CN111988272A - 一种适用于地基伪卫星的导航电文传输协议的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于地基伪卫星的导航电文传输协议的设计方法，用以解决现有技术中无法同时满足确保时间信息、星钟和星历数据播发周期固定的同时符合随机播发信息要求的问题。所述导航电文传输协议的设计方法，将电文数据按重复发播周期时间的长短进行分类，并将分类数据安排不同的位置和重复发播周期，再根据分类数据的种类将一个数据发播单元分成若干部分，每一部分对应一类数据，其中至少一个部分中的数据内容和格式固定，至少一个部分存在数据内容可变。本发明采用帧结构和数据块结构对导航电文内容和结构进行分类编排，形成帧与系统时间的固定对应关系，提高用户的定位精度及电文接收的时效性，同时可进行系统功能的扩充。

Description

一种适用于地基伪卫星的导航电文传输协议的设计方法

技术领域

本发明属于无线电导航定位领域，尤其涉及一种适用于地基伪卫星的导航电文传输协议的设计方法。

背景技术

伪卫星是一种设置于地面的发射定位信号的发射器，可以与全球定位系统(Global Position System,GPS)等卫星定位系统组合，优化卫星几何构型，改善导航性能，也可以搭载导航电文信息、测距码等单独提供定位服务。导航电文信息是地面处理形成的伪卫星坐标、伪卫星钟差、设备延迟改正参数等信息，并以二进制码流形式通过伪卫星信号发送给用户。

导航电文传输，基于电文传输协议进行，是用户终端导航和定位的数据基础。电文传输协议，包括导航电文内容和结构。导航电文内容和结构不同，对整个地基导航增强系统的工作方式的影响也不同；导航电文参数模型不同，运管系统的算法也不同；导航电文的播发模式不同，伪卫星的处理方式就不同。导航电文的内容和结构对接收机的设计也有着很大的影响，格式的不同和导航参数模型不同将直接导致导航定位算法不同。

现有技术中，通常采用NAV电文结构和CNAV电文结构。

NAV采用的是由字、子帧、帧和超帧构成的固定格式。每个超帧由25个帧组成，每个帧由5个子帧组成，每个子帧由10个字组成，每个字由30个二进制位组成。NAV中数据的发播速率为50bps。发播1个字需0.6s，1个子帧需6s，1个帧需30s，一个超帧需750s(12.5 分钟)。子帧1中的主要内容是卫星钟改正数据，被称作第一数据块。子帧2和子帧3中的主要内容是卫星星历数据，共同构成第二数据块。第三数据块由子帧4和子帧5，它的主要内容构成是卫星历书和卫星健康状况等信息。由于历书数据量大，需要25个子帧4和子帧5才能发播完。可以看出，第一数据块和第二数据块的重复周期是30s，而第三数据块的重复周期是750s。这说明从结构上来说，对不同时效性的数据做了不同的安排。NAV电文的各项内容在电文中的位置是固定的，字、子帧、帧、超帧与时间之间有着严格的对应关系，尽管在电文中含有表示时间的周计数(WN)和Z-计数等数据，但用户一旦接收到卫星信号并获得GPS 时间后，就可以准确地知道与时间相对应的是哪个帧的第几个子帧以及第几个字，也就是说用户可准确地知道所接收的导航电文是什么类型的内容。

但是，NAV格式是一种固定结构，数据在电文中的位置是固定的，与系统时间之间的关系也是固定的，所以用户接收机接收数据时数据处理的工作量较小，有利于接收机的实现。这与卫星导航系统建设初期用户接收机核心的微处理器的处理能力和数据存储能力是相适应的。但随着微处理器技术的发展，用户接收机的处理能力已经大大提高，这一点已显得无关紧要。在GPS系统建设初期导航电文设计时，由于NAV格式固定，为了能够给系统扩展和改进留有余地，在NAV中设置了许多保留数据段，保留了大量未定义的数据位，以通信资源的浪费换取灵活性。但实际上效果并不明显。由于NAV格式是固定的，这些空白数据段仍然要占一定的电文广播时间，因而造成了通信资源的浪费。

CNAV电文使用一种长度为300bits数据串作为发播数据的基本单元，这个基本单元通常称作数据块。CNAV电文数据发播速率为25bps，每个数据块的发播时间为12s。CNAV按照发播数据内容的不同来构成不同类型的数据块。如卫星星历为类型10和类型11数据块，时钟改正参数为类型30～37数据块。CNAV一共可以定义64种不同类型的数据块，目前已经定义的数据块有14种。CNAV对数据的重复周期没有具体规定，只是规定了各种数据的最大重复周期。

虽然CNAV在系统扩展、增加系统功能方面具有较强的灵活性，通信效率也高，但CNAV 结构由于电文中的数据与时间之间没有固定关系，所以用户无法确定下一个数据块是什么数据。另外，由于CNAV规定卫星星历数据和卫星钟改正数据的最大更新周期为48s，也就是说在以48s为一个周期的时间段内，必须要发播一遍星星历数据和卫星钟改正数据。卫星星历数据由两个数据块组成，卫星钟改正也占了一个数据块，一共三个数据块，发播一个数据块的时间为12s，发播三个数据块一共需要36s，在48s的周期内只剩12s，仅能发播一个其他类型的数据块。对于其他类型的数据块来说，分配的时间不够充分，所以只好减少发播次数。如中等精度历书的发播的最大时间间隔规定为120min(2h)，而NAV历书数据重复发播周期仅为12.5min。差分改正数据(CDC和EDC)的最大更新周期为30min，在这样长的时间内是否能够保持较高的精度还有待分析。如果想在CNAV中增加功能，而增加这项功能需要发播大量数据(如电离层改正数据)，就非常难以实现，所以说，从时域角度考虑，CNAV 的功能扩展能力很有限。

发明内容

为了提高伪卫星的导航性能，确保时间信息、星钟和星历数据播发周期固定的同时满足随机播发信息的要求，本发明提供了一种适用于地基伪卫星的导航电文传输协议的设计方法，通过对导航电文内容和结构的分类编排，形成帧与系统时间的固定对应关系，提高用户的定位精度及电文接收的时效性，同时可进行系统功能的扩充。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一种适用于地基伪卫星的导航电文传输协议的设计方法，所述设计方法包括：

步骤S1，将导航电文中的数据按重复发播周期时间的长短进行分类得到分类数据；

步骤S2，将所述分类数据在导航电文中安排不同的位置和重复发播周期，电文结构基础单元至少满足其中一类数据的播发；

步骤S3，根据分类数据的种类将一个数据发播单元分成若干部分，每一部分对应一类数据，其中至少一个部分中的数据内容和格式固定，至少一个部分存在数据内容可变。

可选地，所述步骤S1中按重复发播周期时间的长短进行分类，分为五大类，分别为：

第一类，重复发播周期T<＝3秒的数据，包括时间信息、完好性信息；

第二类，重复发播周期满足3秒<T<＝18秒的数据，包括差分快变信息；

第三类，重复发播周期满足18秒<T<＝30秒的数据，包括卫星广播星历预报参数信息、卫星钟差预报参数信息、电离层延迟修正参数模型信息；

第四类，重复发播周期T>30秒的数据，包括卫星历书信息、与UTC间时差信息、与非本系统间时间同步信息、差分慢变信息、格网电离层信息；

第五类，重复发播周期随机的数据，包括RNSS工作参数信息、随机播发信息。

可选地，步骤S2中所述电文结构基础单元，长度为300bit，每个基础单元中包含10个字，每个字30bit。

可选地，所述数据播发单元为帧。

可选地，所述步骤S3中将一个数据发播单元分成若干部分，进一步将一个数据发播单元分成五部分，五个部分分别对应五大类数据，其中第一部分、第二部分、第三部分和第四部分中的数据内容和格式相对固定，第五部分存在数据内容可变。

可选地，当伪卫星与北斗卫星系统组合时，北斗卫星导航系统导航电文采用帧结构方式，帧结构分为超帧、主帧和子帧。

由以上技术方案可以看出，本发明实施例的适用于地基伪卫星的导航电文传输协议的设计方法，通过对导航电文内容和结构的分类编排，形成帧与系统时间的固定对应关系，提高用户的定位精度及电文接收的时效性，同时可进行系统功能的扩充。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例适用于地基伪卫星的导航电文传输协议的设计方法流程示意图；

图2为本发明实施例所述基于数据块结构的电文结构示意图。

具体实施方式

下面通过参考示范性实施例，对本发明技术问题、技术方案和优点进行详细阐明。以下所述示范性实施例仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非在这里进行定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明基于地基伪卫星的导航电文传输，提出了一种传输协议的设计方法。导航电文传输协议，包括电文内容和结构。

为了使用户接收机能够在捕获卫星信号后正确地获取所需的数据，导航电文的内容包括同步码、导航信息、时间信息和检错纠错码，以同步码开始，中间为各种信息，最后为检错纠错码。导航电文中所包含的不同内容具有不同的时效性。一方面，有些数据(如卫星星历数据和卫星时钟改正数据)为了保证足够的精度，必须定期更新。不同种类的数据更新周期不同。另一方面，不同的数据对用户来说其重要性也不相同，一般来说，接收机希望尽快收到的数据是卫星星历和卫星时钟改正数据，以便尽快定位，接收其它数据的紧迫性要弱一些。因此，在导航电文中不同内容、不同时效性的数据在导航电文中安排的位置和发播周期是不同的。

同时，导航电文的作用不仅仅是给用户提供定位所需信息，还要给用户提供系统时间，所以导航电文在结构上应能保证给用户提供系统时间信息。一个帧中导航电文的内容与系统时间之间的关系可以是固定的，也可以是不固定的，如果不固定，则每个帧中还要给出本帧电文内容的标识信息。为了使用户能够方便地接收和处理导航信息，以及方便导航电文与系统时间之间建立一定的关系，导航电文一般以固定长度的数据段为基本单位进行发播，数据段的长度一般为300，600，900，1200，1500或1800比特等，具体长度的确定与数据发播速率、电文内容的安排和数据精度以及数据段与系统时间之间的对应关系有关。

电文编排结构对系统的性能有很大影响，如果设计不好，会导致系统性能的发挥，如星历参数和钟参数的重复发播周期(重复发播时间间隔)太长，就会直接导致接收机首次定位时间的增加。如果导航电文结构比较固定，那么电文的可扩展性和灵活性就会下降，不利于电文功能的扩展和性能的提高。

本发明实施例的基于地基伪卫星的导航电文传输协议的设计方法，采用帧结构和数据块结构相结合的编排格式，一方面固定子帧播发顺序，另一方面允许不同页面的播发顺序随机，既能确保时间信息、星钟和星历数据等重要参数的播发周期固定，又满足了随机播发信息的要求。图1为本发明实施例适用于地基伪卫星的导航电文传输协议的设计方法流程示意图。如图1所示，所述基于地基伪卫星的导航电文传输协议的设计方法，包括：

步骤S1，将导航电文中的数据按重复发播周期时间的长短进行分类得到分类数据。

本步骤中，所述按重复发播周期时间的长短进行分类，分为五大类，分别为：

第一类，重复发播周期最短的数据(优选为T<＝3秒)，包括时间信息，完好性信息；

第二类，重复发播周期较短的数据(优选为3秒<T<＝18秒)，包括差分快变信息；

第三类，重复发播周期中等的数据(优选为18秒<T<＝30秒)，包括卫星广播星历预报参数信息，卫星钟差预报参数信息，电离层延迟修正参数模型信息；

第四类，重复发播周期长的数据(优选为T>30秒)，包括卫星历书信息，与UTC间时差信息，与其它系统间时间同步信息，差分慢变信息，格网电离层信息；

第五类，重复发播周期随机的数据，包括RNSS工作参数信息，随机播发信息。

步骤S2，将所述分类数据在导航电文中安排不同的位置和重复发播周期，电文结构基础单元至少满足其中一类数据的播发。

优选地，本步骤结合目前电文结构单元，北斗系统电文基础单元长度为300bit，同时，考虑到导航电文信道纠错编码采用BCH(15，11，1)编码方案，每个基础单元中包含10个字，每个字30bit，与两个BCH交织长度相匹配。

步骤S3，根据分类数据的种类将一个数据发播单元(这里称作帧)分成若干部分，每一部分对应一类数据，其中至少一个部分中的数据内容和格式固定，至少一个部分存在数据内容可变。

针对所述分成五大类数据，分成五个部分。大多数情况下第一部分、第二部分、第三部分和第四部分中的数据内容和格式相对固定，第五部分存在数据内容可变，可用于系统功能的扩充。帧与系统时间之间有固定对应关系，便于用户建立系统时间。

优选地，当伪卫星与北斗卫星系统组合时，北斗卫星导航系统导航电文采用帧结构方式，帧结构分为超帧、主帧和子帧。一超帧为36000bit；一个超帧由24个主帧组成，每个主帧为 1500bit；一个主帧由5个子帧组成，每个子帧由10个字组成，而每个字又包含导航电文信息及校验码两部分内容。其中每个子帧第一个字的前15bit信息不进行纠错编码，后11bit信息采用BCH(15，11，1)方式进行纠错，其它9个字均采用BCH(15，11，1)加交织方式进行纠错编码。

上述步骤S1至步骤S3共同构成导航电文传输协议。

采用本实施例的基于地基伪卫星的导航电文传输协议的设计方法所设计的传输协议，在北京站、三亚站、成都站进行电文传输，监测接收机接收卫星播发的导航电文信息，从而验证所述电文传输协议的性能。

第一方面，导航参数模型性能验证。

监测接收机利用伪距观测数据和导航电文信息扣除卫星广播星历误差、卫星广播钟差误差、电离层延迟修正误差以及广域差分修正误差等，验证所有导航电文参数模型综合性能。各阶段试验结果表明：系统基本导航服务相应的空间信号URE优于2.5米；系统差分增强服务相应的空间信号URE优于1.5米。

第二方面，导航电文播发时效性验证。

在电文更新周期验证中，对卫星健康状态、RURA、UDRE、接收机等效钟差、电离层格网改正数及改正误差(GIVE)进行了验证。在对应更新周期内，均完成更新。

在用户首次定位时间验证中，用户接收机首次定位时间验证结果如表1所示：

表1

在信道纠错编码性能验证中，实际组网星条件下，地面运控系统选择3台接收机数据参加导航电文比对试验，具体比对内容包括原始导航电文信息、PRM输出的卫星健康信息与时间信息、PRM输出的完好性及差分信息、PRM输出的卫星钟差信息、PRM输出的卫星广播星历信息、PRM输出的电离层参数信息、PRM输出的与其它系统时间同步信息、PRM输出的历书信息、PRM输出的电离层格网信息、PRM输出的卫星工况信息、PRM输出的卫星A 通道无线电测距和C通道接收设备时延信息、PRM输出的卫星B通道无线电测距信息、星上激光测距信息和PRM输出的卫星姿轨控参数13类导航电文信息。结果表明组网卫星条件下各种卫星各种类别的导航电文比对全部正确。

图2为本发明实施例所述基于数据块结构的电文结构示意图。如图2所示，数据块编排结构每帧电文长度为300bit。伪卫星播发的帧信息内容包括：同步头、信息类型编号、周内秒计数、电文信息、以及CRC校验信息。同步头主要用于用户终端与伪卫星信号间的时间同步。伪卫星向用户播发的信息类型较多，因此，设计信息类型编号用于识别伪卫星向用户播发的不同信息类别。周内秒计数表示本周开始时刻至当前时刻的秒累计数，该时刻对应于本帧同步头的起始时刻。电文信息中的主要类型包括：伪卫星坐标信息、伪卫星钟差信息、伪卫星完好信息、对流层延迟修正信息及完好性信息。

信息类型1：伪卫星坐标信息，伪卫星与北斗卫星不同，在正常工作情况下，伪卫星相对静止，因此伪卫星坐标信息将直接采用三维坐标形式表示。包括伪卫星坐标对应时间，伪卫星坐标X、Y、Z，以及坐标变化量△X、△Y、△Z。

信息类型2：伪卫星钟差信息，根据伪卫星钟差特点，采用二次函数模式播发伪卫星钟差信息，包括钟差对应时间，以及钟差参数a0、a1和a2。

信息类型3：设备时延参数，主要是伪卫星信号发射时延修正参数。

信息类型4：对流层延迟修正信息。

信息类型4：完好性信息。

由以可以看出，本实施例所述适用于地基伪卫星的导航电文传输协议的设计方法，通过对导航电文内容和结构的分类编排，采用固定与随机编排，使帧与系统时间之间有固定对应关系，便于用户建立系统时间，同时兼具较强的灵活性，提高用户的定位精度及电文接收的时效性，同时可进行系统功能的扩充，有效的提高了用户定位的精度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不受限于以上所公开的示范性实施例，说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，在本发明揭露的技术范围做出的若干改进和润饰、可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于地基伪卫星的导航电文传输协议的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

步骤S1，将导航电文中的数据按重复发播周期时间的长短进行分类得到分类数据；

步骤S2，将所述分类数据在导航电文中安排不同的位置和重复发播周期，电文结构基础单元至少满足其中一类数据的播发；

步骤S3，根据分类数据的种类将一个数据发播单元分成若干部分，每一部分对应一类数据，其中至少一个部分中的数据内容和格式固定，至少一个部分存在数据内容可变。

2.根据权利要求1所述的导航电文传输协议的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中按重复发播周期时间T的长短进行分类，分为五大类，分别为：

第一类，重复发播周期T<＝3秒的数据，包括时间信息、完好性信息；

第二类，重复发播周期满足3秒<T<＝18秒的数据，包括差分快变信息；

第三类，重复发播周期满足18秒<T<＝30秒的数据，包括卫星广播星历预报参数信息、卫星钟差预报参数信息、电离层延迟修正参数模型信息；

第四类，重复发播周期T>30秒的数据，包括卫星历书信息、与UTC间时差信息、与非本系统间时间同步信息、差分慢变信息、格网电离层信息；

第五类，重复发播周期随机的数据，包括RNSS工作参数信息、随机播发信息。

3.根据权利要求1所述的导航电文传输协议的设计方法，其特征在于，步骤S2中所述电文结构基础单元，长度为300bit，每个基础单元中包含10个字，每个字30bit。

4.根据权利要求2所述的导航电文传输协议的设计方法，其特征在于，所述数据播发单元为帧。

5.根据权利要求4所述的导航电文传输协议的设计方法，其特征在于，所述步骤S3中将一个数据发播单元分成若干部分，进一步将一个数据发播单元分成五部分，五个部分分别对应五大类数据，其中第一部分、第二部分、第三部分和第四部分中的数据内容和格式相对固定，第五部分存在数据内容可变。

6.根据权利要求2所述的导航电文传输协议的设计方法，其特征在于，当伪卫星与北斗卫星系统组合时，北斗卫星导航系统导航电文采用帧结构方式，帧结构分为超帧、主帧和子帧。

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