GNSS四大卫星导航系统导航电文构成

物联网之卫星导航系统 1、全球导航卫星系统 全球导航卫星系统(GNSS:Global Navigation Satellite System),泛指所有的卫星导航系统,包括美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统,以及相关的增强系统,如美国的WAAS(广域增强系统)、欧洲的EGNOS(欧洲静地导航重叠系统)和日本的MSAS(多功能运输卫星增强系统)等。全球导航卫星系统能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。通俗解释是可以基于这 阅读详情
AI摘要

本文介绍了GPS导航电文的基本构成及其模拟生成方法,包括关键参数、比特分配及汉明编码等,为卫星导航信号模拟器开发提供了解决方案。

GNSS简介

  • GPS:美国全球卫星导航定位系统,是当下最流行也最为成熟的卫星导航系统,采用码分多址(CDMA)技术
  • BDS:中国北斗卫星导航系统,为中国自主研发的卫星导航系统,旨在实现全球范围内独立自主的定位服务
  • GLONASS:俄罗斯全球卫星导航系统,与GPS不同,采用频分多址(FDMA)方式区分卫星
  • GALILEO:欧盟联合研发和创建的全球卫星导航系统,如今正在积极部署之中

GNSS信号频点

四大系统信号频点分布如下表所示,本文重点讨论各系统开放服务频段的导航电文生成:


导航电文模拟生成软件的实用价值

    在卫星导航信号中,导航电文携带着最为关键的参数信息,便于接收机进行时间获取与定位计算。在卫星导航信号模拟器的研究中,按用户设定场景产生指定时刻的导航电文是最大的难点。本团队基于与北京某高校的合作项目开展相关研究,最终设计并实现了GNSS四大系统的导航电文模拟生成软件与GNSS四大系统的软件接收机,旨在为卫星导航信号模拟器的开发设计提供相应的解决方案。

导航电文构成介绍

    导航电文即为卫星信号中播发的0,1比特流,各个系统的接口控制文件(ICD)文件中都有相应的构成描述,这里以GPS为例对其进行简要介绍。

    GPS导航电文的基本单位是长1500bit的一个主帧(如下图所示),传输速率是50bit/s,30秒钟传送完毕一个主帧。一个主帧包括5个子帧,第1、2、3子帧每30秒钟重复一次,内容每2个小时更新一次。第4、5子帧的全部信息则需要750秒钟才能够传送完。即第4、5子帧是12.5分钟播完一次,然后再重复之,其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。

 

    子帧1,2,3包含卫星星历信息,时钟修正信息以及AODO信息,该部分内容模拟相对简单,主要涉及卫星星座的合理布局,但部分默认填充位有一定讲究,涉及到的主要参数信息可参见下图。



    子帧4,5的播放周期为12.5min,传达的信息较为冗杂,是电文模拟过程中的重点和难点。接收机端对电文4、5两帧的合法性检查不仅只包含历书字段,还包括UTC信息,电离层模型信息、NMCT信息、SV-Config、反欺骗(A-S)信息、保留位、特殊信息(SP)等多个必要构成字段。不同数据段在4,5两帧中分布于不同的Page之中,详细情况如下图所示:


    其中历书信息用于可见星判断,由每颗卫星循环播发,涉及的参数信息如下图所示。


    UTC参数与电离层参数信息如下图所示,分布于Subframe 4 Page 18中,填入的参数需保证真实有效,以供接收机获取。


ION参数


UTC参数

    另外,NMCT、SP、A-S以及历年字段的参数信息这里就不一一贴图了,都可参照ICD文件中的说明。这里需要特别指出的一点是当某颗卫星无有效历书参数时,对该颗星的历书填充过程中需更改SV_ID为0,将其信息字段填入交替的1,0比特流,用以提示接收机略过该颗星的历书接收。

    以子帧5历书页与子帧4的NMCT页为例,展示导航电文的比特分配情况,详情如下所示:

Subframe 5,Page 1-24


Subframe 4,Page 13

    按ICD文件要求填入指定时刻下模拟生成的电文数据后,需对原始二进制数据流进行汉明编码,生成可用于信号生成的导航电文。编码的作用主要用于接收机端检验校错,编码方程如下图所示,每24bit数据产生6bit冗余校验码。


    至此,已基本介绍完成GPS导航电文的大致构成与涉及的必要参数。其他三个系统导航电文构成规则与GPS较为相似,差异仅在于比例因子、数据位宽、布局策略以及编码方式这四个方面,各个系统都有对应的ICD文件对导航电文进行详细说明。

    下一篇博文将对本团队研发的任意时刻GNSS导航电文生成软件进行相应介绍,欢迎关注!

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