CN106507954B - 转发式卫星导航系统广域增强方法 - Google Patents

Abstract

一种转发式卫星导航系统广域增强方法，涉及空间技术，在全国或全球建25-100个转发式卫星导航广域参考站、10-50个接收机监测站、2个数据处理中心和3-4个地球上行站。数据处理中心集中处理来自广域参考站双频接收机的码和载波相位测量数据，同时也处理来自接收机监测站测量数据，产生卫星星历矢量改正数、主控站信号上行链路时延误差改正数、完整性、可靠性等信息。数据处理中心把产生的这些信息生成广域增强系统导航电文，安排在原导航电文上，也可调制在C波段的其它上行频率上，用同步轨道卫星和倾斜轨道卫星广播到每个地区的增强系统用户，使转发式卫星导航广域增强系统用户能获得高的导航精度、完整性和可靠性。

Description

转发式卫星导航系统广域增强方法

技术领域

本发明涉及空间技术领域，是一种转发式卫星导航系统广域增强方法，是利用空基卫星实现地球及地球空间导航系统性能和精度提高的技术。

背景技术

转发式卫星导航系统是一种新研发的卫星导航系统，可参阅发明专利(专利申请号200410046064.1)，信号上行经6颗商用同步轨道卫星和3-4颗倾斜轨道卫星，经转发下行广播给用户，从而实现用户的导航定位，与GPS最大的不同就是作为时间基准的原子钟设置在地面，不是在卫星上。地面时钟便于维护和调整，使用方便，不受相对论的影响，精度和稳定度高于星载原子钟。为了便于用户导航定位解算，转发式卫星导航系统发明了虚拟原子钟(该技术正在申请发明专利)，把地面原子钟虚拟搬到卫星上。虚拟原子钟的设计目前主要采用2种方法：即直接法和间接法。但无论是哪一种方法在计算虚拟原子钟时都会用到卫星星历，则使星历误差的分离变得困难，精度也受到一定的限制。

分析转发式卫星导航系统存在的误差源：

1、转发式卫星星历误差：采用临潼导航中心和西安卫星测控中心多功能多星轨道计算软件系统(XMPOC)，得到的定轨精度为径向误差40cm，总的位置计算精度3米，预报1天，径向误差1.5米，总的位置误差4～6米。

2、垂直电离层时延：在中纬地区C频段信号时延在晚上大约为0.1～0.4米，在白天为0.7～2米。但在赤道附近太阳黑子期间可以达到9米。

3、对流层时延：对流层造成的距离误差为2～25米。

4、多路径效应：多路径对伪距和载波相位测量都有影响。

5、接收机和发射机噪声：主要是来自于接收机前端的热噪声或时延测量误差。

转发式卫星导航系统的精度、完整性和可靠性都不能满足某些精密用户的要求，如航空用户。GPS也存在同样的问题，最终解决的方法就是建立广域增强系统。转发式卫星导航系统最终也必须建立广域增强系统来提高其精度、完整性和可靠性。特别是转发式卫星导航系统本身就有一定的广域增强功能。转发式卫星导航系统的广域增强系统包括三个部分：控制部分、空间部分和用户部分。转发式卫星导航系统的广域增强系统是用多个广域参考站来产生改正数，广域增强系统用户不受空间解相关的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种转发式卫星导航系统广域增强方法，利用转发式卫星导航系统定位解算的另外一种模型建立广域增强系统，目的是提高转发式卫星导航系统的精度、完整性和可靠性。

为了达到上述目的，本发明的具体解决方案是提供一种转发式卫星导航系统广域增强方法，使转发式卫星导航增强系统用户能获得高的导航精度、完整性和可靠性；其包括以下步骤：

a.利用目前转发式卫星导航系统具有的广域增强功能，即本身具有的丰富通信链路；

b.在全国建立25-100个广域参考站，10-50个接收机监测站，将广域参考站双频接收机的码和载波相位测量数据和接收机监测站的测量数据经通信链路发给数据处理中心；

c.数据处理中心处理广域参考站的双频接收机测量数据，产生卫星星历改正数、主控站信号上行链路时延误差改正数和完整性信息；

d.数据处理中心处理接收机监测站的测量数据，得到广域增强系统的完整性、可靠性信息，这些信息连同其它增强改正信息生成广域增强导航电文；

e.广域增强导航电文安排在原导航电文上，或调制在C波段的其它上行频率上，通过同步轨道卫星和倾斜轨道卫星广播给增强系统用户；

该方法，是利用转发式卫星导航系统定位解算的另外一种模型，不采用虚拟原子钟，时间基准选用地面原子钟，从主控站到卫星和卫星到用户的整个信号链路上建立定位解算；模型为：

其中，

用户对流层和电离层修改后得到方程：

转发式导航电文中有卫星星历、主控站精确位置、主控站原子钟时间、信号上行链路误差则式(3)可以变为：

方程(4)中有4个未知数(x_u，y_u，z_u，Δt_u)，只要在同一时刻用户能看到4个以上卫星，用户就可以定位；

其中，下标M表示主控站，下标u表示用户，是用户接收机测量得到的主控站经卫星j到用户的伪距；分别是主控站和用户到卫星j的几何距离；分别是主控站和用户到卫星j的电离层时延； 分别是主控站和用户到卫星j的对流层时延；是卫星j转发器时延；Δt_u是用户接收机时间误差；c是光速；主控站发射通道、综合基带时延；(x_M，y_M，z_M)，(x_u，y_u，z_u)，(x_j，y_j，z_j)分别指主站位置，用户位置，卫星位置；

所述转发式卫星导航系统，至少包含四个转发式卫星。

所述的转发式卫星导航系统广域增强方法，其中，所述c.步，是数据处理中心对信号发送和接收的整个链路进行分析，用建立的广域参考站网、接收机监测站网和数据处理中心得到卫星星历改正数、主控站信号上行链路时延误差改正数、完整性和可靠性信息。

所述的转发式卫星导航系统广域增强方法，其中，所述广播给增强系统用户后，单频用户接收机完成如下功能：

1).接收转发式卫星导航信号和广域增强信号，进行伪距、载波相位和多普勒频移测量；

2).利用对流层模型计算对流层时延；

3).利用电离层模型计算电离层延时；

4).应用解码的原系统导航电文和新增的广域增强导航电文对用户位置、速度参数实现精确的定位计算。

附图说明

图1转发式卫星导航系统广域增强系统结构示意图；

图2转发式卫星导航系统广域增强系统单频用户数据处理过程示意图。

具体实施方式

本发明一种转发式卫星导航系统广域增强方法，是利用转发式卫星导航系统定位解算的另外一种模型，不采用虚拟原子钟，时间基准选用地面原子钟，从主控站到卫星和卫星到用户的整个信号链路上建立定位解算。模型为：

其中，

用户对流层和电离层修改后得到方程：

转发式导航电文中有卫星星历、主控站精确位置、主控站原子钟时间、信号上行链路误差等。则式(3)可以变为：

方程(4)中有4个未知数(x_u，y_u，z_u，Δt_u)，只要在同一时刻用户能看到4个以上卫星，用户就可以定位。

其中，下标M表示主控站，下表u表示用户。是用户接收机测量得到的主控站经卫星j到用户的伪距；分别是主控站和用户到卫星j的几何距离；分别是主控站和用户到卫星j的电离层时延； 分别是主控站和用户到卫星j的对流层时延；是卫星j转发器时延；Δt_u是用户接收机时间误差；c是光速；主控站发射通道、综合基带时延；(x_M，y_M，z_M)，(x_u，y_u，z_u)，(x_j，y_j，z_j)分别指主站位置(精确已知)，用户位置(待求量)，卫星位置(由星历获得)。

说明：由于转发式卫星导航系统的主控站装置有高精度的地面原子钟。所以在方程(1)、(2)、(3)和(4)中，原子钟的误差可省略不计。

按照这种模型在全国甚至全球建立多个转发式卫星导航广域参考站、接收机监测站、少量地球上行站和数据处理中心，就能组成转发式卫星导航系统的广域增强系统。

在全国甚至全球建立25-100个广域参考站，广域参考站的双频接收机连续给数据处理中心提供转发式卫星导航的测量数据。其中，广域参考站测量数据包括双频的码、载波相位测量值、参考站对流层时延和其他信息。送往数据处理中心的数据是主控站经卫星转发到参考站的伪距残差。通常，这2个数据处理中心在地域上是分开的、相互独立的。每个数据处理中心连续地接收所有参考站的观测数据，并独立计算矢量改正数，分别送到地球上行站。地球上行站发射这些信息，上行给同步轨道卫星和倾斜轨道卫星，经转发器转发广播下行。这些数据处理中心也是转发式卫星导航系统广域增强系统的控制中心，在这里完成对系统的监测和管理，用一个自动警报系统及时地把出现的问题报告给操作者，以使问题尽快解决；通信链路为广域增强系统参考站的测量数据、接收机监测站的测量数据和所计算的矢量改正数提供可靠的传输链路。可靠的通信链路能连续地为数据处理中心提供可靠的数据，地球上行站把数据处理中心送来广域增强导航电文上行同步轨道卫星和倾斜轨道卫星。10-50个接收机监测站是分布在区域或世界各地的广域增强用户接收机，接收机测量得到的数据也送到数据处理中心，通过数据处理可以实时得到广域增强系统的完整性和可靠性等信息，这些信息连同数据处理中心的矢量改正数生成广域增强系统导航信息直接填写在原有的导航电文中或调制在C波段的其它上行频率上。广域增强系统用户设备用广播的广域增强系统导航电文和转发式卫星导航电文共同产生用户的精确位置、速度等。用户设备既可以是双频接收机也可以是单频接收机，使用双频接收机可以精确消除电离层，单频接收机可用电离层模型消除大部分误差。

本发明所采用的方法是广域数据处理中心接收和处理来自所有广域参考站的测量数据，这些测量数据是标有时刻的经过处理后的平滑伪距残差。接收机的时钟项不影响用户，使用共视时间法去掉接收机时钟项影响。用双频广义平滑技术去除或减小转发式卫星导航系统中的两个较大的误差源：电离层和多路径误差。使用广域参考站的气象站数据，并用现有的对流层模型，消除参考站到卫星的对流层时延影响。广域参考站和主控站的位置精确已知，卫星的位置通过星历获得，这样可以得到主控站到卫星和卫星到参考站的几何距离。在数据处理中心把从主控站到卫星和从卫星到参考站测得的双频平滑伪距经过上述误差项修正得到伪距残差，伪距残差中主要包括主控站信号上行链路时延误差的残留误差和星历误差(三维)共4项误差。如果一颗卫星在视线范围内能看到4个以上的广域参考站，则就可以用加权最小二乘法来解方程，这样就可以实时得到每颗卫星的星历误差和主控站信号上行链路时延误差的残留误差。该方法由于去掉了广域参考站接收机的时钟误差，对于每一颗卫星而言方程都是独立的，不存在相互之间耦合，方程组规模小，便于实时解算。同时，广域参考站利用接收机监测站的测量数据得到增强系统完整性和可靠性等信息。

广域增强系统导航电文可以安排在原导航电文上，也可调制在C波段的其它上行频率上，用同步轨道卫星广播和倾斜轨道卫星。数据处理中心把所有卫星矢量改正数、主控站信号上行链路时延误差的改正数、完整性和可靠性信息生成广域增强系统导航电文，并送到地球上行站，广域增强系统导航电文上行到卫星并转发到每个地区的增强系统用户。

转发式卫星导航广域增强系统用户同时接收转发式卫星导航系统导航电文和新增的广域增强系统导航电文。利用这些信息得到用户的精确位置、速度等定位结果。

实施例

如附图1所示转发式卫星导航广域增强系统示意图：本发明方法是在全国建立25-100广域参考站10，10-50个广域增强用户接收机监测站2、二个数据处理中心9，3-4个地球上行站8，卫星真实位置3或带有广域增强系统电文的卫星5，以及用户部分13和14。同时，转发式卫星导航系统主控站1也作为一个广域参考站，它本身自发自收信号。

本发明利用上述广域参考站得到转发式卫星导航系统双频接收机测量数据，这些测量数据包括：从系统主控站经卫星转发后到广域参考站接收机双频的码和载波相位测量值、广域参考站对流层时延和其他信息。这些测量值在广域参考站经过双频载波平滑处理，处理后的伪距扣除主控站到卫星电离层时延估计值、主控站到卫星的几何距离、卫星到广域参考站的电离层时延估计值、卫星到广域参考站的对流层时延估计值、广域参考站到卫星的几何距离和主控站信号上行链路时延误差(由导航电文给出)后得到主控站经过卫星到广域参考站的伪距残差。其中，主控站到卫星的电离层时延是用双频接收机的码、载波测量值计算得到。所有广域参考站的伪距残差送到数据处理中心。计算过程如下：

广域参考站得到的转发式卫星的观测量可表示如下(接收机为双频)：

其中，下标M表示主控站，下标m表示广域参考站。 和分别是主控站M经卫星j转发到第m个广域参考站的C₁伪距和C₁载波相位值；分别是主控站和广域参考站到卫星j的几何距离；是由于电离层造成的时延(码)或提前(载波)；从主控站到卫星除电离层误差以外的信号上行链路误差；b_m和b_M分别是广域参考站接收机时钟误差和主控站发射机时钟误差，可以通过时间比对消除掉；和分别是伪距测量噪声和载波相位测量噪声；N_Mm1和N_Mm2分别是和的整周相位模糊度；λ是光的波长。

下面是伪距残差的计算过程：

1、电离层时延计算：双频接收机的测量值把电离层时延和其它误差源分开。下面通过双频伪距和载波相位组合来分离电离层误差。

上面两个方程中的通过主控站自发自收得到。噪声大，而虽然受模糊度的影响有偏差，但精度高。通过平滑处理(用)可以得到的一个较好的平滑电离层估计表示为

2、对流层时延计算：广域参考站数据还包含由气象站测量得到的温度、压力和相对湿度信息。广域参考站到卫星的对流层时延估计是用气象站得到数据，并用现有的对流层模型得到，其估计值表示为

3、几何距离计算：广播星历计算卫星位置R^j。通过精密测量得到的广域参考站天线位置R_m，则广域参考站到卫星的距离和主控站到卫星的距离可以计算出。

4、伪距残差计算：载波平滑伪距扣除几何距离卫星到广域参考站的电离层时延卫星到广域参考站的对流层时延和主控站信号上行链路时延误差(由导航电文给出)就得到主控站经卫星到广域参考站的伪距残差，表述如下：

因其中ΔR^j，分别是星历误差和主控站信号上行链路时延误差的残留误差，上述方程可以简化为

本方程中含有4个未知数。当某一颗卫星、某一时刻内在视线角范围能看到4个以上的广域参考站，就能解得这4个未知数。这样对每一颗卫星而言，方程组都是独立的，只要能同时看到4个或以上的广域参考站就可以解得这4个未知数。

另外，处理来自接收机监测站的数据得到整个广域增强系统的完整性、和可靠性等信息。

主控站信号上行链路时延误差改正数、卫星矢量改正数、完整性和可靠性信息填写在转发式卫星导航系统的导航电文或生成广域增强导航电文中，由地球上行站发送到同步轨道卫星和倾斜轨道卫星，再由这些卫星广播给用户。这样原有的转发式卫星导航用户接收机只需稍做改动即可。

附图2是转发式卫星导航系统广域增强单频用户数据处理过程示意图：广域增强单频用户41，首先得到转发式卫星导航系统的原始测量数据17：主控站位置、地面原子钟时、信号上行链路时延误差、卫星(包括同步轨道卫星和倾斜轨道卫星51、55等)星历和电离层改正16；同时也得到广域增强导航电文11：星历改正数、信号上行链路时延误差改正数、用户测距误差12等信息。这两组数据经过加权二乘定位15解算得到用户的精确位置和速度。

基本上，一个广域增强单频用户41接收机需要完成如下功能：

1.接收转发式卫星导航信号和广域增强信号，进行伪距、载波相位和多普勒频移测量。

2.利用对流层模型计算对流层时延。

3.利用电离层模型计算电离层延时。

4.应用解码的原系统导航电文和新增的广域增强导航电文对用户位置、速度等实现精确的定位计算。

广域增强系统定位精度估算：

(1)转发式卫星导航系统定位精度

信号上行链路时延误差包括综合基带时延1米、发射通道时延1米、上行对流层改正0.7米、上行电离层改正0.9米、转发器时延1米和卫星星历精度为5米，即测量精度为：

用户的定位误差包括：卫星星历误差5米，信号上行链路时延误差5.4米、信号下行对流层改正精度为0.9米，信号下行电离层改正精度为0.7米，接收机通道误差1米，GDOP为2.5，则用户的总的定位精度为

(2)单频广域增强用户定位精度估算

广域增强改正后用户定位误差包括：信号上行链路时延改正误差0.54米、星历改正误差0.5米、信号下行对流层改正精度为0.9米，信号下行电离层改正精度为0.7米，接收机通道误差1米，GDOP为2.5，则广域增强用户的总的定位精度为

从上面定位精度估算看出，转发式卫星导航系统广域增强系统的定位精度与转发式卫星导航系统的定位精度相比有很大的提高。

Claims (3)

1.一种转发式卫星导航系统广域增强方法，使转发式卫星导航增强系统用户能获得高的导航精度、完整性和可靠性；其特征在于，包括以下步骤：

a.利用目前转发式卫星导航系统具有的广域增强功能，即本身具有的丰富通信链路；

b.在全国建立25-100个广域参考站，10-50个接收机监测站，将广域参考站双频接收机的码和载波相位测量数据和接收机监测站的测量数据经通信链路发给数据处理中心；

c.数据处理中心处理广域参考站的双频接收机测量数据，产生卫星星历改正数、主控站信号上行链路时延误差改正数和完整性信息；

d.数据处理中心处理接收机监测站的测量数据，得到广域增强系统的完整性、可靠性信息，这些信息连同其它增强改正信息生成广域增强导航电文；

e.广域增强导航电文安排在原导航电文上，或调制在C波段的其它上行频率上，通过同步轨道卫星和倾斜轨道卫星广播给增强系统用户；

该方法，是利用转发式卫星导航系统定位解算的另外一种模型，不采用虚拟原子钟，时间基准选用地面原子钟，从主控站到卫星和卫星到用户的整个信号链路上建立定位解算；模型为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_{M,u}^j=D_M^j+I_M^j+T_M^j+T_s^j+{\mathrm{\τ}}_s^j+D_u^j+I_u^j+T_u^j+{\mathrm{c\Δt}}_u+v_u^j\\ =D_M^j+{\mathrm{\τ}}_M^j+D_u^j+I_u^j+T_u^j+{\mathrm{c\Δt}}_u+v_u^j\end{array}---\left(1\right)$

其中， $D_M^j=\sqrt{{\left(x_M-x_j\right)}^2+{\left(y_M-y_j\right)}^2+{\left(z_M-z_j\right)}^2},$

$D_u^j=\sqrt{{\left(x_u-x_j\right)}^2+{\left(y_u-y_j\right)}^2+{\left(z_u-z_j\right)}^2},$

${\mathrm{\τ}}_M^j=I_M^j+T_M^j+T_s^j+{\mathrm{\τ}}_s^j---\left(2\right)$

用户对流层和电离层修改后得到方程：

${\mathrm{\ρ}}_{M,u}^j-(I_u^j+T_u^j)={\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_{M,m}^j=D_M^j+{\mathrm{\τ}}_M^j+D_u^j+{\mathrm{c\Δt}}_u+v_u^j---\left(3\right)$

转发式导航电文中有卫星星历、主控站精确位置、主控站原子钟时间、信号上行链路误差则式(3)可以变为：

${\mathrm{\ρ}}_{M,u}^j-\left(I_u^j+T_u^j\right)-\left(D_M^j+{\mathrm{\τ}}_M^j\right)={\widehat{\mathrm{\ρ}}}_{M,u}^j=D_u^j+{\mathrm{c\Δt}}_u+v_u^j---\left(4\right)$

方程(4)中有4个未知数(x_u，y_u，z_u，Δt_u)，只要在同一时刻用户能看到4个以上卫星，用户就可以定位；

其中，下标M表示主控站，下标u表示用户，是用户接收机测量得到的主控站经卫星j到用户的伪距；分别是主控站和用户到卫星j的几何距离；分别是主控站和用户到卫星j的电离层时延； 分别是主控站和用户到卫星j的对流层时延；是卫星j转发器时延；Δt_u是用户接收机时间误差；c是光速；主控站发射通道、综合基带时延；(x_M，y_M，z_M)，(x_u，y_u，z_u)，(x_j，y_j，z_j)分别指主站位置，用户位置，卫星位置；

所述转发式卫星导航系统，至少包含四个转发式卫星。

2.根据权利要求1所述的转发式卫星导航系统广域增强方法，其特征在于，所述c.步，是数据处理中心对信号发送和接收的整个链路进行分析，用建立的广域参考站网、接收机监测站网和数据处理中心得到卫星星历改正数、主控站信号上行链路时延误差改正数、完整性和可靠性信息。

3.根据权利要求1所述的转发式卫星导航系统广域增强方法，其特征在于，所述广播给增强系统用户后，单频用户接收机完成如下功能：

1).接收转发式卫星导航信号和广域增强信号，进行伪距、载波相位和多普勒频移测量；

2).利用对流层模型计算对流层时延；

3).利用电离层模型计算电离层延时；

4).应用解码的原系统导航电文和新增的广域增强导航电文对用户位置、速度参数实现精确的定位计算。