伪卫星导航电文设计与实现.doc

精品论文伪卫星导航电文设计与实现卓琳，桑文刚 ，何秀凤河海大学卫星及空间信息应用研究所 南京 210098e-mail: 摘 要：导航电文包含卫星的时间和位置信息，是进行导航定位不可缺少的起算数据。本文结合伪卫星设备开发过程中导航电文相关问题展开，根据伪卫星应用特点，在不改变子帧大 小、信号调制规则以及不影响普通 gps 接收机捕获及解调伪卫星信号的基础上，设计并实现 了伪卫星导航电文方案，通过实验验证该方案的正确性与可用性。关键字： gps伪卫星导航电文1.引言gps 作为当今最先进得测量手段之一，其精密的定位理论和技术已在大地测量、地壳运 动监测、精密工程测量以及导航等诸多领域得到广泛的应用，但是 gps 的精度、可靠性和 可用性都依赖于可跟踪卫星的数量和几何分布情况。而对于城市高楼密集和位于峡谷的水 库、电站、矿山等环境接收到的 gps 卫星数目不满足定位的最低要求，而且分布不均匀， 导致 gps 定位精度大大降低甚至不能定位。伪卫星是解决这个问题的有效途径之一。伪卫 星又称“地面卫星发射器”，可发射类似 gps 信号，以弥补恶劣环境下可见星数目少及几何 分布差的缺陷。伪卫星的概念最早于 20 世纪 70 年代提出，在 gps 卫星发射之前，用于地 面 gps 接收设备的测试1。 20 世纪 80 年代末，伪卫星技术被用于飞机精密进场等实时动 态定位领域2。近几年来，在不改变现有 gps 接收机设备的情况下，以实现山区峡谷、城 市高楼林立等信号遮挡严重区域，以及室内、地下、甚至外太空等领域正常的导航定位成为 研究的热点34。但目前伪卫星发射器研发还不够完善，且多集中在国外，多数仍处于实验 室应用阶段，少数成型产品也因其价格昂贵，阻碍其应用和发展，而国内伪卫星发射器的研 发尚属空白5。本文针对伪卫星发射器研发中导航电文开展研究，根据伪卫星应用特点，设 计伪卫星导航电文，从而实现在不改变现有接收机设备的基础上向用户提供伪卫星的广播星 历，并通过实验验证该导航电文的正确性和可用性。导航电文，又称为数据码或 d 码，包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫 星钟运行状态等信息，是卫星信号的重要组成部分，也是用户利用卫星进行定位的数据基础。 因此是伪卫星硬件设备开发的一个重要环节，同时为了保证现有接收设备可以同时接收 gps 和伪卫星信号，伪卫星的导航电文将参考 gps icd-200c 规范规定导航电文存储结构。由于 伪卫星通常安置在地面或近地面，不像 gps 卫星那样按照设计的轨道运行，也不具备地面 监控与注入系统，所以伪卫星导航电文和 gps 导航电文的内容将有所不同。另外伪卫星坐 标一般事先知道，不需要通过导航电文星历参数计算得到，可简单变换后直接写入导航电文。 但是如果将伪卫星的相关信息直接按照 gps 卫星导航电文参数结构进行存储，其表示的数 值的范围及精度将受到限制5。本文根据伪卫星自身参数的特点来设计伪卫星导航电文存放 格式。72.伪卫星导航电文设计伪卫星导航电文遵循 gps icd-200c 规范数据格式，以帧为单位向用户播发。每帧由 5 个子帧组成，每个子帧包括 10 个字，每个字有 30bit，以 50bit/s 速度播发。第 1，2，3 子帧 每 30s 重复播发一次，而第 4，5 子帧的信息连续播发，需经 25 子帧，长达 750s，才能传 完全部信息。2.1 伪卫星导航电文主要参数伪卫星导航电文的基本单位也是一个主帧，一个主帧由 5 个子帧组成，分为三个数据块， 下面分别介绍这三个数据块的信息：67数据块一：第一子帧的 310 个字称第一数据块。gps 导航电文主要包括卫星钟参数及 其数据期龄 iodc，星期的周数编号wn ，电离层改正参数和卫星工作状态等信息。下面讨 论伪卫星在第一数据块的参数内容。（1）伪卫星各项时钟参数 a f 0 、 a f 1 、 a f 2 不具备 gps 地面控制系统通过长时间观测， 并与高精度的原子钟进行比对来获取。但考虑到伪卫星多采用温度补偿性晶体振荡器作为卫 星钟，因此可以将晶体振荡器在标定时刻测得的各项指标如频率偏差、晶体老化率等参数写入导航电文，播发给用户作为参考。（2）钟参考历元toc 为数据块一的基准时间，从 gps 时每周六/周日子夜零时算起，变化于 0604800 秒。钟数据期龄 iodc 表示基准时间和最近一次更新时钟参数时间之差。星期的周数编号wn ，表示从 1980 年 1 月 6 日 utc 零时起算的星期数，也称作 gps 周。对于 这三个参数将采用和 gps 导航电文相同的设置方式。（3）由于伪卫星通常放置于地面或近地面，采用 l1 载波 c/a 码调制方式，所以电离层延迟改正、l2 载波的调制类型等参数在伪卫星第一数据块里空缺。而对于伪卫星的精度 指标及健康状况标识可以采用类似 gps 方式设置。数据块二：数据块二包含在第二、三子帧里，主要向用户提供有关卫星运行位置信息和 星历表的数据期龄 iode。该数据块一般称为卫星星历，提供用户实时定位的基本数据。伪 卫星不属于轨道运行卫星，不存在轨道参数，但其位置信息，是伪卫星在导航定位过程中却 不可缺少。数据块三：对于 gps 导航电文而言，数据块三由第四和第五子帧组成，提供 gps 工作卫 星的预报星历、时钟改正、码分多址和卫星工作状态等数据，由于要公布的全部星历较多， 需要 25 个页面连续播发成为一个周期。而对于伪卫星而言，有关全部伪卫星星历的第三数 据块可认为是空页作为备用。2.2 伪卫星导航电文设计伪卫星星历主要向用户提供有关卫星运行位置信息和星历表的数据期龄 iode。而伪卫星主要放置于地面或近地面，不存在轨道参数，其位置信息是事先知道的，为保证普通 gps 接收接可以正常接收，可经过适当的设计并按照 gps icd-200c 规范数据格式写入导航电文 中。（1）星历参考时刻 toe 和星历表数据期龄 iode 将按照 gps 导航电文的设置方式。（2）由于 gps 预报星历参数在导航电文中的存储格式及其数值范围都依据各自的物理含义而设计的，内部采用二进制存储格式，如果将伪卫星的位置参数按照 gps 导航电文格式直 接写入，可能会受到星历参数格式无法实现，而且会因存储位数的限制造成舍入误差不能满 足精度要求。所以我们要根据伪卫星位置参数的特点来设计在导航电文中的存储格式。在 wgs-84 坐标系下设伪卫星坐标 x 格式为具有一个符号位，7 个整数位及 3 位小数分， 总计 10 个有效数字，数值表示范围-9999999.999+9999999.999，单位为米。鉴于伪卫星多 布置在地面或近地面，该数值范围可满足用户需要。109320x符号位整数位小数位109x *符号位整数位0310图 1 伪卫星坐标存储结构在本文的导航电文设计中，该设计是把事先知道的伪卫星的坐标转换成整数形式，如图1 所示，将其小数点向右移三位即乘上103 把其转换为整数形式，之后以二进制形式写入导 航电文，这样可以避免存在小数点存储时出现舍入误差。该设计中是自行编写提取转换软件 来对参数进行提取转换，在解算软件里，根据其坐标在导航电文中存放的位置，提取其坐标参数把二进制转换为十进制后乘上比例因子10 3 ，这样将得到伪卫星的真实坐标。在这里10 位十进制换算成二进制是 34 位，加上一位符号位一共 35 位。符号位 0 表示正，1 表示为 负。表 1 是本文设计伪卫星坐标在导航电文第二子帧中的存放格式。表 1 伪卫星位置坐标存储格式存储位数存储位置（第二子帧）比例因子x35高 16 位 6984 位 低 19 位 91109 位10 3y35高 24 位 121144 位 低 11 位 151161 位10 3z35高 24 位 181204 位 低 11 位 211221 位1032.3 伪卫星导航电文数据传输及奇偶校验d1 d24d30有效数据位奇 偶 校 验 位图 2 导航电文字结构根据 gps icd-200 规定，导航电文子帧以字为单位组成，字结构如图所示，每个字由24 位比特数据位和 6 比特的奇偶校验位组成。采用奇偶校验可以检验接受端和发送端数据 是否一致，从而提高数据传输质量。下面介绍将传输导航电文的算法。d1 =d1 d30*d2 = d2 d30d3 =d 3 d30d24= d 24 d30.2729134578121314151619202228302456891314151617202123252912356101112131417182023263023467111213141518192124d = d d d d d d d d d d d d d d d d = d d d d d d d d d d d d d d d d = d d d d d d d d d d d d d d d d = d d d d d d d d d d d d d d d2930135679101415161718212224d = d d d d d d d d d d d d d d d d3029356891011131519222324d = d d d d d d d d d d d d d d式中， d1 , d2 , d24 为原始数据位； d25 , d26 , d27 , d28 , d29 , d30 为通过公式计算得到 的 6 比特的奇偶校验位； d 1 , d 2 d 30 为传输的数据位；符号 d29 , d30 用来表示每一子帧上一个字的最后两位数据； 是“模 2”或“异或”运算符。需要注意的是第 1 子帧第 2字奇偶校验最后两位必须设置为 0，为了保证该两位置零，通常利用该字的第 23、24 位配5合实现；当 d29 , d30 为子帧第一个字时， d29 , d30 置零处理 。3.试验结果与分析为了验证本文设计方案实现的有效性，下面设计一组伪卫星导航电文数据进行验证，设 伪卫星 prn 号为 34，验证参数及数值如表 2。表 2 伪卫星导航电文测试参数仿 真 参 数仿 真 数 值伪 卫 星 坐标x165320.178y-5136277.042z4639214.751星 期 数wn1225星历参数参考时间 toe295200星历表数据期龄 iode41钟数据期龄 iodc41将以上伪卫星导航电文参数按照本文设计的方案，生成导航电文的前三帧如下：表 3 伪卫星导航电文第一子帧word1word2word3word4word5原始数据位0x8b07240x5e81270x3250000x0028af0x a6adf7奇偶校验位101111111000100110110001001101word6word7word8word9word10原始数据位0x0228b20x c626f20x2948120x00fff90xoedcb6奇偶校验位110110001110100111100100100000表 4 伪卫星导航电文第二子帧word1word2word3word4word5原始数据位0x8b07240x5e7f2b0x290c510x4d2d400xa644ac奇偶校验位101111010100010111010000000011word6word7word8word9word10原始数据位0x4340000x2290990x93e0000x0c7cc40x48127e奇偶校验位111111101110011101111000000011表 5 伪卫星导航电文第三子帧word1word2word3word4word5原始数据位0x8b07240x5e7fad0xff7c230x5120e40x 000326奇偶校验位101111011100010010111011011001word6word7word8word9word10原始数据位0x995a2a0x1de7360x9a9c990xffa4b20x29ee2b奇偶校验位010001111110011001011110000000在具体的应用中，由于本文采用的是自定义导航电文存储格式，所以必须根据伪卫星导航电文的存储格式来开发相应的转换程序。将以上生成的导航电文通过相应的解算软件进行 转换，图 3 为转换后得到的标准通用数据格式（rinex）的 n 文件，将图中标记的参数数 据与测试数据相比较可知，伪卫星位置坐标参数（x、y、z）及其余均与表中所列项一致。4.结论伪卫星导航电文以 gps icd-200 规范为参考，自定义伪卫星的导航电文结构，并设计 相应的存储结构及开发相应的提取转换程序，通过实验结果验证该设计方法灵活，并可根据 具体参数多少及大小的要求来设计导航电文存储格式。图 3 参数测试结果参考文献1 harrington r.l. , dolloff j.t. the inverted range:gps user test facility, ieee plans76, san diego, california, nov.1-3, 1976:204-211.2 h.stewart cobb.gps pseudolites :theory,design and applicationd.standford university,19973wang j. pseodolite applications in positioning and navigation progress and problemj.journal of positioningsystems,2002,1(1):48-564edwarda.lemaster,stephenm,rock,a local-areagps pseudo1itebased mars navigation systema,ieeeloth international conference on advanced robotics,budapest,hungary,august 20015 桑文刚区域伪卫星增强 gps 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