Декодирование навигационных данных

Кодирование навигационных данных происходит в соответствии со схемой, определенной в документе ICD‐GPS‐ 200 (1991) – Документ об управлении интерфейсом GPS. Схема кодирования для Galileo в настоящее время не доступна.

Когда навигационный бит GNSS получен через битовую синхронизацию, он должен быть декодирован.

Эфемеридные параметры GPS описаны ниже, а опытная схема Galileo описана в Разделе 3.4.

Положение преамбулы

Первая проблема в декодировании GPS навигационных данных состоит в определении начала субкадра. Начало субкадра помечено преамбулой длиной в 8 бит. Преамбула представляет собой следующую последовательность 10001011. Из‐за возможности цикла Костаса отслеживать сигнал со сдвигом фазы 180^о, эта преамбула может быть и в инвертированном виде 01110100. В действительности такие две последовательности бит могут

встретиться в получаемых данных, и поэтому необходима дополнительная проверка для удостоверения преамбулы. Процедура подтверждения состоит в проверке, повторяется ли эта последовательность каждые 6 секунд между передачами двух последовательных субкадров.

Поиск преамбулы осуществляется через корреляцию. Первая часть в корреляционной функции –

входящая последовательность бит навигационных данных. Эта последовательность представлена с помощью +1 и

–1. Вторая часть в корреляционной функции – 8‐ми битная преамбула, также представленная с помощью –1 и

+1. При использовании значений –1 и +1 вместо 0 и 1, выходное значение корреляционной функции – 8, если обнаружена прямая преамбула, и –8, если обнаружена инвертированная преамбула.

Correlation	Корреляция
Time [s]	Время [с]

Рисунок 8.2. Корреляция между 33 секундами навигационных данных и 8‐ми битной преамбулой. Пики показывают положение начала субкадра.

Пример корреляции между навигационными данными и преамбулой можно увидеть на Рис. 8.2.

Как видно из Рис. 8.2, корреляционная функция имеет максимум, равный 8, в нескольких местах последовательности длиной 33 с. Должно быть только 6 максимумов, т.к. эта последовательность должна содержать 6 субкадров. В дополнение к корреляционным максимумам последовательность содержит также несколько минимумом со значением –8. Это означает, что в последовательности несколько раз встретилась инвертированная преамбула. Метод для определения корреляционных максимумов, соответствующих началу субкадра, включает определение задержки между соседними максимумами. Только если задержка составляет точно 6 секунд, контроль четности выполнен, максимум принимается за начало субкадра.

Когда обнаружена корректная преамбула, данные из субкадра могут быть извлечены. Если обнаружена инвертированная преамбула, то данные в навигационной последовательности также должны быть инвертированы.

Из‐за эффекта Доплера длина навигационного бита может отклоняться от величины 20 мс. За короткое время эта разница в длине может достигать значительных величин. Поэтому наилучшим решением является поиск преамбулы в оригинальных выходных данных системы слежения в формате 1000 выборок/c. Алгоритм остается прежним, но каждый бит в отсчетной преамбуле конвертируется в 20 значений (выборок). В этом случае корреляционный пик будет иметь максимальное значение 8х20=160 вместо 8. Этот модифицированный алгоритм также ищет времена битовых переходов.

Извлечение навигационных данных

Каждая корректная преамбула отмечает начало субкадра навигационных данных. Каждый субкадр содержит 300 навигационных бит, разделенных на 10 слов длиной по 30 бит. Структура первых двух слов субкадра показана на Рис. 8.3.

TLM word	Телеметрическое слово
MSB	Наиболее значимый разряд
LSB	Младший значащий бит
Preamble	Преамбула
Reserved	Зарезервировано
Parity	Четность
Hand over word (HOW)	Ключевое слово
TOW‐count message (Truncated)	Время, прошедшее с последнего перехода недели (усеченное)
Subframe ID	ИН субкадра

Рисунок 8.3. Первые два слова каждого субкадра. Эти два слова называют телеметрическим (ТМ) словом и ключевым (К) словом.

Проверка четности. Кроме 24 бит данных каждое слово содержит 6 бит для проверки четности. Проверка четности используется для определения ошибочных бит в навигационных данных. Четность вычисляется с помощью уравнений из Таблицы 8.1. Знак Å обозначает операцию по модулю 2 или операцию исключительного ИЛИ.

D1‐D24 – 24 бита данных в слове, тогда как D25‐D30 – 6 бит четности. Два бита, обозначенных D29* и D30* ‐ последние два бита четности предыдущего слова. При получении навигационных данных должна быть выполнена проверка четности для того, что убедиться, что данные интерпретированы корректно.

Время перехода. После успешной проверки четности содержание навигационных бит может быть декодировано. Декодирование совершается в соответствии со схемой, описанной в ICD‐GPS‐200 (1991), где дано подробное описание каждого слова в схожей манере, что и на Рис. 8.3. Первая задача состоит в определении времени, когда текущий субкадр был передан со спутника.

Таблица 8.1. Уравнения для проверки четности

D₁=d₁Å D*₃₀ D₂=d₂Å D*₃₀ D₃=d₃Å D*₃₀

: :

: :

D24=d24 Å D*30

D₂₅=D*₂₉Å d₁Å d₂Å d₃Å d₅Å d₆Å d₁₀Å d₁₁Å d₁₂Å d₁₃Å d₁₄Å d₁₇Å d₁₈Å d₂₀Å d₂₃ D₂₆=D*₃₀Å d₂Å d₃Å d₄Å d₆Å d₇Å d₁₁Å d₁₂Å d₁₃Å d₁₄Å d₁₅Å d₁₈Å d₁₉Å d₂₁Å d₂₄ D₂₇=D*₂₉Å d₁Å d₃Å d₄Å d₅Å d₇Å d₈Å d₁₂Å d₁₃Å d₁₄Å d₁₅Å d₁₆Å d₁₉Å d₂₀Å d₂₂ D₂₈=D*₃₀Å d₂Å d₄Å d₅Å d₆Å d₈Å d₉Å d₁₃Å d₁₄Å d₁₅Å d₁₆Å d₁₇Å d₂₀Å d₂₁Å d₂₃ D₂₉=D*₃₀Å d₂Å d₄Å d₅Å d₆Å d₇Å d₉Å d₁₀Å d₁₄Å d₁₅Å d₁₆Å d₁₇Å d₁₈Å d₂₁Å d₂₂Å d₂₄ D₃₀=D*₂₉Å d₃Å d₅Å d₆Å d₈Å d₉Å d₁₀Å d₁₁Å d₁₃Å d₁₅Å d₁₉Å d₂₂Å d₂₃Å d₂₄

GPS time	GPS время
seconds	Секунды
Z‐count	Z‐отсчет
Truncated Z‐count	Прореженный Z‐отсчет

Рисунок 8.4. Соотношение между GPS временем, Z‐отсчетами, и прореженными Z‐отсчетами в кодовом слове навигационных данных.

Второе слово каждого субкадра – так называемое, ключевое слово, включает усеченную версию ВПН (время, прошедшее с последнего перехода недели). Это число называется Z‐отсчетом. Z‐отсчет – число секунд, прошедших с последнего перехода GPS недели, в единицах по 1,5 с. Переход недели осуществляется в полночь между субботой и воскресеньем. Максимальное значение Z‐отсчета – 403199, т.к. одна неделя содержит 604800 с и, соответственно, 604800/1,5=403200. Значение Z‐отсчета в ключевом слове содержит только 17 наиболее значимых разряда (НЗР). Такое обрезание Z‐отсчета приводит к тому, что он увеличивается за 6 шагов, соответствующих времени между переходом двух последовательных субкадров. Рис. 8.4 показывает отношение между тремя временами: GPS время, Z‐отсчет, и усеченный Z‐отсчет.

Таблица 8.2. Схема декодирования для эфемеридных параметров GPS в навигационных данных. n* означает, что текущие n бит должны быть декодированы с использованием поразрядного дополнения до двух.

Параметр	Число бит	Масштабный фактор (младший значащий бит)	Единица
IODE
Crs	16*	2‐5	м
Δn	16*	2-43	Полукруг/и
μ0	32*	2-31	Полукруг
Cuc	16*	2-29	Радиан
e		2-33	Безразмерный
Cus	16*	2-29	Радиан
a		2-19	м^(1/2)
toe			с
Cic	16*	2-29	Радиан
Ω0	32*	2-31	Полукруг
Cis	16*	2-29	Радиан
i0	32*	2-31	Полукруг
Crc	16*	2-5	м
ω	32*	2-31	Полукруг
W&	24*	2-43	Полукруг/и
i&	14*	2-43	Полукруг/и

Таблица 8.3. Эфемеридные параметры

IODE	Набор эфемеридных данных (НЭД)
Δn	Коррекция среднего движения
μ0	Средняя аномалия при toe
e	Эксцентриситет
a	Квадратный корень из большой полуоси
toe	Отсчетный период дискретизации
Ω0	Долгота восходящего узла в toe
i0	Наклон в toe
ω	Аргумент перигея

W&	Скорость Ω0
i&	Скорость i
Crs, Crc	Коэффициенты коррекции для синуса и косинуса в r
Cis, Cis	Коэффициенты коррекции для синуса и косинуса в i
Cuc, Cus	Коэффициенты коррекции для синуса и косинуса в ω

Усеченное значение Z‐отсчета в ключевом слове соответствует времени перехода к следующему навигационному субкадру. Для того, чтобы получить время перехода текущего субкадра, усеченное значение Z‐отсчета должно быть умножено на 6, и из полученного результата необходимо вычесть 6 секунд.

Остающиеся параметры. Остающиеся параметры навигационных данных также декодируются в соответствии с ICD‐GPS‐200 (1991), например, эфемеридные параметры декодируются в соответствии с Таблицей 8.2. При поразрядном дополнении до двух знаковый бит (+ или ‐) располагается в младшем бите. Единица полуокружность умножается на π для конвертации в радианы. Параметр НЭД – короток для Набора Эфемеридных Данных. НЭД – 8‐ми битное число, которое уникальных образом идентифицирует набор данных. Все параметры перечислены в Таблице 8.3 и разъяснены в Разделе 8.3.