GLONASS星歷電文特征及其解算方法

饒愛水，劉 冰，李清梅，張 龍

（中國衛(wèi)星海上測控部，江陰 214431）

GLONASS星歷電文特征及其解算方法

饒愛水，劉 冰，李清梅，張 龍

（中國衛(wèi)星海上測控部，江陰 214431）

針對飛行試驗中由于GLONASS星歷解算錯誤導(dǎo)致的定位結(jié)果異常問題，研究了GLONASS星歷電文下傳的基本特征，即通過第1~4串電文下傳，并且一個更新周期內(nèi)下傳60組數(shù)據(jù)完全相同的星歷?；诖耍岢隽嘶陔娢拇畼俗R的GLONASS星歷解算基本算法，但發(fā)現(xiàn)該算法在電文串丟失且發(fā)生星歷更新時解算出錯誤星歷的問題。為確保星歷來源于連續(xù)的1~4串電文，提出了基于時間比較的星歷解算改進算法，發(fā)現(xiàn)GLONASS星歷更新時，不保證從第1串開始，也不保證在連續(xù)的1~4串電文中更新完畢，改進算法依然無法確保獲取到正確星歷。最后分析了星歷電文誤碼時的特征，提出了基于星歷合法性檢測的星歷解算可靠算法，該算法綜合考慮衛(wèi)星不健康、星歷更新以及電文誤碼等異常情況，采用軌道特性檢測法和原碼比對檢測法驗證星歷合法性，采用電文串標識法充分利用有效電文數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明，該算法的星歷誤碼識別率達到100%，星歷更新異常識別率達到100%，獲取的GLONASS星歷數(shù)據(jù)正確率到100%。

電文誤碼；星歷合法性；衛(wèi)星不健康；星歷更新；軌道特性

星歷參數(shù)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供給地面用戶最重要的參數(shù)，從導(dǎo)航電文中解算星歷參數(shù)，是用戶定位的前提。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由于自身發(fā)展需要，電文格式不斷優(yōu)化調(diào)整，星歷參數(shù)下傳的內(nèi)容、方式和波道編排也不斷發(fā)展[1]。一組完整星歷參數(shù)通常需要多個子幀下傳，如GPS星歷通過3個子幀下傳[2]，GLONASS星歷通過4個子幀（也稱串）下傳[3]。星歷更新或子幀丟失時，如何判斷多個子幀來源于同一組星歷是解算星歷的前提。通過判斷GPS星歷子幀的數(shù)據(jù)齡期，容易判斷3個子幀是否源于同一組星歷，而GLONASS星歷無此安排，由此造成了星歷解算的問題。由于星歷解算錯誤導(dǎo)致定位異常的問題多有發(fā)生。目前電文研究著重于電文結(jié)構(gòu)[4-5]、編解碼算法[6]、電文捕獲算法[7-9]等方面，對電文參數(shù)實際下傳的時序特征及其解算方法尚缺乏研究。本文以GLONASS星歷解算方法為目標，研究了GLONASS星歷下傳的時序特征，以及如何及時準確地從電文中獲取到正確的GLONASS星歷。

1 GLONASS星歷內(nèi)容及其基本時序

GLONASS星歷參數(shù)通過導(dǎo)航電文的第1到第4串下傳，如表1所示。星歷參數(shù)下傳的基本時序為：第1串下傳星歷的X位置、X速度、X加速度、即時數(shù)據(jù)更新標志；第2串下傳星歷的Y位置、Y速度、Y加速度、星歷時間和衛(wèi)星健康標志；第3串下傳星歷的Z位置、Z速度、Z加速度；第4串下傳星歷的更新標志、衛(wèi)星號等。

表1 GLONASS星歷內(nèi)容及其下傳電文Tab.1 Content of GLONASS ephemeris and its transmitted message

設(shè)計了如圖1所示的GLONASS星歷解算基本算法。在該算法中，當獲取到第4串電文時，判斷星歷數(shù)據(jù)是否積累完成。其常用方法為設(shè)置電文串接收標識數(shù)組bRecv[15]，當接收到對應(yīng)電文串s時，電文串標識bRecv[s]設(shè)置為TRUE，當?shù)?到第4串的標識均為TRUE時，星歷積累完成，當獲取到第4串電文后，不管星歷是否積累完成，電文串標識bRecv[1]~bRecv[4]均置為FALSE。該方法被稱為電文串標識法。

圖1 GLONASS星歷解算基本算法Fig.1 Basic algorithm of calculating GLONASS ehpemeris

2 GLONASS星歷更新時的電文特征

圖1算法在數(shù)據(jù)正常情況下能夠獲取正確星歷，但當電文串丟失時無法保證第1~4串電文為連續(xù)的電文。圖2示意該算法積累到的第1串電文為-28.231 s時的數(shù)據(jù)，第2/3/4串電文為67.771 s附近的數(shù)據(jù)。在此過程中，星歷數(shù)據(jù)發(fā)生更新，將獲取到錯誤星歷，如表2中黑體部分所示，其中X分量為更新前的星歷，Y和Z為更新后的星歷。星歷錯誤引起的箭載GLONASS定位結(jié)果異常數(shù)據(jù)如表3所示，位置偏差達到400 km以上，速度偏差達到400 m/s以上。

圖2 電文串丟失后，積累不到連續(xù)的1~4串電文Fig.2 Continuous strings 1~4 can’t be accumulated when strings lose

表2 電文串丟失且星歷更新時獲取到錯誤星歷數(shù)據(jù)Tab.2 Fault ephemeris when there are losestrings and ephemeris is updating

表3 錯誤星歷數(shù)據(jù)導(dǎo)致的定位結(jié)果偏差Tab.3 GLONASS positioning results by fault ephemeris

針對此問題，考慮改進圖1中的算法，采用時間比較法判斷星歷是否積累完成，即把電文串接收時間記錄在dTime[15]數(shù)組中，第s串電文串的接收時間記錄在dTime[s]中。如果第1~4串電文接收時間最大值與最小值之差小于7 s（電文串下傳周期為2 s），認為積累到的電文串連續(xù)，如圖3所示。當圖2中的電文到來時，獲取的dTime[1]為-28.231 s，dTime[4]為67.771 s，兩者差值為96.002 s，大于7 s，因此該錯誤星歷被剔除。

圖3 GLONASS星歷解算改進算法Fig.3 Advanced algorithm of calculating GLONASS ephemeris

表4 星歷更新時從連續(xù)1~4串中獲取到錯誤星歷數(shù)據(jù)Tab.4 Fault ephemeris from continue strings 1~4 when updating

在不發(fā)生誤碼的前提下，是否從連續(xù)的1~4串中獲取的星歷數(shù)據(jù)，一定是一組正確的星歷？表4示意了這種情況，在12661.7246 s前的連續(xù)3串電文中，X分量和Y分量已經(jīng)更新，而Z分量沒有更新。由此可知，GLONASS星歷參數(shù)更新時，并不保證從第1串電文開始更新。為解決星歷更新時的數(shù)據(jù)混亂問題，一種簡單的處理方式是，避開星歷更新那一時刻引入的混亂數(shù)據(jù)，即考慮第1串中的即時數(shù)據(jù)更新標志（P1），當P1值為1時，表明星歷參數(shù)在更新，所有1~4串電文均被剔除，這種算法同時也剔除了當時正確的星歷，P1出現(xiàn)周期為30 min。

3 GLONASS星歷誤碼時的電文特征

GLONASS電文校驗算法無法校驗出多個（2個以上）偶數(shù)位比特的差錯[3,10]，表5示意了電文誤碼導(dǎo)致的星歷異常數(shù)據(jù)，如表中黑體部分所示，異常數(shù)據(jù)分別出現(xiàn)在16773.83 s以及19233.745 s，前者Y、Vy、Ay發(fā)生錯誤，后者Z、Az發(fā)生錯誤。

僅統(tǒng)計GLONASS星歷時間及其位置、速度及加速度量，共需占用電文175位，如表1所示。電文誤碼發(fā)生時，先后兩組星歷，其電文誤碼發(fā)生位置完全相同的可能性幾乎沒有；與此同時，當電文誤碼發(fā)生時，其軌道特性可能與其標稱軌道不一致。據(jù)此，有兩種方法可以檢測電文誤碼導(dǎo)致的數(shù)據(jù)異常：原碼比對檢測法和軌道特性檢測法。

1）原碼比對檢測法，即比較最近兩組健康星歷的原碼值，如果數(shù)據(jù)一致則認為獲取到正確的星歷。如表5中黑體部分標識的異常星歷數(shù)據(jù)各自分別出現(xiàn)1次，因此通過該方法可排除表中的異常數(shù)據(jù)。

2）軌道特性檢驗法，即通過解算出的星歷數(shù)據(jù)確定出衛(wèi)星的軌道，判斷確定的軌道特性與標稱軌道是否一致。GLONASS軌道特性有：軌道標稱高度為19100 km，軌道偏心率標稱值為0，軌道傾角標稱值64.8°，星歷時間在當前時15 min內(nèi)等等。表5中的異常星歷數(shù)據(jù)均可通過該方法檢測。

表5 電文誤碼導(dǎo)致星歷數(shù)據(jù)異常Tab.5 Fault ephemeris when with bit-errors

4 一種可靠的GLONASS星歷參數(shù)解算算法

當衛(wèi)星健康標識Bn指示不健康時，原碼比對檢測法失效，原因是衛(wèi)星一直下傳數(shù)值相同的星歷原碼，如表6所示。衛(wèi)星健康標識Bn位于第2串，共占用3位，其最高位“1”表示給定衛(wèi)星不健康，表中X、Y、Z各分量均列了4組，前3組為衛(wèi)星不健康時的數(shù)據(jù)，最后1組為正常數(shù)據(jù)。當采用原碼比對檢測法時，將獲取到一組錯誤的星歷數(shù)據(jù)，因此，星歷參數(shù)解算應(yīng)當在衛(wèi)星健康標識Bn最高位為0時進行。該方法稱為星歷健康判斷法。

表6 衛(wèi)星不健康時的星歷數(shù)據(jù)Tab.6 Fault ephemeris when satellite malfunction

綜合以上論述，考慮星歷更新、衛(wèi)星不健康、電文誤碼等數(shù)據(jù)異常情況，設(shè)計了如圖4所示的星歷解算算法。算法為每顆衛(wèi)星準備了一個星歷數(shù)組緩沖區(qū)，該數(shù)組的每個元素由星歷數(shù)據(jù)和星歷個數(shù)組成，圖中示意了單顆衛(wèi)星星歷解算的流程。

表7 可靠的星歷解算算法獲取的星歷數(shù)據(jù)Tab.7 Ephemeris by trusty algorithm

1）開始時，星歷數(shù)組為空，當?shù)?串到第4串電文接收標志為TRUE時，星歷積累完畢，如圖4中①所示；判斷健康標志，防止非將康數(shù)據(jù)進入，如圖4中②所示；獲取星歷原碼，在星歷數(shù)組中搜索是否存在與該原碼一致的數(shù)據(jù)，如圖4中③所示。比較時，對于X等浮點數(shù)，允許其有1個分層值的差異；對于tb等整數(shù)，嚴格采用等號進行比較。

2）當發(fā)現(xiàn)數(shù)組中不存在數(shù)據(jù)相同的星歷時，把星歷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為軌道參數(shù)，采用軌道特性檢測法判斷星歷數(shù)據(jù)是否合法，如圖4中④所示。如果數(shù)據(jù)合法，那么把該星歷數(shù)據(jù)加入數(shù)組中；如果數(shù)據(jù)不合法，那么該組星歷數(shù)據(jù)被剔除。

3）當發(fā)現(xiàn)數(shù)組中已存在數(shù)據(jù)相同的星歷時，對應(yīng)的星歷計數(shù)加1，同時把該星歷做為系統(tǒng)可使用的星歷，如圖4中⑤所示，這種安排可保證系統(tǒng)使用的星歷為最新獲取的星歷。在更嚴格的判斷中，也容易改造為至少獲取了三組以上（含）數(shù)據(jù)一致的星歷作為系統(tǒng)使用的星歷。

上述算法至少要求獲取2組數(shù)據(jù)一致的星歷，即可能需等待60 s。在某些要求快速定位的場合，只要獲取到一組合法的星歷即可作為系統(tǒng)使用的星歷，通過修改圖4中⑥即可實現(xiàn)，可縮短首次定位時間30 s。表7列出了采用該算法獲取的某弧段內(nèi)星歷數(shù)據(jù)，正確星歷總數(shù)為6248個，錯誤星歷總數(shù)為37個，不健康星歷總數(shù)為6個，所有衛(wèi)星星歷更新時均正確識別。采用上述算法可排除錯誤星歷、不健康星歷以及星歷更新時異常星歷。

圖4 一種可靠的星歷解算算法Fig.4 Trusty algorithm of calculating GLONASS ephemeris

星歷下傳周期為30 s，更新周期為30 min，極端情況下，星歷數(shù)組每小時將積累120組數(shù)據(jù)，具體實現(xiàn)時應(yīng)注意時間過長導(dǎo)致星歷數(shù)組過大問題。

5 結(jié) 論

GLONASS星歷電文具有如下特征：

① GLONASS星歷通過第1~4串電文下傳，星歷下傳周期為30 s，更新周期為30 min，在一個更新周期內(nèi)共下傳60組數(shù)據(jù)完全相同的星歷。

② GLONASS電文串在解調(diào)過程中可能丟失，一個更新周期內(nèi)，任意第1~4串電文均可組成一組完整的星歷。

③ GLONASS星歷更新時，不保證從第1串開始，也不保證在一個連續(xù)的第1~4串電文中更新完畢。

④ GLONASS接口控制文件提供的電文校驗算法，無法校驗所有誤碼，但一個更新周期內(nèi)兩組星歷電文誤碼發(fā)生位置完全相同的概率幾乎為零。

⑤ GLONASS星歷電文誤碼發(fā)生時，解算出的星歷參數(shù)轉(zhuǎn)換為軌道參數(shù)，其軌道特征在很大概率上與其標稱軌道不一致。

⑥ GLONASS星歷不健康時，可能下傳多組數(shù)值完全相同的錯誤星歷數(shù)據(jù)，因此星歷參數(shù)解算時，需剔除不健康星歷。

針對GLONASS星歷電文特征，本文提出了一種可靠的GLONASS星歷解算算法，算法特征有：

1）星歷電文積累時采用電文串標識法。該方法針對電文特征①和②設(shè)計，能夠適應(yīng)電文丟失，可盡量積累有效的電文串，充分利用已有的數(shù)據(jù)，該方法優(yōu)于時間比較法。

2）星歷合法性檢測時采用了星歷不健康判斷法、軌道特性檢測法和原碼比對檢測法。這些方法針對電文特征③、④、⑤和⑥設(shè)計，能夠適用衛(wèi)星不健康、電文誤碼、星歷更新異常等情況，確保獲取正確星歷。

3）算法采用星歷數(shù)組積累歷史星歷數(shù)據(jù)，星歷解算與星歷更新同步完成，在此基礎(chǔ)上容易實現(xiàn)更為嚴格的星歷更新策略。

試驗結(jié)果表明，該算法星歷誤碼識別率100%，星歷更新異常識別率100%，獲取星歷數(shù)據(jù)正確性100%。該算法不僅可用于GLONASS星歷解算，經(jīng)過改造后，也可用于GPS、BDS星歷解算。

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Characteristics and calculation method of GLONASS ephemeris’s message

RAO Ai-shui, LIU Bing, LI Qing-mei, ZHANG Long
(Satellite Maritime Tracking and Control Department of China, Jiangyin 214431, China)

To solve the problem of abnormal GLONASS positioning results due to falsely calculating ephemeris in flight task, the basic characteristics of GLONASS ephemeris’s message is described, which is transmitted from string 1~4 each frame, and sixty groups of ephemeris with the same data are transmitted within a update cycle. Then a basic algorithm is proposed to calculate GLONASS ephemeris basing on marked strings. It is found that the calculation will get fault ephemeris when there are lose strings during ephemeris is updating. In order to ensure ephemeris message is from one continue strings 1~4, an advanced algorithm is proposed based on received time comparing. But it is found that GLONASS ephemeris updates neither guarantee starting at string 1 nor end within one continue strings 1~4, so the advanced algorithm do not ensures getting right ephemeris. So the characteristics of message bit-error with ephemeris are analyzed, and a trusty algorithm is proposed to calculate GLONASS ephemeris based on ephemeris validity detection. In the trusty algorithm, the exceptional situations are all considered when ephemeris is malfunctioning, updating or the message has bit-errors. The validity of ephemeris is validated by the method of orbit property checking and the comparison of message bits. The valid message is full utilized by the marked strings. The trial results with the algorithm show that its recognition rate of bit-errors with ephemeris is 100%, its recognition rate of exceptional updated ephemeris is 100%, its correction rate of ephemeris is 100%.

message bit-error; ephemeris validity; satellite malfunciton; updated ephemeris; orbit property

V19

：A

2016-02-01；

：2016-05-26

饒愛水（1980—），男，工程師，從事航天測控研究。E-mail: lqmei03@163.com

1005-6734(2016)03-0355-06

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2016.03.014