CN101086526A - 复合导航电文 - Google Patents

Abstract

本发明是一种复合导航电文，涉及空间技术，由原类全球定位系统的导航电文和辅助导航通信电文组合而成。它可以广播传输气压测高时的基准点修正数据相关参数；可以广播更多的差分修正数据，构成广域和局域差分模型，或广域或局域增强系统；可以广播对流层时延修正模型的影响参数。辅助导航电文与类全球定位系统导航电文的区别除了传输内容是基本导航电文的补充参数外，实现了报文通信、短信通信和广播通信的功能，传输速率提高，传输数据量增大。辅助导航通信电文使系统导航定位精度提高，加快导航定位初始化，使捕获测距结算加快，实现基于位置和时间等服务的通信。

Description

复合导航电文

技术领域

本发明涉及空间技术领域，是卫星导航中的一种复合导航电文。

背景技术

导航电文是卫星以二进制码的形式广播发送给用户的实现导航定位所需信息的表达形式，称为数据码或D码。其内容包含有：卫星星历、卫星钟时刻及校正、电离层延迟校正、工作状态信息和C/A码转换到捕获P码的信息以及全部卫星的概略星历等。用户接收机利用电文数据可以计算出所在的位置、速度以及UTC时间。在全球定位系统(GPS)中导航电文(见袁建平，罗建军，岳晓奎，方群.卫星导航原理与应用.北京：中国宇航出版社，2003，9.)安排如表1，格式如附图1所示。

表1  导航电文安排

总电文由1500位组成，分为5个子帧，每个子帧在6s内发射10个字，每个字的发射时间为0.6s，每个字30bit(位)，共计300bit。

导航电文的结构如附图2。每个子帧以遥测字TLM打头，后跟一个转换字HOW，其构成如附图3。遥测字TLM的头8位是同步头，其余是向地面站发送的遥测信息，奇偶校验等。同步头为子帧中的编码脉冲的解调提供一个时间起点，编码脉冲以此为起点顺序按位拼装，即可译出正确的导航信息。同步头的起点也是一个时间标记点，带有传播时延的信息。同步头起点对应的时间包含在前一子帧的转换字(HOW)的Z计数中。每个子帧的第31～60bit构成转换字HOW。HOW字的前17位是Z计数，实质是子帧计数，记录的是子帧的数目，如附图4所示。每周六的午夜零时作为第1个子帧的起点，经过此点子帧(Z)计数加1。一个星期共有100800个子帧，计满这个数值时，便重新开始。因为每个子帧的时间是6s，所以子帧计数实际上计的是时间，只要将子帧计数器的内容乘以6，这样得到的时间就是下一子帧的起始时间。子帧识别指明该子帧是5个子帧中的那一个子帧。同步标志指明导航信号中的子帧是否与伪码同步，若不同步就不能进行C/A码到P码的转换。HOW字之所以叫转换字，是因为它的一个主要作用是在测距时实现由粗测距码(C/A码)到精测距码(P码)的转换。

第1子帧除TLM和HOW字外，其余部分构成数据块I，数据块I包含有卫星时钟校正参量α₀，α₁，α₂；时钟基准时间t_oc；时钟校正参量的老化度AODC＝t_oc-t_L，t_oc是卫星钟校正量Δ_ts＝α₀所对应的时刻；其他时刻t；星钟校正量Δt_s是(t-t_oc)的函数，t_L是地面站组为了制备时钟校正参量，对该钟进行测量，取得时钟校正参量数据的时刻，制备的时钟校正参量数据的时刻。制备的时钟校正参量是预报参量，因此t_oc＞t_L，t_L和t_oc相隔时间越长，说明预报的时间也越长，数据的可信度就越差，故称AODC为老化度。数据块I还含有大气校正参量α₀，α₁，α₂，α₃，β₀，β₁，β₂，β₃和两个载频在卫星发射设备中的群延时差T_GO。后两个数据是为了单频用户准备的，因单频用户不能用双频法修正电离层附加延迟，只能靠模型来修正，T_GO供单频用户在修正测距数据时用。

第2、3子帧除TLM和HOW字外，其余部分构成数据块II。数据块II中含有卫星星历或轨道参数，星历中各参数的符号和意义见下表2。

表2星历中各参数意义

第5子帧除TLM和HOW外，其余构成数据块III。数据块III中含有24颗卫星的信息，有历书的基准时间t_oe，粗略的星历和卫星钟修正量，卫星识别和卫星健康状态等。由于每颗卫星的数据需占用一个子帧，所以24颗星需24个子帧才能把数据送完，这样，全部24颗卫星的历书以25帧(25页)为一周期，共计需12.5min才能将各星的历书数据发送完。由于第4、5子帧的各页可以通过每颗卫星广播，所以用户只需收到一颗卫星的信号，就可以粗略地知道其他卫星的情况。卫星健康状态字告诉用户该星是否正常，而卫星识别是指明用户跟踪的卫星的伪随随机码编号。

第4子帧除TLM和HOW字以外，其余空着以便备用。

以上是全球定位系统(GPS)类卫星导航中的导航电文，可以看到它能传输的信息有限，若加长电文，虽然能增加信息量，但电文冗长，会影响码的捕获，影响导航定位解的输出率。

发明内容

从上可以知道导航电文可以传送的信息有限，为了提高用户导航定位的精度，需要使卫星空间位置和伪距测量更准确，就需要考虑相关参量有更多的更精确的修正手段和修正数据，为此必须采用更多的误差修正模型，必须广播传输更多的误差修正有关参数，如单频实现电离层修正时，可以采用传输分布的电子总量密度数据，这时可以在伪距解算时，对不同指向的伪距，由插值模型求出不同的电子总量，使单频电离层修正模型变得很准确，所以广播内容可以是单频电离层时延修正模型的电子总量密度的分布数据；也可以是对流层时延修正模型中的状态参数，如大气温度、气压、湿度等。在转发式卫星导航中，若使用的星座都处于赤道上空，这时星座的几何精度因子差，三维定位中高程测量精度差，但可以采用气压测高作为高程测量的基本依据，气压测高相对精度较高，可以达到0.3米以下，但绝对测量精度较差，艾国祥院士在转发式卫星导航中发明了采用基点修正的气压测高，并提出了用导航电文传输基点修正的有关参数实现测量点气压测高的基点修正方法，但这些测量数据较多(3000多个)。上述这些数据数据量较大，需要由导航电文传送，但原导航电文中只有第4子帧空闲作为备用，备用量太少，满足不了修正量数据的传送要求，故必须增加导航电文传送的数据容量。若仍采用原来的导航电文格式，必须加长导航电文，加长电文会影响信号捕获，影响导航定位数据的得出率。

本发明的目的就是为了实现增加卫星导航电文广播的信息量的同时，做到既能提高导航定位精度，又不影响和延长导航用户捕获测距码、测伪距以及定位解算的时间。为此本发明没有采用延长导航电文的做法，而是采用由另一个射频通道来传输辅助导航信息的做法。这样做保持了主导航电文的简短，只广播传输导航定位中的最重要信息，如卫星导航参数、时间信息和时间修改信息等，便于快速得出导航定位参数。辅助导航信息传输的格式可以承袭类全球定位系统(GPS)导航电文格式，也可以采用类通信报文的格式。辅助导航电文的传输速率可以提高到500bps以上，这样广播传输数据的能力明显提高。

2.为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种复合导航电文，在卫星导航领域中使用；其复合导航电文中包括主导航电文和辅助导航通信电文；

主导航电文格式，是由连续广播的帧构成，一个帧一般有5个子帧，每个子帧有10个字，每个字有30个导航码位，每个码位长度为0.02秒，每个字长度为0.6秒，子帧周期为6秒，帧周期为30秒，帧应含有完整的导航电文信息，传送本颗导航通信卫星的实时参数；

辅助导航通信电文传送导航的辅助信息和通信的实时参数，由连续广播的超超帧构成，一个超超帧可以有若干个超帧，一个超帧有几个帧，每个帧有5个子帧，每个子帧有10个字，每个字有30个导航通信码位，每个码位长度为0.02秒，每个字长度为0.6秒，子帧周期为6秒，帧周期为30秒。

在转发式卫星导航系统中，辅助导航通信电文的传输频点和主导航电文的传输频点是互相独立的，辅助导航通信电文的传输速率高于主导航电文速率，为500bps以上，较快地广播传送数据和信息。

所述的复合导航电文，其所述辅助导航通信电文，是短信息或代码。

所述的复合导航电文，其所述短信息或代码，短信息是全球定位系统中的短信息，代码是需要预先编制好的规范性的通信内容，用代码表示，电文中只传递代码。

所述的复合导航电文，其所述辅助导航通信电文，传送广播类通信报文和为了进一步改善导航系统精度和性能的导航参量修正补充电文。在增加卫星导航电文广播的信息量的同时，做到既能提高导航定位精度，又不延长导航用户捕获测距码测伪距以及定位解算的时间。

所述的复合导航电文，其所述辅助导航广播电文传送内容为：气压测高中的绝对高程基准点修正需要的气压和温度修正参数，能较精确地实现绝对高程气压测高，精度达到3～7米，成为高程测量的一种有效手段，提高了卫星导航的高程测量精度，在仅利用同步轨道卫星的转发式卫星导航系统中，能补充因星座分布不理想、几何精度因子不好、不能保证三维定位精度的弱点，成为一种高程约束的卫星导航定位系统，实现用户三维精确定位；

传送电离层电子总量分布参数、对流层大气中的水气分布参数，能更准确地修正导航定位的有关参数，提高导航定位精度；

传送多个参考站或传感站得到的改正修正参数，或由这些数据计算得到的卫星星历、时钟基准、电离层时延和对流层时延的修正量，构成广域和局域差分系统，或构成广域或局域增强系统，提高导航定位精度；

传送广播类通信报文，是实现短信通信、报文通信、广播通信，以实现信息的交流，特别适合上情下达，在军事上实现对下属的及时指挥；

传送广播类通信报文，还包括定位信息回传所应用的短数据信息回传，即为回传短电文或回传通信电文。

本发明实现了报文通信、短信通信和广播通信的功能，传输速率提高，传输数据量增大。辅助导航通信电文使系统导航定位精度提高，加快导航定位初始化，使捕获测距结算加快，实现基于位置和时间等服务的通信。

附图说明

图1现有的全球定位系统(GPS)类导航电文的格式图；

图2现有的一帧导航电文的结构图表；

图3现有的TML及HOW字结构图表；

图4现有的子帧计数图；

图5为本发明的主导航电文帧示意图；

图6为本发明的辅助导航通信电文帧结构示意图；

图7为本发明的超超帧结构图；

图8为本发明的超帧结构图；

图9为本发明的辅助导航电文帧格式；

图10为本发明的辅助导航电文的子帧结构图；

图11为本发明的字结构图；

图12为本发明的第二帧子帧图示；

图13为本发明的卷积码生成电路图。

具体实施方式

本发明发明了复合导航电文，复合导航通信电文格式如下：

1.主导航电文格式(见附图5)：

由连续广播的帧构成。一个帧一般有5个子帧，每个子帧有10个字，每个字有30个导航码位。每个码位长度为0.02秒，每个字长度为0.6秒，子帧周期为6秒，帧周期为30秒。帧应含有完整的导航电文信息，传送本颗导航通信卫星的实时参数(钟或虚拟钟改正参数、频率改正参数、时间信息和卫星星历等)。这是复合导航电文得主电文，这里采用了GPS类的电文格式。

2.辅助导航通信报文也可以格式如下(见附图6)：

帧应包含有完整的导航通信电文信息，传送通信的实时参数(电离层电子密度分布数据、差分数据、对流层时延数据、气压测高基点修正数据等)，这就是复合导航电文中的辅助导航通信电文。

辅助导航通信电文设计时需满足下述要求：

第一、不干扰现有接收机接收主导航电文信号；

第二、提供最大可能的修正能力和提供尽可能多的修正数据；

第三、辅助导航电文的传输频点要与主导航电文的传输频点错开，建议选用相邻转发器。

辅助导航通信电文可以包含除主导航电文以外的所有补充内容，分不同信息内容，单独组成帧，再由多个帧组成超帧，现以一种气压基点修正数据电文帧为例加以描述。

电文内容：导航系统有效覆盖区内1860个气象监测台站的台站编号、气压值和温度值。

1)电文的结构：

辅助导航电文由连续广播的超超帧构成。一个超超帧可以有若干个超帧，一个超帧有几个帧，每个帧有5个子帧，每个子帧有10个字，每个字有30个导航通信码位。

每个码位长度为0.02秒，每个字长度为0.6秒，子帧周期为6秒，帧周期为30秒。

1.1)超超帧结构(见附图7)

1.2)超帧结构(见附图8)

1.3)帧结构(见附图9)

含有5个子帧，主要广播导航系统有效覆盖区内各气象监测台站的气压值和温度值。

1.4)子帧结构(见附图10)

每个子帧有10个字，各子帧的第一个字作为同步字，每6秒重复一次；各子帧的第二个字作为子帧同步头时间字，随着子帧数的增加进行累计。各子帧的其余各字是1860个测站的气压高度数据。

在每个子帧的第八个字安排8位同步巴克码，参与卷积，以减小误码率。第17位为开始位。

1.5)字结构(见附图11)

各个帧的每个子帧有10个字：

第一个字是同步字：8、16或24个码位的同步码，作为捕获导航数据的前导，使用户易于解调电文数据。

第二个字是时间字：含有每天午夜起算的帧的累积数和每个帧起算的所有子帧的累积数。第二帧的第二个字含有超帧编号信息。

第三个字～第十个字是气压高度数据。

2)导航电文的内容：

2.1)帧的内容

2.1.1)同步字

每个子帧的第一个字，都是同步字，不参与卷积运算。同步字为16位遥测同步码(1110101110010000)。同步字的其余码位第17位到第30位补“0”填充。

2.1.2)时间字

每个子帧的第二个字，都是时间字。时间字用来标识本子帧发射帧同步头第一个比特脉冲前沿所对应的时刻，帧同步头第一个比特脉冲前沿在整30秒发射。时间字包含以下内容：

1、含有从每天0^h0^m0^s起算的帧的累积数，从0开始计数，每间隔30秒增加1，最大累积数为2879。安排12个码位。从第1位到第12位；

2、子帧的累积数，从0开始计数，最大累积数为4，安排3位。第13位到第15位；

3、含有本子帧数据健康状况。“0”表示本子帧数据不可用，“1”表示本子帧数据可用，安排1个码位。第16位。

4、含有本超帧的编号，最多共有44个超帧。安排6个码位。从第17位到第22位。

5、第23位到第30位预留，全部为“0”。

2.1.3)其余字

转发式卫星导航系统共有1860个观测站，每个子帧放9个测站的数据，一帧可以放入45个测站数据。一颗卫星发完全部测站数据需要44个第二帧，即需要44个超帧，分44页。

44页共放1980个测站的数据，实际观测站只有1860个，第42个超帧的第二帧的第一子帧、第二子帧的前6个字和第7个字的前24位、第二子帧、第三子帧、第四子帧、第五子帧的第八个字的第17位到第25位以及第43、44页的第二个帧的各子帧的第一个字、第二个字、第八个字的第17位到第25位占据数据位，其余各位预留，全部为“0”。

1第三个字

1)X+1站的气压，共安排14位，第1位到第14位；

2)X+1站的气温，共安排10位，第15位到第24位；

3)X+2站的气压，共安排14位，本字安排高6位(MSBs)，第25位到第30位。

2第四个字

1)X+2站的气压低8位(LSBs)，第1位到第8位；

2)X+2站的气温，共安排10位，第9位到第18位；

3)X+3站的气压，共安排14位，本字安排高12位(MSBs)，第19位到第30位。

3第五个字

1)X+3站的气压低2位(LSBs)，第1位到第2位；

2)X+3站的气温，共安排10位，第3位到第12位；

3)X+4站的气压，共安排14位，第13位到第26位；

4)X+4站的气温，共安排10位，本字安排高4位(MSBs)，第27位到第30位。

4第六个字

1)X+4站的气温的低6位(LSBs)，第1位到第6位；

2)X+5站的气压，共安排14位，第7位到第20位；

3)X+5站的气温，共安排10位，第21位到第30位。

5第七个字

1)X+6站的气压，共安排14位，第1位到第14位；

2)X+6站的气温，共安排10位，第15位到第24位；

3)X+7站的气压，共安排14位，本字安排高6位(MSBs)，第25位到第30位。

6第八个字

1)X+7站的气压的低8位，第1位到第8位；

2)X+7站的气温，共安排10位，本字先安排高8位(MSBs)，第9位到第16位；

3)参与卷积的8位帧同步头(11100100)，安排8位。第17位到第24位；

4)X+7站的气温的低2位(LSBs)，第25位到第26位；

5)X+8站的气压，共安排14位，本字安排高4位(MSBs)，第27位到第30位。

7第九个字

1)X+8站的气压的低10位(LSBs)，第1位到第10位；

2)X+8站的气温，共安排10位，第11位到第20位；

3)X+9站的气压，共安排14位，本字安排高10位(MSBs)，第21位到第30位。

10第十个字

1)X+9站的气压的低4位(LSBs)，第1位到第4位；

2)X+9站的气温，共安排10位，第5位到第14位；

3)第15位到第30位预留，全部为“0”。

子帧图示见附图12。

另一类通信电文格式是短信息或代码，代码是需要预先编制好的规范性的通信内容，用代码表示，电文中只传递代码，这样也有利于保密。如VMF标准，这是一种应用于陆军指挥控制系统中的信息格式标准，VMF报文语法主要是由字段出现指示器(FPI)、字段重复指示器(FRI)、分组出现指示器(GPI)和分组重复指示器(GRI)这四个指示器来定义。VMF报文描述对于用户都是透明的，每种格式的VMF报文都是由一个FAD(功能区域指示器)和报文号的有效联合来进行标识，每一个单独的报文描述都定义了一个可变报文格式。VMF报文使用灵活的语法规定了报文文本的格式，这些语法对于每个用户都是透明的。指示器字段允许用户只发送那些包含必要信息的手段，使报文的长度随有用信息的大小而改变，减小发送的数据量。

复合导航电文的传输

复合导航电文信息为双极性不归零码，信息“0”为高电平，信息“1”为低电平。电文编排都是从低位开始，位数不足，高位空位填零。

电文在信道中传输都是先传高位，后传低位，即电文格式中左边信息为高位，右边信息为低位。

复合导航电文的纠错

复合导航电文将采用卷积的纠错方式：采用(2，1，7)卷积码，图13是卷积码生成的电路图。

即：编码效率：R＝1/2

约束长度：K＝7

生成多项式：(133，171)

    g1(x)＝x⁶+x⁴+x³+x+1

即：g2(x)＝x⁶+x⁵+x⁴+x³+1

复合导航电文的速率

主导航电文的原始码流速率为50bps，卷积后速率为100bps。辅助导航电文的码流速率高于主导航电文，可以为500bps以上，较高的码速率有利于更多信息的快速传递。

复合导航电文设计理念和实施方案的提出和实践，使卫星导航的性能得到进一步改善和提高。它不但保证了测距码与载频的快速捕获，而且实现了更多信息的广播传输，这些信息保证了误差修正的更精确实施，使导航定位精度进一步提高。除了上述功能以外，它同样可以传输其它信息，如通信、指挥等信息。这些在军事上尤为重要。所以复合导航电文是有实用实战价值的增强信息的传输载体。

复合导航电文不但可以用于转发式卫星导航系统，其基本设计可以应用于其它无线电导航系统。

Claims (6)

1.一种复合导航电文，在卫星导航领域中使用；其特征在于，复合导航电文中包括主导航电文和辅助导航通信电文；

主导航电文格式，是由连续广播的帧构成，一个帧一般有5个子帧，每个子帧有10个字，每个字有30个导航码位，每个码位长度为0.02秒，每个字长度为0.6秒，子帧周期为6秒，帧周期为30秒，帧应含有完整的导航电文信息，传送本颗导航通信卫星的实时参数；

辅助导航通信电文传送导航的辅助信息和通信的实时参数，由连续广播的超超帧构成，一个超超帧可以有若干个超帧，一个超帧有几个帧，每个帧有5个子帧，每个子帧有10个字，每个字有30个导航通信码位，每个码位长度为0.02秒，每个字长度为0.6秒，子帧周期为6秒，帧周期为30秒。

2、根据权利要求1所述的复合导航电文，其特征在于，在转发式卫星导航系统中，辅助导航通信电文的传输频点和主导航电文的传输频点是互相独立的，辅助导航通信电文的传输速率高于主导航电文速率，为500bps以上，较快地广播传送数据和信息。

3、根据权利要求1所述的复合导航电文，其特征在于，所述辅助导航通信电文，是短信息或代码。

4、根据权利要求3所述的复合导航电文，其特征在于，所述短信息或代码，短信息是全球定位系统中的短信息，代码是需要预先编制好的规范性的通信内容，用代码表示，电文中只传递代码。

5、根据权利要求1所述的复合导航电文，其特征在于，所述辅助导航通信电文，传送广播类通信报文和为了进一步改善导航系统精度和性能的导航参量修正补充电文。在增加卫星导航电文广播的信息量的同时，做到既能提高导航定位精度，又不延长导航用户捕获测距码测伪距以及定位解算的时间。

6、根据权利要求1所述的复合导航电文，其特征在于，所述辅助导航广播电文传送内容为：气压测高中的绝对高程基准点修正需要的气压和温度修正参数，能较精确地实现绝对高程气压测高，精度达到3～7米，成为高程测量的一种有效手段，提高了卫星导航的高程测量精度，在仅利用同步轨道卫星的转发式卫星导航系统中，能补充因星座分布不理想、几何精度因子不好、不能保证三维定位精度的弱点，成为一种高程约束的卫星导航定位系统，实现用户三维精确定位；

传送电离层电子总量分布参数、对流层大气中的水气分布参数，能更准确地修正导航定位的有关参数，提高导航定位精度；

传送多个参考站或传感站得到的改正修正参数，或由这些数据计算得到的卫星星历、时钟基准、电离层时延和对流层时延的修正量，构成广域和局域差分系统，或构成广域或局域增强系统，提高导航定位精度；

传送广播类通信报文，是实现短信通信、报文通信、广播通信，以实现信息的交流，特别适合上情下达，在军事上实现对下属的及时指挥。

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