GPS導航電文核心定位參數(shù)發(fā)展演變分析

常志巧，辛潔，時鑫，黃雙臨，邵佳妮

（ 32021部隊, 北京 100094 ）

0 引 言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)空間信號接口控制文件定義了導航電文的內容、編排結構、編碼方式、播發(fā)方式以及用戶算法等信息[1]，是連接導航系統(tǒng)空間段和用戶段的橋梁. 依據(jù)該文件，用戶接收機完成偽距測量、導航電文解析，根據(jù)提供的導航算法進行定位解算. 各大衛(wèi)星導航系統(tǒng)在正式提供服務前，都需要對外界發(fā)布相應的接口控制文件.

GPS是世界最先建成并投入使用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，現(xiàn)有導航電文類型包括傳統(tǒng)導航電文(LNAV:legacy navigation)和新型民用導航電文(CNAV: civil navigation、CNAV-2)，其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)導航電文以GPS導航電文為基礎發(fā)展而來. GPS現(xiàn)有IS-GPS-200、IS-GPS-705和IS-GPS-800 三種空間信號接口控制文件系列. 早在1983年1月25日，GPS官方發(fā)布了空間信號接口控制文件初始版本ICD-GPS-200[2]，該文件定義了最初3種傳統(tǒng)信號L1CA、P1、P2的空間信號接口. 為了適應GPS現(xiàn)代化增加民用信號L2C的需求，2004年11月23日，在ICD-GPS-200的基礎上增加了民用中等長度碼(L2CM)和民用長碼信號(L2CL)的接口定義，并正式更名為ISGPS-200[3]，現(xiàn)有最新版本為2020年8月3日發(fā)布的IS-GPS-200L[2]. 為了滿足用戶的生命安全需求，Block IIF及其后續(xù)衛(wèi)星都規(guī)劃播發(fā)L5民用信號[4]，該信號的空間信號接口在IS-GPS-705系列文件中定義，自2003年11月24日發(fā)布初始版本后，隨后歷經(jīng)A～G 7個版本，目前最新版本為2020年8月3日發(fā)布的IS-GPS-705G[5]. GPS現(xiàn)代化規(guī)劃在GPS III/ IIIF衛(wèi)星的L1頻點增加全球兼容信號L1C[4]，官方于2003年11月24日發(fā)布了L1C空間信號接口文件的初始版本，隨后歷經(jīng)A～G 7個版本，目前最新版本為2020年8月3日發(fā)布的IS-GPS-800G[6]. 2018年12月隨著第一顆GPS III發(fā)射升空[4]，伴隨著L1C信號接收試驗，IS-GPS-800G得以啟用.

GPS導航電文類型包括傳統(tǒng)導航電文和民用導航電文，表1列出了GPS現(xiàn)有在軌各類衛(wèi)星播發(fā)的導航信號、導航電文類型及對應的空間信號接口文件系列.

由表1可知，傳統(tǒng)GPS信號的電文類型采用LNAV，GPS現(xiàn)代化增加的民用信號L2C和L5采用CNAV類型，新增民用信號L1C采用CNAV-2類型.

1 GPS導航電文結構及播發(fā)方式

調制在C/A 碼及P(Y)碼上的傳統(tǒng)導航電文LNAV采用固定幀結構，以“幀”為單位，按固定順序依次向外播發(fā). 一個主幀的長度為1 500 bit，電文的播發(fā)速率為50 bit/s，播發(fā)一個主幀的電文需30 s. 一個主幀包含5個子幀，每個子幀的長度為300 bit，播發(fā)時間為6 s. 其中第一、二、三子幀播發(fā)衛(wèi)星鐘差、TGD參數(shù)、星歷參數(shù)等基本定位信息，第四、五子幀各有25個不同的頁面，可依次提供電離層參數(shù)、UTC參數(shù)及其他衛(wèi)星的歷書等相關信息. 每隔30 s，播完一個主幀，用戶獲得第一、二、三子幀完整的基本定位信息，第四子幀和第五子幀將依次翻轉1頁.第四子幀和第五子幀在播完25頁后再從頭開始播發(fā)，用戶需花費12.5 min來接收一組完整的導航電文. 這種固定幀結構被大多數(shù)衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用，如GLONASS導航電文[7]、Galileo F/NAV和I/NAV導航電文[8]、北斗D1和D2導航電文，這些導航電文與GPS LNAV在播發(fā)順序方面存在差異[9].

調制在L2C和L5上的CNAV導航電文采用數(shù)據(jù)塊結構，以300 bit為一個基本電文數(shù)據(jù)塊向外播發(fā)，每條信息包含24 bit冗余校驗位對整幀電文進行檢核. L2C播發(fā)一條數(shù)據(jù)塊需要12 s[2]，而L5只需6 s[5].CNAV導航電文中共有15種不同形式的電文類型，系統(tǒng)功能擴展可通過定義新的數(shù)據(jù)塊類型來實現(xiàn)，具有很好的靈活性. 電文類型的播發(fā)順序可以采用隨機的方式，但通常需要考慮向用戶提供最優(yōu)服務. 在ISGPS-200和IS-GPS-705空間信號接口控制文件中具體定義了星歷參數(shù)類型10和11、衛(wèi)星鐘差參數(shù)類型30～37中任意類型的最大更新周期，其余電文類型在保證不超過各自最大更新周期的前提下插空播發(fā). 北斗三號(BDS-3) B2a信號播發(fā)的B-CNAV2電文也采用GPS CNAV這種數(shù)據(jù)塊結構，與GPS CNAV在信息速率方面存在差異[10].

調制在L1C上的CNAV-2導航電文，采用固定幀和數(shù)據(jù)塊結構相結合的混合幀結構[11]，一個主幀由3個不同長度的子幀構成，前2個子幀按照固定順序發(fā)播，第三子幀根據(jù)系統(tǒng)需求隨機發(fā)播[6]. 第一子幀發(fā)播時間間隔信息；第二子幀發(fā)播廣播星歷、星鐘信息、衛(wèi)星群延遲參數(shù)和完好性參數(shù)；第三子幀發(fā)播電離層參數(shù)、UTC參數(shù)、歷書參數(shù)等輔助信息，允許不同頁面的發(fā)播順序隨機，既滿足核心定位參數(shù)播發(fā)的固定性和輔助信息播發(fā)的靈活性. 在電文內容上CNAV-2與CNAV基本一致[9]. BDS-3 B1C信號播發(fā)的B-CNAV1電文也采用GPS CNAV-2這種混合幀結構[12].

2 核心定位參數(shù)的發(fā)展演變

GPS在系統(tǒng)建設和早期運行階段，定位精度通常為幾十米量級，LNAV中衛(wèi)星星歷和鐘差表達精度在分米量級即可滿足性能需求. 隨著GPS的發(fā)展，地面控制系統(tǒng)可以獲得更高精度的衛(wèi)星軌道和鐘差結果，用戶可以獲得米級甚至分米級的定位精度. 這就要求在新導航電文中設計新的模型和工程接口適應高精度定位需求.

2.1 衛(wèi)星星歷參數(shù)

GPS傳統(tǒng)導航電文LNAV采用開普勒軌道根數(shù)及其攝動變化量組成的星歷參數(shù)，包括1個參考時刻、6個參考時刻的開普勒根數(shù)、6個短周期調和改正項振幅、3個長期項改正數(shù)共16個參數(shù). 考慮到半長徑和偏心率在地球非球形引力項J22的影響下存在長周期變化，CNAV及CNAV-2新型民用導航電文在原來16參數(shù)的基礎上，引入半長徑長期變化率A˙以 及與半長徑相關的Δn˙0[13]，使星歷擬合精度得到提高[14]. 同時，精化了大部分參數(shù)的比例因子，增加了比特數(shù)，以便更精確地描述衛(wèi)星軌道. 在新導航電文中取消了星歷參數(shù)版本號IODE，增加衛(wèi)星鐘、星歷和完好性(CEI：Clock， Ephemeris， Integrity)數(shù)據(jù)序列預報時刻top， 當衛(wèi)星星歷、鐘差等電文中的top一致時，表示同一時刻上注的電文參數(shù)，可以聯(lián)合使用，星歷參數(shù)如表2所示.

2.2 衛(wèi)星鐘差參數(shù)

新型民用導航電文鐘差修正模型仍然延用

LNAV二階多項式模型，各參數(shù)的比例因子和比特數(shù)有變化，除鐘差參數(shù)參考時刻量化單位從16增大至300，比特位從16降低至11位，其余af0、af1、af2衛(wèi)星

鐘偏差、衛(wèi)星鐘漂移、衛(wèi)星鐘漂移率參數(shù)的量化單位減小，比特位增加，可以更精確的描述衛(wèi)星鐘差，GPS衛(wèi)星新舊鐘差對比如表3所示.

表3 GPS衛(wèi)星新舊鐘差參數(shù)對比

2.3 衛(wèi)星群延遲參數(shù)

在LNAV電文中衛(wèi)星群延遲只有1個參數(shù)TGD，在CNAV導航電文中增加至5個參數(shù)，分別為TGD、ISCL1C/A、I SCL2C、I SCL5/I5、I SCL5/Q5；在CNAV-2導 航電文中增加至3個參數(shù)，分別為TGD、I SCL1CP、I SCL1CD.在CNAV和CNAV-2電文中同時將群延遲參數(shù)的比例因子由0.5 ns精化至0.03 ns，表達范圍由±60 ns調整至±119 ns，描述衛(wèi)星群延遲更加精確.

2.4 用戶測距精度指數(shù)

GPS用戶測距精度(URA)是特定衛(wèi)星特定信號測距精度的統(tǒng)計指標. URA提供用戶測距誤差(URE)保守均方根(RMS)估計，包括空間段和地面控制段引起的誤差. 無論完好性標志是否打開，4.42倍URA以每小時1-(1 ×10-5)的概率(“傳統(tǒng)”完好性保證水平)包絡瞬時URE，告警時間小于8 s[1，5-6].當完好性標識打開時，5.73倍URA以每小時1-(1×10-8)的概率(“增強”完好性保證)包絡瞬時URE，告警時間小于5.2 s[1，5-6]. 對任一URA指數(shù)(N)，用戶可以利用ICD中提供的公式計算名義URA.

在LNAV電文中用戶測距精度用URA指數(shù)1個參數(shù)表示，由4 bit組成，其取值為0～15，在新型民用導航電文中，對用戶測距精度參數(shù)進行了擴充，擴展為由星歷引起的測距精度URAoe指數(shù)和衛(wèi)星鐘引起的測距精度指數(shù)(URAoc指數(shù)、URAoc1指數(shù)、URAoc2指數(shù))共4個參數(shù). URAoe指數(shù)和URAoc指數(shù)各占5 bit，表示范圍也從原來的0～15擴展為-16～15，當指數(shù)取值為1～15時，其含義與傳統(tǒng)電文相同，但把傳統(tǒng)電文中N=0的情況細分為16個等級，分別用0～-15來表示，以適應精度提升需要. URAoc1指數(shù)和URAoc2各占3 bit，表示范圍為0～7.

從IS-GPS-200F、IS-GPS-705B、IS-GPS-800B開始的所有文件規(guī)定URA由高度角相關的URAED和與高度角不相關的URANED的RMS組成. 用URAED指數(shù)代替URAoe指；URANED0指數(shù)代替URAoc指數(shù)；URANED1指數(shù)代替URAoc1指數(shù)；URANED2指數(shù)代替URAoc2指數(shù)；并優(yōu)化了完好性指數(shù)與URA映射表達式.

3 核心定位參數(shù)改進效果分析

3.1 衛(wèi)星星歷參數(shù)的改進效果分析

利用2013年北斗中軌道(MEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)全年的精密星歷(軌道參數(shù)與GPS衛(wèi)星相近)分別進行新舊星歷參數(shù)擬合試驗，星歷擬合采用4 h擬合弧長，采用滑動窗口的方式，每1 h擬合1次. 圖1～2分別給出了舊、新電文星歷擬合誤差RMS序列.

圖2 新電文星歷擬合RMS序列

表4 ～5分別給出了舊、新電文星歷擬合RMS統(tǒng)計. 對比表4和表5，可得新星歷相對于舊星歷擬合位置誤差RMS平均值由0.137 m減小為0.025 m，擬合URE RMS平均值由0.053 m減小為0.010 m.為適應高精度星歷擬合模型，距離量化單位也減小至毫米量級.

表4 舊電文星歷擬合RMS統(tǒng)計 m

表5 新電文星歷擬合RMS統(tǒng)計 m

3.2 星鐘差參數(shù)的改進效果分析

利用MATLAB工具仿真產(chǎn)生0～0.5的隨機數(shù)，分別與新、舊導航電文衛(wèi)星鐘差參數(shù)的量化單位誤差相乘，獲得量化誤差，設置鐘差預報時間為1 h，分別求出新、舊導航電文由鐘差參數(shù)量化單位誤差引起的鐘差預報誤差. 圖3給出了1 000次試驗中，新、舊電文衛(wèi)星鐘差參數(shù)量化單位引起的預報誤差對比.統(tǒng)計1 000次預報結果獲得舊電文鐘差預報誤差RMS為0.097 m，新電文RMS為0.042 m.

3.3 衛(wèi)星群延遲參數(shù)的改進效果分析

衛(wèi)星群延遲參數(shù)通過增加參數(shù)個數(shù)來描述新信號與基準信號的差異，同時通過擴大參數(shù)范圍和縮小量化單位，使得表達更加精確.

3.4 用戶測距精度指數(shù)的改進效果分析

新電文中對用戶測距精度參數(shù)進行了擴充和精化，將URA指數(shù)擴展為由星歷引起的測距精度URAED指數(shù)和衛(wèi)星鐘引起的測距精度URANED指數(shù)；把傳統(tǒng)電文中N=0的情況細分為16個等級，分別用0～-15來表示，以適應精度提升需要. 以URAED指數(shù)為例，說明改進效果，表6為舊電文中UAR指數(shù)與URA關系映射表，URA指數(shù)范圍為0～15，表達的用戶測距精度最小尺度為2.4 m；在新電文中，1～15指數(shù)的含義如表6所示，而0～-15指數(shù)代表的映射關系如表7所示，表達的用戶測距精度最小尺度為0.01 m，用戶測距精度表達更精細.

表6 舊電文URA指數(shù)與URA關系映射表 m

表7 新電文URAED指數(shù)與URAED關系映射表 m

4 結束語

本文首先比較了新舊GPS導航電文在星歷、鐘差、群延遲及完好性等核心定位參數(shù)的參數(shù)個數(shù)、參數(shù)意義和所占比特位等方面的異同. 通過對新舊電文星歷擬合和鐘差表達精度的比較分析，揭示了GPS導航電文核心定位參數(shù)的發(fā)展演變規(guī)律，即采用增加核心定位參數(shù)和減小量化單位的方法，提供高了廣播星歷、鐘差產(chǎn)品和群延遲參數(shù)的精度，精化了完好性參數(shù)的表達尺度. 總體而言，相對于舊電文新電文衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差和群延遲參數(shù)的表達精度由分米量級提升至厘米量級；完好性參數(shù)URA指數(shù)的最小表達尺度從米級提升至厘米量級.