CN106443739A - 辅助增强导航方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种辅助增强导航方法及装置，所述方法包括：接收GNSS卫星信号，并依据所述GNSS卫星信号对自身进行定位，得到低轨卫星自身的原始PVT数据；其中，所述GNSS卫星信号包括GNSS卫星导航电文，所述原始PVT数据包括原始位置、原始速度和原始时间；采用轨道精密化算法对所述原始PVT数据进行精密化，以获得精密化PVT数据；对所述精密化PVT数据和所述GNSS卫星导航电文进行处理，以生成导航辅助增强电文信号；广播包含所述导航辅助增强电文信号的低轨卫星信号，用于地面终端的导航。本发明提供的辅助增强导航方法及装置提高了导航的精准度。

Description

辅助增强导航方法及设备
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及辅助增强导航方法及设备。
背景技术
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)，特别是包括美国全球定位系统(Global Positioning System,GPS)，俄罗斯全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System,GLONASS)，欧洲伽利略系统(Galileo)和中国北斗(Compass,BDS)在内的四大核心导航系统，是各类无线电定位技术的基础。GNSS可为用户提供全球范围内全天候的导航定位服务，其应用前景十分广阔。然而，随着其导航定位技术的进步和应用领域的扩展，一些特殊场合对其定位精度、抗干扰遮挡能力、响应速度、灵敏度等方面提出了更高标准的使用需求，如城市、室内、森林、矿区等等各种复杂环境中，传统GPS/BDS导航信号会受到严重的干扰和遮挡，甚至可能导致不可用的情况。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种辅助增强导航方法及设备，来提高特殊场合的定位精度。
一种辅助增强导航方法，包括以下步骤：
接收GNSS卫星信号，并依据所述GNSS卫星信号对自身进行定位，得到低轨卫星自身的原始PVT数据；其中，所述GNSS卫星信号包括GNSS卫星导航电文，所述原始PVT数据包括原始位置、原始速度和原始时间；
采用轨道精密化算法对所述原始PVT数据进行精密化，以获得精密化PVT数据；
对所述精密化PVT数据和所述GNSS卫星导航电文进行处理，以生成导航辅助增强电文信号；
广播包含所述导航辅助增强电文信号的低轨卫星信号，用于地面终端的导航。
在其中一个实施例中，所述采用轨道精密化算法对所述原始PVT数据进行精密化，以获得精密化PVT数据的步骤具体包括：
预设初始化历元数，并将当前历元数与所述初始化历元数比较；
若所述当前历元数小于初始化历元数，则不对当前历元的PVT数据进行精密化处理；
若所述当前历元数大于初始化历元数，则根据所述初始化历元数对应的原始低轨卫星状态观测值，与按照给定星历模型确定的低轨卫星轨道对应的过去所述初始化历元数对应的低轨卫星状态的估计值，建立线性化方程；
采用最小二乘迭代法求解该线性化方程，重复迭代过程直到满足迭代收敛条件。
在其中一个实施例中，所述采用最小二乘迭代法求解该线性化方程的过程，重复迭代过程直到满足迭代收敛条件的步骤具体包括：
求迭代初始值；
根据星历参数计算各历元低轨卫星状态估计值；
计算所述各历元低轨卫星状态估计值对各星历参数的偏导数；
采用最小二乘法计算所述各星历参数修正值并对各星历参数进行修正；
验证是否满足迭代收敛条件，如不满足则返回根据星历参数计算各历元低轨卫星状态估计值的步骤，如满足则输出本次迭代过程的精密化结果。
在其中一个实施例中，所述导航辅助增强电文信号包括当前电文对应的精确参考时间、精密化后的低轨卫星三轴位置和精密化后的低轨卫星三轴速度。
一种辅助增强导航方法，包括以下步骤：
接收低轨卫星广播的包含导航辅助增强电文信号的低轨卫星信号，所述低轨卫星信号还包括低轨卫星载波相位、低轨卫星测距码、低轨导航电文；其中，所述导航辅助增强电文信号由所述低轨卫星通过采用轨道精密化算法对原始PVT数据进行精密化，以获得精密化PVT数据；对所述精密化PVT数据和GNSS卫星导航电文进行处理生成，所述导航辅助增强电文信号包括当前电文对应的精确参考时间、精密化后的低轨卫星三轴位置和精密化后的低轨卫星三轴速度；
根据所述低轨卫星载波相位、低轨卫星测距码和低轨导航电文和所述导航辅助增强电文信号，完成终端粗略初始位置的确定；
根据所述终端粗略初始位置和从所述低轨卫星接收到的GNSS卫星信息，计算各颗GNSS卫星信号的频率和码相位捕获范围信息，完成导航定位。
在其中一个实施例中，所述根据所述低轨卫星载波相位、低轨卫星测距码和低轨导航电文和所述导航辅助增强电文信号，完成终端粗略初始位置的确定的步骤具体包括：
记录过去Nd(Nd≥4)个历元的低轨卫星信号多普勒频率计数值并转换成低轨道卫星到用户距离的变化率信息；
对每个历元的所述变化率列出方程并进行泰勒展开，完成线性化并获得线性化方程；
将各历元的线性化方程合成方程组；以及
采用最小二乘法求解所述方程组，得到所述终端粗略初始位置。
在其中一个实施例中，所述根据所述终端粗略初始位置和从所述低轨卫星接收到的GNSS卫星信息，计算各颗GNSS卫星信号的频率和码相位捕获范围信息，完成导航定位的步骤具体包括：
根据导航辅助增强电文中的各颗GNSS卫星电文推出当前历元各颗GNSS卫星的位置、速度；
根据所述终端粗略初始位置以及各GNSS卫星位置、速度估算各GNSS卫星信号的多普勒频移，缩小捕获GNSS卫星时所需搜索的频率范围；
根据导航辅助增强电文中的精确时间信息、自身粗略初始位置速度以及各颗GNSS卫星位置速度估算各GNSS卫星信号的码相位，缩小捕获GNSS卫星时所需搜索的码相位范围；以及
采用上述缩小后的频率和码相位搜索范围进行各GNSS卫星信号的捕获，并完成各GNSS卫星信号的跟踪和终端精确位置的解。
一种辅助增强导航设备，其特征在于，包括如下单元：
信号接收及初始位置估算模块，用于接收GNSS卫星信号，并依据所述GNSS卫星信号对自身进行定位，得到低轨卫星自身的原始PVT数据；其中，所述GNSS卫星信号包括GNSS卫星导航电文，所述原始PVT数据包括原始位置、原始速度和原始时间；
精密化模块，用于采用轨道精密化算法对所述原始PVT数据进行精密化，以获得精密化PVT数据；
导航辅助增强电文信号生成模块，用于对所述精密化PVT数据和所述GNSS卫星导航电文进行处理，以生成导航辅助增强电文信号；
广播模块，用于广播包含所述导航辅助增强电文信号的低轨卫星信号，用于地面终端的导航。
在其中一个实施例中，所述精密化模块用于：预设初始化历元数，并将当前历元数与所述初始化历元数比较；若所述当前历元数小于初始化历元数，则不对当前历元的PVT数据进行精密化处理；若所述当前历元数大于初始化历元数，则根据所述初始化历元数对应的原始低轨卫星状态观测值与按照给定星历模型确定的低轨卫星轨道对应的过去所述初始化历元数对应的低轨卫星状态的估计值建立线性化方程；采用最小二乘迭代法求解该线性化方程，重复迭代过程直到满足迭代收敛条件。
在其中一个实施例中，所述精密化模块用于：求迭代初始值；根据星历参数计算各历元低轨卫星状态估计值；计算所述各历元低轨卫星状态估计值对各星历参数的偏导数；采用最小二乘法计算所述各星历参数修正值并对各星历参数进行修正；验证是否满足迭代收敛条件，如不满足则返回根据星历参数计算各历元低轨卫星状态估计值的步骤，如满足则输出本次迭代过程的精密化结果。
一种辅助增强导航设备，其特征在于，包括如下单元：
接收模块，用于接收低轨卫星广播的包含导航辅助增强电文信号的低轨卫星信号，所述低轨卫星信号还包括低轨卫星载波相位、低轨卫星测距码、低轨导航电文；其中，所述导航辅助增强电文信号由所述低轨卫星通过采用轨道精密化算法对原始PVT数据进行精密化，以获得精密化PVT数据；对所述精密化PVT数据和GNSS卫星导航电文进行处理生成，所述导航辅助增强电文信号包括当前电文对应的精确参考时间、精密化后的低轨卫星三轴位置和精密化后的低轨卫星三轴速度；
初始位置确定模块，根据所述低轨卫星载波相位、低轨卫星测距码和低轨导航电文和所述导航辅助增强电文信号，完成终端粗略初始位置的确定；
GNSS捕获跟踪和定位解算模块，用于根据所述终端粗略初始位置和从所述低轨卫星接收到的GNSS卫星信息，计算各颗GNSS卫星信号的频率和码相位捕获范围信息，完成导航定位。
在其中一个实施例中，所述初始位置确定模块用于：记录过去Nd(Nd≥4)个历元的低轨卫星信号多普勒频率计数值并转换成低轨道卫星到用户距离的变化率信息；对每个历元的所述变化率列出方程并进行泰勒展开，完成线性化并获得线性化方程；将各历元的线性化方程合成方程组；采用最小二乘法求解所述方程组，得到所述终端粗略初始位置。
在其中一个实施例中，所述GNSS捕获跟踪和定位解算模块用于：根据导航辅助增强电文中的各颗GNSS卫星电文推出当前历元各颗GNSS卫星的位置、速度；根据所述终端粗略初始位置以及各GNSS卫星位置、速度估算各GNSS卫星信号的多普勒频移，缩小捕获GNSS卫星时所需搜索的频率范围；根据导航辅助增强电文中的精确时间信息、自身粗略初始位置速度以及各颗GNSS卫星位置速度估算各GNSS卫星信号的码相位，缩小捕获GNSS卫星时所需搜索的码相位范围；采用上述缩小后的频率和码相位搜索范围进行各GNSS卫星信号的捕获，并完成各GNSS卫星信号的跟踪和终端精确位置的解。
本发明提出的低轨卫星导航辅助方法与系统，其优势在于：由于低轨卫星距离地面较GNSS卫星更近，信号强度大，抗干扰和遮挡能力强，并且不依赖于传统移动通信网络；当GNSS系统受到干扰和遮挡时通过低轨卫星提供辅助增强信息，可提高接收机灵敏度；同时低轨卫星仰角变化快，因此在极端情况下，GNSS系统不可用时，可以采用多普勒方式对用户进行定位，从而保证了用户导航定位的实现。
附图说明
图1本发明的低轨卫星导航辅助增强系统基本组成框图；
图2本发明一个实施例提供的辅助增强导航方法流程图；
图3为辅助增强电文格式定义；
图4为本发明另外实施例提供的辅助增强导航方法的流程图；
图5为本发明一个实施例中辅助增强导航信号发射设备的结构框图；
图6为本发明一个实施例中辅助增强导航终端接收设备的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述，参照附图。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
图1是本发明的低轨卫星导航辅助增强系统基本组成框图。如图1所示，根据本发明的低轨卫星导航辅助增强系统包括GNSS卫星、低轨卫星和用户终端。低轨卫星用于接收GNSS卫星广播信号，经过计算处理生成导航辅助增强电文信号并向地面用户终端广播。当用户受到遮挡无法直接获取该GNSS卫星的全部信号进行定位时，则可利用该低轨卫星发射的导航辅助增强电文信号完成对该GNSS卫星信号的捕获，并完成定位过程。
请参见图2，本发明一个实施例提供一种辅助增强导航方法，主要应用于图1中的低轨卫星导航辅助增强系统，该方法具体包括以下步骤：
B100、接收GNSS卫星信号，并依据所述GNSS卫星信号对自身进行定位，得到低轨卫星自身的原始PVT(Position,Velocity and Time,PVT)数据；其中，所述GNSS卫星信号包括GNSS卫星导航电文，所述原始PVT数据包括原始位置、原始速度和原始时间；
B200、采用轨道精密化算法对所述原始PVT数据进行精密化，以获得精密化PVT数据；
B300、对所述精密化PVT数据和所述GNSS卫星导航电文进行处理，以生成导航辅助增强电文信号；以及
B400、广播包含所述导航辅助增强电文信号的低轨卫星信号，用于地面终端的导航。
步骤B100中，所述GNSS卫星信号包括GNSS卫星载波信号、GNSS卫星测距码和GNSS卫星数据码。其中数据码又称为导航电文，包括卫星星历、钟差、电离层延迟改正参数、历书数据或时间同步参数中的一种或多种。所述低轨卫星对自身进行定位的方法不限制，可以采用迭代最小二乘法或卡尔曼滤波法。将时间以“历元”为单位进行分割，定义当前历元数为k，则所述原始PVT数据包括地心地固坐标系下的原始三轴位置坐标以及原始三轴速度
步骤B200中，采用轨道精密算法对所述原始PVT数据进行精密化的步骤包括以下步骤：
B210、预设初始化历元数，并将当前历元数与所述初始化历元数比较。
步骤B210中，先定义Ni为预设的初始化历元数，为精密化后的三轴位置，为精密化后的三轴速度，为原始低轨卫星状态，为精密化后的低轨卫星状态。
B220、若所述当前历元数小于初始化历元数，则不对当前历元的PVT数据进行精密化处理。
步骤B220中，当前历元数小于给定的初始化历元数(即k<Ni)时，当前历元精密化后的PVT数据与精密化前的PVT数据相同(即即当已经历的历元数未达到给定的初始化历元数时，不对当前历元的PVT数据进行精密化处理；
B230、若所述当前历元数大于初始化历元数，则根据所述初始化历元数对应的原始低轨卫星状态观测值与按照给定星历模型确定的低轨卫星轨道对应的过去所述初始化历元数对应的低轨卫星状态的估计值建立线性化方程。
若所述当前历元数大于初始化历元数，所述当前历元精密化后的三轴位置速度数据需满足如下约束方程：
其中
为过去Ni个历元的原始低轨卫星状态观测值，而
表示按照给定星历模型确定的低轨卫星轨道对应的过去Ni个历元的低轨卫星状态的估计值，将开普勒六根数作为该星历模型时，根据泰勒展开原理，和X满足如下线性化方程：
B240、采用最小二乘迭代法求解该线性化方程，重复迭代过程直到满足迭代收敛条件。
该步骤中，进行精密化的过程相当于采用最小二乘迭代法求解该线性化方程的过程，重复迭代过程直到满足迭代收敛条件。
在一个实施例中，所述步骤B240具体包括以下步骤：
B241、求迭代初始值；
B242、根据星历参数计算各历元低轨卫星状态估计值；
B243、计算所述各历元低轨卫星状态估计值对各星历参数的偏导数；
B244、采用最小二乘法计算所述各星历参数修正值并对各星历参数进行修正；以及
B245、验证是否满足迭代收敛条件，如果不满足则返回步骤B232，如果满足则输出本次迭代过程的精密化结果。
步骤B241中，按如下公式求解迭代初始值：
定义为低轨卫星到地心的距离，则由能量方程计算轨道半长轴a：
其中GM＝3.986005×1014m3/s2为万有引力常数与地球质量乘积。
定义为轨道平面法向量，则由角动量公式计算轨道偏心率e：
定义轨道平面单位法向量计算轨道倾角i0：
i0＝arccos(Nz)
构造单位向量计算当前历元升交点赤经Ω'0：
并求周内时为0时的升交点赤经Ω0：
Ω0＝Ω'0+ωe·tk
其中ωe＝7.292115e-5rad/s为地球自转角速度，tk为当前第k历元对应的周内时。
由轨道极坐标方程求真近点角v，导出偏近点角E，进而得到平近点角M0：
M0＝E-esinE
最后由升交点角距u导出近地点角距ω：
ω＝u-v
至此完成了开普勒六根数[a e i Ωk Mk ω]的求解。
步骤B242中，按如下公式根据星历参数计算各历元低轨卫星状态估计值：
对第i(k-Ni+1<i<k)历元，定义Δti＝ti-tk，为平均角速度，则第i历元平近点角为：Mi＝Mk+n·Δti。
由于平近点角与偏近点角存在迭代关系，故可按以下两式迭代求解第i历元偏近点角Ei：
从而可求第i历元真近点角及升交点角距：
ui＝vi+ω
在轨道平面内建立极坐标系，极径长度为：
ri＝a(1-ecosEi)
轨道平面内卫星坐标为：
第i历元升交点赤经：
Ωi＝Ωk-ωe·ti
最终可求得ECEF坐标系下低轨卫星三轴位置：
对于低轨卫星三轴速度，有：
首先求平近点角导数：
则有：
最终可计算卫星三轴速度：
令历元数i取值从k-Ni+1到k，即可求解各过去历元的卫星状态估计值。
步骤B243中，按如下公式计算各历元卫星状态估计值对各星历参数的偏导数：
步骤B245中，计算残差向量，判断是否满足迭代收敛条件，若满足，则最后一次迭代过程中第k历元的低轨卫星状态估计值即为精密化结果若否则返回步骤222)，进行下一次迭代过程。
所述迭代收敛条件为：
|σ-σlast|/σlast<ε
其中σ表示残差向量模值σlast表示上次迭代过程的σ值，ε是预先设定的大于0的小量。
所述步骤B300中，所述导航辅助增强电文信号包括：当前电文对应的精确参考时间(精确到<μs级)，精密化后的低轨卫星三轴位置(精确到m级)和三轴速度(精确到cm/s级)。
所述导航辅助增强电文按帧传送，每帧共10个字，每个字30bit，即每个帧共30bit。其中每个字分为两个子字，每个子字15bit，是11bit有效数据采用BCH[15,11,1]编码方法进行编码后形成的15bit数据。
字0包括如下内容：11bit帧同步头，9bit奇偶校验位，1bit帧ID，6bit卫星PRN号，以及GPS周的前3bit；
字1包括如下内容：GPS周的后10bit，GPS周内秒的前12bit；
字2包括如下内容：GPS周内秒的后8bit，卫星位置X轴坐标的前14bit；
字3包括如下内容：卫星位置X轴坐标的后18bit，卫星位置Y轴坐标的前4bit；
字4包括如下内容：卫星位置Y轴坐标的第27至6bit；
字5包括如下内容：卫星位置Y轴坐标的后6bit，卫星位置Z轴坐标的前16bit；
字6包括如下内容：卫星位置Z轴坐标的后16bit，卫星X轴方向速度的前6bit；
字7包括如下内容：卫星X轴方向速度的后18bit，卫星Y轴方向速度的前4bit；
字8包括如下内容：卫星Y轴方向速度的后20bit，卫星Z轴方向速度的前2bit；
字9包括如下内容：卫星Z轴方向速度的后22bit。
若播发GNSS卫星位置速度信息进行辅助，所述辅助增强电文格式定义如图5所示。上述数据中，先接收到的为高位，每帧数据共300bits。其中，Parity每一位对应当前Frame的W1～W9每个字的偶校验；Preamble为“11100010010”；ID表示当前帧内容的类别，当ID为0时表示当前帧播发的是低轨卫星状态信息，当ID为1时表示当前帧播发的是GNSS卫星数据；PRN为低轨卫星或GNSS卫星编号；WN是GPS周计数的高3位；Word W1～W9采用BCH[15，11，1]编码，每一个Word包含2个码字。每一个码字的高11位为有效数据，低4位为BCH校验值。
W1～W9的数据连续起来构成如下组合：
其中WN部分为GPS周计数的低10位，SoW为GPS周内时间(精确到<μs)，POSX、POSY、POSZ为低轨卫星或GNSS卫星三轴位置，VELX、VELY、VEL Z为低轨卫星或GNSS卫星三轴速度，每个参数下面的数字表示该参数所用比特数。W1～W9的有效数据内容具体分布如表1所示：
表1码字有效数据分布
Wx SubWord1data SubWord0data
W1 WN[9:0],SoW[19] SoW[18:8]
W2 {SoW[7:0],POSX[31:29]} POSX[28:18]
W3 POSX[17:7] {POSX[6:0],POSY[31:28]}
W4 POSY[27:17] POSY[16:6]
W5 {POSY[5:0],POSZ[31:27]} POSZ[26:16]
W6 POSZ[15:5] {POSZ[4:0],VELX[23:18]}
W7 VELX[17:7] {VELYX[6:0],VELY[23:20]}
W8 VELY[19:9] {VELY[8:0],VELZ[23:22]}
W9 VELZ[21:11] VELZ[10:0]
当发射数据率为50bps时，30s可发送5帧电文，每帧电文可发送一颗卫星的状态信息。因此除去低轨卫星本身，还可发送4颗GNSS卫星的状态信息。若发射数据率为100bps，则30s可发送10帧电文，因而最多可发送9颗GNSS卫星的状态信息作为辅助。
当可见GNSS卫星数超过最大可播发的数量时，低轨卫星优先选取仰角较高的进行发送。本发明所述低轨卫星辅助增强方法主要应用于不存在地面移动通信网络的丛林等环境，此时仰角较高的GNSS卫星信号质量更高，因此优先进行选择。
所述BCH[15,11,1]编码为一种循环码，编码方法与北斗ICD2.0定义相同，BCH校验值占4位，可纠正1位错误。
步骤B400中，所述低轨卫星向地面用户广播导航辅助增强电文信号的频点为70MHz到6GHz可配置。
请参见图4，本发明的实施例提供一种辅助增强导航方法，主要应用于图1中的低轨卫星导航辅助增强系统，具体包括以下步骤：
步骤A100、接收低轨卫星广播的包含导航辅助增强电文信号的低轨卫星信号，所述低轨卫星信号还包括载低轨卫星波相位、低轨卫星测距码、低轨导航电文。
所述低轨卫星信号包括低轨卫星本身的原始PVT数据。所述低轨导航电文包括卫星星历、钟差、电离层延迟改正参数、历书数据、时间同步参数。所述导航辅助增强电文信号为将精密化PVT数据和各颗GNSS卫星的卫星导航电文处理生成。
所述精密化PVT数据由低轨卫星通过图1中的方法实现。
所述导航辅助增强电文信号包括以下几种信息：当前导航电文对应的精确参考时间(精确到<μs级)，精密化后的低轨卫星三轴位置(精确到m级)和三轴速度(精确到cm/s级)，以及低轨卫星接收到的各颗GNSS卫星电文。
步骤A200、根据所述低轨卫星载波相位、低轨卫星测距码和低轨导航电文和所述导航辅助增强电文信号，完成终端粗略初始位置的确定。
该步骤A200中，用户终端采用单星或多星多普勒方式进行粗略定位，来完成初始位置的确定。
具体地，在一个实施例中，所述单星多普勒定位的具体步骤如下：
A210、记录过去Nd(Nd≥4)个历元的低轨卫星信号多普勒频率计数值并转换成低轨道卫星到用户距离的变化率信息；
A220、对每个历元的所述变化率列出方程并进行泰勒展开，完成线性化并获得线性化方程；
A230、将各历元的线性化方程合成方程组；以及
A240、采用最小二乘法求解所述方程组，得到终端的粗略初始位置。
步骤A210中，所述多普勒频率计数反映了载波相位变化信息，即反映了伪距变化率，因此相当于记录了过去Nd个历元由低轨卫星到地面用户的伪距变化率，表示为：
步骤A220中，对于每个i(k-Nd+1≤i≤k)，有：
其中表示低轨卫星与地面用户终端间的距离，Xu＝[Xu Yu Zu]T表示地面用户三轴位置坐标。由于地面用户终端移动速度相对于卫星运动速度而言很小，因此在精度要求不高的粗略定位中，忽略地面用户终端速度的影响。
将上述方程进行泰勒展开，即分别在用户位置的估计值处对上述方程求导，并省略高阶小项完成线性化，可得：
步骤A230中，对于Nd个历元的伪距变化率观测值，可由Nd个方程形成如下方程组：
步骤A240采用最小二乘法对上述公式求解从而得到终端的粗略初始位置
步骤A300、根据所述终端粗略初始位置和从所述低轨卫星接收到的GNSS卫星信息，计算各颗GNSS卫星信号的频率和码相位捕获范围信息，完成导航定位。
具体地，所述步骤A300包括以下步骤：
步骤A310、根据导航辅助增强电文中的各颗GNSS卫星电文推出当前历元各颗GNSS卫星的位置、速度；
步骤A320、根据自身粗略初始位置以及各GNSS卫星位置、速度估算各GNSS卫星信号的多普勒频移，从而缩小捕获GNSS卫星时所需搜索的频率范围；
步骤A330、根据导航辅助增强电文中的精确时间信息、自身粗略初始位置速度以及各颗GNSS卫星位置速度估算各GNSS卫星信号的码相位，缩小捕获GNSS卫星时所需搜索的码相位范围；以及
步骤A340、采用上述缩小后的频率和码相位搜索范围进行各GNSS卫星信号的捕获，并完成各GNSS卫星信号的跟踪和终端精确位置的解算。
所述步骤A320中，估算各GNSS卫星信号伪距变化率的公式如下：
其中表示第n颗GNSS卫星的伪距变化率，[Xn Yn Zn]、[Vx,n Vy,n Vz,n]分别表示第n颗GNSS卫星的三轴位置和速度，rn表示第n颗GNSS卫星到的距离。
步骤A330中，估算用户接收信号时间的公式如下：
其中，tu表示用户接收到信号的时间，t表示辅助增强信息中历元k对应的精确时间，C为光速。用户粗略位置的误差应在1～2km以内，从而对辅助增强信号从低轨卫星传播到用户的时间估计误差应在<μs级别。
请参见图5，本发明实施例提供一种低轨卫星设备500，包括如下单元：
信号接收及初始位置估算模块502，用于接收GNSS卫星信号，并依据所述GNSS卫星信号对自身进行定位，得到低轨卫星自身的原始PVT数据；其中，所述GNSS卫星信号包括GNSS卫星导航电文，所述原始PVT数据包括原始位置、原始速度和原始时间；
精密化模块504，用于采用轨道精密化算法对所述原始PVT数据进行精密化，以获得精密化PVT数据；
导航辅助增强电文信号生成模块506，用于对所述精密化PVT数据和所述GNSS卫星导航电文进行处理，以生成导航辅助增强电文信号；
广播模块508，用于广播包含所述导航辅助增强电文信号的低轨卫星信号，用于地面终端的导航。
所述精密化模块504用于：预设初始化历元数，并将当前历元数与所述初始化历元数比较；若所述当前历元数小于初始化历元数，则不对当前历元的PVT数据进行精密化处理；若所述当前历元数大于初始化历元数，则根据所述初始化历元数对应的原始低轨卫星状态观测值与按照给定星历模型确定的低轨卫星轨道对应的过去所述初始化历元数对应的低轨卫星状态的估计值建立线性化方程；采用最小二乘迭代法求解该线性化方程，重复迭代过程直到满足迭代收敛条件
所述精密化模块504用于：求迭代初始值；根据星历参数计算各历元低轨卫星状态估计值；计算所述各历元低轨卫星状态估计值对各星历参数的偏导数；采用最小二乘法计算所述各星历参数修正值并对各星历参数进行修正；验证是否满足迭代收敛条件，如不满足则返回根据星历参数计算各历元低轨卫星状态估计值的步骤，如满足则输出本次迭代过程的精密化结果。
请参见图6，本发明一个实施例提供一种终端设备，包括如下单元：
电文接收模块602，用于接收低轨卫星广播的包含导航辅助增强电文信号的低轨卫星信号，所述低轨卫星信号还包括低轨卫星载波相位、低轨卫星测距码、低轨导航电文；其中，所述导航辅助增强电文信号由所述低轨卫星通过采用轨道精密化算法对原始PVT数据进行精密化，以获得精密化PVT数据；对所述精密化PVT数据和GNSS卫星导航电文进行处理生成，所述导航辅助增强电文信号包括当前电文对应的精确参考时间、精密化后的低轨卫星三轴位置和精密化后的低轨卫星三轴速度；
初始位置确定模块604，用于接收电文接收模块的各辅助增强信息，采用多普勒方式进行终端粗略初始位置的计算，并将该粗略初始位置输出；
GNSS捕获跟踪和定位解算模块606，用于根据所述终端粗略初始位置和从所述低轨卫星接收到的GNSS卫星信息，计算各颗GNSS卫星信号的频率和码相位捕获范围信息，完成导航定位。
所述初始位置确定模块604用于：记录过去Nd(Nd≥4)个历元的低轨卫星信号多普勒频率计数值并转换成低轨道卫星到用户距离的变化率信息；对每个历元的所述变化率列出方程并进行泰勒展开，完成线性化并获得线性化方程；将各历元的线性化方程合成方程组；采用最小二乘法求解所述方程组，得到所述终端粗略初始位置。
所述GNSS捕获跟踪和定位解算模块606用于：根据导航辅助增强电文中的各颗GNSS卫星电文推出当前历元各颗GNSS卫星的位置、速度；根据所述终端粗略初始位置以及各GNSS卫星位置、速度估算各GNSS卫星信号的多普勒频移，缩小捕获GNSS卫星时所需搜索的频率范围；根据导航辅助增强电文中的精确时间信息、自身粗略初始位置速度以及各颗GNSS卫星位置速度估算各GNSS卫星信号的码相位，缩小捕获GNSS卫星时所需搜索的码相位范围；采用上述缩小后的频率和码相位搜索范围进行各GNSS卫星信号的捕获，并完成各GNSS卫星信号的跟踪和终端精确位置的解。
本发明提出的低轨卫星导航辅助方法及终端、低轨卫星设备，其优势在于：低轨卫星距离地面较GNSS卫星更近，信号强度大，抗干扰和遮挡能力强，并且不依赖于传统移动通信网络；当GNSS系统受到干扰和遮挡时通过低轨卫星提供辅助增强信息，可提高接收机灵敏度；同时低轨卫星仰角变化快，因此在极端情况下，GNSS系统不可用时，可以采用多普勒方式对用户进行定位。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述程序可存储于一计算机可读取存储介质中，如本发明实施例中，所述程序可存储于计算机系统的存储介质中，并被所述计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess Memory，RAM)等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种辅助增强导航方法，包括以下步骤：
接收GNSS卫星信号，并依据所述GNSS卫星信号对自身进行定位，得到低轨卫星自身的原始PVT数据；其中，所述GNSS卫星信号包括GNSS卫星导航电文，所述原始PVT数据包括原始位置、原始速度和原始时间；
采用轨道精密化算法对所述原始PVT数据进行精密化，以获得精密化PVT数据；
对所述精密化PVT数据和所述GNSS卫星导航电文进行处理，以生成导航辅助增强电文信号；
广播包含所述导航辅助增强电文信号的低轨卫星信号，用于地面终端的导航。
2.如权利要求1所述的辅助增强导航方法，其特征在于，所述采用轨道精密化算法对所述原始PVT数据进行精密化，以获得精密化PVT数据的步骤具体包括：
预设初始化历元数，并将当前历元数与所述初始化历元数比较；
若所述当前历元数小于初始化历元数，则不对当前历元的PVT数据进行精密化处理；
若所述当前历元数大于初始化历元数，则根据所述初始化历元数对应的原始低轨卫星状态观测值，与按照给定星历模型确定的低轨卫星轨道对应的过去所述初始化历元数对应的低轨卫星状态的估计值，建立线性化方程；
采用最小二乘迭代法求解该线性化方程，重复迭代过程直到满足迭代收敛条件。
3.如权利要求2所述的辅助增强导航方法，其特征在于，所述采用最小二乘迭代法求解该线性化方程的过程，重复迭代过程直到满足迭代收敛条件的步骤具体包括：
求迭代初始值；
根据星历参数计算各历元低轨卫星状态估计值；
计算所述各历元低轨卫星状态估计值对各星历参数的偏导数；
采用最小二乘法计算所述各星历参数修正值并对各星历参数进行修正；
验证是否满足迭代收敛条件，如不满足则返回根据星历参数计算各历元低轨卫星状态估计值的步骤，如满足则输出本次迭代过程的精密化结果。
4.如权利要求1所述的辅助增强导航方法，其特征在于，所述导航辅助增强电文信号包括当前电文对应的精确参考时间、精密化后的低轨卫星三轴位置和精密化后的低轨卫星三轴速度。
5.一种辅助增强导航方法，包括以下步骤：
接收低轨卫星广播的包含导航辅助增强电文信号的低轨卫星信号，所述低轨卫星信号还包括低轨卫星载波相位、低轨卫星测距码、低轨导航电文；其中，所述导航辅助增强电文信号由所述低轨卫星通过采用轨道精密化算法对原始PVT数据进行精密化，以获得精密化PVT数据；对所述精密化PVT数据和GNSS卫星导航电文进行处理生成，所述导航辅助增强电文信号包括当前电文对应的精确参考时间、精密化后的低轨卫星三轴位置和精密化后的低轨卫星三轴速度；
根据所述低轨卫星载波相位、低轨卫星测距码和低轨导航电文和所述导航辅助增强电文信号，完成终端粗略初始位置的确定；
根据所述终端粗略初始位置和从所述低轨卫星接收到的GNSS卫星信息，计算各颗GNSS卫星信号的频率和码相位捕获范围信息，完成导航定位。
6.如权利要求5所述的辅助增强导航方法，其特征在于，所述根据所述低轨卫星载波相位、低轨卫星测距码和低轨导航电文和所述导航辅助增强电文信号，完成终端粗略初始位置的确定的步骤具体包括：
记录过去Nd(Nd≥4)个历元的低轨卫星信号多普勒频率计数值并转换成低轨道卫星到用户距离的变化率信息；
对每个历元的所述变化率列出方程并进行泰勒展开，完成线性化并获得线性化方程；
将各历元的线性化方程合成方程组；以及
采用最小二乘法求解所述方程组，得到所述终端粗略初始位置。
7.如权利要求6所述的辅助增强导航方法，其特征在于，所述根据所述终端粗略初始位置和从所述低轨卫星接收到的GNSS卫星信息，计算各颗GNSS卫星信号的频率和码相位捕获范围信息，完成导航定位的步骤具体包括：
根据导航辅助增强电文中的各颗GNSS卫星电文推出当前历元各颗GNSS卫星的位置、速度；
根据所述终端粗略初始位置以及各GNSS卫星位置、速度估算各GNSS卫星信号的多普勒频移，缩小捕获GNSS卫星时所需搜索的频率范围；
根据导航辅助增强电文中的精确时间信息、自身粗略初始位置速度以及各颗GNSS卫星位置速度估算各GNSS卫星信号的码相位，缩小捕获GNSS卫星时所需搜索的码相位范围；以及
采用上述缩小后的频率和码相位搜索范围进行各GNSS卫星信号的捕获，并完成各GNSS卫星信号的跟踪和终端精确位置的解。
8.一种辅助增强导航设备，其特征在于，包括如下单元：
信号接收及初始位置估算模块，用于接收GNSS卫星信号，并依据所述GNSS卫星信号对自身进行定位，得到低轨卫星自身的原始PVT数据；其中，所述GNSS卫星信号包括GNSS卫星导航电文，所述原始PVT数据包括原始位置、原始速度和原始时间；
精密化模块，用于采用轨道精密化算法对所述原始PVT数据进行精密化，以获得精密化PVT数据；
导航辅助增强电文信号生成模块，用于对所述精密化PVT数据和所述GNSS卫星导航电文进行处理，以生成导航辅助增强电文信号；
广播模块，用于广播包含所述导航辅助增强电文信号的低轨卫星信号，用于地面终端的导航。
9.如权利要求8所述的辅助增强导航设备，其特征在于，所述精密化模块用于：预设初始化历元数，并将当前历元数与所述初始化历元数比较；若所述当前历元数小于初始化历元数，则不对当前历元的PVT数据进行精密化处理；若所述当前历元数大于初始化历元数，则根据所述初始化历元数对应的原始低轨卫星状态观测值与按照给定星历模型确定的低轨卫星轨道对应的过去所述初始化历元数对应的低轨卫星状态的估计值建立线性化方程；采用最小二乘迭代法求解该线性化方程，重复迭代过程直到满足迭代收敛条件。
10.如权利要求9所述的辅助增强导航设备，其特征在于，所述精密化模块用于：求迭代初始值；根据星历参数计算各历元低轨卫星状态估计值；计算所述各历元低轨卫星状态估计值对各星历参数的偏导数；采用最小二乘法计算所述各星历参数修正值并对各星历参数进行修正；验证是否满足迭代收敛条件，如不满足则返回根据星历参数计算各历元低轨卫星状态估计值的步骤，如满足则输出本次迭代过程的精密化结果。
11.一种辅助增强导航设备，其特征在于，包括如下单元：
接收模块，用于接收低轨卫星广播的包含导航辅助增强电文信号的低轨卫星信号，所述低轨卫星信号还包括低轨卫星载波相位、低轨卫星测距码、低轨导航电文；其中，所述导航辅助增强电文信号由所述低轨卫星通过采用轨道精密化算法对原始PVT数据进行精密化，以获得精密化PVT数据；对所述精密化PVT数据和GNSS卫星导航电文进行处理生成，所述导航辅助增强电文信号包括当前电文对应的精确参考时间、精密化后的低轨卫星三轴位置和精密化后的低轨卫星三轴速度；
初始位置确定模块，根据所述低轨卫星载波相位、低轨卫星测距码和低轨导航电文和所述导航辅助增强电文信号，完成终端粗略初始位置的确定；
GNSS捕获跟踪和定位解算模块，用于根据所述终端粗略初始位置和从所述低轨卫星接收到的GNSS卫星信息，计算各颗GNSS卫星信号的频率和码相位捕获范围信息，完成导航定位。
12.如权利要求11所述的辅助增强导航设备，其特征在于，所述初始位置确定模块用于：记录过去Nd(Nd≥4)个历元的低轨卫星信号多普勒频率计数值并转换成低轨道卫星到用户距离的变化率信息；对每个历元的所述变化率列出方程并进行泰勒展开，完成线性化并获得线性化方程；将各历元的线性化方程合成方程组；采用最小二乘法求解所述方程组，得到所述终端粗略初始位置。
13.如权利要求12所述的辅助增强导航设备，其特征在于，所述GNSS捕获跟踪和定位解算模块用于：根据导航辅助增强电文中的各颗GNSS卫星电文推出当前历元各颗GNSS卫星的位置、速度；根据所述终端粗略初始位置以及各GNSS卫星位置、速度估算各GNSS卫星信号的多普勒频移，缩小捕获GNSS卫星时所需搜索的频率范围；根据导航辅助增强电文中的精确时间信息、自身粗略初始位置速度以及各颗GNSS卫星位置速度估算各GNSS卫星信号的码相位，缩小捕获GNSS卫星时所需搜索的码相位范围；采用上述缩小后的频率和码相位搜索范围进行各GNSS卫星信号的捕获，并完成各GNSS卫星信号的跟踪和终端精确位置的解。
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