5G網絡中狀態空間表達式輔助數據的長期演進定位協議消息格式設計

龐晉煒, 陳 瀟

(1.中國科學院大學,北京 100089；2.中國科學院空天信息創新研究院,北京 100089)

衛星定位技術先后經歷了傳統單點定位、經典相對定位和精密單點定位，與傳統單點定位和經典相對定位相比，精密單點定位(precise point positioning, PPP)技術具有可獨立作業，不需要在已知點架設基準站，不受距離限制，數據處理簡單等優勢，其應用前景不可限量[1]。網絡輔助導航是一種有效的導航增強技術，可明顯縮短衛星導航的首次定位時間，提升終端定位性能[2]。隨著5G技術的發展，地面移動通信網絡將迎來新的時代。因此，如何利用地面網絡輔助增強衛星精密單點定位是一個重要的研究課題。

目前，一些相關文獻已經對網絡輔助的信息格式及傳輸方式展開研究。文獻[3]研究了國際海運事業無線電技術委員會(Radio Technical Commission for Maritime Services, RTCM)協議第三版本中3.1版本和3.2版本兩種格式之間的差異，并指出RTCM V3.2格式中輔助GNSS技術將主要應用于GNSS高精度實時定位領域。文獻[4]研究了A-GPS基于無線資源位置服務協議(radio resource location service protocol, RRLP)通過全球移動通信系統(global system for mobile communications, GSM)網絡利用信令控制方式下發輔助信息的方法。泛在無線信號指的是非專門用于導航定位的無線電信號，包括移動蜂窩信號、無線上網信號等。RTCM SC-104格式是國際海事無線電技術委員會104特別委員會(Radio Technical Commission for Maritime Services, Special Committee No.104)制定的DGPS數據通用格式。NMEA 0183是美國國家海洋電子協會(National Marine Electronics Association)為海用電子設備制定的標準格式。文獻[5]通過對RTCM SC-104和NMEA 0183這兩種國際標準格式進行擴展，使其包含泛在無線信號定位相關的輔助數據信息，實現輔助數據格式的標準化。但是，上述文獻中均未涉及5G網絡輔助精密單點定位的狀態空間表達式(state space representation, SSR)信息，可見SSR輔助數據在5G網絡中的傳輸格式問題有待解決。

根據第三代合作伙伴計劃(3rd generation partnership project, 3GPP)組織的規定[6]，5G網絡將使用長期演進定位協議(long term evolution positioning protocol, LPP)提供輔助增強功能，于是，基于LPP定位協議[7]提出了一種用于5G網絡傳輸的SSR輔助數據消息格式，并對其定位結果進行仿真分析。本文首先設計了SSR數據的LPP消息格式，然后針對該格式給出了解碼方案，最后通過仿真，利用SSR數據進行事后靜態精密單點定位，驗證消息格式的有效性，并對GPS系統PPP和GPS+GLONASS雙系統PPP定位結果進行比較分析。

1 LPP協議

LPP是用于位置服務器與目標設備間點對點通信的定位協議，該協議支持的定位方式有可觀察到達時間差定位法(observed time difference of arrival，OTDOA)、網絡增強全球導航衛星系統(assisted-global navigation satellite system, A-GNSS)、增強型小區標識定位法(enhancedCell-ID，E-CID)、地面信標系統定位法(terrestrial beacon system，TBS)等。一次LPP會話中，位置服務器或目標設備可獲取相關的測量值或輔助數據等信息。一次LPP會話又包含一個或多個LPP事務，一個事務只能進行單一操作，比如只能進行輔助數據的傳輸，或只能進行位置信息的傳輸。在LPP協議層，不同的事務利用事務ID進行區分。每個LPP事務都會涉及一個或多個LPP消息，每個LPP消息包含一個或多個定位方式的相關信息。

LPP消息包括事務ID、事務終止標志符、序列號、確認位、LPP消息主體，其中，事務ID用于區分不同的事務，事務終止標志符指示事務是否結束，序列號用于在接收器上檢測重復的LPP消息，當LPP消息在控制平面上傳輸時，確認位字段包含在LPP確認和請求確認的任何LPP消息中。LPP消息主體用于標識消息類型并包含特定消息類型的信息，包括“請求功能”類型、“提供功能”類型、“請求輔助數據”類型、“提供輔助數據”類型、“請求位置信息”類型、“提供位置信息”類型等。在LPP消息主體為“提供輔助數據”類型時，其內容支持A-GNSS、OTDOA等定位方式。本文主要討論“提供輔助數據”類型下，定位方式為A-GNSS，支持PPP的輔助數據類型的LPP消息格式，輔助數據類型包括SSR軌道改正參數、SSR鐘差改正參數和SSR碼偏差參數[7]。

狀態空間概念是為了提供單一GNSS誤差源的狀態信息而提出的，SSR信息可以分別對GNSS的各項誤差源進行描述。相對于觀測空間表示方法(observation space representation, OSR)，SSR更適合于GNSS單點定位的誤差改正[8]。GNSS的SSR向量包括下列幾個參數：衛星軌道改正、衛星鐘差改正、衛星信號偏差(包括衛星硬件或軟件碼偏差和載波相位偏差)電離層延遲參數、對流層延遲參數、狀態質量指示參數[9]。文獻[6]給出的SSR輔助數據信息如表1～表3。

表1 SSR軌道改正參數

表2 SSR鐘差改正參數

表3 SSR碼偏差

2 誤差模型

2.1 觀測方程

偽距和載波相位觀測方程分別為

(1)

(2)

2.2 SSR改正

(3)

接下來進行坐標系轉換，將軌道改正量ΔO轉換到地心地固坐標系下，得到:

(4)

Xorbit=Xbroadcast-ΔX

(5)

精密鐘差由廣播星歷和SSR鐘差改正參數計算得出，設SSR數據參考時刻為t0，由廣播星歷得到的衛星鐘差記為Tbroadcast，由SSR鐘差改正參數得到的鐘差改正量記為ΔT，精密鐘差記為Tclock。SSR鐘差改正參數分別記為C0、C1和C2，則時刻t的鐘差改正量為

(6)

式(6)中：Vc是真空中的光速。則精密鐘差為

Tclock=Tbroadcast-ΔT

(7)

衛星和接收機終端在發射和接收信號時，不同頻率以及同一頻率不同測距信號通道間都存在時延偏差，不同信號通道之間的時延偏差稱為差分碼偏差。硬件延遲是GNSS誤差源之一，差分碼偏差可用于消除硬件延遲[9-10]。

2.3 改正參數及模型選取

選取無電離層組合相位和偽距觀測值，截止高度角為15°，對流層采用Saastamonien模型改正，利用雙頻接收信號消除電離層影響，硬件延遲改正數、軌道改正數和鐘差改正數由NTRIP服務器提供，同時采用相對論效應、天線相位中心、固體潮等較為成熟的改正模型[11-13]。定位流程如圖1所示。

圖1 定位流程圖Fig.1 Positioning flow chart

3 關鍵模塊及傳輸流程

3.1 LPP消息格式設計

針對GPS和GLONASS系統進行設計，SSR輔助數據的LPP消息是位串，由圖2表示，其中第一行的最左位是第一位以及最高位，最后一行的最右位是最后一位以及最低位。該消息格式字節對齊(即8位的倍數)，各字段比特數如表4所示。

圖2 SSR數據LPP消息格式Fig.2 SSR data LPP message format

表4 LPP消息各字段比特數

LPP消息分為消息頭和消息主體,LPP消息頭包括事務ID(TsID)、保留位、事務結束標志位(F)和序列號(SN)。事務ID由消息類型指示符(type)(8比特)和消息來源指示符(re)(1比特)組成。規定消息類型指示符為“00001111”時，傳輸支持精密單點定位的SSR輔助數據，消息來源符指示消息來自位置服務器還是終端。規定消息來源指示符為1時，LPP消息來自位置服務器，消息來源指示符為0時，LPP消息來自終端。保留位供今后設計使用，占6比特。事務結束符占1比特，指示當前事務是否結束。序列號占8比特，序列號用于在接收器上檢測重復接收的LPP消息。

消息主體包含歷元(e)、SSR軌道改正參數更新周期(UI1)、SSR鐘差改正參數更新周期(UI2)、SSR碼偏差參數更新周期(UI3)、衛星參考基線(RD)、SSR改正數IOD(iodssr)、保留位、軌道改正支持衛星數量指示符(OCsN)、SSR軌道改正參數集(L1)、鐘差改正支持衛星數量指示符(CCsN)、SSR鐘差改正參數集(L2)、碼偏差支持衛星數量指示符(CBsN)和碼偏差參數集(L3)。其中，歷元時間范圍為0～604 799 s；UI1、UI2和UI3分別占4比特，分別對應不同的更新時間，對應關系如表5所示，消息的發送周期取三者的最大公約數；SSR改正數IOD用于表示SSR信息和廣播星歷之間的對應關系；支持衛星數量指示符表示該消息體支持改正的衛星顆數，最大支持64顆衛星；改正參數集包含改正用到的有效參數。

表5 UI與SSR更新周期對照表

圖3 E1、E2和E3結構圖Fig.3 Structure of E1, E2 and E3

表6 E1、E2和E3字節數

3.2 LPP解碼模塊

首先識別消息前8位，獲取該LPP消息傳輸信息類型，接著獲取第2、3字節，了解LPP消息的來源、事務是否結束等信息，解碼流程如圖4所示。在解析E1、E2和E3參數包的過程中，原始SSR參數是帶符號位的二進制比特序列，需要先轉換為十進制，再乘以相應的精度因子，最終得到實際的SSR參數。

圖4 LPP消息解碼流程圖Fig.4 LPP message decoder

3.3 SSR數據通信仿真流程

本文使用RTKLIB進行仿真試驗，選取合適的掛載點，接收并保存RTCM3格式SSR數據，通過RTCM轉LPP格式模塊處理RTCM3格式的SSR數據，并生成LPP格式消息。參考文獻[14]使用MATLAB語言仿真5G物理廣播信道，并在其中傳輸LPP格式消息，接收端按照解碼方案解碼獲取SSR數據。圖5為SSR數據通信仿真流程圖。

圖5 SSR數據通信仿真流程圖Fig.5 SSR data transmittion simulation flow chart

4 性能分析

4.1 信息量分析

SSR消息長度隨更新周期、衛星數和信號類型數變化而變化，在仿真試驗中，取軌道改正數更新周期為5 s，鐘差改正數更新周期為5 s，碼偏差改正數更新周期為5 s，衛星數OCsN=CCsN=CBsN=x，支持y種信號碼偏差改正，那么，在60 s的時間里，SSR消息總字節數記為B1，計算公式為

B1=12[8+(1+17x)+(1+10x)+

(1+5xy)]

(8)

從圖6中可以看出，支持的信號類型數一定時，總字節數隨衛星數的增加而線性增加。當衛星數為10，信號類型數為2時，SSR消息字節數為1 980 bytes；當衛星數為18，信號類型數為2時，SSR消息字節數為2 940 bytes。

圖6 60 s內總字節數Fig.6 The size in bytes within 60 seconds

4.2 定位結果與分析

選取CLK93掛載點，接收并保存RTCM3格式的SSR信息，靜態情況下利用NOVATEL接收機接收實際的衛星信號，并將觀測值和星歷保存為renix文件。按照定位流程圖，利用這些源數據分別進行GPS系統事后PPP定位和GPS+GLONASS雙系統事后PPP定位，定位結果如圖7和圖8所示。

圖7 GPS系統PPP結果Fig.7 PPP results of GPS single system

圖8 GPS+GLONASS雙系統PPP結果Fig.8 PPP results of GPS+GLONASS dual-system

從圖7和圖8中可以看出，GPS+GLONASS雙系統PPP整體收斂至0.2 m約需40 min， GPS系統PPP整體收斂至0.2 m約需50 min，可見，在收斂時間上，GPS+GLONASS雙系統比GPS系統更快，并且從圖中可以看出，雙系統更加穩定。

本文將觀測數據按照5、10、15、20、25、30、40、50、60、90、120 min不同的觀測時長，分別統計了兩種定位方式下PPP所達到的定位精度，如表6所示?？梢钥吹皆诘? min的時候，GPS系統在E、N和U方向上的均方根分別為0.97、0.78、0.55 m，GPS+GLONASS雙系統在E、N和U方向上的均方根分別為0.42、0.11和0.90 m，均在1 m以內。相比GPS系統，GPS+GLONASS雙系統在E和N方向上有明顯的改善，分別有40%和64%的提升，而在U方向上，兩者精度相當。在整個觀測過程中，兩種定位方式的可見星數量統計表如表7，再結合圖6，可以發現，雙系統以1 040 bytes/min的額外信息換取了上述精度的提升。

表7 衛星數統計表

表6 PPP精度(RMS)統計表

5 結論

利用MATLAB仿真5G物理廣播控制信道，模擬了LPP消息從生成到解碼的過程，并利用解碼得到的SSR信息進行了事后靜態PPP定位。定位結果表明，不論是GPS系統PPP定位，還是GPS+GLONASS雙系統PPP定位，定位精度均能夠達到分米級，在E、N方向上，GPS+GLONASS雙系統精度明顯優于GPS系統，以每分鐘1 040 bytes的額外信息換取了40%和64%的精度提升，在U方向上，GPS系統與GPS+GLONASS雙系統定位精度相當，得到以下結論：

(1)消息格式可用于事后靜態PPP定位。

(2)隨著消息中衛星信息量的增大，定位精度會相應增大。