達到某一個額定值，此時所解算的X(t)(n+1)便作為解算結(jié)果。

GNSS偽距測量的的用戶位置迭代（iteration）計算方法是：

⊙ 假定一個用戶初始位置（Xu0Yu0Zu0）和一個用戶時鐘距離偏差du0；

⊙ 用已知的衛(wèi)星在軌位置（XjYjZj）和時鐘距離偏差Bj，以及假定的用戶初始位置（Xu0Yu0Zu0），計算出方向系數(shù)eji(j=1，2，3，4；i=1，2，3)，而求得幾何矩陣；

⊙ 用測得的偽距Pj組成站星距離矩陣P(t)[1]；

⊙ 推求轉(zhuǎn)置矩陣GTu和逆矩陣(GTuGu)-1；

⊙ 按式計算出X(t)；直到第(n+1)次解算的X(t)n+1≈X(t)n為止；一般作四次迭代（iteration）計算，即可達到目的；其機載GPS偽距測量的在航三維位置解算之例如表1所示。

表1 機載GPS信號接收天線和攝站的三維坐標(biāo)

實際應(yīng)用表明，只要GNSS導(dǎo)航信號接收機能夠從衛(wèi)星導(dǎo)航電文中解譯出GNSS衛(wèi)星在軌三維點位而成為一種動態(tài)已知點，聯(lián)同所測得的站星距離，便可精確解算出用戶的實時在航點位。

3 衛(wèi)星導(dǎo)航電文的主要內(nèi)容

編算和注入衛(wèi)星導(dǎo)航電文，是衛(wèi)星地面監(jiān)控系統(tǒng)的一項極其重要的任務(wù)。衛(wèi)星導(dǎo)航電文，是以二進制碼的形式發(fā)送給用戶的數(shù)據(jù)碼，它主要包括獲取、定位、改正、導(dǎo)測和輔助等電文，其主要作用如下：

3.1 獲取電文

一般來說，一幀衛(wèi)星導(dǎo)航電文（例如1 500比特），包括一個主幀和幾個子幀（例如共5個子幀）；每一個子幀由10個字碼構(gòu)成（例如每字碼長30比特）。各個子幀第一個字碼的首發(fā)8比特稱為同步碼（TBM）；它作為識別衛(wèi)星電文的先兆，引導(dǎo)用戶易于解調(diào)衛(wèi)星電文。各個子幀第二個字碼的第20～22比特是子幀的識別碼，以便用戶分別解譯出各個子幀所傳送的電文內(nèi)容。

3.2 定位電文

為了解算出用戶位置，除了測量站星距離以外，還必須知道導(dǎo)航衛(wèi)星的實時在軌位置，稱之為動態(tài)已知點。它是由衛(wèi)星導(dǎo)航電文提供的，其方式有下述兩種：

⊙ 導(dǎo)航衛(wèi)星的在軌三維坐標(biāo)，以及導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運行的速度和加速度，稱之為“在軌坐標(biāo)式”；

⊙ 導(dǎo)航衛(wèi)星的s開普勒軌道及其攝動參數(shù)，稱之為“軌道參數(shù)式”。

當(dāng)用“軌道參數(shù)式”時，衛(wèi)星導(dǎo)航電文必須提供6個開普勒軌道參數(shù)，9個軌道攝動參數(shù)和2個時間參數(shù)，以便依據(jù)這十六七個參數(shù)精確算出導(dǎo)航衛(wèi)星的實時在軌位置。筆者認(rèn)為，這種多參數(shù)的應(yīng)用，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。

定位電文，是導(dǎo)航衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的主要電文，它以下述三類參數(shù)描述導(dǎo)航衛(wèi)星的運行軌道（如圖1所示）：

圖1 GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航的被動式定位原理圖解

1. 開普勒軌道6參數(shù)

（1）衛(wèi)星軌道長半軸的平方根。

（2）衛(wèi)星軌道偏心率e。

（3）參考時刻toe的軌道傾角i0。

（4）參考時刻toe的升交點赤經(jīng)Ω0。

（5）近地點角距ω。

（6）參考時刻toe的平近點角M0。

2. 衛(wèi)星軌道攝動9參數(shù)

（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(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(i-dot)。

（4）升交角距的正余弦調(diào)和改正項之振幅Cus，Cuc。

（5）軌道傾角的正余弦調(diào)和改正項之振幅Cis，Cic。

（6）軌道半軸的正余弦調(diào)和改正項之振幅Crs，Crc。Cus，Cuc，Cis，Cic，Crs，Crc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。

3. 時間2參數(shù)

（1）從選定時元開始度量的星歷參考時刻toe。

（2）星歷表的數(shù)據(jù)齡期AODE，且知

AODE＝toe－tL

式中，tL為作預(yù)報星歷測量的最后觀測時間，故AODE即是預(yù)報星歷的外推時間間隔。

上述開普勒軌道6參數(shù)、衛(wèi)星軌道攝動9參數(shù)、時間2參數(shù)等項內(nèi)容，構(gòu)成描述導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運行規(guī)律的星歷；此外，星歷的簡略形式，稱之為歷書，也是定位電文之一。換言之，定位電文，給用戶提供導(dǎo)航衛(wèi)星的星歷和歷書。表2給出了一個衛(wèi)星星歷解碼之例。

表2 衛(wèi)星星歷解碼之例（解碼所得到的衛(wèi)星星歷能夠在1×10-9量級與原始數(shù)據(jù)保持一致）

3.3 改正電文

改正電文，雖然不是所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都予以發(fā)送，但是，已成為目前的一種發(fā)展趨勢。改正電文，是為特許用戶和付費用戶提供的差分測量改正數(shù)據(jù)，致使他們僅用一臺GNSS導(dǎo)航信號接收機，能夠獲得亞米級的單機定位精度。為此，將改正電文分為用于特許用戶的“密級改正電文”和用于付費用戶的“付費改正電文”。

3.3.1 密級改正電文

20世紀(jì)90年代初期的海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭的實用表明，GPS是作戰(zhàn)武器的效力倍增器，GPS是贏得現(xiàn)代戰(zhàn)爭勝利的重要技術(shù)條件之一。現(xiàn)在，GPS信號接收機已成為美國陸、海、空、天軍的重要戰(zhàn)斗力之一。在這些軍用中，高精度的單機定位，具有廣闊的應(yīng)用前景。

考慮到GPS的成功實踐，筆者認(rèn)為，在設(shè)計衛(wèi)星導(dǎo)航電文時，就應(yīng)該為我軍廣泛而方便使用衛(wèi)星導(dǎo)航定位作出必有設(shè)計，而給我軍用戶提供一種加密的高精度差分測量改正數(shù)據(jù)，以便他們只需用一臺北斗導(dǎo)航信號接收機，就能夠獲得亞米級的單機定位精度。為此，我們設(shè)計了一種加密的高精度差分測量改正電文。

3.3.2 付費改正電文

在進行高精度的差分測量時，差分測量改正數(shù)據(jù)的生成，可概括為下列幾種[1]：

⊙ 單基準(zhǔn)站式；它由差分測量用戶自行建設(shè)一個地面基準(zhǔn)站，而用該基準(zhǔn)站向流動站發(fā)送差分測量改正數(shù)據(jù)；

⊙ 虛擬基準(zhǔn)站式；它由差分測量用戶自行建設(shè)一個地面基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，而用基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)控制中心向基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)內(nèi)的流動用戶們發(fā)送差分測量改正數(shù)據(jù)；

⊙ 衛(wèi)星基準(zhǔn)網(wǎng)式；它由一個用戶集團（如一國家、一個地區(qū)或一個公司）自行建設(shè)一個能夠覆蓋一國家或一個地區(qū)的基準(zhǔn)網(wǎng)，而用靜地衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送差分測量改正數(shù)據(jù)。由此可見，用戶為了實現(xiàn)高精度的導(dǎo)航定位，需要耗資甚至耗巨資去獲取差分測量改正數(shù)據(jù)。

因此，筆者認(rèn)為，如果衛(wèi)星導(dǎo)航電文能夠提供一種高精度的差分測量改正數(shù)據(jù)，而其付費又低于用戶自行獲取該種數(shù)據(jù)的費用，則可開拓更加廣闊的衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用市場，取得更大的投資回報，這是值得我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航電文設(shè)計參考的。

3.4 導(dǎo)測電文

導(dǎo)測電文，主要包括下列內(nèi)容：

⊙ 在軌導(dǎo)航衛(wèi)星的工作狀態(tài)正常與否，以便用戶選取適宜的導(dǎo)航衛(wèi)星構(gòu)成定位星座，進行導(dǎo)航定位觀測；

⊙ 在軌導(dǎo)航衛(wèi)星所發(fā)導(dǎo)航電文的置信度，以確保導(dǎo)航定定位的可靠性；

⊙ 在軌導(dǎo)航衛(wèi)星所發(fā)時標(biāo)的一致性與可靠性，以確保導(dǎo)航定定位的高精度；

⊙ 導(dǎo)航衛(wèi)星及其導(dǎo)航定位信號故障的預(yù)警時間，以確保高動態(tài)的可靠應(yīng)用。

2.5 輔助電文

輔助電文，主要包括下列內(nèi)容：

2.5.1 偽距測量的可達精度

若令MURA為偽距測量的可達精度，則知

式中，m為導(dǎo)航衛(wèi)星在軌位置的徑向誤差；mRD為導(dǎo)航衛(wèi)星在軌位置的切向誤差；mC為導(dǎo)航衛(wèi)星在軌位置的法向誤差；mT為導(dǎo)航衛(wèi)星時間系統(tǒng)導(dǎo)致的測距誤差；mP為導(dǎo)航衛(wèi)星軌道攝動導(dǎo)致的測距誤差；mM為導(dǎo)航衛(wèi)星監(jiān)測站偽距平滑改正導(dǎo)致的測距誤差。

2.5.2 導(dǎo)航定位信號分量的工作狀態(tài)信息

在采用三個導(dǎo)航定位信號的情況φ下，它們分別為：

式（3）、式（4）、式（5）三個導(dǎo)航定位信號的各個分量，在一般情況下，都是正常工作的。但是，在個別情況下，其中的個別分量發(fā)生異常，而導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)不能夠正常使用，損失導(dǎo)航定位精度。因此，哪一個分量發(fā)生了異常？衛(wèi)星導(dǎo)航電文應(yīng)予以指明；其數(shù)據(jù)來自導(dǎo)航衛(wèi)星工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

2.5.3 GNSS導(dǎo)航電文仿真編碼

為了便于讀者明白衛(wèi)星導(dǎo)航電文的形式，表3給出了一顆GNSS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文仿真編碼結(jié)果。

表3 一顆GNSS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文仿真編碼結(jié)果

此外，衛(wèi)星導(dǎo)航電文，是由地面注入站發(fā)送給導(dǎo)航衛(wèi)星的。這不僅需要實施編碼糾錯，而且需要選擇適合的調(diào)制電路，確保衛(wèi)星導(dǎo)航電文的正確注入給。導(dǎo)實航用衛(wèi)表星明正，確采注用入圖導(dǎo)3所航示電的文P。L圖L3調(diào)中制，電BP路SK，能是夠二相相移鍵控；GMSK是高斯濾波后最小頻移鍵控。

圖3 PLL調(diào)制電路

4 結(jié)束語

衛(wèi)星導(dǎo)航電文，是用于解算GNSS衛(wèi)星動態(tài)已知點之源，其主要內(nèi)容是星歷和歷書。GNSS用戶只需要測量用戶至GNSS衛(wèi)星的距離，用衛(wèi)星導(dǎo)航電文解算的動態(tài)已知點[1]，就能夠自主精確地解算出自己的7維狀態(tài)參數(shù)和3維姿態(tài)參數(shù)。因此，衛(wèi)星導(dǎo)航電文被稱呼為GNSS的導(dǎo)航靈魂；后續(xù)講座將對相關(guān)問題做詳細(xì)論述。

[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，2013

[2] Pisacane, V. L., Holland, B. B., and Black, H. D., “Recent (1973) Improvements in the Navy Navigation Satellite System,” Navigation. J. Inst. Navig. 20(3), 224–229 (Fall 1973).

[3] We11s,D.E., et a1, Guide to GPS Positioning, University of New Brunswick, Canada,1987

Satellite Navigation Message being GNSS Navigation Soul -- Transmitting/receiving Issue(4) of GNSS Navigation Signals

Liu Jiyu
School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079

It can be seen from satellite navigation practice that the satellite navigation message is GNSS navigation soul. The main contents of this paper are the discussion on the role of satellite navigation message for helping the readers to understand deeply the satellite navigation message of GPS/GLONASS/Galileo/BDS system.

Global navigation satellite system; GNSS navigation signal; Satellite navigation message

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.02.006

TN96

A

1672-7274（2014）02-0025-05

劉基余，現(xiàn)任武漢大學(xué)測繪學(xué)院教授/博士生導(dǎo)師，兼任美國紐約科學(xué)院（New York Academy of Sciences）外籍院士、中國電子學(xué)會會士。主要研究方向是GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位/衛(wèi)星激光測距技術(shù)，在國內(nèi)外30余種中英文學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了280余篇相關(guān)研究論文，獨著了（北京）科學(xué)出版社于2013年1月出版發(fā)行的《GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法》一書。他的主要業(yè)績已分別載于美國于2001年出版發(fā)行的《世界名人錄》（Who's Who in the World）、美國于2005年出版發(fā)行的《科技名人錄》（Who's Who in Science and Engineering）和中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會于2007年出版發(fā)行的《中國科學(xué)技術(shù)專家傳略》工程技術(shù)編《電子信息科學(xué)技術(shù)卷2》等五十多種國內(nèi)外辭書上。