一種基于數(shù)據(jù)庫描述的電文參數(shù)通用解算方法

饒愛水，李永剛，房新兵，汪 毅，郭力兵，李清梅

（中國衛(wèi)星海上測控部，江陰 214431）

基于超幀、主幀和子幀的固定幀結(jié)構(gòu)的電文格式設(shè)計(jì)，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛使用，如GPS LNAV電文、北斗D1（BDS D1）電文和北斗D2（BDS D2）電文，GPS CNAV電文也采用了類似設(shè)計(jì)。

GPS LNAV，每個(gè)超幀由25個(gè)主幀組成（25個(gè)頁面），每個(gè)主幀由5個(gè)子幀組成，每個(gè)子幀由10個(gè)字組成，每個(gè)字30比特，每個(gè)子幀傳輸時(shí)間為6 s；BDS D1與GPS LNAV類似，每個(gè)超幀由24個(gè)主幀組成；BDS D2每個(gè)超幀由120個(gè)主幀組成，每個(gè)子幀傳輸時(shí)間為0.6s。GPS CNAV采用主幀、子幀結(jié)構(gòu)，每個(gè)主幀由64個(gè)子幀組成，每個(gè)子幀300比特，取消了頁面設(shè)置。

為了兼容性及可擴(kuò)展性需要，GPS LNAV、GPS CNAV、BDS D1和BDS D2均預(yù)留了部分頁面和信息位，以適應(yīng)未來電文擴(kuò)充的需要[1-3]。

傳統(tǒng)電文參數(shù)解算通常采用硬編碼方式實(shí)現(xiàn)，參數(shù)編排方式、處理系數(shù)等信息均內(nèi)嵌在程序代碼中，電文參數(shù)的“拼接性”[4]導(dǎo)致電文參數(shù)解算復(fù)雜化，代碼可維護(hù)性和可擴(kuò)充性很差，不同格式電文均需重新開發(fā)[5]。本文提供了一種基于超幀、主幀和子幀的固定幀結(jié)構(gòu)格式的電文參數(shù)通用解算方法，該方法采用數(shù)據(jù)庫通用化設(shè)計(jì)及參數(shù)解算通用化算法，用戶通過配置數(shù)據(jù)庫即可實(shí)現(xiàn)GPS LNAV、GPS CNAV、BDS D1以及BDS D2參數(shù)解算。隨著BDS星座建設(shè)步伐的加快，GPS/BDS聯(lián)合定位得到了越來越廣泛的使用[6-7]，新導(dǎo)航信號不斷被開發(fā)使用[8-11]，電文參數(shù)通用解算方法需求日益迫切，本文的方法為統(tǒng)一處理GPS/BDS電文提供了一種有益嘗試。

1 數(shù)據(jù)庫通用化設(shè)計(jì)

設(shè)導(dǎo)航電文由超幀、主幀和子幀組成，每個(gè)超幀由M個(gè)主幀組成（即M個(gè)頁面），每個(gè)主幀由N個(gè)子幀組成，每個(gè)子幀由R個(gè)字組成，每個(gè)字由T個(gè)比特組成，采用高字節(jié)、高位優(yōu)先發(fā)送的順序傳輸，子幀周期為T，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公布的電文格式編排信息共P項(xiàng)。以下分節(jié)描述各數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)。

1.1 電文幀格式描述表

電文幀格式描述表用于存儲導(dǎo)航電文總體信息，各字段如表1所示。其中：“子幀計(jì)數(shù)位置”用于在電文中獲取子幀計(jì)數(shù)；“電文時(shí)間位置”用于在電文中獲取當(dāng)前電文的時(shí)間數(shù)據(jù)，指向電文信息格式編排表中的對應(yīng)時(shí)間參數(shù)的編號，值為0時(shí)，表示電文時(shí)間不從電文信息中提取，而由本地系統(tǒng)時(shí)間提供。

表1 電文幀格式描述表Tab.1 Describable table of message frame format

1.2 頁面編號描述表

頁面編號描述表用于存儲頁面編號在子幀中的位置信息，各字段如表2所示。“子幀計(jì)數(shù)值”與“頁面編號位置”具有對應(yīng)關(guān)系，多個(gè)子幀可對應(yīng)一個(gè)“頁面編號位置”，當(dāng)子幀不存在“頁面編號位置”參數(shù)時(shí)，填充“0;”。

表2 頁面編號描述表Tab.2 Describable table of page number

1.3 電文格式索引表

電文格式索引表用于存儲子幀計(jì)數(shù)、頁面編號與電文格式編排表的對應(yīng)關(guān)系，各字段定義如表3所示。其中“頁面編號”為“0;”時(shí)，表示不區(qū)分頁面編號；當(dāng)某格式的參數(shù)被拆分為多個(gè)部分，一部分在本格式中，一部分在下一格式時(shí)，需設(shè)置“關(guān)聯(lián)索引號”。通常“頁面編號”與“真實(shí)頁面號”一致，當(dāng)系統(tǒng)不下傳頁面編號而采用替代參數(shù)時(shí)（如GPS LNAV電文），“頁面編號”為替代參數(shù)的值。

表3 電文格式索引表Tab.3 Index table of message format

1.4 電文信息格式編排表

電文信息格式編排表用于存儲接口控制文件中發(fā)布的電文格式編排信息，每組信息均對應(yīng)一張單獨(dú)表格，表格名稱為“電文信息格式編排表1”～“電文信息格式編排表P”，各字段定義如表4所示。當(dāng)一個(gè)參數(shù)被拆分為多個(gè)部分時(shí)，需要設(shè)置“關(guān)聯(lián)號”，指示后部分所在位置，“關(guān)聯(lián)號”為0表示參數(shù)未拆分。假設(shè)當(dāng)前參數(shù)所在的編排表共X個(gè)參數(shù)，且該參數(shù)后續(xù)部分被編排入下一個(gè)編排表，且編號為y，那么該參數(shù)的“關(guān)聯(lián)號”為（X+y）。

表4 電文信息格式編排表Tab.4 Arrange table of message format

1.5 參數(shù)結(jié)果定制表

導(dǎo)航電文中，單獨(dú)某個(gè)參數(shù)可能不具有物理意義，需多個(gè)參數(shù)組合才完整。如星歷參數(shù)包括星歷參考時(shí)間、長半軸的平方根等共16個(gè)參數(shù)，參數(shù)結(jié)果定制表把解算的各個(gè)參數(shù)組合為一組具有完整物理意義的數(shù)據(jù)，各字段定義如表5所示。“加工方式”為可選的進(jìn)一步加工的方法。需要定制的參數(shù)結(jié)果通常包括星歷參數(shù)定制表、歷書參數(shù)定制表等，這些表格名稱統(tǒng)一存放在參數(shù)結(jié)果定制匯總表中，其字段定義如表6所示。其中的“時(shí)間閾值判斷”字段用于設(shè)置是否啟用時(shí)間閾值判斷算法，當(dāng)設(shè)置為真時(shí)，在初始化操作中，將計(jì)算參數(shù)結(jié)果定制表所允許的接收時(shí)間閾值。

表5 參數(shù)結(jié)果定制表Tab.5 Custom table of parameters’ results

表6 參數(shù)結(jié)果定制匯總表Tab.6 Collected table of custom parameters’ results

2 算法設(shè)計(jì)

2.1 初始化算法

首先介紹一個(gè)基本的轉(zhuǎn)換：位編號轉(zhuǎn)換，即把子幀中的位編號i（1 ≤i≤RT，接口文件中位編號均從1開始）轉(zhuǎn)換成字編號ri和字內(nèi)的位編號ti，方法為：

int為取整操作，%為取模操作。

初始化操作主要任務(wù)是讀取數(shù)據(jù)庫表，并完成部分參數(shù)的內(nèi)部轉(zhuǎn)換工作，具體包括：

1）讀取《電文幀格式描述表》，獲取“子幀計(jì)數(shù)”的位編號信息i和j，采用式(1)得到最終位置信息，即字編號ri和字內(nèi)的位編號[ti,tj]。

2）讀取《頁面編號描述表》，把“子幀計(jì)數(shù)值”和“頁面編號位置”轉(zhuǎn)換為整數(shù)值，得到“頁面編號”的字編號rn和字內(nèi)的位編號[ti,tj]。當(dāng)子幀n不存在“頁面編號”時(shí)，rn、ti、tj均為0。

3）讀取《電文格式索引表》，執(zhí)行以下步驟：

① 按照“子幀計(jì)數(shù)”升序、“頁面編號”升序排列，形成數(shù)據(jù)對：[q,n,mn1,…,mni,pn]。其中，q為格式索引號，mn1～mni為對應(yīng)的“頁面編號”，pn為對應(yīng)的格式號。當(dāng)mn1為0時(shí)表示不區(qū)分“頁面編號”。

② 獲取每行記錄的“關(guān)聯(lián)索引號”，生成關(guān)聯(lián)索引號集合，即形如{{1,2,3},{4,5},…}，該集合定義為ψ，而{1,2,3}等被定義為小集合ψq，關(guān)聯(lián)索引號集合生成算法如圖1所示。

③ 最后計(jì)算每個(gè)小集合ψq所允許的接收時(shí)間閾值tps，該值定義為集合ψq中所有格式接收完畢后所花費(fèi)最大時(shí)間，其計(jì)算方法如圖2所示。

4）讀取電文信息格式編排表。按照每張表的“編號”從小到大排序讀取所有參數(shù)，對編號為x（從1開始）的參數(shù)。假設(shè)參數(shù)x占用位為bx，按照以下算法重新生成該參數(shù)字編號rx和字內(nèi)位編號[tx,ty]：

第1個(gè)參數(shù)：rx=0，tx=0，ty=b1-1；第x個(gè)參數(shù)：

圖1 關(guān)聯(lián)索引號集合生成算法Fig.1 Generation algorithm of associate index set

5）讀取參數(shù)結(jié)果定制表。讀取《參數(shù)結(jié)果定制匯總表》，根據(jù)“表格名稱”讀入對應(yīng)參數(shù)結(jié)果定制表，每張參數(shù)結(jié)果定制表均形成一個(gè)格式索引號集合Ωr，當(dāng)“時(shí)間閾值判斷”為真時(shí)，根據(jù)圖2的方法，生成每張表所允許的接收時(shí)間閾值tqs，當(dāng)Ωr僅含一個(gè)元素或者“時(shí)間閾值判斷”為假時(shí)，tqs設(shè)置為0。

2.2 參數(shù)處理算法

接收的子幀存放在數(shù)組Word[R]中，字編號為0～(R-1)，且Word[0]為高字；每個(gè)字共T比特，0為高比特。設(shè)置電文數(shù)據(jù)緩沖區(qū)saveWord[Q+1][R]，存儲每一個(gè)格式對應(yīng)電文數(shù)據(jù)；設(shè)置數(shù)據(jù)接收時(shí)間緩沖區(qū)sheetTime[Q+1]記錄接收每一種電文格式的時(shí)間。電文參數(shù)處理總體流程如圖3所示。

圖3 電文參數(shù)處理總流程Fig3.General flow chart for processing message parameters

1）接收ψq中所有電文數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間tpr的計(jì)算方法為：

tmax、tmin分別為小集合ψq中數(shù)據(jù)接收時(shí)間（變量sheetTime）最大值和最小值。

tpr是否滿足要求的判斷方法為：tpr與接收時(shí)間閾值tps比較，如果tpr

2）單個(gè)參數(shù)處理流程如圖4所示，每個(gè)格式索引號q中參數(shù)結(jié)果保存在數(shù)組sheetResult[Q+1][X]中。其中計(jì)算參數(shù)x物理量的方法為：

式中，power(2,sx)為計(jì)算2的sx次方，ux為參數(shù)x的量綱或單位，sx為參數(shù)x的冪因子。

圖4 單個(gè)參數(shù)處理算法Fig.4 Algorithm for processing single message parameter

3）輸出參數(shù)結(jié)果的方法為：根據(jù)當(dāng)前計(jì)算得到的格式索引號q，找出《參數(shù)結(jié)果定制匯總表》中與格式索引號q關(guān)的記錄（可能有多個(gè)），對其中的每一個(gè)記錄r，執(zhí)行以下操作：

獲取參數(shù)結(jié)果定制表r的格式索引號集合Ωr及對應(yīng)的接收時(shí)間閾值tqs：如果tqs值為0，輸出參數(shù)結(jié)果；如果tqs值大于0，則計(jì)算接收Ωr中所有電文數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間tqr，其計(jì)算方法為

式中，tqmax、tqmin分別為Ωr中數(shù)據(jù)接收時(shí)間最大值和最小值。把電文數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間tqr與接收時(shí)間閾值tqs進(jìn)行比較：如果tqr

3 方法的應(yīng)用

3.1 實(shí)現(xiàn)BDS D1/D2電文參數(shù)解算

BDS接口控制文件中，D1電文提供了9種編排格式，D2電文提供了21種電文編排格式，每個(gè)子幀均下傳了“子幀計(jì)數(shù)”和“電文時(shí)間”，如表7所示。

表7 BDS電文幀格式描述表Tab.7 Describable table of message format for BDS

BDS D1電文“頁面編號”僅在子幀4和子幀5傳輸，子幀1、子幀2和子幀3無頁面編號，如表8所示；BDS D2電文有3種“頁面編號”，分別為子幀1的頁面編號“基本導(dǎo)航信息頁面編號Pnum1”、子幀2的頁面編號“完好性及差分信息頁面編號Pnum2”、子幀5的頁面編號“Pnum”、子幀3和子幀4不傳輸頁面編號、需共用子幀2的頁面編號Pnum2，如表8所示。

BDS D1電文格式編排為9種，其中子幀4的頁面1～24和子幀5的頁面1～6兩者對應(yīng)格式號均存儲歷書數(shù)據(jù)，得到10種格式索引號，如表9所示。

表8 BDS 頁面編號描述表Tab.8 Describable table of page number for BDS

表9 BDS D1 電文格式索引表Tab.9 Index table of message format for BDS D1

BDS D2電文各子幀格式編排數(shù)共45個(gè)，其中子幀5頁面1～12、61～72格式相同，子幀5頁面13和73格式相同，得到21個(gè)格式，如表10所示。格式12和13未下傳頁面編號，其值為“0;”。

表10 BDS D2 電文格式索引表Tab.10 Index table of message format for BDS D2

電文信息格式編排表按照接口控制文件順序編排，由于篇幅限制，這里不做介紹。

參數(shù)結(jié)果定制匯總表中列舉了星歷、歷書等，如表11所示。在生成星歷參數(shù)時(shí)，需啟動(dòng)“時(shí)間閾值判斷”；生成歷書參數(shù)時(shí)，無需啟動(dòng)該算法；BDS D2電文生成完好性信息時(shí)，格式12和13需借用格式11的“頁面號”，因此需啟動(dòng)“時(shí)間閾值判斷”。

表11 BDS 參數(shù)結(jié)果定制匯總表Tab.11 Collected table of custom parameters’results for BDS

3.2 實(shí)現(xiàn)GPS LNAV/CNAV電文參數(shù)解算

GPS LNAV電文與BDS D1電文顯著不同之處在于，其頁面編號需采用參數(shù)“SV ID號”代替，“頁面編號”與“真實(shí)頁面編號”不一致，如表12所示。

GPS CNAV電文特征在于采用主幀和子幀兩層結(jié)構(gòu)，頁面編號均填0。設(shè)計(jì)的64個(gè)子幀中，僅14個(gè)子幀配置了有效參數(shù)，“電文類型標(biāo)志”（Message Type ID）作為子幀計(jì)數(shù)使用，電文格式索引表如表13所示。

表12 GPS LNAV 電文格式索引表Tab.12 Index table of message format for GPS LNAV

表13 GPS CNAV 電文格式索引表Tab.13 Index table of message format for GPS CNAV

3.3 應(yīng)用效果

解算某接收機(jī)獲取的BDS和GPS原始電文數(shù)據(jù)，測試本方法在星歷更新和電文丟失時(shí)的應(yīng)用效果，解算得到的星歷數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)如表14所示。由表14可知，跟蹤過程中，BDS系統(tǒng)6號、14號衛(wèi)星以及GPS系統(tǒng)3號、16號、23號、26號衛(wèi)星僅獲取1組星歷，表明星歷未發(fā)生更新，其余衛(wèi)星均獲取到2組星歷。表15和表16列出了其中一組星歷數(shù)據(jù)。表15中1～5號衛(wèi)星為BDS D2格式，其余為BDS D1格式，星歷的北斗周計(jì)數(shù)為656，BDS時(shí)間為7200 s；表16中所有衛(wèi)星均為GPS LNAV格式，星歷的GPS周計(jì)數(shù)為2012，GPS時(shí)間為14 400 s。本方法在星歷更新時(shí)能夠獲取正確結(jié)果。

表14 解算得到的BDS和GPS星歷數(shù)量及個(gè)數(shù)Tab.14 Quantity and number of BDS- and GPS-satellite’s ephemeris

表15 BDS D1和D2格式電文解算的星歷Tab.15 BDS satellite’s ephemeris calculated from BDS D1 and D2 message

表16 GPS LNAV電文解算的星歷Tab.16 GPS satellite’s ephemeris calculated from GPS LNAV message

圖5顯示本方法在電文幀丟失時(shí)，能夠獲取到正確的結(jié)果。BDS衛(wèi)星獲取星歷數(shù)據(jù)時(shí)，需積累子幀1的10個(gè)頁面，編號依次為1～10。當(dāng)某個(gè)頁面丟失時(shí)，該組星歷數(shù)據(jù)將獲取失敗，圖中顯示電文丟失了4次，實(shí)際只能解算出14組星歷。GSP衛(wèi)星需積累1～3子幀，圖中顯示電文丟失了1次，實(shí)際只能解算出18組星歷。

圖5 電文丟失時(shí)星歷正確解算Fig.5 Ephemeris calculated correctly when message lost

4 結(jié) 論

基于數(shù)據(jù)庫描述的衛(wèi)星導(dǎo)航電文參數(shù)解算方法具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）針對超幀、主幀和子幀的固定幀結(jié)構(gòu)的電文格式，提供了一種通用的電文參數(shù)解算方法，實(shí)現(xiàn)了BDS D1電文、BDS D2電文、GPS LNAV電文參數(shù)的通用化解算，以及對GPS CNAV電文參數(shù)的解算，給出了數(shù)據(jù)庫配置方法，電文參數(shù)解算實(shí)現(xiàn)100%覆蓋。

2）設(shè)計(jì)的6種數(shù)據(jù)庫表格，為導(dǎo)航電文處理提供了良好的擴(kuò)展性和伸縮性，能夠適應(yīng)導(dǎo)航電文內(nèi)容增加、刪除、修改等多種情況，能夠把源于不同子幀、不同頁面的參數(shù)組合為一種信息展現(xiàn)給用戶，為電文參數(shù)使用提供了便利，參數(shù)結(jié)果組合輸出100%可配置。

3）通過從原始電文中提取電文時(shí)間，進(jìn)而判斷電文幀是否積累完畢、電文參數(shù)是否處理完畢，易于避免電文幀丟失、電文參數(shù)更新時(shí)造成的同一組參數(shù)互相不一致的情況，保證其物理一致性，參數(shù)不一致概率為0。在輸出最終參數(shù)結(jié)果時(shí)，提供了是否啟用時(shí)間閾值判斷的選項(xiàng)，以用于某些無需判斷時(shí)間閾值的場合。

該方法采用實(shí)際的GPS LNAV電文、BDS D1電文、BDS D2電文進(jìn)行了測試和驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法具有良好的通用性，在電文更新、數(shù)據(jù)丟幀等特殊場合也能獲得正確結(jié)果。