CN104614734B - 北斗天基高精度差分电文生成方法 - Google Patents

北斗天基高精度差分电文生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种北斗天基高精度差分电文生成方法，首先确定北斗差分电文所需播发的信息类型，然后确定每种信息类型的数据内容和数据量，最后根据实际需求和数据精度将差分电文分为两组发播。本发明生成的北斗差分电文可以弥补现有数据播发格式不包含北斗修正数据的空白，用于数据修正可以使用户定位精度提高至分米级，尤其适用于利用地球同步轨道卫星进行广播。

Description

北斗天基高精度差分电文生成方法
技术领域
本发明涉及一种针对北斗卫星导航系统的基于地球同步轨道卫星播发的差分电文生成方法。
背景技术
现在国际上使用的最广泛的卫星导航系统差分电文格式是由国际无线电技术委员会制定的RTCM SC104标准。此标准有2010年更新的2.3版，也有2011年7月更新的3.1版。两种版本都支持差分GNSS服务。
RTCM SC10402.3定义了63种信息类型，支持对GPS和GLONASS的差分信息播发，支持实时动态定位(RTK)，不支持对北斗卫星导航系统的差分信息播发。RTCM SC10402.3格式的差分电文播发主要通过地基播发方式来实现，天基播发存在数据量大、数据传输速率要求太高的问题，因此难以实现。
RTCM SC10403.1的格式标准与2.3版相比有很大的变化，不仅在内容设计和格式编排上有所更新，支持GPS和GLONASS的单参考站或多参考站的实时动态定位，而且引入了状态空间参数。
尽管如此，RTCM SC10402.3和RTCM SC10403.1都不是能直接适用于北斗卫星导航系统天基高精度差分电文播发的格式，均存在数据量大、传输速率快、地面站设备难以实现的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于地球同步轨道卫星播发的北斗差分电文生成方法，使北斗卫星导航系统的定位精度提高至分米级，满足分米级定位用户的需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)确定北斗差分电文所需播发的信息类型，包括卫星轨道误差修正、卫星钟差修正、码偏移修正、用户测距精度、卫星快速时钟修正；
(2)确定每种信息类型的数据内容和数据量，每种信息类型都由数据头和卫星详细数据两步组成，每颗卫星的详细数据在数据头之后依次顺序出现；数据头包括信息编号、卫星历元、更新间隔、多信息标识、数据龄期；卫星详细数据分别为卫星轨道修正信息详细数据、卫星时钟修正信息详细数据、码偏移信息详细数据、用户测距精度详细数据和卫星快速时钟修正信息详细数据；
卫星轨道修正信息详细数据包括卫星ID、轨道修正数据有效龄期、径向误差、切向误差、法向误差、径向误差变化率、切向误差变化率、法向误差变化率；卫星轨道修正信息数据量＝数据头位数+卫星轨道修正详细信息位数*卫星数量；
卫星时钟修正信息详细数据包括卫星ID、钟差系数常数项误差、钟差系数一次项误差、钟差系数二次项误差；卫星时钟修正信息数据量＝数据头位数+卫星时钟修正详细信息位数*卫星数量；
码偏移信息详细数据包括卫星ID、每颗卫星码偏移数量、信号通道标识、码偏移；码偏移信息数据量＝数据头位数+(每颗卫星码偏移数量位数+码偏移*每颗卫星码偏移数量)*卫星数量；
用户测距精度详细数据包括卫星ID和用户测距精度；用户测距精度信息数据量＝数据头位数+用户测距精度*卫星数量；
卫星快速时钟修正信息详细数据包括卫星ID和快速时钟修正；卫星快速时钟修正信息数据量＝数据头位数+卫星快速时钟修正详细信息位数*卫星数量；
(3)北斗天基高精度差分电文的播发内容根据实际需求和数据精度分为两组发播内容，第一组依次包括卫星轨道修正信息、卫星时钟修正信息、码偏移信息、用户测距精度，第二组依次包括卫星轨道修正信息、快速时钟修正信息、码偏移信息、用户测距精度；当时钟修正信息的数据精度和更新间隔满足用户精度需求时，采用第一组内容进行广播；当时钟修正信息的更新间隔不能满足要求时，采用第二组内容进行广播。
所述的步骤(3)采用多频点单支路的方式来实现，即在每个播发频点的单个支路上进行数据播发。
所述的北斗天基高精度差分电文中，帧由若干子帧组成，每个子帧内容包括同步字、帧编号、子帧编号、卫星标识、健康状况、C1I路调制信息标识、C1Q路调制信息标识、C2I路调制信息标识、C2Q路调制信息标识、CAPST与UTC闰秒差、所需播发的信息类型、CRC校验码。
本发明的有益效果是：本发明生成的北斗差分电文可以弥补现有数据播发格式不包含北斗修正数据的空白，用于数据修正可以使用户定位精度提高至分米级，尤其适用于利用地球同步轨道卫星进行广播。
附图说明
图1是差分电文生成流程图。
图2是播发电文结构1时C1频点I支路电文帧结构。
图3是播发电文结构1时C1频点I支路电文子帧1、2结构。
图4是播发电文结构1时C1频点I支路电文子帧3结构。
图5是播发电文结构1时C2频点I支路电文帧结构。
图6是播发电文结构1时C2频点I支路电文子帧1-31结构。
图7是播发电文结构1时C2频点I支路电文子帧32结构。
图8是播发电文结构2时C1频点I支路电文帧结构。
图9是播发电文结构2时C1频点I支路电文子帧1-12结构。
图10是播发电文结构2时C1频点I支路电文子帧13结构。
图11是播发电文结构2时C1频点I支路电文子帧14、15结构。
图12是播发电文结构2时C2频点I支路电文帧结构。
图13是播发电文结构2时C2频点I支路电文子帧1-13结构。
图14是播发电文结构2时C2频点I支路电文子帧14结构。
图15是播发电文结构2时C2频点I支路电文子帧15结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明所采用的技术方案如下：首先，确定使北斗卫星导航系统定位精度提升至分米级的北斗差分电文所需播发的信息类型和数据内容，这一步骤保证了用户能够得到足够内容的修正数据。在此基础上进行信息类型数据量的计算，并进行差分电文结构设计，满足每种信息类型所要求的播发间隔，保证用户得到的修正数据能够实现分米级的定位精度。
具体而言，本发明包括以下步骤：
1、北斗差分电文所需播发的信息类型确定
播发差分电文对北斗用户定位精度的提高主要通过对导航信号传播中的误差进行修正来实现，根据差分电文实现所需的精度要求，来确定差分电文所需播发的信息类型。本发明中差分电文用于数据修正的目标定位精度为分米级，主要修正内容包括：卫星轨道误差修正、卫星钟差修正、码偏移修正、用户测距精度、卫星快速时钟修正。
卫星轨道误差修正主要通过播发视区内所有导航卫星广播星历的误差对卫星轨道进行精密修正，用户可由此得到相对广播星历更精确的卫星位置信息。卫星轨道误差修正信息最大更新间隔30秒。
卫星钟差修正主要播发视区内所有导航卫星广播钟差的修正数据，对卫星时钟误差进行精密修正，用户可由此得到相对广播钟差更精确的卫星时钟误差信息。卫星钟差修正信息最大更新间隔10秒。
码偏移修正主要播发视区内所有导航卫星各个信号通道的码延迟数据，用户可由此得到卫星各支路导航信号的准确发射时间，并由此进行双频电离层修正。码偏移修正信息最大更新间隔1800秒。
用户测距精度主要播发视区内所有导航卫星的伪距测量误差，用户可由此对导航信号伪距测量误差进行修正，提高用户定位精度。用户测距精度信息最大更新间隔2秒。
卫星快速时钟修正主要播发视区内所有导航卫星广播广播钟差的快速修正数据，对卫星时钟误差进行精密修正，用户可由此得到相对广播钟差更精确的卫星时钟误差信息。卫星快速时钟修正信息最大更新间隔2秒。
2、每种信息类型的数据内容和数据量
每种信息类型都由数据头和卫星详细数据两步组成，每颗卫星的详细数据在数据头之后依次顺序出现。如下表所示：
序号 信息类型编号* 信息名称 信息内容
1 01 轨道修正 数据头+卫星轨道修正信息详细数据
2 02 时钟修正 数据头+卫星时钟修正信息详细数据
3 03 码偏移 数据头+码偏移信息详细数据
4 04 URA 数据头+用户测距精度详细数据
5 05 快速时钟修正 数据头+卫星快速时钟修正信息详细数据
数据头的内容包括：信息编号、卫星历元、更新间隔、多信息标识、数据龄期。
卫星详细数据分别包括卫星轨道修正信息详细数据、卫星时钟修正信息详细数据、码偏移信息详细数据、用户测距精度详细数据和卫星快速时钟修正信息详细数据。
卫星轨道修正信息详细数据包括：卫星ID、轨道修正数据有效龄期、径向误差、切向误差、法向误差、径向误差变化率、切向误差变化率、法向误差变化率。卫星轨道修正信息数据量＝数据头位数+卫星轨道修正详细信息位数*卫星数量。
卫星时钟修正信息详细数据包括：卫星ID、钟差系数常数项误差、钟差系数一次项误差、钟差系数二次项误差。卫星时钟修正信息数据量＝数据头位数+卫星时钟修正详细信息位数*卫星数量。
码偏移信息详细数据包括：卫星ID、每颗卫星码偏移数量、信号通道标识、码偏移。码偏移信息数据量＝数据头位数+(每颗卫星码偏移数量位数+码偏移*每颗卫星码偏移数量)*卫星数量。
用户测距精度详细数据包括：卫星ID和用户测距精度。用户测距精度信息数据量＝数据头位数+用户测距精度*卫星数量。
卫星快速时钟修正信息详细数据包括：卫星ID和快速时钟修正。卫星快速时钟修正信息数据量＝数据头位数+卫星快速时钟修正详细信息位数*卫星数量。
3、电文结构设计
北斗天基高精度差分电文的设计必须满足每种信息类型最大更新间隔的需求，且充分考虑最大信息速率的制约。
差分电文的播发内容根据实际需求和数据精度可分为两组发播内容：
(1)卫星轨道修正信息+卫星时钟修正信息+码偏移信息+用户测距精度。
(2)卫星轨道修正信息+快速时钟修正信息+码偏移信息+用户测距精度。
当时钟修正信息的数据精度和更新间隔满足用户精度需求时，采用第一组内容进行广播；当时钟修正信息的更新间隔不能满足要求时，采用第二组内容进行广播。
由于最大信息速率的限制，要满足各类信息类型快速更新的需求，电文结构设计采用多频点单支路的方式来实现，即在每个播发频点的单个支路上进行数据播发。这样的实现方式可以保证差分电文各类信息类型数据的及时更新，且多频点同时播发的方式可以有效缩短用户的接收时间。
差分电文由帧和子帧组成，帧的组成如图2、图5、图8和图12所示，子帧的组成如图3、图4、图6、图7、图9、图10、图11、图13、图14、图15。每个子帧内容包括同步字、帧编号、子帧编号、卫星标识、健康状况、C1I路调制信息标识、C1Q路调制信息标识、C2I路调制信息标识、C2Q路调制信息标识、CAPST与UTC闰秒差、所需播发的信息类型、CRC校验码。
实施例中，采用中国区域定位系统(China Area Positioning System，简称CAPS)作为依托平台，针对北斗区域卫星导航系统，说明本发明提出的北斗天基高精度差分电文的生成方法。
(1)电文结构1
电文结构1的播发内容包括：轨道修正信息、时钟修正信息、码偏移信息和用户测距精度。利用C1频点I支路和C2频点I支路同时播发的多频点单支路方式来实现。
C1频点I支路电文播发轨道修正信息和时钟修正信息，信息速率为200bps，电文10秒注入一次，每次2000位。电文结构包括帧、子帧，分别如图2-4所示。一帧周期为30秒，包括三个子帧，每个子帧2000位，10秒更新一次。子帧是电文的最小结构单元，也是用户的最小捕获单元，每个子帧都有同步字、帧编号、子帧编号等公共信息，帮助用户捕获和识别电文。
C2频点I支路电文播发码偏移信息和用户测距精度，信息速率为150bps，电文2秒注入一次，每次300位。电文结构包括帧、子帧，分别如图5-8所示。一帧周期为64秒，包括32个子帧，每个子帧300位，2秒更新一次。子帧是电文的最小结构单元，也是用户的最小捕获单元，每个子帧都有同步字、帧编号、子帧编号等公共信息，帮助用户捕获和识别电文。
(2)电文结构2
电文结构2的播发内容包括：轨道修正信息、快速时钟修正信息、码偏移信息和用户测距精度。利用C1频点I支路和C2频点I支路同时播发的多频点单支路方式来实现。
C1频点I支路播发快速时钟修正和码偏移信息，信息速率为300bps，电文2秒注入一次，每次600位。电文结构包括帧、子帧，分别如图8-11所示。一帧周期为30秒，包括15个子帧，每个子帧600位，2秒更新一次。子帧是电文的最小结构单元，也是用户的最小捕获单元，每个子帧都有同步字、帧编号、子帧编号等公共信息，帮助用户捕获和识别电文。
C2频点I支路播发轨道修正信息和用户测距精度，信息速率为200bps，电文2秒注入一次，每次400位。电文结构包括帧、子帧，分别如图12-15所示。一帧周期为30秒，包括15个子帧，每个子帧400位，2秒更新一次。子帧是电文的最小结构单元，也是用户的最小捕获单元，每个子帧都有同步字、帧编号、子帧编号等公共信息，帮助用户捕获和识别电文。

Claims (3)

1.一种北斗天基高精度差分电文生成方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)确定北斗差分电文所需播发的信息类型，包括卫星轨道误差修正、卫星钟差修正、码偏移修正、用户测距精度、卫星快速时钟修正；
(2)确定每种信息类型的数据内容和数据量，每种信息类型都由数据头和卫星详细数据两步组成，每颗卫星的详细数据在数据头之后依次顺序出现；数据头包括信息编号、卫星历元、更新间隔、多信息标识、数据龄期；卫星详细数据分别为卫星轨道修正信息详细数据、卫星时钟修正信息详细数据、码偏移信息详细数据、用户测距精度详细数据和卫星快速时钟修正信息详细数据；
卫星轨道修正信息详细数据包括卫星ID、轨道修正数据有效龄期、径向误差、切向误差、法向误差、径向误差变化率、切向误差变化率、法向误差变化率；卫星轨道修正信息数据量＝数据头位数+卫星轨道修正详细信息位数*卫星数量；
卫星时钟修正信息详细数据包括卫星ID、钟差系数常数项误差、钟差系数一次项误差、钟差系数二次项误差；卫星时钟修正信息数据量＝数据头位数+卫星时钟修正详细信息位数*卫星数量；
码偏移信息详细数据包括卫星ID、每颗卫星码偏移数量、信号通道标识、码偏移；码偏移信息数据量＝数据头位数+(每颗卫星码偏移数量位数+码偏移*每颗卫星码偏移数量)*卫星数量；
用户测距精度详细数据包括卫星ID和用户测距精度；用户测距精度信息数据量＝数据头位数+用户测距精度*卫星数量；
卫星快速时钟修正信息详细数据包括卫星ID和快速时钟修正；卫星快速时钟修正信息数据量＝数据头位数+卫星快速时钟修正详细信息位数*卫星数量；
(3)北斗天基高精度差分电文的播发内容根据实际需求和数据精度分为两组发播内容，第一组依次包括卫星轨道修正信息、卫星时钟修正信息、码偏移信息、用户测距精度，第二组依次包括卫星轨道修正信息、快速时钟修正信息、码偏移信息、用户测距精度；当时钟修正信息的数据精度和更新间隔满足用户精度需求时，采用第一组内容进行广播；当时钟修正信息的更新间隔不能满足要求时，采用第二组内容进行广播。
2.根据权利要求1所述的北斗天基高精度差分电文生成方法，其特征在于：所述的步骤(3)采用多频点单支路的方式来实现，即在每个播发频点的单个支路上进行数据播发。
3.根据权利要求1所述的北斗天基高精度差分电文生成方法，其特征在于：所述的北斗天基高精度差分电文中，帧由若干子帧组成，每个子帧内容包括同步字、帧编号、子帧编号、卫星标识、健康状况、C1I路调制信息标识、C1Q路调制信息标识、C2I路调制信息标识、C2Q路调制信息标识、CAPST与UTC闰秒差、所需播发的信息类型、CRC校验码。
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