卫星导航电文设计研究

辛 洁，王冬霞，郭 睿，杨尚锋

（1.北京卫星导航中心，北京　100094；2.北京控制工程研究所，北京　100094）

1　引言

卫星导航电文是由地面主控站基于各监测站的原始数据处理后生成的，并上行注入至卫星；卫星完成导航电文的格式编排、差错控制编码等工作，并经过扩频和载波调制等处理，按照一定的顺序播发给地面站和用户，以提供卫星的空间位置、工作状态、星钟改正、电离层延迟改正等重要信息。

随着卫星导航定位技术和通信技术的发展，GPS导航电文经历NAV、CNAV到CNAV-2的发展，具有很强的代表性。Galileo虽为后起之秀，其导航电文的整体设计体现了灵活和开放的特点，尤其是在电文页流机构、导航系统间兼容性与互操作、电文星间交叉播发技术和完好性等方面的设计体现了导航定位技术的新发展和导航电文设计理念的进步。

导航电文设计方案的优劣将直接影响系统的通信资源的利用率和电文结构的可扩展性，决定了用户机解调灵敏度、解码延迟、首次定位时间等方面的性能。导航电文结构的设计要素主要包括电文结构、电文内容、信息速率、校验及纠错方式等多个方面。在进行导航电文设计时，需要根据卫星导航信号的服务需求，综合考虑各设计参数，达到兼顾信号收发性能以及导航系统间的兼容性与互操作性的目的。卫星导航定位技术已在交通运输、海洋渔业、水文监测、气象测报、通信时统、电力调度、救灾减灾和国家安全等诸多领域得到广泛应用。各卫星导航系统大国也相继在国际上公开了其民用信号的导航电文结构，以为各类型用户终端的研制、生产、使用及维护提供标准。目前，各国导航电文均针对各自运行控制系统特点进行设计研究，并未形成国际化的导航电文设计标准，对各类型用户终端的兼容性设计带来了很大的复杂性。

本文针对导航电文结构设计、内容设计和信道编码方式等方面，结合GPS、Galileo、BDS等导航电文设计特点，对卫星导航信号设计标准进行了初步研究，为多系统的互操作性能提升提供一定的借鉴。

2　导航电文结构设计

2.1　电文基本类型

随着导航定位技术的发展，GPS逐步推出了NAV、CNAV、CANV-2等类型的导航电文，以适应不同频点的服务需求。Galileo也根据服务类型、电文内容的不同，设计了F/NAV、I/NAV、C/NAV等多种类型的导航电文。北斗区域导航系统的空间段是由MEO/IGSO/GEO三种卫星组成构成的混合星座，且采用了正交相移键控（QPSK）调制方式。因此，其电文类型可划分为5类。

导航电文类型的多样化体现了现代卫星导航信号体制设计的逐步完善性和服务类型的多样化，为多航系统的互操作性能提升打下了坚实的基础。

2.2　电文基本结构

导航电文可以采用固定帧结构也可以采用数据块结构，或者采用固定帧和数据块结构相结合的模式。

固定帧结构的优点是用时仅需按照导航电文格式要求直接解析即可，大大方便了用户使用，早期电文设计时大多采用这种固定结构；缺点是导航电文内容及其具体播发位置固定，更改或优化导航电文参数的过程繁琐，系统扩展性差、通信资源利用率低。早期的导航电文设计，如GPS NAV导航电文和北斗区域导航系统电文等，采用了固定格式、固定播发频度的帧结构，且各子帧播发内容也是基本固定的，有利于简化地面系统和接收机的设计，与当时的技术水平是相适应的。Galileo虽继承了这种的层次结构，但还采用了以页为独立单位的页流结构，用户只需识别页的类型即可进行快速反应，有效地减少了固定帧结构带来的弊端。

数据块结构优点是当系统功能扩展需要增添新的数据类型时，可以通过定义一个新的数据块类型来解决，在系统功能扩展和增强方面具有很好的灵活性，如GPS CNAV导航电文首次采用了数据块结构；其缺点是用户需增加时间等辅助信息。

因此，兼具帧结构和数据块结构优势的组合方式拥有数据内容扩充灵活、播发类型随机等优点，成为现代卫星导航系统电文设计时值得考虑的方式。GPS CNAV-2则率先采用了帧结构和数据块结构相结合的编排格式，以数据帧为基本格式，每个数据帧又由3个长度不同的子帧组成。

2.3　播发方式

以子帧/页为单位的导航电文，一般按照子帧号/页面号顺序播发，使得各类别信息能够按照固定周期播发，但重复播发预留的空白数据段势必造成通信资源的浪费。以数据块为单位的导航电文可根据用户需求随机播发相关数据块，而预留数据块不需要播发。对于GPS CNAV-2，它不但可以按照固定子帧播发顺序，还允许不同页面的播发顺序随机，满足重要信息播发的固定性和随机信息播发的随机性。

通常，同一时间用户收到的来自不同卫星或不同频点的导航电文类型是一致的，当数据内容相同时将存在冗余[1]。Galileo F/NAV整帧结构传输数据包，奇数子帧包含页面类型5，偶数子帧包含页面类型6，这样可以通过两个连续的子帧完成三颗卫星历书数据的传输。E5b-I和E1-B频率上提供基于双频差异的双频服务。只有通过页面交互使两个信号上页面播发先后顺序有所不同，从而使双频用户能够快速接收数据。Galileo F/NAV和I/NAV采用这种交叉播发方式对星间和频间电文相对播发顺序进行了优化[2]，有效地缩短了用户收齐所有历书数据的时间，提高了导航电文的时效性，是一种十分值得借鉴的播发方式。

3　导航电文内容设计

卫星导航电文是由导航卫星播发给用户的描述导航卫星运行状态参数的电文。时间、轨道、电离层、设备时延等信息均可通过数据模型参数向用户播发，进而估算用户的位置坐标和速度。

按服务类型来分，导航电文的内容可以分为基本导航信息、扩展导航信息和增强导航信息三大类信息类型。

（1）基本导航信息：一般包括卫星位置信息、卫星钟差改正信息、卫星基本完好性信息（包括卫星健康信息和信号精度信息）、UTC时间偏差信息、以及卫星通道时延信息等。此类信息主要用于满足最基本的导航服务的需求，即单频、双频单点定位服务或多频单点定位服务等。

（2）增强导航信息：一般包括卫星广播星历差分改正、钟差差分改正、电离层格网、差分完好性等信息。此类信息主要用于满足单频或多频的广域增强服务需求，主要包括中等精度历书信息、星历差分改正信息、卫星钟差分改正信息、电离层格网信息、差分完好性信息等。

（3）扩展导航信息：一般包括卫星历书信息、卫星健康信息、电离层修正模型参数信息、地球定向EOP参数信息、GNSS系统间时间偏差等信息。主要用于满足除基本导航服务和增强服务外的其他服务需求。为了使用户在短时间内收集全部卫星历书信息，仅在扩展导航信息中播发简化历书信息。

按信息发送频率来分，导航电文内容主要包括两类：即时信息和非即时信息，以满足不同时效性和不同更新周期数据的时效性要求。

（1）即时信息：一般包括卫星时间、卫星时间与系统时的偏差、卫星频率偏差、广播星历、群延迟参数、系统及卫星工作状态信息等。

（2）非即时信息：一般包括卫星历书、卫星状态、电离层模型参数等。

3.1　星历

星历参数是影响动态系统导航定位精度和可靠性的重要因素，由地面运行控制中心站计算得到的，通过卫星转发给用户。

在导航电文设计初期，GPS、Galielo、BDS等导航系统均采用了16参广播星历参数模型，主要参数包括6个轨道参数、9个摄动变化量参数和时间参数等卫星运行及其轨道参数。

在现代导航电文设计中，GPS CNAV电文中首次采用了18参广播星历参数，其中半长轴平方根A1/2改为参考时刻半长轴与标称值之差和半长轴变化率，用两个表示变化率的数据代替固定值半长轴平方根A1/2；增加了平均角速度与固定值之差的变化率。当收敛条件相同时，18参数的广播星历精度要优于16参数的，但其稳定性明显要低[3]。

3.2　系统时

目前，卫星导航系统一般采用以周计数和周内秒为参数的时间表述方式，如GPS时、Galileo系统时和北斗时（RNSS服务）等，但各系统时的起点不同[4，5]，且参数比特位数不同，周内秒单位也有所差异。因此，考虑到各卫星系统间的兼容性，解决不同导航系统间的时间转化问题，电文中应包含与其他导航系统时进行直接转换的时间转换参数。

同时，各卫星导航定位系统均与UTC协调世界时保持一致，但也有其差异，系统时均为连续的，而UTC会周期性的作跳秒修正，即系统时与UTC 时间有固联但又存在一定的漂移。电文中应包含系统时和UTC关系的必要数据。

3.3　星钟改正参数

星上时钟并不稳定，每颗卫星都需通过相关的播发其自身的星钟改正数据，以对时间进行更精确的修正。卫星时间改正数利用以下二阶多项式模型计算：

式中，af0，af1和af2分别表示卫星钟偏差改正系数、漂移改正系数和漂移率改正系数；toc为星钟改正数的参考时间；t为系统时的周内秒；Δtr为相对论改正项，计算公式为：

3.4　设备延迟参数

设备群延迟改正参数又称为硬件延迟差或频间偏差参数，反映了卫星不同频点信号经星上发射链路到达卫星天线电子相位中心产生的延迟[6]，适用于GPS和Galileo等系统。每个卫星群延迟参数会不断更新以便反映真实的在轨设备群延迟差异。该改正项主要是为单频用户考虑。

以Galileo系统为例。播发群延迟参数BGD（f1，f2）定义如下：

式中，f1和f2为2个Galileo信号的载波频率；TR1和TR2为信号载波频率分别为f1和f2的群延迟。BGD不等于卫星设备群延迟差异的均值，它是测量值，代表平均设备群延迟差异乘以1/[1-（f1/f2）2]。单频接收机用户处理f1频点的伪距时星钟改正数为：

单频接收机用户处理f2频点的伪距时，星钟改正数为：

BDS定义的群延迟参数则意义不同于GPS系统。它以B3频点天线电子相位中心为卫星钟差时空参考点，并以B1、B2和B3导航信号信号发送链路的设备时延做差得到B1、B2相对B3设备的群延迟参数。BDS用户要使用B1/B2双频伪距进行导航定位解算时，必须从电文中获取B1、B2时延差参数，并机械能相应归算，才能正确使用卫星发播的钟差参数[7]。

由此可见，GPS、Galileo是以双频为基点进行种差修正的，BDS则是以单频为基点进行钟差修正。虽然各系统在钟差修正方法上略有差异，但是对接收层的影响不大[8]。

3.5　电离层改正

电离层误差是由卫星导航信号在穿越电离层时传播方向、速度、相位及振幅的变化，是严重影响定位精度的误差源之一，采用有效地电离层延迟改正模型可以很好地削弱该误差源的影响。由于电离层随测量的位置、时间、太阳的活动等的不同而有所变化[9]，不同电离层延迟改正模型的改正精度往往也是不一样的。因此，各卫星导航系统采用的电离层改正模型不尽相同，如GPS、BDS采用了8参数球谐参数（Klobuchar）经典模型，Galileo则独特的采用了3个电离层电子浓度参数和5个电离层分布标志来构建电离层模型。目前，还无法衡量哪种模型更优，制定相应标准。

3.6　数据龄期

批量播发的导航数据通过数据龄期来识别。名义上，不同类型的导航数据（星历、星钟改正和SISA等）在应用中有效期是有限的。通过数据龄期来识别每一批数据使得：

⊙ 用户可以识别从不同卫星上接收的不同批次的数据。

⊙ 用户接收机识别数据的有效性（更新为最新龄期的导航数据）。

⊙ 即使丢失了一些页面或者从数据传播中的某一部分开始接收数据，用户接收机可以估计完整批次的数据。

3.7　历书

历书包含导航定位所需的基本参数，对接收机快速捕获卫星信号和选星过程中起着十分重要的作用。一般包括开普勒轨道参数和钟差改正参数，其参数比特尾数和尺度因子要求均低于精密星历，为用户提供精度较低的卫星位置，大大减少导航电文的数据量，提高了效率，同时也缩短接收机接收一组完整历书所需时间，减少了接收机首次定位时间。

3.8　空间信号精度

完好性是卫星导航系统性能评估的重要指标。GPS和BDS在导航电文中播发用户距离精度（URA）和健康标志来描述卫星空间信号精度；Galileo则在电文中播发空间信号精度（SISA）、空间信号监测精度（SISMA）和完好性标识（IF），以表征系统的完好性。

4　导航电文信道编码

信道编码是在信源编码之后，作为一种差错控制码嵌入与信息序列有关联的冗余码元，来监测和纠正衰落、噪声干扰、多普勒频移等带来的误码，使码字具有一定的检错纠错能力，可有效提高信息传输的可靠性。

卫星导航系统通常采用前向纠错（FEC）方式对导航电文在信道传输中的随机错误和突发错误进行控制。随着接收机和通信技术的发展，用于控制随机错误的码从最初的汉明码、BCH码等线性分组码，发展到后来的卷积码、LDPC码等；对抗突发错误的码有CRC码、交织码等。

现代导航电文信道编码设计一般采用多重差错控制方法：先进行CRC校验，随后将纠错码和交织码结合进行纠错编码。

5　卫星导航电文设计

从GPS、Galileo、BDS等系统的导航电文设计来看，各系统在电文内容、信道编码、数据编排结构及播发方式等方面均有相似之处，其差异体现在系统对服务性能、可扩展性、应用范围、服务效率等方面需求的不同和导航定位算法的优化。同时，各卫星导航系统的迅速发展使得互操作成为了全球卫星导航领域的关注热点，各供应商对系统见兼容互操作研究给予了高度重视。为谋求利益的最大化，各供应商都在积极开展互操作研究和协调工作。因此，为实现导航电文设计的标准化，应进行以下几个方面的考虑：

（1）坐标框架及系统时的转换。目前，各大系统采用的坐标和时间参考系均不相同。若能以某一标准坐标系和时间基准为参考，设计各系统间坐标和时间的转换参数，可为各系统间兼容互操作打下坚实的基础。

（2）电文结构归一化设计。目前，各大系统均设计了不同类型的导航电文，并采用固定帧/数据块结构或二者结合的电文基本结构。若各大系统均设计一类采用相同电文基本结构，并借鉴Galileo 的交叉播发方式，可有效降低兼容型接收机和地面监测站的设计成本，改善接收机首次定位时间，提高导航电文的时效性和数据资源利用率。

（3）改正参数的个性化设计。由于各卫星导航系统通常播发多个频点的导航信号，各频点导航信号对应的各厂商生产的设备时延不尽相同，且各系统采用的钟差、星历及电离层改正模型也有所差异，无法制定统一标准，需差别对待。

6　结束语

随着各国通信技术、导航定位技术的发展以及设计约束条件不同，各国卫星导航信号电文的设计结构和参数有着些许差异，但所涵盖的设计要素基本一致，进而可以总结归纳形成概要设计标准，为各国卫星导航定位系统兼容性和互操作性打些坚实基础，也为用户终端的简化设计提供前提条件和重要支撑，引领卫星导航产业的国际化发展。但也需要认识到的是，导航电文的设计是各方面要素综合权衡的结果，也无绝对的标准，需要随着技术的发展，进行改正参数和模型的优化设计，并对导航电文设计标准进行同步更新。■

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