基于MWORKS的GNSS导航电文建模与仿真.pdf
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1、第 22卷 第 10期2023年 10月Vol.22 No.10Oct.2023软 件 导 刊Software Guide基于MWORKS的GNSS导航电文建模与仿真刘正东,夏斐然,许承东(北京理工大学 宇航学院,北京 100081)摘要:导航卫星信号的仿真系统可以模拟实际条件下多个卫星的信息,在接收机各项特性的测量方面起到了关键作用,降低了接收机的研制成本,提高了研制效率。导航电文是导航卫星定位系统的重要基础信息,其精度直接关系到定位系统的准确性。在此背景下,对4个GNSS导航电文的基本结构与内容进行研究,先后构建4个GNSS导航电文系统仿真模块,并通过国产软件MWORKS对各个系统的导航电
2、文进行模拟,获取某一时段内播发的二进制电文信息,并将其译码得出的数据与原始参数进行比较,发现其误差数量级远小于原始参数,验证了电文编译的准确性。关键词:全球导航卫星系统;导航电文;编码模型;计算机仿真;MWORKSDOI:10.11907/rjdk.231612开 放 科 学(资 源 服 务)标 识 码(OSID):中图分类号:TP391.9 文献标识码:A文章编号:1672-7800(2023)010-0011-08Modeling and Simulation of GNSS Navigation Messages Based on MWORKSLIU Zhengdong,XIA Feir
3、an,XU Chengdong(School of Aerospace Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)Abstract:The simulation system for navigation satellite signals can simulate the information of multiple satellites under actual conditions,playing a key role in measuring various characteristics of
4、the receiver,reducing the development cost of the receiver,and improving development efficiency.Navigation messages are important basic information for navigation satellite positioning systems,and their accuracy directly affects the accuracy of the positioning system.In this context,the basic struct
5、ure and content of four GNSS navigation messages were studied,and four GNSS navigation message system simulation modules were constructed successively.The navigation messages of each system were simulated using domestic software MWORKS to obtain binary message information broadcasted during a certai
6、n period of time.The decoded data was compared with the original parameters,and the error order of magnitude was much smaller than the original parameters,verified the accuracy of message compilation.Key Words:global navigation satellite system;navigation message;coding model;computer simulation;MWO
7、RKS0 引言20 世纪 70 年代后期,全球定位系统(Global Positioning System,GPS)开始建设,自此全球主要国家都在不断发展和完善导航卫星系统。目前全世界共有 4种国际导航卫星系统,分别为美国的全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、俄 罗 斯 的 格 洛 纳 斯 导 航 卫 星 系 统(GLONASS Navigation Satellite System,GLONASS)、中国的北 斗 导 航 卫 星 系 统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)和欧盟的伽利略导航卫星系统(Galil
8、eo Navigation Satellite System,Galileo),四者成为全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)国际委员会公布的卫星导航系统供应商1。近年来,中国、美国、欧盟、俄罗斯等持续推进和完善导航卫星系统建设,GNSS建设步入新阶段。随着GNSS应用领域的日益拓展,用户对GNSS接收机和用户终端的测试提出了更高要求。然而,真实的卫星信息都夹杂着环境噪声的高频信息,通过硬件装置进行仿真时需要考虑多种干扰和传输延迟等复杂影响因素,使得硬件仿真设备复杂程度大大增加2。因此,为测试接收机的收稿日期:2023-06-11基金
9、项目:国家自然科学基金项目(11972079)作者简介:刘正东(2002-),男,北京理工大学宇航学院学生,研究方向为飞行器设计与系统建模仿真;夏斐然(2002-),男,北京理工大学宇航学院学生,研究方向为飞行器设计与系统建模仿真;许承东(1965-),男,博士,北京理工大学宇航学院教授、博士生导师,研究方向为飞行器设计与系统建模仿真。本文通讯作者:许承东。2023 年软 件 导 刊静态性能和动态性能,需要应用GNSS卫星信号模拟器模拟真实环境下的卫星信号。GNSS导航电文是从卫星发送到地面设备的数据包,包含卫星状态、卫星轨道和时间等信息数据,可以帮助设备确定卫星位置和速度。GNSS导航电文可
10、以被不同的卫星系统发送,以帮助全球用户进行导航、定位与时间同步,是卫星导航信号的重要组成部分。因此,采用软件仿真卫星信号乃至完整的导航系统时,导航电文仿真必不可少。在该方面,许多学者进行了研究。例如,辛洁等3基于已公开发布的卫星导航电文分析了导航电文的设计要素和基本属性,并提出卫星导航电文设计方案;胡涛等4以GPS和Galileo的导航电文设计为例,对传统和新式导航电文的性能进行分析评估,并对导航电文进行了优化设计;常志巧等5比较了现有3种导航电文类型的电文结构及播发方式,详细分析了星历参数、钟差参数及完好性参数等核心定位参数的发展演变特点和改进效果;艾卿6阐述了海明校验码的编解码技术及其在G
11、LONASS卫星导航系统中的具体运用;王莹等7提出一种适用于GPS卫星星座排序规则的导航电文生成方法,并通过MATLAB软件计算了远推轨道参数下的星座分布。MWORKS.Syslab是同元软控MWORKS平台全新推出的新一代科学计算软件,基于高性能科学计算语言Julia提供交互式编程环境的完备功能,具有开放的矩阵运算、函数编程能力,支持仿真结果可视化绘图,用户界面友好,语法简单易学。本文在参考四大 GNSS 官方接口控制文件(Interface Control Document,ICD)以及借鉴国内外研究的基础上,利用国产建模仿真软件MWORKS对GNSS导航电文进行建模与仿真,以期为提高导航
12、卫星定位系统的准确性奠定基础。1 GNSS信号体制概述导航卫星系统的信号体制直接关系着定位、授时和测速等基本功能,以及定位测量的准确度、可靠性、互操作性、信息保密性、抗干扰功能等重要性能与技术指标的实现,是链接卫星、地面运控中心与用户间协同工作的重要纽带。导航信号是完成通信体制的重要载体,其主要内容涉及载波频率、测距码特性、调制方法、电文纠错校验方法等。导航卫星信息通常由载波、伪码和数据码3个部分构成。其中,数据码是由卫星通过二进制码流的方式传给接收器的导航定位信息,又称为导航电文。在发射端,导航电文与伪码模结合完成扩频,再由载波调制产生射频模拟信号,合成的信号由卫星天线发出;在地面接收端,天
13、线搜索并接受射频模拟信号,在接收机内部经历一系列复杂的信号处理程序后变成模拟中频信号,然后经过模拟数字转换处理后成为数字中频信号8。一般来说,载波为信号的最底层,伪码和导航电文经过调制依附在正弦载波上,而卫星实际播发的即为经过调制后的载波。伪码是实现码分多址技术的关键,有助于接收机及时确定信号相位。导航电文则是卫星所播发的含有导航信息的二进制码,内容包括卫星星历、工作状况、日期、轨道摄动校正、数据校测纠错等数据,这些信息对于接收机正确识别和计算卫星位置非常关键,在导航信号中具有重要作用。2 GNSS导航电文模型2.1导航电文编排卫星导航电文信息中包含定位所必须的重要信息,是导航卫星系统信息的主
14、要组成之一,其设计方案的优劣直接影响系统中通信设备的效益和实际应用的可靠性。设计导航电文系统时,必须针对整个系统的服务目标综合考虑各个设计参数,以满足接收机各方面的要求。导航电文的编排一般要考虑数据电文形式、电文容量、播发方式、纠错校验方法、码率等诸多要素9。2.1.1导航电文结构目前,导航电文的结构主要分为固定帧、数据块以及固定帧与数据块相融合3种方式。其中,固定帧结构极大便利了接收机译码,只需根据电文结构的按位分析即可,不足之处在于各个导航参数的具体播发方式比较固定,修改或调整导航电文结构和信息类型的余地较小。第一代定位系统的导航电文结构主要使用固定帧结构,而数据块结构能够直接定义新的数据
15、块,在增加新的信息类型时具备较好的灵活性,不足之处在于接收端需要添加额外的辅助数据,处理程序更复杂。相比之下,固定帧与数据块相融合的设计方式具备信息容量扩展快捷、播发模式简单的特性,是现代导航卫星系统导航电文架构设计的最新趋势。2.1.2导航电文内容导航电文内容包括基本导航信息、增强导航信息和扩展导航信息3类,各系统的导航电文均通过编写好的数据模型向地面接收端播发。基本导航信息通常包含卫星定位数据、卫星钟差数据、卫星基本信息数据(包括卫星健康状况信息和信号精度)、卫星轨道参数及其摄动项、系统时间转换数据等,用于实现最基本的导航服务需求。增强导航信息内容通常包含卫星传输星历差分更正消息、钟差差分
16、更正消息、电离层格网及差分完好性信息等,这些信号多用于满足对单频或多频广域增强服务的需求。扩展导航信息一般包括卫星历书信息、电离层延迟参数修正信息、地球定向参数(Earth Orientation Parameters,EOP)和协调世界时(Coodinated Universal Time,UTC)等,该类信息主要用于满足除基本导航服务和增强服务外的其他服务需求。为保证接收机能快速搜寻全部卫星历书数据,通常仅从扩展基本导航数据处播发简化的历书数据。12第 10 期刘正东,夏斐然,许承东:基于MWORKS的GNSS导航电文建模与仿真2.1.3导航电文信道编码信道编码是使码字具备检错纠正能力的差
17、错控制编码。得益于接收机和通信编码技术的快速进步,信道编码的检错纠错能力大大提高,保证了电文传递的可靠度。传统线性分组码(例如汉明码和BCH码)抑制随机错误的能力低,无法满足复杂系统的要求,现已被更高效的卷积码和 LDPC(Low-Density Parity-Check)码等代替。具有强大纠错能力的 CRC(Cyclical Redundancy Check)码和交织码也已投入使用,其能够处理突发错误。现代导航电文信道编码采用多种复杂的差错控制技术,普遍方法是利用CRC校验码抑制误码产生,然后结合纠错码和交织码实现有效编码。各种系统在导航电文编码方案设计方面均有一定差异,表1为全球主要卫星导
18、航系统中部分导航电文的编码方案。2.2GPS导航电文编码模型GPS导航电文使用长度为1 500 bit的基本帧格式,每个帧由5个自帧构成,每个子帧长度为300 bit。全部数据信息均通过25帧传送,持续播发30 s,其中子帧4与子帧5需要分为25页。每个子帧包含10个字,每个字的长度为30 bit,包括一个遥测字(Telemetry Word,TLM)、一个转换字(HandoverWord,HOW)以及大量导航数据,上述信息全部由卫星产生。GPS导航电文的结构如图1所示。在卫星进行工作时,TLM/HOW 为一对字同时进行传送,TLM字首先传送,然后是HOW,接着是8个含有导航信息的数据字。字为
19、GPS导航电文中最基本的组成单元,包括TLM、HOW和大量二进制导航信息组成的数据字,含有1个6 bit长校验位,用于检查数据中是否出现差错,每个字长均为150 bit。GPS导航电文内容如表2所示。TLM包括同步码、遥测码和奇偶校验编码;HOW包括Z计数器计值、警告标志、A-S标记、子帧识别标记和奇偶校验位。第一数据块提供时钟校准信息和健康状况信息;第二数据块提供用于定位和定速的卫星广播星历,是导航电文的核心部分;第三数据块提供所有卫星的历书数据信息,涵盖电离层校正、卫星位置、UTC日期以及健康状况等信息。一帧中的第四和第五子帧没有足够的空间播发所有卫星的历书参数,故采用分页的方式播发。BD
20、S、GLONASS导航系统均有信号支路参考分页播发的帧排列方式。总体来说,GPS导航电文包含的这些信息对于接收机的定位与定速至关重要,而各种校验位的设计可以保证数据传输的准确性。GPS官方的 ICD10给出了各数据块内部的导航数据排列方式。2.3BDS导航电文编码模型北斗D1导航电文为北斗卫星发射的导航信息,采用北斗自定的数据格式和协议。北斗D1导航电文提供卫星位置、信号传输时间、信号频率、精度等参数,采用基于超帧、主帧和子帧的帧结构。所有电文均以超帧形式定时播发,超帧长为36 000 bit,历时12 min,由24个主帧构成;每一个主帧长1 500 bit,历时30 s;每一个主帧由5个子
21、帧构成,每一个子帧长300 bit,历时6 s;每一个子帧由10个字构成;每一个字长 30 bit,历时 0.6 s。字为 D1导航电文的Table 1Encoding schemes for some navigation messages in major global satellite navigation systems表1全球主要卫星导航系统中部分导航电文的编码方案导航电文GPS NAVGPS CNAVGLONASSGalileo I/NAVBDS D1BDS D2码率/符率(bps/sps)50/50L2C:25/50L5:50/10050/100125/25050/50500/
22、500数据内容基本导航信息、UTC参数、历书基本导航信息、UTC参数、历书、EOP、CDC&EDC、GGTO、文本信息卫星的轨道根数、卫星工作状态参数、时间系统参数、历书基本导航信息、GST与UTC/GPS时间转换参数、历书、SAR数据本卫星基本导航信息、全部卫星历书信息、与其他系统时间同步信息基本导航信息、广域差分信息(北斗系统的差分及完好性信息和格网点电离层信息)信道编码扩展汉明码(32,26)CRC码+卷积码(600,300)汉明码(84,76)+曲码(二次编码)CRC码+卷积码(240,120)+交织码(308)NH码(二次编码)+BCH码(15,11,1)+交织码(111)BCH码(
23、15,11,1)+交织码(111)数据结构基于子帧、主帧和超帧的帧结构,每个子帧长300 symbol基于信息类型的数据块结构,每个数据块长600 symbol基于串、帧和超帧的帧结构,每个串长115 symbol基于页面、子帧和帧的帧结构,每个页面长500 symbol基于字、子帧、主帧和超帧的帧结构,每个字长30 symbol基于字、子帧、主帧和超帧的帧结构,每个字长30 symbolTable 2GPS navigation message content表2GPS导航电文内容帧号子帧1子帧2子帧3子帧4子帧5信息内容TLWTLWTLWTLWTLWHOWHOWHOWHOWHOW第一数据块
24、:时钟矫正和健康状况第二数据块:卫星星历参数(部分)第二数据块:星历参数(续)第三数据块:卫星历书参数(部分)第三数据块:历书参数(续)12一个字30 b长1 500 bit,共计30 sit0.02 s10 987654321 个字10一子帧含页25共帧个子5一帧含54321 Fig.1GPS navigation message structure图1GPS导航电文结构 132023 年软 件 导 刊基本组成单元,由导航信息和校验码两部分构成。所有子帧第一个字的前15 bit内容不编码,后11 bit内容通过BCH(15,11,1)进行纠错,信息位共计26 bit;其他9个字均通过BCH(
25、15,11,1)加交织方法完成纠错编码,信息位共计22 bit。原始数据码每 11 bit 一组,先后进行串/并转换-BCH(15,11,1)纠错编码-并/串转换,形成一个长为 30 bit的基本单元字,最终组合成子帧和超帧11。BDS D1导航电文结构如图2所示。图3为D1导航电文主帧的结构和内容,其中子帧1至子帧3播发基本导航数据;子帧4和子帧5的24个页面播发所有卫星历书数据以及其他系统工作时间的转换数据。其结构和内容安排与GPS数据码非常相似。上述导航信息,即导航文件中的星历参数、电离层参数、时间转换关系等,需转化为二进制序列并组合为主帧。D1导航电文子帧的格式编排详见北斗导航官方于2
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