GNSS電文分析軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高 米，趙 昀

(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100191)

0 引言

現(xiàn)今，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)［1］正處于蓬勃發(fā)展的階段，世界各國都在加緊研制各種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。除了GPS系統(tǒng)，我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Compass)、歐盟的Galileo系統(tǒng)以及俄羅斯的Glonass系統(tǒng)也處于積極建設(shè)或改造升級階段。在此背景下，導(dǎo)航電文設(shè)計(jì)已成為GNSS系統(tǒng)研究和發(fā)展的重要主題。

下面主要研究GNSS電文分析軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［2］，該軟件能夠展示各導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)有電文的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，支持用戶通過電文自定義配置進(jìn)行新的電文設(shè)計(jì)，并能夠?qū)εc電文設(shè)計(jì)有關(guān)的首次定位時(shí)間、解調(diào)門限和精度等導(dǎo)航用戶性能實(shí)現(xiàn)分析評估。

1 GNSS電文分析軟件總體架構(gòu)

本文研究的GNSS電文分析軟件能對各系統(tǒng)不同頻點(diǎn)的電文［3］進(jìn)行展示和性能分析，還能支持用戶實(shí)現(xiàn)電文自定義配置，總體功能架構(gòu)及數(shù)據(jù)流圖如圖1所示。

圖1 GNSS電文軟件總體功能架構(gòu)及數(shù)據(jù)流

GNSS電文分析軟件的總體功能框架主要包括電文展示和性能分析2部分，用戶通過人機(jī)交互用戶配置與圖形界面輸入?yún)?shù)與命令，并通過數(shù)據(jù)與圖形顯示輸出界面輸出結(jié)果。電文展示部分包括已有電文顯示和用戶自定義配置2部分;性能分析部分主要涉及首次定位時(shí)間、解調(diào)門限及精度的分析計(jì)算。

GNSS電文軟件基于PC平臺應(yīng)用VC++編程實(shí)現(xiàn)，其用戶主界面設(shè)計(jì)參見文獻(xiàn)［4］。界面包括用戶配置選項(xiàng)，并進(jìn)一步劃分為已有電文和自定義電文的用戶配置。自定義電文的用戶配置包括結(jié)構(gòu)自定義配置和參數(shù)自定義配置。此外，用戶界面包括電文結(jié)構(gòu)及參數(shù)顯示區(qū)，用戶可以選擇已有電文或?qū)⒆远x配置產(chǎn)生的電文通過這個(gè)區(qū)域展示。

2 已有電文結(jié)構(gòu)與參數(shù)展示

已有電文的展示涉及如何存儲電文的結(jié)構(gòu)和參數(shù)信息，如何根據(jù)用戶的選擇讀取所需電文的信息，以及如何將讀取的電文信息繪制到用戶界面。

2.1 導(dǎo)航電文的存儲

對于已有電文的展示，由于電文的結(jié)構(gòu)及參數(shù)都是已經(jīng)固定的，所以只需事先將其存儲，在用戶選擇時(shí)進(jìn)行讀取即可。導(dǎo)航電文的存儲主要包括電文結(jié)構(gòu)的存儲和電文參數(shù)的存儲，結(jié)構(gòu)存儲主要有主幀個(gè)數(shù)、子幀個(gè)數(shù)和長度以及同步頭和校驗(yàn)位的位置和長度等，參數(shù)的存儲包括參數(shù)的名稱、長度、起始位置和比例因子。

考慮到電文超幀包含主幀、主幀包含子幀、子幀可能進(jìn)一步包含字，以及具體參數(shù)的層層關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用XML文件對電文結(jié)構(gòu)與參數(shù)進(jìn)行存儲。XML文件的基本語法是由元素、屬性和實(shí)體構(gòu)成的［5］。電文存儲中使用的語法是元素，元素是所存儲數(shù)據(jù)的標(biāo)記;元素還可以包含其他元素，呈現(xiàn)出樹狀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。使用XML文件存儲電文時(shí)首先創(chuàng)建名為name、length、location和 scale元素去標(biāo)記電文參數(shù)的名稱、長度、起始位置和比例因子，再用主幀元素去包含這4個(gè)參數(shù)元素，最后用超幀元素去包含主幀元素來完成對完整電文的存儲。

2.2 導(dǎo)航電文的讀取

首先建立4個(gè)二維矩陣，分別用于存儲電文參數(shù)的名稱、長度、起始位置和比例因子，其中，矩陣的第1維代表參數(shù)所在第幾主幀;矩陣的第二維代表該參數(shù)是該主幀上的第幾個(gè)參數(shù)。電文參數(shù)的名稱、長度、起始位置和比例因子信息分別存儲在4個(gè)相似的矩陣中，同一參數(shù)的名稱、長度、起始位置和比例因子在4個(gè)矩陣中所存儲的位置對應(yīng)序號相同。如要獲取第i主幀的第j個(gè)參數(shù)的信息，分別讀取4個(gè)矩陣中第i行第j列數(shù)據(jù)即可。

讀取時(shí)程序根據(jù)用戶所選導(dǎo)航系統(tǒng)和頻點(diǎn)的電文去搜索對應(yīng)的超幀元素，找到之后遍歷該元素下所包含的全部主幀元素及各主幀所包含的參數(shù)的名稱、長度、起始位置和比例因子元素，并存入對應(yīng)的二維矩陣中。

2.3 導(dǎo)航電文的繪制

根據(jù)之前存儲的信息進(jìn)行繪制，每次根據(jù)用戶選擇的主幀序號繪制一個(gè)主幀?；赩C++的電文繪制主要是將長度與起始位置等參數(shù)轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)，并根據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行圖形函數(shù)的調(diào)用。

首先繪制電文整體結(jié)構(gòu)，根據(jù)所選主幀的長度參數(shù)計(jì)算起始坐標(biāo)和結(jié)束坐標(biāo)，調(diào)用矩形函數(shù)繪制電文的整體框架，然后再根據(jù)同步頭及校驗(yàn)位參數(shù)的長度和起始位置計(jì)算同步頭和校驗(yàn)位的坐標(biāo)，并根據(jù)坐標(biāo)對電文框架進(jìn)行隔斷，標(biāo)注同步頭和校驗(yàn)位。之后在上面添加電文參數(shù)，具體尋找起始位置的方法與同步頭和校驗(yàn)位的方法相同，根據(jù)之前存儲起始位置的二維矩陣找到參數(shù)的起始位置，根據(jù)存儲參數(shù)長度的二維矩陣確定參數(shù)的結(jié)束位置，并根據(jù)存儲的參數(shù)名稱進(jìn)行參數(shù)標(biāo)注。

3 支持用戶自定義配置電文

為了支持電文研究者設(shè)計(jì)出新的電文，GNSS電文分析軟件還提供了電文自定義配置的功能。

3.1 自定義配置需要解決的問題

GNSS電文發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)形成了多套各具特點(diǎn)的電文，除了不同的參數(shù)種類，電文結(jié)構(gòu)也各具特點(diǎn)［6］，比如固定幀(如 GPS NAV)、數(shù)據(jù)塊［7］(如GPS CNAV)和混合幀結(jié)構(gòu)(如GPS CNAV－2)。最初的GPS NAV具有“超幀—主幀—子幀—字—參數(shù)”的結(jié)構(gòu)模式。在NAV之后的GPS電文在結(jié)構(gòu)上取消了“字”的概念，最底層的結(jié)構(gòu)單位是“子幀”級別的，而且不同子幀的長度也不一定相等。

為了滿足用戶不同的設(shè)計(jì)需求，需要設(shè)計(jì)出一種可由用戶任意配置，至少涵蓋所有現(xiàn)行GNSS電文形式的自定義配置方案。

3.2 電文自定義配置方法

通過分析現(xiàn)行GNSS電文形式，得出一種較為簡便可行的電文自定義配置方案:認(rèn)為所有子幀都是由字構(gòu)成的，GPS NAV的子幀是由多個(gè)字構(gòu)成的，而其他電文的子幀則是由一個(gè)字構(gòu)成的;所有電文都有同步頭，只是有的同步頭的長度為0。這樣所有形式的電文可以通過一個(gè)統(tǒng)一的流程配置出來，其具體步驟如下:

①配置電文包含的主幀個(gè)數(shù)，主幀的長度為各子幀長度之和，在后面的步驟中確定。

②配置每個(gè)主幀包含的子幀個(gè)數(shù)，子幀長度為其包含的各字的長度之和，在后面的步驟中確定。

③配置每個(gè)子幀中包含的字個(gè)數(shù)，這里的輸入為每個(gè)子幀的字個(gè)數(shù)，是一個(gè)數(shù)組。不同子幀可以包含不同的字個(gè)數(shù)。字個(gè)數(shù)可以為1，若為1，則此時(shí)子幀與字平級，表明電文結(jié)構(gòu)中子幀為最小單位。

④對每個(gè)字進(jìn)行具體配置，要求用戶定義字的長度、同步頭長度和校驗(yàn)位長度。同步頭長度可以為0，對應(yīng)于GPS CNAV-2電文沒有同步頭的情況。完成此步配置后系統(tǒng)會計(jì)算出前面提到的子幀長度與主幀長度，每個(gè)子幀包含的字的長度之和為子幀長度，每個(gè)主幀包含的子幀長度之和為主幀長度。

⑤用戶自定義結(jié)構(gòu)配置完成后，進(jìn)行參數(shù)配置。用戶需要選擇參數(shù)種類(星歷、星鐘和電離層等)，然后選擇具體參數(shù)并對其長度進(jìn)行配置，最后為其分配所在位置。所在位置按照主幀進(jìn)行分配，可以選擇只在一個(gè)主幀上，或者重復(fù)出現(xiàn)在多個(gè)主幀上，并計(jì)算參數(shù)的起始位置。每配置一個(gè)參數(shù)，都重復(fù)步驟⑤。

4 電文性能分析設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電文的設(shè)計(jì)影響首次定位時(shí)間、解調(diào)門限和精度等導(dǎo)航用戶性能［8］。本軟件能夠給出上述性能的分析評估結(jié)果。

4.1 首次定位時(shí)間

這里所說的首次定位時(shí)間是指在接收機(jī)捕獲到衛(wèi)星信號以后，從開始接收導(dǎo)航電文至接收到定位解算所需的完整數(shù)據(jù)集所歷經(jīng)的時(shí)間［9］。一般來說，定位計(jì)算所需的數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘改正數(shù)據(jù)［10］等數(shù)據(jù)。首次定位時(shí)間除了與電文的信息速率有關(guān)外，還與星歷和星鐘參數(shù)長度及其在電文結(jié)構(gòu)中的分布有關(guān)。

軟件中根據(jù)用戶選擇的電文類型，進(jìn)行相應(yīng)的分析計(jì)算，并給出結(jié)果。GPS CNAV電文的首次定位時(shí)間計(jì)算結(jié)果如圖2所示，并與GPS NAV電文進(jìn)行了比較。

圖2 首次定位時(shí)間計(jì)算結(jié)果

4.2 解調(diào)門限

解調(diào)門限與誤比特率、信息速率、載波相位跟蹤誤差和電文編碼有關(guān)。

在軟件中根據(jù)用戶輸入的載波相位誤差和誤比特率以及編碼方式的選擇，計(jì)算出相應(yīng)的解調(diào)門限。以如下設(shè)置為例，誤比特率為10－6，載波相位跟蹤誤差為10°，則 GPS NAV與 Galileo F/NAV的解調(diào)門限計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 解調(diào)門限計(jì)算結(jié)果

4.3 精度

文中的精度分析僅涉及與電文表示有關(guān)的星歷及星鐘參數(shù)［11］截?cái)嗾`差。

星歷及星鐘參數(shù)截?cái)嗾`差與相應(yīng)參數(shù)的電文比特?cái)?shù)和比例因子有關(guān)［12］。電文中播發(fā)的參數(shù)是受限于被分配的比特?cái)?shù)而截?cái)嘞鄳?yīng)原始數(shù)據(jù)的結(jié)果?；诮?cái)嗪蟮闹苯迂暙I(xiàn)于用戶定位的每個(gè)電文參數(shù)進(jìn)行衛(wèi)星位置計(jì)算，得出受截?cái)嗾`差影響的衛(wèi)星位置。此外，由電文原始數(shù)據(jù)得出的基準(zhǔn)衛(wèi)星位置。根據(jù)設(shè)置的用戶位置和基準(zhǔn)衛(wèi)星位置，得出偽距測量值，進(jìn)而得到受截?cái)嗾`差影響并考慮由用戶與衛(wèi)星相對位置決定的幾何精度因子(GDOP)的用戶定位誤差。

依據(jù)上述方法得出的用戶定位誤差示例如圖4所示。

圖4 用戶定位誤差計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)束語

導(dǎo)航電文的設(shè)計(jì)關(guān)系到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。本文給出了一種GNSS電文分析方法的軟件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)提供了電文存儲以及電文自定義配置等具體軟件功能的實(shí)現(xiàn)方案。通過將軟件向用戶輸出的首次定位時(shí)間、解調(diào)門限和精度等性能分析結(jié)果與對應(yīng)的理論分析結(jié)果［4］進(jìn)行比較，反映了電文分析軟件設(shè)計(jì)正確。

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