多模多頻衛(wèi)星導(dǎo)航接收機數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

陳 亮，孟海濤，展 昕，趙 勝

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安 710043；4.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北 武漢 430205)

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機數(shù)據(jù)處理技術(shù)主要實現(xiàn)對導(dǎo)航接收機上報的觀測信息、導(dǎo)航電文、相關(guān)峰信息和實時頻譜等信息的數(shù)據(jù)處理，并將各種信息按標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行存儲和實時輸出[1]。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不斷升級的背景下，在針對原有數(shù)據(jù)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了包括業(yè)務(wù)處理全面化[2]、數(shù)據(jù)輸出自動化及遠(yuǎn)程加載快速化等新需求[3]。

目前國內(nèi)外關(guān)于導(dǎo)航接收機數(shù)據(jù)處理技術(shù)已經(jīng)有了較為深入的研究，國內(nèi)許多公司都已研發(fā)出自主知識產(chǎn)權(quán)的多模多頻衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，并且在導(dǎo)航接收機數(shù)據(jù)處理技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)的軟件實現(xiàn)了工程應(yīng)用[4]。國外導(dǎo)航公司也推出了針對目前多系統(tǒng)多頻點的導(dǎo)航接收機[5]。但是針對導(dǎo)航接收機數(shù)據(jù)處理技術(shù)的新需求應(yīng)用設(shè)計還沒有任何公開資料。本文通過自主研發(fā)的導(dǎo)航接收機數(shù)據(jù)處理軟件，重點針對多模多頻導(dǎo)航定位技術(shù)、數(shù)據(jù)輸出技術(shù)和遠(yuǎn)程加載技術(shù)等重點進(jìn)行深入研究，為導(dǎo)航接收機數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 概述

中國第三代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS于2018年12月正式提供服務(wù)[6]；美國全球定位系統(tǒng)GPS的第三代導(dǎo)航衛(wèi)星GPSⅢ衛(wèi)星于2018年12月底完成發(fā)射，逐步實現(xiàn)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)代化；俄羅斯GLONASS系統(tǒng)和歐盟Galileo系統(tǒng)已完成全球布局并提供正式服務(wù)[7]。隨著各導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷升級完善，導(dǎo)航接收機需要具備衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的多體制導(dǎo)航信號兼容和自動運行維護(hù)的能力[8]。

導(dǎo)航接收機數(shù)據(jù)處理技術(shù)針對目前導(dǎo)航接收機的更新?lián)Q代提出了更全面化的需求。

業(yè)務(wù)處理全面化：具備處理全部導(dǎo)航信號的能力。實現(xiàn)四大導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析和定位授時等各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的綜合處理[9]。

數(shù)據(jù)輸出自動化：目前導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的信息具有數(shù)量大、種類多和實時性要求高等特點[10]。接收機作為導(dǎo)航信息的采集終端需要準(zhǔn)確可靠地采集全部信息并將信息按標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行輸出[11]。

遠(yuǎn)程加載快速化：衛(wèi)星導(dǎo)航接收機面向系統(tǒng)增量、體制變更或協(xié)議變更需求[12]，必須具備可通過遠(yuǎn)程或本地在線加載方式進(jìn)行程序升級，縮短硬件維護(hù)的時間，提高設(shè)備的可維護(hù)性和使用效率。

2 多模多頻導(dǎo)航定位技術(shù)

多模多頻導(dǎo)航定位技術(shù)需要分別對BDS，GPS，GLONASS，Galileo每個導(dǎo)航系統(tǒng)的所有頻點進(jìn)行觀測量獲取、導(dǎo)航電文解析、定位解算、授時處理及時間管理，并完成定位結(jié)果輸出和鐘面校時等功能[13]。其中，BDS系統(tǒng)需要處理頻點包括B1I，B2I，B3I，B1C，B2a，B2b等頻點。GPS系統(tǒng)需要處理頻點包括L1C/A，L1C，L2，L5等頻點；GLONASS系統(tǒng)需要處理頻點包括G1CA，G2CA，G3OC等頻點；Galileo系統(tǒng)需要處理包括E1，E5a，E5b等頻點[14]。在處理這些頻點過程中有些處理步驟是通用的，但是又不能對處理過程進(jìn)行過份耦合，否則會導(dǎo)致異常處理。通過對全部頻點進(jìn)行分析，多模多頻定位技術(shù)處理差異主要體現(xiàn)在導(dǎo)航電文類別及電離層模型方面。其中，導(dǎo)航電文類別主要包括BDS系統(tǒng)的D1，D2，CNAV1，CNAV2；GPS系統(tǒng)包括NAV，CNAV，CNAV-2；GLONASS系統(tǒng)的電文為超幀導(dǎo)航電文格式[15]；Galileo系統(tǒng)的F/NAV和I/NAV等多種導(dǎo)航電文。電離層模型主要包括8參數(shù)模型和9參數(shù)模型。

針對多模多頻導(dǎo)航定位處理差異的特點，本文采用一種“高內(nèi)聚、低耦合”定位處理流程，所有可通用處理方法不進(jìn)行系統(tǒng)區(qū)分，各步驟處理獨立無耦合。具體步驟如下：

① 接收各頻點導(dǎo)航電文，通過電文類別分別解析出導(dǎo)航電文參數(shù)和電離層參數(shù)等信息。其中GLONASS直接解析出衛(wèi)星位置和衛(wèi)星速度等信息。處理內(nèi)容包括4個系統(tǒng)的所有頻點。

② 利用觀測時間和解析出的導(dǎo)航電文參數(shù)計算導(dǎo)航衛(wèi)星位置，再利用衛(wèi)星位置和接收機粗略坐標(biāo)計算衛(wèi)星的方位角和俯仰角等信息。處理內(nèi)容包括BDS，GPS和Galileo的所有頻點。

③ 利用衛(wèi)星信息計算電離層延遲改正值、對流層延遲改正、相對論延遲改正和衛(wèi)星鐘差改正等誤差項，并將全部改正相加得到該衛(wèi)星該頻點的偽距誤差改正值。

④ 重復(fù)步驟②和步驟③，計算全部衛(wèi)星的衛(wèi)星信息和偽距誤差改正值。

⑤ 將全部衛(wèi)星位置、偽距誤差改正值和衛(wèi)星觀測進(jìn)行最小二乘處理，得到接收機的位置速度和鐘差，并計算DOP值。

多模多頻導(dǎo)航定位處理流程如圖1所示。

圖1 多模多頻導(dǎo)航定位處理流程Fig.1 Multi-mode and multi-frequency navigation positioning processing flow

3 數(shù)據(jù)輸出技術(shù)

目前，導(dǎo)航系統(tǒng)接收機具有觀測導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)目多和信號體制多、處理通道多等特點[16]，根據(jù)目前需求，BDS系統(tǒng)需具備20顆(包含北斗二號和BDS)以上衛(wèi)星跟蹤能力；10顆以上GPS系統(tǒng)衛(wèi)星、GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星和Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星同時處理能力。 導(dǎo)航接收機輸出的信息較以前接收機數(shù)據(jù)量有很大增長。

3.1 數(shù)據(jù)輸出技術(shù)研究方法

數(shù)據(jù)輸出采用文件輸出和實時數(shù)據(jù)輸出2種方式，文件輸出采用RINEX格式。實時數(shù)據(jù)輸出可采用NMEA，RTCM等格式。但是在目前所定義的NMEA，RTCM格式中，輸出的觀測量信息長度隨著觀測頻點的增加而增長，導(dǎo)致觀測信息數(shù)據(jù)協(xié)議包較長。為縮短觀測數(shù)據(jù)包，保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性，本文設(shè)計了一種偽距增量的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具體步驟如下：

① 根據(jù)接收機輸出的觀測信息，獲取當(dāng)前歷元的觀測衛(wèi)星數(shù)、觀測衛(wèi)星編號、每顆衛(wèi)星的觀測頻點和各頻點的偽距觀測量。

② 計算單顆衛(wèi)星全部頻點偽距平均值：

(1)

式中，n為衛(wèi)星的觀測頻點數(shù)。

③ 計算每顆衛(wèi)星每個頻點的偽距增量：

(2)

④ 重復(fù)步驟②和步驟③，完成全部衛(wèi)星的偽距均值和偽距增量的計算。

⑤ 將計算好的偽距平均值和偽距增量按協(xié)議進(jìn)行打包。衛(wèi)星觀測信息協(xié)議格式如圖2所示。

圖2 觀測信息協(xié)議格式Fig.2 Protocol format of observation data

3.2 實驗結(jié)果與分析

為驗證上述方法的正確性，以北斗三號系統(tǒng)為例。目前北斗三號系統(tǒng)在中國范圍內(nèi)實時可見衛(wèi)星數(shù)超過15顆，按每顆衛(wèi)星輸出B1I，B2I，B3I，B1C，B2a，B2b等6個頻點計算，1 s總共需要輸出15×6=90個偽距觀測值，RTCM格式也采用增量進(jìn)行輸出，其偽距基本量長度定義為24 bit，偽距增量定義長度為14 bit，總共需要傳輸?shù)拈L度為24+14×89=1 270 bit。偽距增量格式將偽距均值定義長度24 bit，偽距增量一般在300 m以內(nèi)，可采用1 bit符號位，9 bit數(shù)據(jù)位，只需定義為10 bit即滿足要求，故需要傳輸?shù)拈L度為24+10×89=914 bit，較RTCM格式減少了356 bit，大大提高了傳輸效率。

4 遠(yuǎn)程加載技術(shù)

為了縮短硬件維護(hù)時間，提高導(dǎo)航接收機的可維護(hù)性和使用效率[17]，需要具備可在線升級導(dǎo)航接收機中FPGA，DSP程序的能力。導(dǎo)航接收機通過與升級軟件之間信息交互即可實現(xiàn)接收機內(nèi)部嵌入式程序的在線加載。遠(yuǎn)程加載系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程加載系統(tǒng)功能框圖Fig.3 Remote loading system function diagram

升級軟件通過與導(dǎo)航接收機信號采集傳輸主板實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，信號采集傳輸主板通過加載總線將加載信息傳輸至FPGA，DSP，實現(xiàn) FPGA，DSP程序的加載[18]。一般遠(yuǎn)程加載流程如下：選擇待升級的程序文件；將程序文件讀入到升級軟件內(nèi)存中[19]；如果確定升級，則將程序文件通過軟件發(fā)送給硬件，隨即升級嵌入式FPGA，DSP程序。如果取消升級，則清除內(nèi)存并退出。

4.1 遠(yuǎn)程加載技術(shù)研究方法

針對多模多頻導(dǎo)航接收機含有多FPGA和多DSP芯片，本文設(shè)計了一種利用CRC校驗方式進(jìn)行加載技術(shù)，具體步驟如下：

① 升級軟件發(fā)送命令字為0x0a的數(shù)據(jù)包到信號采集傳輸主板，告訴信號采集傳輸主板需要加載的文件個數(shù)。信號采集傳輸主板發(fā)送命令字為0x08的數(shù)據(jù)包到升級軟件，告訴升級軟件CRC校驗狀態(tài)。

② 若CRC校驗成功，升級軟件發(fā)送命令字為0x05的數(shù)據(jù)包到信號采集傳輸主板，告訴信號采集傳輸主板將要發(fā)送的文件長度以及該文件的CRC。信號采集傳輸主板發(fā)送命令字為0x08的數(shù)據(jù)包到升級軟件，告訴升級軟件CRC校驗狀態(tài)。

③ 若CRC校驗成功，升級軟件發(fā)送命令字為0x01的數(shù)據(jù)包到信號采集傳輸主板，告訴信號采集傳輸主板發(fā)送文件數(shù)據(jù)。信號采集傳輸主板發(fā)送命令字為0x08的數(shù)據(jù)包到升級軟件，告訴升級軟件CRC校驗狀態(tài)。

④ 信號采集傳輸主板判斷已經(jīng)接收的數(shù)據(jù)長度與步驟②所收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若長度不同返回步驟③執(zhí)行。

⑤ 若長度相同，信號采集傳輸主板發(fā)送命令字為0x07的數(shù)據(jù)包到升級軟件，告訴升級軟件整個文件的CRC校驗狀態(tài)。

⑥ 若CRC校驗成功，則判斷下發(fā)的文件個數(shù)是否足夠，若不夠，返回步驟②執(zhí)行。

⑦ 信號采集傳輸主板向FPGA或DSP下載每個文件成功時，發(fā)送命令字為0xc的包給升級軟件，告訴升級軟件某個文件固化成功。

遠(yuǎn)程加載技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程加載處理流程Fig.4 Remote loading process

4.2 實驗結(jié)果與分析

在北京與成都搭建測試環(huán)境，接收機部署在成都某站，升級軟件部署在北京某地，接收機與軟件通過專屬互聯(lián)網(wǎng)相連，升級軟件如圖5所示。

圖5 升級軟件Fig.5 Software upgrade

升級文件總共6個，每個升級文件大小為600 MB。在網(wǎng)絡(luò)正常環(huán)境中測試，完成升級用時12 min。

網(wǎng)絡(luò)異常環(huán)境測試，通過插拔網(wǎng)線模擬網(wǎng)絡(luò)斷開進(jìn)行升級測試，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)斷開后升級停止，等待網(wǎng)絡(luò)連接成功后，升級繼續(xù)進(jìn)行，沒有受到網(wǎng)絡(luò)斷開影響。通過基于CRC校驗方式進(jìn)行遠(yuǎn)程加載有效減少了誤碼率的影響，具備加載速度快、成功率高等優(yōu)點。

5 結(jié)束語

針對多模多頻衛(wèi)星導(dǎo)航接收機數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行深入研究，重點分析了多模多頻導(dǎo)航定位技術(shù)、數(shù)據(jù)輸出技術(shù)和遠(yuǎn)程加載技術(shù)。針對各項技術(shù)提供了解決思路和實現(xiàn)方案，并給出了具體各項技術(shù)的實現(xiàn)步驟，利用相關(guān)技術(shù)自主研發(fā)了相應(yīng)的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機數(shù)據(jù)處理軟件并應(yīng)用于工程實踐，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機數(shù)據(jù)處理新技術(shù)受到廣泛關(guān)注，本文提出的各種方法為技術(shù)實現(xiàn)提供了指導(dǎo)意義。