CN105785351B - 一种基于卫星模糊测距的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于卫星模糊测距的方法及系统，首先估算双向传播时延的取值范围，并根据双向传播时延的取值范围来确定入站消息中是否需要携带响应出站分帧号，以及若需要携带响应出站分帧号，其格式和位长；地面控制中心接收到入站消息，并恢复出完整的响应出站分帧号，计算出传播时延的大数和尾数部分。本发明通过预估大数部分取值范围，使入站信号在不携带或仅携带部分响应出站分帧号的情况下也可完成双向测距，从而尽量压缩入站电文长度，减少冗余信息，减少用户设备信号发送时间，达到省电的目的。

Description

一种基于卫星模糊测距的方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，更具体而言，涉及卫星导航系统有源测距的方法和系统。

背景技术

卫星导航系统主要由空间段、地面控制中心和用户段组成，空间段由包含若干颗卫星的卫星星座组成，这些卫星(出站转发器、入站转发器)转发由地面中心站发出的出站信号和用户设备发出的入站信号，具备一定的抗干扰能力。地面控制中心完成用户信号收发测量和信息收发处理，并对整个系统的运行进行管理控制。用户段是指带有卫星消息收发功能的用户设备终端，接收来自地面控制中心的数据业务以及控制消息，并根据自身业务需求以及出站的控制信令发送入站消息，实现定位、定时、短报文通信等功能。

RDSS(Radio Determination Satellite Service,卫星无线电测定业务)系统的测距方法是利用测时达到测距的目的，即通过测量地面控制中心发射询问信号到收到对应的用户设备响应信号所需的空间传播时延ΔT，由此换算得到用户设备经过GEO(Geostationary Earth Obit，地球同步轨道)卫星到中心站的距离d：

收-发时间差ΔT＝地面控制中心接收到用户设备入站信号时间T_Rx–地面控制中心第n帧的发射时间T_Tx

由时间差获知用户经GEO卫星到地面控制中心的距离：

d＝c×ΔT/2

现役北斗RDSS系统的出站信号在时域上划分为超帧和分帧结构，1个超帧持续时间为1分钟，由N个分帧组成，每个分帧持续时间为60/N秒。每个分帧的电文中都携带对应的分帧号，表明本分帧属于所在超帧的哪一分帧，用11比特表示。

在具体计算中，收-发时间差ΔT由两部分组成，大数和尾数部分，其中大数部分是根据入站信号的响应分帧号k和地面控制中心接收到入站信号时对应的出站分帧号m之差而计算出来的，即：

其中T_subframe为出站分帧持续时间，N为1个超帧中包含的出站分帧数目，大数部分的测时分辨率为T_subframe。

尾数部分的时延通过对入站信号的伪码相位进行估计，得到伪码相位为r，伪码频率为f_c，尾数部分的计算值可以写为：

为实现双向测距，用户设备的入站信号电文中需携带响应的出站分帧号k用来计算大数部分。现有的方法在入站信号在不携带或仅携带部分响应出站分帧号的情况下就存在局限性。

发明内容

对于现役北斗RDSS系统，双向测距是通过计算地面控制中心发射询问信号到收到对应的用户设备响应信号所需的空间传播时延，从而得到用户设备经卫星转发器到地面控制中心的距离，因此用户设备的每一次入站信号电文中都会携带11bit响应的出站分帧号，用来指示地面控制中心的出站分帧的发射时间。本发明针对现役RDSS双向测距方法提出一种基于卫星模糊测距的方法及系统，通过预估大数部分取值范围，使入站信号在不携带或仅携带部分响应出站分帧号的情况下也可完成双向测距，从而尽量压缩入站电文长度，减少冗余信息，减少用户设备信号发送时间，达到省电的目的。

本发明的技术方案是：首先估算双向传播时延的取值范围，并根据双向传播时延的取值范围来确定入站消息中是否需要携带响应出站分帧号，以及若需要携带响应出站分帧号，其格式和位长；地面控制中心接收到入站消息，并恢复出完整的响应出站分帧号，计算出传播时延的大数和尾数部分。

具体地，本发明提供一种基于卫星模糊测距的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：用户设备接收出站消息，从出站消息中获知当前的出站分帧号k，用户设备按照接收到出站消息的时刻发送入站消息，并且入站消息按下述方法确定携带的响应出站分帧号的格式和位长；

S101，估算用户设备到卫星的最小传播时延T_min

S102，估算用户设备到卫星的最大传播时延T_max

S103，估算双向测距传播时延的大数部分t_大数对应的取值范围

双向测距时延可表示为：

其中：

其中c为光速，d表示GEO卫星到地面控制中心的距离，L表示用户设备到GEO卫星的距离。

大数部分的取值范围可表示为：

其中T_subframe为出站分帧持续时间，t_d为已知值，t_L的取值范围为步骤S101～S102所得的[T_min，T_max]，因此可得p的取值范围为：

S104，根据双向传播时延的取值范围来确定入站消息中携带的响应出站分帧号的格式和位长。

a.当p_min＝p_max，入站消息中无需携带响应的出站分帧号用来计算传播时延的大数部分；

b.当p_min≠p_max且入站消息中无需携带响应的出站分帧号用来计算传播时延的大数部分；

c.当p_max-p_min≥1，则需根据取值范围来确定入站消息中携带的响应出站分帧号的格式和位长，具体方法如下：

首先计算Δ＝p_max-p_min+1，此为传播时延大数部分的取值个数，用二进制表示该取值个数所需的比特位数为n就是入站消息中携带的出站分帧号位长；为了使地面控制中心可判断出入站消息响应的出站分帧号，入站消息将携带响应出站分帧号的最后(n-1)位以及最高位；

S2：地面控制中心接收到入站消息后，通过信号捕获和跟踪，获得入站信号到达时间对应的出站分帧号m；

S3：若p_min＝p_max，入站消息中不携带响应出站分帧号，双向传播时延的大数部分是一个确定的数值，地面控制中心无需计算响应出站分帧号，进入步骤S5；

若p_min≠p_max且表明入站信号响应的出站分帧号为2个相邻的出站分帧号的其中之一，且两相邻响应出站分帧号对应的尾数部分的取值范围不重叠，因此地面控制中心可通过估算双向传播时延的尾数部分的取值来确定响应的出站分帧号，然后进入步骤S6。

若p_max-p_min≥1，地面控制中心通过对入站信号的电文解调，获得入站消息中的响应出站分帧号k的最高位和最后(n-1)位，并恢复出完整的响应出站分帧号k，方法如下：

首先，地面控制中心根据步骤S2中获得的出站分帧号m，计算出最小的响应出站分帧号k_min以及最大的响应出站分帧号k_max，即：

其中N为1个超帧中包含的出站分帧数目。

若k_min<k_max，表明响应出站分帧号的取值范围在同一超帧内，则将k_min用二进制表示，并将二进制k_min的最后(n-1)位用入站消息携带的响应出站分帧号k的最后(n-1)位来替换，得到响应出站分帧号k’；接着再判断k’是否合理，若k’<k_min，则k’需要加上2ⁿ，若k’≥k_min，则无需其他操作，这样得到的k’就是完整的响应出站分帧号k。

若k_min>k_max，表明响应出站分帧号的取值范围在相邻两个超帧范围内，即k∈[k_min,N]∪[1,k_max]，那么首先判断入站消息携带的响应出站分帧号k的最高位是“0”还是“1”，若是“0”表示响应出站分帧号在[1,k_max]范围内，若是“1”表示响应出站分帧号在[k_min，N]范围内。

若响应出站分帧号在[1,k_max]范围内，那么响应出站分帧号k就是入站消息携带的响应出站分帧号k的最后(n-1)位；

若响应出站分帧号在[k_min，N]范围内，那么首先将k_min用二进制表示，并将二进制k_min的最后(n-1)位用入站消息携带的响应出站分帧号k的最后(n-1)位来替换，得到响应出站分帧号k’；接着再判断k’是否合理，若k’<k_min，则k’需要加上2ⁿ，若k’≥k_min，则无需其他操作，这样得到的k’就是完整的响应出站分帧号k。然后进入S4。

S4：地面控制中心根据步骤S2获得的入站信号到达时间对应的出站分帧号m以及步骤S3获得的响应出站分帧号k，计算传播时延的大数部分：

S5：地面控制中心通过对入站信号的伪码相位进行估计，获得传播时延的尾数部分t_尾数。

其中r为伪码相位，fc为伪码频率。

S6：地面控制中心根据步骤S4～S5的结果，计算用户设备经过卫星到地面控制中心的伪距d^*。

本发明还提供一种基于卫星模糊测距的系统，包括用户设备和地面控制中心，所述用户设备根据接收信号时刻发送入站消息，并根据传播时延的取值范围确定入站消息中是否携带响应出站分帧号，以及响应出站分帧号的位长和格式；所述地面控制中心根据入站消息恢复出完整的响应出站分帧号，并计算双向时延的大数和尾数部分；

所述用户设备包括入站信号捕获以及电文解析单元、传播时延大数部分计算单元、传播时延尾数部分计算单元和伪距计算单元，所述入站信号捕获以及电文解析单元用于入站信号的捕获以及入站信号电文解析；传播时延大数部分计算单元用于确定响应出站分帧号；传播时延尾数部分计算单元用于确定传播时延的尾数部分；伪距计算单元用于根据传播时延的大数和尾数部分，计算用户设备和地面控制中心间的伪距。

本发明的有益效果是：通过改进的有源测距方法，在不降低测距精度的前提下，压缩入站电文长度，减少冗余信息，达到用户设备省电的目的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于卫星模糊测距的方法的工作流程示意图；

图2是本发明实施例提供的确定入站消息中响应出站分帧号格式和位长的流程示意图

图3是本发明实施例提供的地面控制中心的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种基于卫星模糊测距的系统的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明：

参照附图3和4，本发明提供一种基于卫星模糊测距的系统，包括用户设备和地面控制中心，所述用户设备根据接收信号时刻发送入站消息，并根据传播时延的取值范围确定入站消息中是否携带响应出站分帧号，以及响应出站分帧号的位长和格式；所述地面控制中心根据入站消息恢复出完整的响应出站分帧号，并计算双向时延的大数和尾数部分；

所述用户设备包括入站信号捕获以及电文解析单元、传播时延大数部分计算单元、传播时延尾数部分计算单元和伪距计算单元，所述入站信号捕获以及电文解析单元用于入站信号的捕获以及入站信号电文解析；传播时延大数部分计算单元用于确定响应出站分帧号；传播时延尾数部分计算单元用于确定传播时延的尾数部分；伪距计算单元用于根据传播时延的大数和尾数部分，计算用户设备和地面控制中心间的伪距。

图1是本发明一种基于卫星模糊测距的方法的工作流程示意图，包括以下步骤：

步骤101：用户设备接收出站消息，从出站消息中获知当前的出站分帧号k，用户设备按照接收到出站消息的时刻发送入站消息，并且入站消息按下述方法确定携带的响应出站分帧号的格式和位长；

进一步地，确定入站消息携带的响应出站分帧号的格式和位长的流程图如图2所示，包括以下步骤：

首先，估算用户设备到卫星的最小传播时延T_min。以GEO卫星为例，由于GEO卫星处在赤道平面上，高度h为35800公里，因此用户设备到GEO卫星的最小传播时延为：

其中c为光速。

然后，估算用户设备到卫星的最大传播时延T_max。以GEO卫星为例，根据卫星和用户设备的几何位置，最大传播时延为：

接着估算双向测距传播时延的大数部分t_大数对应的取值范围。双向测距时延可表示为：

其中d表示GEO卫星到地面控制中心的距离，在GEO卫星和地面控制中心的位置已知时为确定值；L表示用户设备到GEO卫星的距离，为待定值。

大数部分的取值范围可表示为：

其中t_d为已知值，t_L的取值范围为步骤101～102所得的[T_min，T_max]，因此可得p的取值范围为：

举例说明，以GEO卫星为例，假设T_subframe＝50ms，t_d＝125ms，那么：

[p_min,p_max]＝[9,10]

最后根据双向传播时延的取值范围来确定入站消息中携带的响应出站分帧号的格式和位长。

当p_min＝p_max，表明无论用户设备的位置在哪里，信号双向传播时延的大数部分都是一样的，因此入站消息中无需携带响应的出站分帧号用来计算传播时延的大数部分；

当p_min≠p_max且表明入站信号响应的出站分帧号为2个相邻的出站分帧号其中之一，具体是哪个可以由双向传播时延的尾数部分的取值来确定，因此入站消息中无需携带响应的出站分帧号。

当p_max-p_min≥1，则需根据取值范围来确定入站消息中携带的响应出站分帧号的格式和位长。具体方法如下：

首先计算Δ＝p_max-p_min+1，此为传播时延大数部分的取值个数，用二进制表示该取值个数所需的比特位数为n即是入站消息中携带的出站分帧号位长；为了使地面控制中心可判断出入站消息响应的出站分帧号，入站消息将中携带响应出站分帧号的最后(n-1)位以及最高位。

举例说明，若Δ＝3，则那么入站消息中将携带3bit响应的出站分帧号，包含响应出站分帧号的末尾2位和最高位，比如响应出站分帧号为278，对应二进制表示为100010110，那么携带的响应出站分帧号为最后2位“10”和最高位“1”。

步骤102：地面控制中心接收到入站消息后，通过信号捕获和跟踪，获得入站信号到达时间对应的出站分帧号m；

步骤103：若p_min＝p_max，入站消息中不携带响应出站分帧号，即双向传播时延的大数部分是一个确定的数值，地面控制中心无需计算响应出站分帧号，进入步骤105；

若p_min≠p_max且表明入站信号响应的出站分帧号为2个相邻的出站分帧号的其中之一，且两相邻响应出站分帧号对应的尾数部分的取值范围不重叠，因此地面控制中心可通过估算双向传播时延的尾数部分的取值来确定响应的出站分帧号。举例说明，以GEO卫星为例，假设T_subframe＝50ms，t_d＝125ms，那么以T_subframe为单位，双向时延的取值范围为：

地面控制中心通过对入站信号的伪码相位进行估计，若尾数部分取值范围为[0.76，1]，则表明大数部分为9；若尾数部分取值范围为[0，0.56]，则表明大数部分为10。然后进入步骤106。

若p_max-p_min≥1，地面控制中心通过对入站信号的电文解调，若获得入站消息中的响应出站分帧号k的最高位和最后(n-1)位，并恢复出完整的响应出站分帧号k。方法如下：

首先，地面控制中心根据步骤102中获得的出站分帧号m，计算出最小的响应出站分帧号k_min以及最大的响应出站分帧号k_max，即：

其中N为1个超帧中包含的出站分帧数目。

若k_min<k_max，表明响应出站分帧号的取值范围在同一超帧内，则将k_min用二进制表示，并将二进制k_min的最后(n-1)位用入站消息携带的响应出站分帧号k的最后(n-1)位来替换，得到响应出站分帧号k’；接着再判断k’是否合理，若k’<k_min，则k’需要加上2ⁿ，若k’≥k_min，则无需其他操作，这样得到的k’就是完整的响应出站分帧号k。

若k_min>k_max，表明响应出站分帧号的取值范围在相邻两个超帧范围内，即k∈[k_min,N]∪[1,k_max]，那么首先判断入站消息携带的响应出站分帧号k的最高位是“0”还是“1”，若是“0”表示响应出站分帧号在[1,k_max]范围内，若是“1”表示响应出站分帧号在[k_min，N]范围内。

若响应出站分帧号在[1,k_max]范围内，那么响应出站分帧号k就是入站消息携带的响应出站分帧号k的最后(n-1)位；

若响应出站分帧号在[k_min，N]范围内，那么首先将k_min用二进制表示，并将二进制k_min的最后(n-1)位用入站消息携带的响应出站分帧号k的最后(n-1)位来替换，得到响应出站分帧号k’；接着再判断k’是否合理，若k’<k_min，则k’需要加上2ⁿ，若k’≥k_min，则无需其他操作，这样得到的k’就是完整的响应出站分帧号k。然后进入步骤104。

步骤104：地面控制中心根据步骤102获得的入站信号到达时间对应的出站分帧号m，以及步骤103获得的响应出站分帧号k，计算传播时延的大数部分：

步骤105：地面控制中心通过对入站信号的伪码相位进行估计，获得传播时延的尾数部分。

步骤106：地面控制中心根据步骤104～105的结果，计算用户设备到地面控制中心的伪距。

本领域普通技术人员可以理解，上述各实施例中的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来实现，上述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，上述的存储介质可以是ROM/RAM，磁盘，光盘等。

Claims (3)

1.一种基于卫星模糊测距的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：用户设备接收出站消息，从出站消息中获知当前的出站分帧号k，用户设备按照接收到出站消息的时刻发送入站消息，所述入站消息按以下方法确定携带的响应出站分帧号的格式和位长：

S101，估算用户设备到卫星的最小传播时延T_min

S102，估算用户设备到卫星的最大传播时延T_max

S103，估算双向测距传播时延的大数部分t_大数对应的取值范围

双向测距时延可表示为：

其中，

<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>d</mi> <mi>c</mi> </mfrac> </mrow>

<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>L</mi> <mi>c</mi> </mfrac> </mrow>

其中c为光速，d表示GEO卫星到地面控制中心的距离，L表示用户设备到GEO卫星的距离；

大数部分的取值范围可表示为：

其中T_subframe为出站分帧持续时间，t_d为已知值，t_L的取值范围为步骤S101～S102所得的[T_min，T_max]，因此可得p的取值范围为：

S104，根据双向传播时延的取值范围来确定入站消息中携带的响应出站分帧号的格式和位长；

a.当p_min＝p_max，入站消息中无需携带响应的出站分帧号用来计算传播时延的大数部分；

b.当p_min≠p_max且入站消息中无需携带响应的出站分帧号用来计算传播时延的大数部分；

c.当p_max-p_min≥1，则需根据取值范围来确定入站消息中携带的响应出站分帧号的格式和位长，具体方法如下：

首先计算Δ＝p_max-p_min+1，此为传播时延大数部分的取值个数，用二进制表示该取值个数所需的比特位数为n就是入站消息中携带的出站分帧号位长；为了使地面控制中心可判断出入站消息响应的出站分帧号，入站消息将携带响应出站分帧号的最后(n-1)位以及最高位；

S2：地面控制中心接收到入站消息后，通过信号捕获和跟踪，获得入站信号到达时间对应的出站分帧号m；

S3：若p_min＝p_max，入站消息中不携带响应出站分帧号，双向传播时延的大数部分是一个确定的数值，地面控制中心无需计算响应出站分帧号，进入步骤S5；

若p_min≠p_max且表明入站信号响应的出站分帧号为2个相邻的出站分帧号的其中之一，且两相邻响应出站分帧号对应的尾数部分的取值范围不重叠，因此地面控制中心可通过估算双向传播时延的尾数部分的取值来确定响应的出站分帧号，然后进入步骤S6；

若p_max-p_min≥1，地面控制中心通过对入站信号的电文解调，获得入站信号中的响应出站分帧号k的最高位和最后(n-1)位，并恢复出完整的响应出站分帧号k；然后进入步骤S4；

S4：地面控制中心根据步骤S2获得的入站信号到达时间对应的出站分帧号m以及步骤S3获得的响应出站分帧号k，计算传播时延的大数部分：

其中，N为1个超帧中包含的出站分帧数目；

S5：地面控制中心通过对入站信号的伪码相位进行估计，获得传播时延的尾数部分t_尾数；其中r为伪码相位，fc为伪码频率；

S6：地面控制中心根据步骤S4～S5的结果，计算用户设备经卫星到地面控制中心的伪距d^*。

2.根据权利要求1所述的基于卫星模糊测距的方法，其特征在于，步骤S3中若p_max-p_min≥1，地面控制中心通过对入站信号的电文解调，获得入站信号中的响应出站分帧号k的最高位和最后(n-1)位，并恢复出完整的响应出站分帧号k，其具体方法如下：

首先，地面控制中心根据步骤S2中获得的出站分帧号m，计算出最小的响应出站分帧号k_min以及最大的响应出站分帧号k_max，即：

其中N为1个超帧中包含的出站分帧数目；

若k_min<k_max，表明响应出站分帧号的取值范围在同一超帧内，则将k_min用二进制表示，并将二进制k_min的最后(n-1)位用入站消息携带的响应出站分帧号k的最后(n-1)位来替换，得到响应出站分帧号k’；接着再判断k’是否合理，若k’<k_min，则k’需要加上2ⁿ，若k’≥k_min，则k’就是完整的响应出站分帧号k；

若k_min>k_max，表明响应出站分帧号的取值范围在相邻两个超帧范围内，即k∈[k_min,N]∪[1,k_max]，那么首先判断入站消息携带的响应出站分帧号k的最高位是“0”还是“1”，若是“0”表示响应出站分帧号在[1,k_max]范围内，若是“1”表示响应出站分帧号在[k_min，N]范围内；

若响应出站分帧号在[1,k_max]范围内，那么响应出站分帧号k就是入站消息携带的响应出站分帧号k的最后(n-1)位；

若响应出站分帧号在[k_min，N]范围内，那么首先将k_min用二进制表示，并将二进制k_min的最后(n-1)位用入站消息携带的响应出站分帧号k的最后(n-1)位来替换，得到响应出站分帧号k’；接着再判断k’是否合理，若k’<k_min，则k’需要加上2ⁿ；若k’≥k_min，则k’就是完整的响应出站分帧号k。

3.一种基于卫星模糊测距的系统，包括用户设备和地面控制中心，其特征在于：所述用户设备根据接收信号时刻发送入站消息，并根据传播时延的取值范围确定入站消息中是否携带响应出站分帧号，以及响应出站分帧号的位长和格式；所述地面控制中心根据入站消息恢复出完整的响应出站分帧号，并计算双向时延的大数和尾数部分；

所述用户设备包括入站信号捕获以及电文解析单元、传播时延大数部分计算单元、传播时延尾数部分计算单元和伪距计算单元，所述入站信号捕获以及电文解析单元用于入站信号的捕获以及入站信号电文解析；传播时延大数部分计算单元用于确定响应出站分帧号；传播时延尾数部分计算单元用于确定传播时延的尾数部分；伪距计算单元用于根据传播时延的大数和尾数部分，计算用户设备和地面控制中心间的伪距。