CN102016620B - 用于计算电离层校正的网络和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计算电离层校正并将其提供给卫星导航系统的用户的网络，其特征在于，该网络还包括：航空部分(200)，其包括由多个航空器(2)组成的航空用户部分，每个航空器具有机载RF接收机(21)，机载RF接收机能够测量卫星(GNSS)发送的导航信号的延迟，航空部分(200)还包括用于在多个航空器(2)和地面部分(300)之间传输数据的航空通信模块(5)，用于将延迟测量发送给地面部分(300)，用于在地面部分(300)处接收延迟测量的模块，其中延迟测量用于计算网格，该延迟测量被多个航空器(2)和多个地面站(SBAS G)传输。

Description

用于计算电离层校正的网络和方法

本发明的领域涉及卫星导航系统，具体而言，涉及用于计算电离层校正的网络和方法。

本申请中的“卫星导航系统”是指任何广域导航的专用系统，例如被称为GPS、GLONASS的现有的GNSS(全球导航卫星系统)系统，或者将来的伽利略(GALILEO)系统，以及它们的所有等效物和派生物。本领域技术人员熟知卫星导航系统使用的定位原理。对卫星发送的无线电信号进行编码，该信号到达待定位的接收机所需的时间用于确定该卫星和该接收机之间的距离，其优选地称为伪距离(pseudo-distance)。卫星导航系统的准确度受一些误差的影响。这些误差可以分成两类：全局影响和局部影响。对于全局影响，其可能涉及与电磁波在电离层传播有关的误差以及与卫星有关的误差(轨道和时钟误差)。对于局部影响，其可能涉及与电磁波在对流层传播有关的误差、信号反射误差、与干扰有关的误差由于白区(whitezone)和接收机噪声的误差。为了在准确度、完整性、连续性和可用性方面改进现有卫星系统，已经实现了太空领域内被称为“增强系统”的系统。欧洲卫星增强系统EGNOS改进了GPS和GLONASS这两种卫星系统的性能。其发送伪距离校正来校正上述误差。

本发明是要更有针对性地校正电离层误差。已知构成大气层的空气的密度随着与地球表面的距离增加而减小。在电离层这一层级，宇宙和太阳射线不再被过滤。这些射线(紫外线和X射线)更为强烈，并使电子从组成空气的原子中分离，其称为电离。折射系数因此改变，从而信号通过电离层的传播速度也发生变化。基于延迟的计算中假定了导航信号的传播速度等于光速，由于导航码测量的延迟或者相位测量的加速，通过电离层的传播产生了伪距离测量的误差。为了在位置计算时获得更好的准确度，有必要对电离层误差进行估计，其中该电离层误差在一天之内还会变化。

图1描述了本领域技术人员熟知的卫星导航系统体系结构，其包括GNSS定位系统和SBAS(基于卫星的增强系统)增强系统。航空器4具有机载接收机，其连接到EGNOS增强系统。EGNOS是SBAS类型的系统，其在地面部分300中包括由多个地面站“SBAS G”组成的架构，在太空部分100中包括多个地球静止卫星“SBAS S”。地面部分包括：在广阔的地理区域分布的多个地面站，其从GNSS卫星接收数据并确定伪距离；以及中央控制和处理站1，其根据SBAS G接收站发送的伪距离来确定组合在信号10中的校正。地球静止卫星“SBAS S”将该信号10从中央站1中继给航空器4的接收机。

计算站1对电离层校正数据进行编译，以计算如图2所示电离层校正91～94的网格96。当导航信号通过电离层时，地面站“SBAS G”确定与卫星到地面站视线对应的穿透点。从而，对地面站覆盖的整个地域采用与电离层延迟测量对应的穿透点进行采样。当点接近于电离层校正网格的点时，电离层延迟95的值通过对相邻穿透点的值91～94进行外插来确定。电离层校正的网格96的覆盖和精细度与地面站和卫星的网络的覆盖和精细度成比例。

这些传统系统(GNSS和SBAS)出现了多个问题。第一个问题是覆盖区域。事实上，电离层校正网格的覆盖依赖于地面站的分布，其只能部署在容易访问的陆地区域。在这些界限以外，例如在海上或者山区，导航系统出现性能下降。第二个问题是计算校正网格的采样数量。延迟测量数据越多，校正就越准确。该测量数量与卫星数量和地面站数量直接相关，而这些卫星和地面站的成本很高(还由于维护以及实时数据通信流)。第三个问题是测量的质量。地面站进行的测量受局部误差影响，例如反射问题、干扰和对流层。

在现有技术中，已知专利US 6,674,398B2描述了使用移动接收机来测量电离层延迟的发明。然后将这些测量值直接发送给太空部分，该太空部分将这些数据中继给地面部分中的计算系统，以对它们进行编译并计算电离层校正网格。然而，该发明需要创建到太空部分的专用用户链路并需要其可用，并留有由非航空用户使用的可能，因此对于航空服务来说不值得信任。

更具体地，本发明涉及一种网络，其使得可以计算电离层校正并将其提供给卫星导航系统用户，该卫星导航系统的主要特征是其包括航空部分，该航空部分包括航空用户部分，该航空用户部分由多个航空器组成，每个航空器具有机载RF接收机，该机载RF接收机能够测量卫星发送的导航信号延迟，该航空部分还包括多个航空器和地面部分之间的航空数据通信模块，以便将所述延迟的测量发送给地面部分，该卫星导航系统还包括地面部分，该地面部分包括用于接收延迟测量的模块，该延迟测量用于计算电离层校正网格，该延迟测量来自于多个航空器以及多个地面站。

本发明的益处在于，通过使用卫星通信系统的体系结构以及航空领域中已有的测量和通信部件，来生成卫星导航系统的电离层校正网络。本发明利用了航空网络的可靠性和服务质量要求。事实上，卫星传输不具有与航空领域中设计的传输水平相同的完整性。航空用户接收机本身也值得信任。本发明使得电离层校正通信体系结构可用，该电离层校正通信体系结构与以前限于卫星通信体系结构的解决方案相比显示出增加的可靠性。进一步地，因为再次使用了从航空器到地面部分的通信链路(其已经被设计以考虑航空器的数量)，所以不需要到卫星的专用链路可用。

测量还在航空部分这一层级来进行，因此不受局部误差影响。计算系统所进行的校正从而更为准确。

如图2中所示，本发明是要提供更为准确并且其地理覆盖96更广阔并具有更精确的采样的电离层校正数据91～95。电离层测量的数量与飞行中的航空器2数量的密度成比例，因此，可用的电离层校正网格96更密，并因此更加准确。因为对电离层校正的网格96的采样更精细，所以本发明能够检测小的电离层扰动。

根据本发明的、用于计算电离层校正的网络，其测量的潜力比要求的要高得多，因此有可能减少“SBAS G”地面站的数量，从而减少SBAS类型的卫星增强系统的成本。进一步地，用于计算电离层校正的网络从航空器进行测量，因此并不受海上或山区覆盖的限制。因此，在这些区域的边缘不再有任何的性能下降。

通过阅读下面非限制性的说明并参考附图，将会更好地理解本发明，并且其它益处将会变得明显，其中：

图1示出了根据现有技术的卫星系统体系结构。

图2示出了地面部分的计算系统所计算的电离层校正的网格区域。图2示出了通过针对空间中的任意点对校正进行外插的计算方法。

图3示出了根据本发明的网络，使得能够计算电离层校正并将其提供给用户，该网络的体系结构包括太空部分和航空部分。

如图3所示，下面描述的本发明涉及用于计算和发送卫星导航系统的电离层校正的网络。很清楚的是，该网络适用于任何GNSS卫星导航系统，例如“GPS”系统或者将来的“伽利略”系统，这些系统使用例如“EGNOS”系统或“WAAS”系统这样的SBAS增强系统，以使得能够提供校正数据。本发明的主要特征是在用于计算电离层数据的网络的体系结构中包括航空部分200，该航空部分包括用户部分，该用户部分由航空器2组成，航空器2测量电离层延迟并采用针对航空需求而设计的通信模块5将这些测量传输给地面部分300。这些测量模块21和通信模块5与传统单一的卫星网络相比提供了增加的可靠性和服务质量，并能够获得比传统网络更高数量的电离层延迟测量91～94。

太空部分100由以不同的频率发送导航信号7和8的多个GNSS卫星构成。例如，伽利略GNSS系统将能够针对航空用户在频率L1(1563-1587MHz)、E5a(1164-1189MHz)和E5b(1189-1214MHz)上进行发送。太空部分100还由发送信号6的“SBAS S”卫星构成，该信号向航空用户(例如航空器4和2)或者非航空用户(例如机动车或舰船)发送定位校正数据。安装在航空器中的测量模块21是射频(RF)接收机，其能够如前面所述在不同的频率上接收导航信号7和8。使用本领域技术人员熟知的计算方法，这些RF接收机21能够测量导航信号通过高海拔处电离层的延迟，从而避免了局部的误差影响，如前面所述的，从而提供了更准确的测量。通信模块5使用航空领域技术人员熟知的、用于航空器2和地面部分300之间的高频通信的模块。

地面部分包括图3中未示出的、用于集中并选择用于计算电离层校正网格的电离层延迟测量源的模块，该延迟测量来自于多个航空器2和多个“SBAS G”地面站。由于来自航空器2的测量数量可能很大，因此计算站1具有选择最相关的来源来计算电离层校正网格的功能。计算系统1对主要来自于多个航空器2的延迟测量91～94进行编译。地面部分还包括传输模块3，用于将电离层校正网格96的数据10发送给太空部分100。

有益地，使计算电离层校正数据91～95并将其提供给卫星导航系统用户成为可能的方法执行下述步骤：

-在航空用户部分这一层级以及在地面部分SBAS G这一层级来测量延迟91～94，

-将多个航空器测得的延迟发送给地面部分300，该数据发送由航空通信网络5来进行，

-通过对主要来自于在航空用户部分200这一层级进行的测量的数据进行编译，来计算电离层校正网格96，

-将电离层校正网格96的数据91～95发送给太空部分100。

有益地，航空用户部分这一层级的延迟测量在航空器2的飞行阶段内实时地并连续地进行。本发明使在各种地理区域内实时地并且在一天内的各个时间对电离层进行采样成为可能。为了向用户提供有关的电离层校正，该方法的所有步骤都实时地并连续地进行。

有益地，地面部分300的计算系统1包括用于选择延迟测量源的模块，其使用最相关的来源来计算电离层校正网格96。实际上，飞行中的航空器2的群组可以提供高于所需数量的测量。

有益地，当来自航空用户部分的延迟测量的数量变为小于最小阈值时，例如在不太可能出现的、航空网络完全中断的情形下，计算系统选择来自地面站的延迟测量。作为安全手段，保持最小数量的“SBAS G”地面站处于服务状态，以保证最小数量的延迟测量。

有益地，用户部分200的航空器2还包括用于接收对RF接收机21工作可靠性的指示的模块，地面部分300的计算系统1包括用于评估测量延迟的RF接收机21的可靠性的模块，以及用于将对所述RF接收机21可靠性的指示发送给用户部分200的航空器2的模块。在计算电离层校正网格96的过程中，地面站能够确定与相邻数值不一致的数值。例如，如果在显示相当低数值的地理区域内检测到高的孤立的电离层延迟值，则可以推知该测量是错的，并且所讨论的航空器的RF接收机21可能工作不正常。有益地，计算系统1然后向具有能够测量延迟的机载RF接收机的多个航空器发送对它们的RF接收机可靠性的指示。本发明能够建立导航系统的航空用户部分和卫星导航系统的控制组织之间协作的系统。作为访问在航空器上进行的延迟测量的回报，控制组织可以提供对航空器上RF接收机可靠性的指示。

Claims (8)

1.一种能够计算电离层校正并将其提供给卫星导航系统的用户的网络，所述网络包括：

太空部分（100），其由多个卫星（GNSS，SBAS S）组成，所述多个卫星向用户部分发送位置校正数据（91-95），并且以不同的频率向所述用户部分发送导航信号（7，8），

地面部分，其包括计算系统（1）和传输模块（3），所述传输模块（3）将数据发送给所述太空部分（100），使得所述计算系统（1）对来自多个地面站（SBAS G）的电离层延迟测量进行编译以计算电离层校正网格（96），并且所述传输模块（3）将所述电离层校正网格（96）发送给所述太空部分（100），

其特征在于，所述网络还包括：

航空部分（200），其包括由多个航空器（2）组成的航空用户部分，所述多个航空器（2）中的每个航空器具有机载RF接收机（21），所述机载RF接收机（21）能够测量所述卫星（GNSS）发送的所述导航信号的延迟，所述航空部分（200）还包括所述多个航空器（2）和所述地面部分（300）之间的航空数据通信模块（5），用于将所述导航信号的延迟测量发送给所述地面部分（300），

所述地面部分这一层级上、用于接收用于计算所述网格（96）的延迟测量的模块，所述用于计算所述网格的延迟测量来自于所述多个航空器（2）和所述多个地面站（SBAS G）。

2.根据权利要求1所述的网络，其特征在于，所述地面部分（300）的计算系统（1）包括用于选择延迟测量源的模块，其使用最相关的测量源来计算所述电离层校正网格（96）。

3.根据权利要求2所述的网络，其特征在于，所述航空用户部分的航空器还包括：用于接收对所述RF接收机工作可靠性的指示的模块。

4.根据权利要求3所述的网络，其特征在于，所述地面部分的计算系统包括：用于评估测量延迟的所述RF接收机（21）的可靠性的模块，以及用于将对所述RF接收机可靠性的指示发送给所述航空用户部分的航空器的模块。

5.一种能够计算电离层校正数据并将其提供给卫星导航系统的用户的方法，其特征在于，该方法使用权利要求4中所述的网络来执行下述步骤：

在所述航空用户部分这一层级和所述地面部分（300）这一层级来测量延迟，

将所述多个航空器（2）测得的延迟数据发送给所述地面部分（300），其中，所述延迟数据的发送由航空数据通信模块（5）来进行，

通过对主要来自于在所述航空用户部分这一层级进行的测量的数据进行编译，来计算电离层校正网格（96），

将所述电离层校正网格（96）的数据（91-95）发送给所述太空部分（100）。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤实时地并连续地执行。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，为了计算所述电离层校正网格（96），当来自所述航空用户部分的导航信号的延迟的测量的个数变为小于最小阈值时，所述计算系统选择来自所述地面站（SBAS G）的电离层延迟测量；其中所述导航信号的延迟的测量来自所述航空用户部分。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述计算系统（1）向具有能够测量延迟的机载RF接收机（21）的所述多个航空器发送对它们的RF接收机（21）可靠性的指示。

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