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2024年3月9日发(作者:implement速记)
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Galileo系统导航电文介绍 高书亮,杨东凯,洪 晟 (北京航空航天大学电子信息工程学院,北京100083) 摘 要:对Galileo卫星导航系统所要使用的导航电文进行介绍,详细介绍其导航电文的结构、 内容、参数与相关定义,并对GPS和Galileo两种卫星导航系统所使用的导航电文的并同进行了比 较。 关键词:Galileo系统,导航电文,星历,历书 中图分类号:P228 文献标识码:A 文章编号:1008—9268(2007)04—0021—05 1 引言 Galileo系统是欧洲自主的、独立的全球多模 式卫星导航定位系统,可以提供高精度、高可靠性 的定位服务。Galileo系统是全球第一个专门为民 用目的设计的全球性卫星导航定位系统,与目前普 导航信号 E5a . 表2导航服务类型 服务类型 公开服务(0S) 公开服务(OS),生命安全服务(SOL), 系统完好性服务 遍使用的全球定位系统(GPS)相比,Galileo系统 更先进、更有效、更可靠[。 ]。根据目前已经出台 E6 El 商用服务(CS) 安全服务(SOL),系统完好性服务 的相关技术标准来看,Galileo系统所播发的导航 电文从格式、结构、内容等方面与GPS相比存在着 一Galileo导航系统采用的是三种导航信息格 式 ]:自由导航信息格式(F\NAV),完好性导航信 定差别。所以,全面而准确地了解与掌握该系统 的导航电文对于该系统未来的广泛应用具有重要 的意义。 息格式(I\NAV)及商用导航信息格式(C\NAV)。 本文重点介绍第一种信息格式,其它两种格式可参 见有关文献。 2 Galileo系统频率特征与导航信息 娄型 Galileo卫星导航信号在四个载波频段上进行 播发,频率分布情况示于表1: 表1 Galileo系统频率分布情况 3 Galileo系统导航电文的结构 GPS系统按照:主帧,子帧,字(页面)的方式来 组织整个导航电文。与之相比,采取自由导航信息 格式(F\NAV)的Galileo系统导航电文是按照:主帧 (frame),子帧(sub-frame),页面(page)的三级格式来 构成完整的导航电文 捌,其结构示于图1: Ir ————-—-——主帧(f ‘—‘————— ’ ’r ame)。。。 ‘。‘—— ————’’一 I L.............. ,-..............----.---_._. -・.---------------一 导航信号 E5a E5b 载波中心频点 l176.45MHZ 1207.14MHZ ll9l_795MHZ 1278.75MHZ 1575.42MHZ E5(E5a+E5b) E6 El 臣 亘圊[ 同时,不同频段上的卫星信号为用户提供不同 类型的服务 州,其服务类型示于表2: 图1 Galileo系统导航电文结构 收稿日期:2007—04—02 基金项目:国际自然科学基金资助(60602046) 2007.4/全球定位系统 ・27・
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一个主帧包含若干子帧,一个子帧可以包含若 干页面,完整的导航信息是由一个持续时间600s 的主帧构成的,一个主帧又分为12个子帧,每个子 帧持续时间为50s,它包含5个页面,每个页面的 持续时间是10s。页面是导航电文的最基本组成 部分。 一个页面由页同步头与页字符(page symbo1) 组成,其组成情况示于图2: : :臻l 2 ;譬誊嘲善i. 贝字符 【12(bit)l 488(bit) 图2页面组成 由此可见,一个完整的页面是由(N十M)bit 数据组成的。其中的页字符是由长度为M/2 bit 的有效数据信息通过信道编码(编码方式是卷积 码,约束度为7)得到的。很显然,这种编码的码率 是1/2E引。 根据Galileo系统的规定,一个完整的页面按 照其携带的数据信息内容的不同可以分为6种页 面类型:页面类型1、2、3、4、5、6。尽管其携带的数 据信息不同,但这六种页面类型中的有效导航数据 都遵循如图3所示的格式,这些数据编码为页字 符,然后进行播发。 敷 据信息 摇 墒l 圆 尾 标 一 页面类型 导航信息 CRC 6(bit) 6(bit) 208(bit) 24(bit) 图3页面数据信息格式 导航电文中每一个子帧包含的页面类型略有 不同,在一个主帧的12个子帧当中:子帧1、3、7、 9、11所包含的页面类型是:页面类型l、2、3、4、5; 子帧2、4、6、8、10、12包含的页面类型是:页面类型 1、2、3、4、6。 4 Galileo系统导航电文的内容 完整的导航电文必须包含用户定位服务所需 的一切参数,一般来讲,通过卫星导航进行定位所 必须的有四类参数[3]: ・星历(ephemeris):用于向用户接收机指示 卫星的位置。 ・时钟修正参数:精确的计算伪距时需要使 用。 ・导航服务参数:提供有用的导航信息,并指 示信号质量。 ・历书(almanac):在一个降低的精度水平上 ・22・ 指示卫星的位置。 Galileo系统通过12个子帧的导航电文向用 户播发上述四类参数,用户以此来获取Galileo系 统所承诺的各种服务。 4.1星历参数 Galileo系统的导航电文共使用了l6个参数 来向用户播发星历,星历参数包括: 1)开普勒6参数 ◆Mo——参考时刻的平近点角。 ◆ ——卫星椭圆轨道偏心率。 ◆i。——参考时刻 的轨道倾角。 ◆ ——参考时刻 的轨道升交点准经度。 ◆a“ ——卫星椭圆轨道的长半轴的平方根。 ◆ ——轨道近地点角矩。 2)6个调和校正参数: ◆ ——轨道半轴的正弦调和项改正的振 幅。 ◆C ——升交角矩的余弦调和项改正的振 幅。 ◆C ——升交角矩的正弦调和项改正的振 幅。 ◆C ——轨道倾角的余弦调和项改正的振 幅。 ◆C ——轨道倾角的正弦调和项改正的振 幅。 ◆C ——轨道半轴的余弦调和项改正的振 幅。 3)一个轨道倾角变化率参数: ◆ ——轨道倾角变化率。 4)一个角速度改正参数: ◆ ——平均角速度改正值。 5)一个升交点赤经变化率参数: ◆n——升交点赤经变化率。 6)一个星历数据参考时刻参数: ◆t ——星历数据的参考时刻 4.2时间与时钟校正参数 4.2.1 卫星时间校正参数 在Galileo系统时间(GST)尺度下,信号传播 时间(TOT)对于计算伪距有着很重要的意义[3]。 由于把每颗卫星的时钟与系统时间进行对准比较 麻烦,因此,Galileo系统中每颗卫星都播发时间修 正数据,以此用户可以估计信号传播时间的偏差: TO —TO -At 其中: GNSS World of China/2007.4
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TOTe是信号传播时间的准确值。 TOTm是信号传播时间的测量值。 △£ 是由卫星播发的时间修正数据计算出的时 间修正量,可由下式计算得出: △£ 一口,o+a,1*(£一t )+口 *(t--t ) 其中:a,o,a,1,a 是时间修正系数,t 是时钟改正 数。 4.2.2 伽利略系统时间(GST) 伽利略系统时间是通过32bit的二进制数据 发送给用户的,它包含两部分: 星期数(WN),这个参数编码为12bit的二进 制数,用于向用户播发从系统的时间基点起经过的 星期数,最大值为4096个星期[3]。 星期时间(TOW),这个参数编码为20bit的二 进制数,用于向用户播发在当下这个星期内的具体 时间,最大值为604800s。 4.2.3 时间修正参数 时间修正参数即前文提到的(a,o,a,1,a ,t ) 这一组参数[5],其取值示于表3: 表3时间修正参数 4.2.4 卫星广播群延迟参数(BGD) 该参数与Galileo系统使用的信号频率有关, 其定义为: BGD(f。,f2)- 亏 ( ) 其中的Tx(Ty)是指在频率为fl(f2)的卫星 信号的发射过程中从基带调制器到天线的相位中 心所产生的群延迟。在导航电文中,该参数被编码 为10bit的二进制数进行发送[5]。 4.2.5 电离层校正参数 电离层延迟是影响导航定位精度的关键因素 之一,一般认为信号的电离层延迟主要取决于电离 层中的电子浓度,电离层校正参数用于帮助用户计 算导航信号传播的电离层延迟误差 ,它包括: 3个用来表征电子浓度水平的系数:a。,口 ,a。。 有效的的电离层电子浓度可由下式计算: A 一口0十以1 +以2 其中的 是范围修正值。 2007.4/全球定位系统 5个电离层分布标识:SF1、SFz、SF。、SF 、 S 。用来指示信号传播路径所在的电离层区 域 。 4.2.6 UTC时间转化参数 这组参数用来将Galileo系统时间(GST)转化 为世界协调时(UTC),其具体参数示于表4: 表4 UTC时间转化参数 Galileo系统时间(GST)转化为世界协调时 (UTC)的过程 分为如下三种情况: 1)当WNLs 和DN表示的是过去时间,并且 用户的当前时间没有落在DN+3NI DN+5; ̄L 间时,UTC时间可以通过下面的方法计算: t[yrc一(£E--AtvTc)mod86400 其中: t 是GST时间系统中起始的周数 △£u丁C=Atas+A0+A1*EtF—t + 604800*(WN—wN )] 2)当用户的当前时间落在DN+}和DN+ 昔之间时,UTC时间可以通过下面的方法计算: tUTC=Wmod(86400+AtcsF--Atcs) 其中: W一(£F一△£UTc一43200)mod86400+43200 3)当WNLs 和DN表示的是过去时间时: tr.rrc一(£F一△£叭)mod86400 其中: ・23・
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At ̄rc一△ LsF+Ao+A1*[ 一 of+ 604800*(WN—wN )] 4.2.7 GPS与伽利略系统时间转换参数 于缩短导航信号的捕获时间。Galileo系统播发的历 书参数如下: ◆SⅥ 平方根。 卫星标识符。 Galileo系统时间与GPS系统的时间差可用 下式表达: ◆( )“。——卫星椭圆轨道的长半轴偏差的 ◆卜椭圆轨道偏心率。 △ —t。Ⅲ∞一taes—AoG+A1G*[ Ⅲ∞一 toG+604800*(WN—wN )] ◆ ——如一65。时的轨道倾角。 式中的相关参数通过导航电文进行播发,其有 ◆ ——参考时刻的轨道升交点准经度。 关参数的含义示于表5: 表5 GPS与伽利略系统时间转换参数 4.3导航服务参数 4.3.1卫星标识符 卫星标识符通过1组6bit的二进制数来表示系 统星座中的卫星。 4.3.2数据期号(J0D) 数据期号用于向用户播发数据的有效性,能够 保证用户在接收不同的卫星信号时数据的连续 性口],它在所有的页面类型当中都进行播发,其中在 页面类型1,2,3,4中被编码为10bit的二进制数,在 页面类型5,6当中被编码为2bit的二进制数。 4.3.3导航数据有效性参数 该参数被编码为lbit的二进制数,用于指示数 据的有效性状况,当其为“0”时,表明数据有效,当其 为“1”时,表明此时数据的有效性得不到保证。 4.3.4信号健康状况参数 该参数被编码为2bit的二进制数,用于表示信 号的健康状况,其含义示于表6: 表6信号健康状况参数 参数 含 义 信号正常 信号异常 信号将要出现异常 信号状况目前正在测试 4.4历书 历书是一组降低精度的时钟和星历参数,有助 ・2l4・ ◆ 升交点赤经变化率。 ◆c一轨道近地点角矩。 ◆M0——参考时刻的平近点角。 ◆a扣,a门——星钟修正系数,其中n 为常数项 修正系数,a 为一阶修正系数。 ◆SV ——卫星信号健康状态。 ◆Jo ——历书数据期号。 ◆to:——历书数据参考时间。 ◆wN ——历书数据参考星期数。 5 Galileo与GPS导航电文比较 由前文可以看出:Galileo系统与GPS系统相 比,其导航电文存在着较大的差别 h引,具体差别示 于表7。 表7 Galileo与GPS导航电文比较 6结论 目前,Galileo系统的导航电文格式、内容及结构 已基本确定,但其中各个参数的外推计算模型未见 报道,因此为了研制功能完善的Galileo系统卫星导 航信号模拟器及软件接收机,还必须在熟悉导航电 文格式的基础上对其进行深入研究。 参考文献: [1]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:科 学出版社.2003.87 ̄97. [2]陈秀万.尹军.方裕.张怀清.伽利略导航卫星系统 GNSS World of China/2007.4
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[M3.北京:北京大学出版社,2005.38 ̄45. [-33 赵军祥.高动态智能GPS卫星信号模拟器数学模型研 究[D].北京航空航天大学.2003.127~152. -[63 周其焕.GALILEO系统的频率与信号结构[-J3.全球定 位系统,2002,27(4):19~2l_ -[73 许卫东,马文平.GAL E0系统指标与导航信号结构[ J].测绘学院学报.2002,13(12):17~2O. 郝金明,等.GLONASS卫星导航系统的导航 -[83 李建文,电文l-J].测绘学院学报.2001,9(18):4~7. -[93 汤-[43 易冰歆.Galileo系统及其定位算法的研究[D3.北京 航空航天大学,2006.33 ̄35. ileo()pen Service Signal In -[53 European Space Agency.GalSpace Interfaca Control Document-[Z3.Galileo Joint Un— dertaldng Document subject to terms of use and disclaim— ers。2006.46—77. 莉,黄伟志,等.伽利略系统的频率结构与信号设 计的研究l-J].空间电子技术.2005,2(2):1O~14. Navigation Message of Galileo System GAO Shu-liang,YANG Dong-kai,HONG sheng (School of Elctronics and information Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics・Beijing,100083・Chia)n Abstract:The structure content parameters and the definitions relative of the Galileo navigation message are introduced in detail in this paper.We have compare the navigation message in Galileo with that of GPS. Key words:Galileo system;navigation message;ephemeris;almanac 作者简介:高书亮,男,陕西人,硕士研究生,主要研究方向:卫星导航与通信,无线数字通信与网络。 (上接第2O页) The Analytic Algorithms of Non-Cooperation Underwater Target Localization 、ⅧChang-xinga.CHEN Jun (1.Chia nResearch Institute of Radiozvave Propagation,Xinxiang Henan 453003,hiCa;n 2.Chia Shipbuilnding Industry Corporation NO.709 Research Institute.Wuhan Hubei 430074,China) Abstract:The GPS underwater localization technique which is developed recently provided a solid technical guarantee for our country in the underwater high precision navigation localization and the survey of underwater project.For the hyperbolic curve localization method which is used in underwater non-cooperation target locali— ation is easy to exhalze as iterative computation.According to spatial geometry relations of the buoy and the tar— get,a direct analytic algorithm of spatial hyperbolic curve hands over the meeting is presented.We can work out the target’S coordinates directly,and do not have the problem of exhale. Key words:GPS;non-cooperative target;analytic algorithms 作者简介: 武长兴 (1965一),男,1989年到中国电渡传播研究所工作,分别参与甚低频传播的研究和矿井通信设 备调试及组网,2000年至今一直从事移动通信设备的安装、调试和测量等。 陈 军 (1964一),男,1986年毕业于西北电讯工程学院电磁场工程系微波技术与天线专业,同年被分 配到中国船舶工业总公司第七研究院709研究所从事计算机及应用研究工作至今。 2007.4/全球定位系统 ・25・
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