基于質(zhì)量樹的GPS電文質(zhì)量評估方法

饒愛水，李永剛，李祥明，汪 毅，王振平，胡 健

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

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基于質(zhì)量樹的GPS電文質(zhì)量評估方法

饒愛水，李永剛，李祥明，汪 毅，王振平，胡 健

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

從導航電文中及時、準確地計算出電文參數(shù)，是導航接收機的核心功能，不同電文參數(shù)解算軟件由于設(shè)計差異，解算電文參數(shù)質(zhì)量也存在差異，電文數(shù)據(jù)質(zhì)量也會影響電文參數(shù)結(jié)果；針對此問題，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量模型的基礎(chǔ)上，引入質(zhì)量樹分析方法，建立了評估導航電文質(zhì)量的質(zhì)量樹模型；模型從電文完整性、電文一致性、電文正確性以及電文時效性等4個特性出發(fā)，每個質(zhì)量特性均建立了專屬子特性，以及量化子特性的數(shù)據(jù)指標；在此基礎(chǔ)上，以GPS電文質(zhì)量評估為例，開發(fā)了GPS電文質(zhì)量評估軟件，采用GPS接收機的實測數(shù)據(jù)對模型和軟件進行了驗證；結(jié)果表明，該軟件能夠發(fā)現(xiàn)GPS電文的異常數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)不完整、數(shù)據(jù)不一致、數(shù)據(jù)不正確、數(shù)據(jù)超時等，處理結(jié)果可用于改進電文參數(shù)解算算法，提高電文參數(shù)解算軟件的可靠性。

完整性；一致性；正確性；時效性；質(zhì)量模型

0 引言

圖1 GPS電文質(zhì)量模型

導航電文是導航定位計算的基礎(chǔ)，電文數(shù)據(jù)質(zhì)量及電文解算算法直接影響電文參數(shù)解算結(jié)果，進而影響定位結(jié)果。測量船利用火箭下傳偽距數(shù)據(jù)，結(jié)合導航電文計算火箭的GPS彈道，該彈道對于實時引導雷達設(shè)備，實時判斷火箭飛行是否正常，事后分析設(shè)備跟蹤精度均具有重要作用。歷次任務(wù)中發(fā)生過多次由于電文質(zhì)量引起的定位結(jié)果異常問題[1]，為此，研究一種客觀評價導航電文質(zhì)量的方法模型，既可以分析電文原碼的數(shù)據(jù)質(zhì)量，又可以評價電文參數(shù)解算軟件的質(zhì)量，在工程應(yīng)用中具有很高的價值。當前國內(nèi)外對于導航數(shù)據(jù)質(zhì)量的研究，重點在于分析觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量[2-4]、電文糾錯設(shè)計等方面[5]，對電文數(shù)據(jù)質(zhì)量的研究論文尚不多見。本文針對GPS電文質(zhì)量的評估方法進行了研究，并研制了電文質(zhì)量評估軟件對實測數(shù)據(jù)進行了分析。

1 電文質(zhì)量評估模型

電文質(zhì)量模型建模方法：根據(jù)GPS電文對用戶的實際作用，借鑒了通用數(shù)據(jù)質(zhì)量標準[6]和空間數(shù)據(jù)質(zhì)量標準模型[7-8]，采用質(zhì)量樹描述電文質(zhì)量模型。從電文完整性、電文一致性、電文正確性以及電文時效性等4個方面描述電文質(zhì)量，如圖1所示。

1)電文完整性：指接收的電文數(shù)據(jù)完整、無遺漏。描述電文完整性的指標包括星歷完整性、歷書完整性、幀完整性以及超幀完整性。

2)電文一致性：指解算后的同類電文參數(shù)，在同一歷元時刻數(shù)據(jù)的一致性。描述電文一致性的指標包括星歷數(shù)據(jù)一致性、歷書數(shù)據(jù)一致性、電離層數(shù)據(jù)一致性、UTC數(shù)據(jù)一致性。

3)電文正確性：指解算后的各類電文參數(shù)，物理量正確，滿足一定的物理要求。描述電文正確性的指標包括星歷數(shù)據(jù)正確性、歷書數(shù)據(jù)正確性以及UTC數(shù)據(jù)正確性。

4)電文時效性：指接收或解算后的電文數(shù)據(jù)，滿足一定的時間效率要求。描述電文時效性的指標包括電文及時性、電文有效性、星歷有效性以及歷書有效性。

2 GPS電文質(zhì)量計算方法

2.1 GPS電文完整性計算方法

1)星歷完整性：GPS電文星歷數(shù)據(jù)位于電文的第1～3子幀，當完全收齊1～3子幀數(shù)據(jù)后，可解算出一組星歷數(shù)據(jù)。特性指標為星歷接收數(shù)、星歷遺漏數(shù)，計算方法為：

星歷遺漏數(shù)=理論星歷數(shù)-星歷接收數(shù)

2)歷書完整性：GPS電文歷書數(shù)據(jù)位于電文的第4子幀的25～32頁以及第5子幀的1～24頁。理論上，每個超幀均可解算出32組歷書數(shù)據(jù)。特性指標為歷書收齊星數(shù)、歷書遺漏星數(shù)，計算方法為：

歷書遺漏星數(shù)=32-歷書收齊星數(shù)

3)幀完整性：GPS電文幀由5個子幀組成，子幀編號從1～5。理論上，每30秒傳送一幀電文。特性指標為幀識別數(shù)、幀遺漏數(shù)，計算方法為：

幀遺漏數(shù)=理論幀數(shù)-幀識別數(shù)

4)超幀完整性：GPS超幀由25個幀組成，幀的頁面編號從1～25。理論上，每750秒傳送一個超幀。特性指標為超幀識別數(shù)、超幀遺漏數(shù)，計算方法為：

超幀識別率=超幀識別數(shù)/理論超幀數(shù)

2.2 GPS電文一致性計算方法

1)星歷數(shù)據(jù)一致性：指從電文數(shù)據(jù)中解算的星歷數(shù)據(jù)，在同一個歷元時刻的一致性。特性指標為星歷數(shù)據(jù)個數(shù)、星歷是否一致。

2)歷書數(shù)據(jù)一致性：指從電文數(shù)據(jù)中解算的歷書數(shù)據(jù)，在同一個歷元時刻的一致性。特性指標為歷書數(shù)據(jù)個數(shù)、歷書是否一致。

3)電離層數(shù)據(jù)一致性：指從電文數(shù)據(jù)中解算的電離層數(shù)據(jù)，在同一個歷元時刻的一致性。特性指標包括電離層數(shù)據(jù)個數(shù)、電離層是否一致。

4)UTC數(shù)據(jù)一致性：指從電文數(shù)據(jù)中解算的UTC數(shù)據(jù)，在同一個歷元時刻的一致性。表達UTC數(shù)據(jù)一致性的指標包括UTC數(shù)據(jù)個數(shù)、UTC是否一致。

上述星歷數(shù)據(jù)個數(shù)、歷書數(shù)據(jù)個數(shù)等指標，統(tǒng)計方法為：當兩組數(shù)據(jù)的所有字段均相同時統(tǒng)計為1個數(shù)據(jù)，否則統(tǒng)計為2個數(shù)據(jù)。

2.3 GPS電文正確性計算方法

1)星歷數(shù)據(jù)正確性：指從電文數(shù)據(jù)中解算的星歷數(shù)據(jù)，每組星歷數(shù)據(jù)各元素是否符合物理特性要求。表達星歷數(shù)據(jù)正確性的指標包括星歷數(shù)據(jù)正確總數(shù)、星歷數(shù)據(jù)錯誤總數(shù)。星歷正確性判斷方法包括：衛(wèi)星高度理論值為20 200 km，偏心率在0到0.1之間，軌道傾角理論值為55°等。

2)歷書數(shù)據(jù)正確性：指從電文數(shù)據(jù)中解算的歷書數(shù)據(jù)，每組歷書數(shù)據(jù)各元素是否符合物理特性要求。表達歷書數(shù)據(jù)正確性的指標包括歷書數(shù)據(jù)正確總數(shù)、歷書數(shù)據(jù)錯誤總數(shù)。歷書正確性判斷方法與星歷正確性判斷方法相同。

3)UTC數(shù)據(jù)正確性：指從電文數(shù)據(jù)中解算的UTC數(shù)據(jù)，每組UTC數(shù)據(jù)各元素是否符合物理特性要求。表達UTC數(shù)據(jù)正確性的指標包括UTC數(shù)據(jù)正確總數(shù)、UTC數(shù)據(jù)錯誤總數(shù)。

2.4 GPS電文時效性計算方法

通過電文及時性、電文有效性、星歷有效性以及歷書有效性描述電文時效性，具體如下：

1)電文及時性：指統(tǒng)計時間內(nèi)，接收機解調(diào)電文的及時程度。表達電文及時性指標包括電文識別數(shù)、電文識別率，計算方法為：

電文識別率=電文識別數(shù)/理論電文數(shù)

2)電文有效性：指接收到的電文串，數(shù)據(jù)合法的程度。表達電文及時性指標包括電文校驗數(shù)、電文有效率，計算方法為：

電文有效率=電文校驗數(shù)/電文識別數(shù)

3)星歷有效性：指通過正確性檢查的星歷數(shù)據(jù)，其歷元時刻是否滿足要求，GPS星歷數(shù)據(jù)在當前時的2小時前后有效。特性指標為星歷超時數(shù)。

4)歷書有效性：指通過正確性檢查的歷書數(shù)據(jù)，其歷元時刻是否滿足要求，GPS歷書數(shù)據(jù)在當前時的6天前后有效。特性指標為歷書超時數(shù)。

3 GPS電文質(zhì)量算例分析

3.1 GPS電文完整性算例

采用某次實測數(shù)據(jù)，得到GPS電文的完整性如表1所示。其中，3號、6號、16號、27號、31號衛(wèi)星等5顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)完整，因為其星歷遺漏數(shù)、幀遺漏數(shù)、超幀遺漏數(shù)均為0，跟蹤過程中解算出了全部的星歷數(shù)據(jù)；其余5顆衛(wèi)星按照幀遺漏數(shù)從小到大排序依次為23號、21號、14號、19號以及22號衛(wèi)星，因此22號衛(wèi)星的完整性最差。圖2、圖3分別繪制了22號衛(wèi)星、3號衛(wèi)星的子幀接收情況，圖中可以看出22號衛(wèi)星子幀不連續(xù)，而3號衛(wèi)星子幀連續(xù)。

表1 GPS電文完整性評估算例

3.2 GPS電文一致性算例

采用某次實測數(shù)據(jù)，得到GPS電文的一致性，如表2所示，表中僅包含正常跟蹤到的衛(wèi)星。表中“是否一致”的值共3種，1表示一致，0表示不一致，-1表示未獲取到有效數(shù)據(jù)。正常接收的10顆衛(wèi)星中：

1)星歷數(shù)據(jù)一致性方面，除21號衛(wèi)星星歷不一致外，其余衛(wèi)星星歷均一致；

2)歷書數(shù)據(jù)一致性方面，除6號、14號、23號衛(wèi)星歷書一致外，其余衛(wèi)星歷書均不一致；

3)電離層數(shù)據(jù)一致性方面，21號衛(wèi)星獲取的電離層不一致，其余衛(wèi)星電離層均一致；

表2 GPS電文一致性及正確性評估算例

圖2 22號衛(wèi)星子幀接收情況

圖3 3號衛(wèi)星子幀接收情況

4)UTC數(shù)據(jù)一致性方面，21號衛(wèi)星獲取的UTC不一致，其余衛(wèi)星UTC均一致；

5)所有衛(wèi)星獲得的衛(wèi)星健康數(shù)據(jù)、衛(wèi)星配置碼信息均一致。

下面分析歷書數(shù)據(jù)不一致的原因，為此把獲取到的所有衛(wèi)星的歷書一致性情況列在表3中，共17顆衛(wèi)星歷書不一致，14顆衛(wèi)星歷書一致(30號衛(wèi)星故障，其歷書未廣播)。表4列出了不一致衛(wèi)星歷書的原碼，這些歷書原碼分層值相差為1。可認為是地面不同測站在注入衛(wèi)星參數(shù)時的計算誤差導致。

表3 算例中GPS電文歷書一致性表

表4 算例中GPS電文歷書一致性的原碼差值為1

3.3 GPS電文正確性算例

算例中的GPS電文正確性如表2所示，僅21號衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)有一個數(shù)據(jù)錯誤，其余數(shù)據(jù)均正確(包括歷書數(shù)據(jù)、UTC數(shù)據(jù))。數(shù)據(jù)錯誤原因在于按照星歷數(shù)據(jù)處理算法，積累到1、2、3子幀數(shù)據(jù)時，認為可以獲取到一組星歷數(shù)據(jù)，當GPS系統(tǒng)在更新衛(wèi)星星歷時，第1、2、3子幀的數(shù)據(jù)可能不能完全匹配，此時應(yīng)當判斷數(shù)據(jù)齡期是否一致，當數(shù)據(jù)齡期一致時，該星歷數(shù)據(jù)才合法，如表5所示。

表5 21號衛(wèi)星錯誤星歷來源

3.4 GPS電文時效性算例

在以下算例中，采用某次長弧段數(shù)據(jù)(近7個小時)，得到GPS電文時效性如表6所示，表中數(shù)據(jù)按照電文識別率由小到大排序。跟蹤過程中共發(fā)現(xiàn)19顆衛(wèi)星其中5顆衛(wèi)星(11號、1號、4號、16號、32號)電文識別率小于50%，所有衛(wèi)星未發(fā)現(xiàn)過期星歷，但發(fā)現(xiàn)過期歷書。

以17號衛(wèi)星為例，其過期歷書均來源于2號、5號、9號

表6 GPS電文時效性評估算例

衛(wèi)星。2號衛(wèi)星一直下傳61440s的歷書數(shù)據(jù)；5號衛(wèi)星數(shù)據(jù)分兩部分，在14649.94 s到17649.96 s一直下傳61440 s的歷書數(shù)據(jù)，在18399.96 s到24399.95 s一直下傳147456 s的數(shù)據(jù)；9號衛(wèi)星數(shù)據(jù)從2649.956 s到19149.98 s一直下傳61440 s的歷書數(shù)據(jù)，如表7所示。

表7 17號衛(wèi)星過期歷書來源

4 結(jié)束語

本文從導航電文的特性出發(fā)，采用質(zhì)量樹的方法，從電文完整性、電文一致性、電文正確性以及電文時效性等4個方面，建立了GPS電文質(zhì)量模型，每個質(zhì)量特性均建立了專屬子特性，以及量化子特性的數(shù)據(jù)指標；研制了GPS電文質(zhì)量評估軟件，采用實測數(shù)據(jù)對模型和軟件進行了驗證，結(jié)果表明，該模型能夠發(fā)現(xiàn)GPS電文的異常數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)不完整、數(shù)據(jù)不一致、數(shù)據(jù)不正確、數(shù)據(jù)超時等，其結(jié)果可用于改進電文參數(shù)解算算法，提高電文參數(shù)解算軟件的可靠性。

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Evaluation Method for Quality of GPS Message Based on Qulaity Tree

Rao Aishui, Li Yonggang, Li Xiangming, Wang Yi, Wang Zhengping, Hu Jian

(Satellite Maritime Tracking and Control Department of China, Jiangyin 214431, China)

It is the core function of navigation receiver to calculating message parameters in time and accurately from navigation message. The software quality of message parameters solved isn’t identical because design is different. Also, the results of parameters are under influence of message’s quality. According to the problem, the analysis method of quality tree is introduced based on traditional quality model of data, the quality tree model of evaluating the quality of navigation message is established. The model is described by four characteristics: integrity, consistency, correctness and timeliness. Each characteristic has more sub-characteristics, and a sub-characteristic is quantified by data indexes. Further more, the software is developed which is evaluating the quality of navigation message with GPS as example. The model and the software are verified by measured data from receiver of GPS. The results show that this software could discover the unusual data of GPS message, including the imperfection, inconsistency, incorrect and timeout of the data. The result can be used to improve message parameters solver algorithm, and increase the reliability of message parameters solver software.

integrity; consistency; correctness; timeliness; quality model

2016-01-19；

2016-05-10。

饒愛水(1979-)，男，江西臨川人，雙學士，工程師，主要從事衛(wèi)星導航定位技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)09-0284-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.080

P228.4

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