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摘要：在分析各种导航信息设计的基础上，着重从数据内容、差错控制编码、布局结构和传输方式等方面对现代GNSS导航电文的改进设计进行了分析和比较，并对我国罗盘系统导航电文的设计提出了一些建议。
关键词：导航电文；符号速率；编码；电文结构
导航信息是导航卫星信号的重要组成部分，其设计将直接影响系统的时效性、完整性、灵活性、可靠性和可扩展性等服务性能以及用户成本。分析比较了各种导航报文的设计以及现代GNSS导航报文在数据内容、编码性能、排列结构和传输方式等方面的改进策略。结果表明，系统的服务性能得到了进一步的提高，系统的用户友好性得到了提高。
一、改进了导航信息的设计分析
1.数据内容的改进。导航信息的内容通常包括基本导航信息、UTC参数、年历数据等，其中基本导航信息包括时间信息（周计数、周秒）、卫星时钟参数、星历数据、电离层参数、健康信息、测距精度指标等。在现代GPS导航报文CNAV和CNAV-2中，增加了部分数据内容或改进了现有数据内容，主要体现在以下几个方面：（1）加入地球方向参数（EOP），包括X、Y方向的极移值和极移率，以及UT1与UTC的转换参数，建立ECEF到地心惯性（ECI）坐标系的转换。通过导航信息传输EOP参数，方便用户将星历数据计算得到的卫星天线相位中心（APC）在ECEF坐标系中的位置转换为ECI坐标系中的APC位置。（2）增加GPS/GNSS时距参数（GGTO），包括GPS系统与Galileo、GLONASS等全球导航卫星系统之间的时距参数。多系统的兼容性和互操作性将比单一系统提供更好的服务能力，这是现代GNSS系统的发展趋势，其中GNSS系统的统一是实现兼容性和互操作性的内容之一。通过导航消息广播GGTO参数，方便客户端转换不同的GNSS系统。（3）添加星钟和星历改正参数CDC&EDC，包括星钟差改正数及其变化率、开普勒轨道根数改正数、用户差测距精度UDRA及其变化率。CDC&EDC可以通过使普通用户获得更精确的星历表和时钟参数来提高导航精度。
2.改善星历表的准确性，包括代表较明显，平均角速度和轨道倾角的变化值和速度变化的参考时间和增加数据长度扰动参数，等等，提高星历数据的准确性，这样用户可以更准确地描述卫星的运动。
3.改进的历书数据可以区分MIDI历书和简化的历书。根据用户需求，中精度历书的数据内容与导航消息的10个历书参数一致，但每个参数的长度被压缩了1-8bit，使得精度降低。简化历书包含四个参数：半长轴的变化、参考时间的赤经、参考时间的角距和健康信息。简化历书的播出周期比中精度历书的播出周期短，可以缩短用户在启动状态或其他特殊场景下采集历书数据的时间，更好地满足不同用户的需求。
4.提高了测距精度（URA）指标参数。将卫星时钟的前星历和等效测距精度（URA）分为星历测距精度（URAoe）和卫星时钟测距精度（URAoc），并以二阶项的形式给出了星历测距精度（URAoc）。
5.添加文本消息类型，广播控制指令和ASCII参数。以上数据内容的改进主要是基于扩大系统应用范围，提高系统性能，方便用户使用的考虑。同时，也考虑了现代卫星导航系统的兼容性、互操作性等要求。另外，Galileo系统的导航电文数据与GPS基本一致，能够满足GPS互操作性的要求。
二、编码的性能改进
卫星导航系统通常采用前向纠错（FEC）方法来控制信道传输中导航信息的随机、突发误差。早期的导航信息编码如GPS和GLONASS常用的是汉明码、BCH码等线性分组码。近年来，随着计算机技术和通信技术的发展，现代卫星导航系统中的导航信息编码逐渐向卷积码、LDPC码等方向发展。同时，增加了CRC码和防突发错误交错码。
导航信息是用来控制代码中的随机误差，由汉明码和BCH码块代码，开发卷积码和LDPC的代码，编译后的代码性能逐渐增加，但也相对提高实现的复杂性，它也适应了当前微处理器的计算能力和导航系统的信息传输效率和可靠性的要求。而CNAV-2电文采用了多误差控制方法。首先对消息进行CRC编码，然后对每个子帧和页面分别进行LDPC编码，最后交叉编码的子帧或页面。该方法能有效地控制导航信息传输中的随机误差和突发误差，是一种有价值的编码方案。
三、编排结构改进
早期的导航消息基于子框架（页面、字符串）、框架和超框架或类似的框架结构。由子框架、框架和超框架组成的导航消息的固定格式保证了数据内容在消息中是固定的，而每个字、子框架、框架和超框架严格对应于系统时间。用户可以根据时间信息对接收到的电传数据进行正确的分析，有利于用户接收和使用数据。为了给系统的升级和改进留有空间，导航报文中有必要保留一些空白数据段。固定帧格式的空白数据段广播将占用一定的通信资源。摘要针对导航报文框架结构格式存在的问题，在现代GPS CNAV报文中，改进了报文编辑结构，废除了以往基于子框架、框架和超框架的固定格式。根据广播内容，CNAV消息构成不同类型的数据块，每个数据块长度为300位。CNAV总共可以定义64种不同类型的数据块，到目前为止已经定义了14种，有很大的扩展空间。一旦需要将新的数据类型添加到系统功能扩展中，就可以通过定义新的数据块类型来解决。与框架结构消息格式相比，块结构导航消息在系统功能扩展和增强方面具有更好的灵活性。CNAV-2在帧结构和数据块结构的基础上，进一步优化了消息结构。Cnav-2消息以数据帧为基本格式。每个数据帧由三个不同长度的子帧组成，分别用于广播时间间隔信息（TOI）、固定周期广播信息和随机广播信息。这种安排基于帧结构和数据块结构的结合，具有帧结构和数据块结构安排的优点，满足了数据内容扩展的灵活性和广播的随机性。
四、播发方式改进
1.导航信息的广播顺序。按帧结构安排的导航消息通常按照子帧号和页码的顺序发送。指出数据广播方式的帧结构安排使数据广播周期和顺序固定，便于用户处理。但重复广播所保留的空白数据段不可避免地会造成通信资源的浪费，延长有用信息的广播周期。以数据块结构排列的导航消息在由各种信息类型指定的最长广播间隔内的数据块单元中传输。同时，可以根据用户需求随机广播相关数据块，而保留的数据块则不需要广播。可见，数据块结构的灵活布置方式也带来了灵活的广播方式。框架结构和数据块结构的结合结合了两种消息结构的优点。一方面，固定子帧的播出顺序；另一方面，它允许不同页面的随机广播序列。这样既保证了时间信息、天文钟、星历数据等重要参数的广播周期是固定的，又能满足随机广播信息的要求。
2.卫星间和频率间导航信息的相对广播顺序。通常，每个卫星的导航信息，在每个频率点播出是基于同一时间的起点，即不考虑接收者处理顺序和时间延迟的前提下，同时用户收到来自不同卫星或不同频率的导航消息类型是一致的，当数据在同一时间内容（如历书数据）将是多余的。针对这个问题，Galileo系统F/NAV和I/NAV电文采用交叉播发的方式对星间和频间电文相对播发顺序进行了优化。以F/NAV报文为例，一帧报文包含12个子帧，每个子帧完成1.5个卫星历，每颗卫星上以2帧报文在20分钟内完成36个卫星历的播出。为了方便用户在更短的时间内接收历书数据，F/NAV报文将历书在不同卫星上的广播顺序与GST进行协调。假设初始时代t0，t = t0 +Δ时间播放子帧数（子帧ID）卫星数之间的对应关系（SVID）：子帧ID = 12（SVID +Δt / 50）模具。这种卫星导航信息的交叉广播，将多颗卫星的年历数据并行广播变为不同年历内容的并行广播，减少了冗余数据，缩短了用户收集全部年历数据的时间。在此基础上，也可以考虑同一区域可见恒星间互播信息的可行性。可见，导航信息在星与频率之间交叉广播，在不增加系统建设成本的情况下，可以有效提高导航信息的时效性。这对于在接收机启动状态下快速进行卫星预测和信号采集，减少初始定位时间具有重要意义。
总之，针对不同的服务类型和导航消息类型，在编码增益、编码效率、编码延迟、编码和解码复杂度等方面进行了权衡。
参考文献：
［１］陈丽，ＧＮＳＳ导航电文设计分析．2018．
［２］张昀米．关于现代化GNSS导航电文设计分析.2019.