GPS民用導航電文演變分析＊

唐 曙，易先清，于 凱

（國防科技大學五院信息系統(tǒng)工程重點實驗室，湖南 長沙410073）

0 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，導航電文編排的好壞直接關系到系統(tǒng)定位的準確性和定位計算的效率[1]，對整個定位系統(tǒng)的性能影響是很大的，GPS全球定位導航系統(tǒng)一直是國際上GNSS行業(yè)內(nèi)的領跑者，那么其在電文設計上有什么獨到之處？并且隨著系統(tǒng)的更新升級，其在導航電文上的變化對于系統(tǒng)性能的提升主要表現(xiàn)在哪些方面？主要對導航電文NAV（Navigation）、現(xiàn)代化導航電文CNAV（Civil Navigation）、CNAV－2（Civil Navigation 2）3類導航電文的組成、特點以及性能進行了詳細分析，并對上述問題作了一些合理的解答。

1 電文的結構

首先從電文的組成、電文編排結構、電文播發(fā)方式、編碼設計這4個方面對GPS的3類電文作了一些簡要的介紹。

1.1 導航電文NAV

如圖1所示，在NAV電文結構中，由5個300 bit的子幀構成一個主幀，再由25個主幀構成一個超幀，總長為37500bit，導航衛(wèi)星廣播電文的速率為50bps（bit per second），采用按照子幀幀號和頁面號的順序的電文播發(fā)方式，全部的電文播發(fā)需12.5min。單顆衛(wèi)星以12.5min的周期向用戶廣播[2－4]，如圖1所 示；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，這種編碼很大程度上限制了電文內(nèi)容的編排，靈活性很差[5－7]。

圖1 NAV結構圖

1.2 導航內(nèi)文CNAV

如圖2所示，CNAV 由64（0～63）個數(shù)據(jù)塊組成，其中數(shù)據(jù)塊0為默認數(shù)據(jù)塊。其中只有14個數(shù)據(jù)塊定義了具體參數(shù)，剩余50個數(shù)據(jù)塊作為預留。每個數(shù)據(jù)塊長為300bit，總長為15000bit，導航衛(wèi)星在L2C頻點上播發(fā)速率為25bps，單顆衛(wèi)星12s播發(fā)完畢；L5頻點上播發(fā)速率為50bps，單顆衛(wèi)星6s播發(fā)完畢。采用在規(guī)定的最長播發(fā)間隔內(nèi)或根據(jù)用戶需求隨機播發(fā)，預留塊不播發(fā)，需要廣播的電文總長為4200bit.具體參數(shù)分布請參見圖2[2－4]。CNAV進行了改變，采用卷積碼，CRC循環(huán)冗余校檢。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[5－7]。

圖2 CNAV結構圖

1.3 導航內(nèi)文CNAV－2

如圖3、4所示，CNAV－2由3個子幀構成1個主幀，7個主幀構成1個超幀，子幀3的第7頁為預留。從圖上可知，子幀的長度各不相同，子幀1為9bit，子幀2為600bit，子幀3為274bit，電文總長為6181bit.CNAV－2采用的是多重差錯控制方式，子幀1、2采用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[2－4]。

圖3 CNAV－2示意圖

圖4 CNAV－2結構圖

主幀883bit電文編碼成1800字碼（symbol），播發(fā)速率為100sps（symbol per second），單顆主幀18s播發(fā)完畢，雖然采用幀的結構，但在播發(fā)方式上，與CNAV一樣采用在規(guī)定的最長播發(fā)間隔內(nèi)或根據(jù)用戶需求隨機播發(fā)，預留幀都不播發(fā)。7幀中每一頁的子幀1、2作為重復冗余幀，子幀3不同頁碼對應的內(nèi)容各不相同[5－7]。

2 電文的變化

在分析電文變化前，先對電文中一些主要的參數(shù)作個長度的比較，統(tǒng)計出來的數(shù)值是依據(jù)ICD接口文件為準。

從表1可以看出電文被劃分了5個部分，依照

表1 電文信息統(tǒng)計

順序分別對應著電文演變的5個方面：參數(shù)精度提高、電文參數(shù)新增、電文改進、電文刪減、電文編排變化。依照電文年代又分成傳統(tǒng)電文和現(xiàn)代化電文。而表中現(xiàn)代化電文CNAV和CNAV－2在前4個部分基本上沒有區(qū)別，主要是電文編排上的區(qū)別。而像衛(wèi)星時鐘參數(shù)、測距精度指示、UTC參數(shù)、信號延時修正等方面基本上變化不大，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)星載波的變化作了的一些調(diào)整，因此，在表中以其他列出。接口文件中三類電文其總的長度從NAV的37500bit降低為6181bit，以下分析電文變化表現(xiàn)在哪些方面以及對系統(tǒng)性能的影響。

1）參數(shù)精度提高

星歷參數(shù)是對GPS衛(wèi)星軌道的精密擬合，是導航定位解算的基礎數(shù)據(jù)，從NAV的16參數(shù)星歷358bit演變成CNAV和CNAV－2的18參數(shù)星歷401bit，精度的提高也更精確地描述了衛(wèi)星的運行軌道。

2）電文參數(shù)新增

新增加的電文主要是GGTO（GPS／GNSS時間偏差）和地球定向參數(shù)，前者是GPS與其他GNSS系統(tǒng)時間偏差，目的就是實現(xiàn)與不同GNSS之間的兼容和互操作，是GPS實現(xiàn)互操作的表現(xiàn)之一；后者的作用是方便用戶實現(xiàn)地心地固坐標系與地心慣性坐標系之間的轉(zhuǎn)換，提高接收機的解算效率。

3）電文改進

改進的電文又可以從4個方面來體現(xiàn)，分別是歷書被分成中等精度歷書和簡化歷書；原來的導航信息修正表由差分修正取代；衛(wèi)星健康狀況由信號健康狀況取代；專用電文變成了文本信息。

①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，所以歷書參數(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。

在現(xiàn)代化GPS電文CNAV和CNAV－2中，歷書由兩部分構成，中等精度歷書和簡化歷書，其中中等精度歷書為包含2個星鐘修正參數(shù)在內(nèi)的10參數(shù)127bit，簡化歷書由N個簡化歷書包組成，簡化歷書包由包含3個信號健康狀況在內(nèi)的6參數(shù)構成。CNAV：31（單歷書包長度）×11（歷書包個數(shù)）＝341bit；CNAV－2：33＊6＝198bit.在傳統(tǒng)電文中，所有衛(wèi)星歷書都以中等精度歷書給出，而在現(xiàn)代化電文中除了本星歷書是中等精度歷書外，其余星全以簡化歷書給出，當然CNAV和CNAV－2的電文中簡化歷書從長度上看并未包含全部的衛(wèi)星。

圖5 導航衛(wèi)星星座投影圖

圖5是2004年7月在軌衛(wèi)星的投影圖，其中有灰色陰影點12為GPS blockⅡR衛(wèi)星，黑色點為以前批號的衛(wèi)星，而ICD文件發(fā)布日期為2004年11月7號，而CNAV中算上本星中等精度歷書一共有12個歷書數(shù)據(jù)組，也就是說GPS blockⅡR衛(wèi)星播發(fā)電文中歷書數(shù)與在軌衛(wèi)星數(shù)是相符的，不過卻存在如下的問題：就是不同批號間衛(wèi)星采用的電文類型不一樣，那么用戶在收集歷書數(shù)據(jù)時，無法從一顆衛(wèi)星上收集全網(wǎng)衛(wèi)星的歷書。至于CNAV－2中為什么只有7顆衛(wèi)星歷書數(shù)據(jù)組，可能和GPS新一代衛(wèi)星發(fā)射計劃有關。

如果以30顆衛(wèi)星來計算，星歷就節(jié)省了2726 bit電文長度，因為簡化歷書比中等精度歷書的播發(fā)周期短，所以削減電文中歷書總長度可以縮短啟動狀態(tài)或其它特殊場景用戶對歷書數(shù)據(jù)的收集時間，更好的滿足不同用戶的需求[9]。

②差分修正

在有的論文中，把差分修正作為現(xiàn)代化GPS新增電文來分析，其實在NAV中就有關于對于星歷與時鐘的估計誤差修正——NMCT，導航信息修正表。包含有30個6bit的估算范圍誤差。直接用來修正用戶的偽距測量值，而差分修正則把修正量分散到各個參數(shù)中，對于每顆衛(wèi)星，估算范圍偏差是對偽距的估計誤差修正，它們由控制段計算用于對星歷和時鐘誤差的修正，可以說是差分修正的前身。

而差分修正雖然長度增加了，由原來的NMCT的6（單顆衛(wèi)星修正參數(shù)長度）×30（衛(wèi)星個數(shù)）＝180bit演變成了CNAV和CNAV－2的514 bit和126bit，但是在精度上更加符合系統(tǒng)對修正精度的要求。

差分修正也由兩部分組成，時鐘差分（CDC）和星歷差分（EDC），單個參數(shù)包長度分別為4參數(shù)34bit和8參數(shù)92bit.主要目的就是使用戶獲得更高的時鐘和星歷精度，進一步提高導航精度。

表2分別是CNAV和CNAV－2中差分修正包個數(shù)，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)包

③信號健康狀況

信號的健康狀況由衛(wèi)星的健康狀況演變而來，長度也由462bit演變?yōu)椴坏?0bit.傳統(tǒng)電文中包含了總共32顆衛(wèi)星的健康狀況，削減到了現(xiàn)在的只包含本星的信號健康狀況。也達到了精簡不必要電文的目的，提高信號廣播效率。

④文本信息

文本信息也同樣被當成現(xiàn)代化GPS電文的新增電文，其實在NAV中就已經(jīng)有了專用電文，其作用和文本信息一樣，存儲控制指令和ASCⅡ參數(shù)。

4）電文刪減

刪減的電文包括防電子對抗特征符、衛(wèi)星型號、選擇可用性。在NAV電文中，每顆衛(wèi)星的選擇可用性與衛(wèi)星型號參數(shù)為4bit，關于選擇可用性，是GPS提高民用導航精度，實現(xiàn)商業(yè)化的結果。而衛(wèi)星型號這類不隨時間變化的固定的數(shù)據(jù)完全可以存儲在用戶接收機中，只要從電文中獲取衛(wèi)星的PRN編號，則可以找到對應的信息。不僅僅局限于上述參數(shù)，如果必要的話，甚至其他固定的數(shù)值參數(shù)也可以存儲在接受機中，這對與電文的精簡，提高電文播發(fā)效率。

5）電文編排變化

從表1中，其實可以看出影響電文長度變化的參數(shù)除了歷書外，主要就是在第5部分中的一些參數(shù)量，比如預留位，重復冗余位和校檢位。

①預留位

電文預留是為以后系統(tǒng)升級更新，或增加系統(tǒng)服務留作備用的空白位，是系統(tǒng)可擴展性能力的體現(xiàn)。在3類電文中，預留的形式有兩種，一種是與正式電文內(nèi)容在同一幀或數(shù)據(jù)塊，另一種是專門留出獨立的幀或數(shù)據(jù)塊，下面具體的論述3類電文在預留位上的區(qū)別。表1中各電文的預留位分別為2366bit、15000bit和236bit、CNAV 多達50個300位預留部分，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。

②重復冗余位

重復冗余位的目的就是使得一些基本導航信息（如星歷、星鐘）能以最快的速度被用戶接收，在GPS導航電文中，NAV和CNAV－2都采用重復冗余幀的形式，CNAV雖然沒有重復幀的設計，但是可以縮短基本導航信息所在數(shù)據(jù)塊的播發(fā)最短間隔，但是卻增加了其他導航信息的播發(fā)間隔，具體分析如下：

需要注意的是這里在分析時只考慮單顆衛(wèi)星的播發(fā)，不考慮頻間或星間的交叉播發(fā)。從表3中可以看出電文編排上的演變，在NAV中采用重復冗余幀的編排，但是卻是順序播發(fā)整個超幀的數(shù)據(jù)，使得其他導航信息的播發(fā)間隔全是12.5min；CNAV采用的隨機播發(fā)數(shù)據(jù)塊的方式，可以使得除基本導航信息以外，其他重要的數(shù)據(jù)的播發(fā)間隔縮短。CNAV－2卻完美的結合以上兩者的優(yōu)點，隨機播發(fā)各主幀，又因為是采用重復冗余幀的編排結構，在使得基本導航信息播發(fā)間隔最短的前提下，又提高了其他導航信息的播發(fā)間隔；還有兩點值得注意，在重復幀的設計上，CNAV－2與NAV并不完全相同：1）CNAV－2精簡了重復幀的長度，使得重復幀的參數(shù)編排更合理緊湊。星歷加上星鐘參數(shù)總長并未超過600bit，但是NAV卻占用了3個子幀900bit，可能是出了為基本導航參數(shù)作預留來考慮，但重復幀的播發(fā)卻整整多了7500bit的播發(fā)量；2）CNAV－2在完全編排全部導航信息的前提下使得主幀數(shù)量更合理，在不考慮備用的前提下，從NAV的25幀、CNAV的14數(shù)據(jù)塊削減到了7幀。主幀或數(shù)據(jù)塊的數(shù)量直接影響了重復冗余幀的長度和參數(shù)的最短播發(fā)間隔。

相比CNAV，CNAV－2最長的播發(fā)間隔從120 min縮短到了216s.也就是說最理想的情況下，單顆衛(wèi)星在216s內(nèi)能向地面完整的播發(fā)一遍全部導航信息，這對導航定位性能提升是可觀的。眾所周知，導航數(shù)據(jù)的更新周期越短，其導航精度越高，而這種高效的播發(fā)效率是通過縮短導航數(shù)據(jù)更新周期來提高定位精度的有力保障。

可以說重復冗余幀加上隨機播發(fā)各主幀的設計是提高導航定位時效性和保證定位精度的措施之一，除了上述原因外還有：1）基本導航信息的播發(fā)最短間隔決定了用戶接收機的首次定位時間的長短，首次定位時間是系統(tǒng)定位性能的體現(xiàn)。NAV、CNAV L2CM、CNAV L5和 CNAV－2的首次定位時間平均值分別為33s、51s、30s和18s.2）基本導航信息是影響定位精度最重要的數(shù)據(jù)，重復幀的設計可以使得更新后的重要參數(shù)第一時間被用戶接受，保證高效的定位精度[8－9]。

表3 單顆衛(wèi)星電文播發(fā)間隔

③校檢位

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6，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)被分配到兩個字碼中，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。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6所示，圖中＊＊＊、RESERVED為預留部分，P為奇偶校檢碼。

圖6 電文預留示意

3 電文的播發(fā)

關于電文的播發(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組合播發(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[9]。如果能夠使得不同衛(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[10－11]。

4 結 論

1）GPS電文的演變首先體現(xiàn)在電文參數(shù)的變化上，精度提高上，增加參數(shù)個數(shù)和參數(shù)的長度；

2）增加GPS與其他GNSS的時間偏移量，進一步提高系統(tǒng)的兼容性與互操作性，增加地球定向參數(shù)，提高用戶解算效率。

3）精簡電文，把某些常年數(shù)值固定不變的參數(shù)或默認值，直接存貯在接收機內(nèi)；在保證導航精度前提下減少電文的長度，例如簡化歷書，就削減了電文的整體長度。

4）優(yōu)化電文則是把專用電文、導航信息修正表、衛(wèi)星健康狀況分別由文本信息、差分修正參數(shù)所取代、信號健康狀況，不僅精練了電文長度，且更加滿足系統(tǒng)的需要。

5）結合了NAV的重復冗余幀編排結構和CNAV的隨機播發(fā)各主幀或數(shù)據(jù)塊方式，使得重復幀縮短導航信息播發(fā)間隔的效能最大化，降低了用戶首次定位時間和全部導航數(shù)據(jù)接收時間。

6）采用偽隨機下行播發(fā)方式，使得各導航信息最短播發(fā)間隔更合理。但是ICD文件中并未提到衛(wèi)星組合播發(fā)方式，而GLONASS和GALILEO則提到了采用星間、頻間組合播發(fā)各子幀的方式，這種組合播發(fā)方式能使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。

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