CN107483101B - 卫星导航通信终端、中心站、系统及导航通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星导航通信终端、中心站、系统及导航通信方法，属于卫星导航通信领域。基于通信卫星将终端、中心站的指令导航信息帧和通信信息帧内的导航信息、通信信息综合在一起，实现导航通信一体化。本发明在基于通信卫星的导航通信系统中，通过系统工作流程的控制，具有导航和实时低信息速率通信的优势。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航通信技术领域，具体涉及针对卫星导航通信终端、中心站、系统及导航通信方法。
背景技术
现有的卫星导航系统中，除北斗一代导航系统有短报文通信功能外，其它系统均不具备通信功能。转发式卫星导航系统是中科院自主研发的卫星导航定位系统，它利用现有的通信卫星作为卫星导航星座实现导航定位功能，转发式卫星导航定位系统具备导航与通信一体化的天然条件。
为了满足导航测量的需要，转发式卫星导航系统使用若干颗小倾角倾斜地球同步轨道(Slightly Inclined Geo-Synchronous Orbit,SIGSO)卫星，形成测量基准，从而改善导航系统星座分布，提高测量精度。由于SIGSO卫星的有效全向辐射功率(EffectiveIsotropic Radiated Power，EIRP)值不高，为此，需要降低系统的Eb/N0(即单位比特信噪比，其中Eb表示信道内单位比特码的功率，N0表示噪声谱密度)值以获得较好的链路余量。系统的通信信道速率不高，采用了宽带扩频技术，获得较高的扩频增益，用频带资源弥补功率资源的不足，充分利用通信卫星上大量的转发器资源，通过卫星扩频通信的方式，实现小终端卫星导航通信一体化的目标。
针对转发式卫星导航通信系统一体化终端控制设计，目前没有现成的方法可以借鉴，属于一个卫星导航通信融合终端控制系统设计新课题，新研究。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明提供了一种低信息速率的卫星导航通信终端、中心站、系统及导航通信方法，以期解决上述提及的技术问题中的至少之一。
(二)技术方案
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
作为本发明的一方面，提供一种卫星导航通信终端的通信方法，包括以下步骤：
建立扩频码、卫星频点、转发器和功率档资源列表；
终端向外发送经第一调制后的指令导航信息帧，所述指令导航信息帧包括主叫和被叫ID号信息、包含时间参数和时间改正模型参数的时间信息、导航定位信息、终端发射频点代码、测距扩频码指令、终端气压采集信息和32位循环冗余校验数据，所述第一调制包括对所述指令导航信息帧进行第一扩频、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者其他频段的载波信号，所述第一扩频使用短扩频码；
响应一外部命令，若所述外部命令含资源配置信息，则向外发送过渡信息帧并完成配置以进入业务通信状态，若所述外部命令为挂机命令，则停止发射附有导航信息的指令导航信息帧；
进入业务通信状态后，向外发送经第二调制后的通信信息帧，并接收外部发出的含终端实时位置信息的通信信息帧，所述第二调制包括对通信信息帧进行第二扩频、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者其他频段的载波信号，所述第二扩频使用长扩频码。
优选地，所述扩频码资源列表为根据Gold扩频/测距码组数及特征，确定的终端处理器的指令与扩频码之间的对应关系列表；
所述转发器资源列表为根据通信卫星转发器资源，建立的卫星转发器的代码列表；
所述卫星频点资源列表为根据通信卫星频带的带宽，建立的频带频点的代码列表；
所述功率档资源列表为根据要求的发射功率，建立发射功率档资源的代码列表。
优选地，所述32位循环冗余校验生成多项式为：
G(x)＝x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1；
其中，x的各幂次项与二进制数相对应。
优选地，所述指令导航信息帧采用QPSK调制为I路信号，I/Q路的功率分配采用反馈功率自动调节控制技术和数据重发机制技术，I路载波公式如下：
其中，AN为扩频/测距码振幅，N(t)扩频/测距码，DN(t)为指令信息，fSN为指令信息载波频率，
为指令信息载波相位。
优选地，所述短扩频码采用地址数较多及易于实现的Gold码，码长1023chip(码片)，码速率采用1.023MHz。
优选地，所述配置信息包括用户码、功率档、卫星编号、转发器编号、频点编号、终端位置和终端时间修正信息。
优选地，所述终端收到外部的配置信息后，向外发送过渡信息帧；
当所述终端根据配置信息完成相应配置后，向外发送含自身位置信息的确认过渡信息帧，完成终端调制过程短扩频码和长扩频码的切换，并接收来自外部的过渡信息帧，完成终端解调过程短扩频码和长扩频码的切换；
优选地，所述通信信息帧包含32位循环冗余校验数据，采用QPSK调制为Q之路信号，I/Q路的功率分配采用反馈功率自动调节控制技术和数据重发机制技术，Q路载波公式如下：
其中，AC为扩频/测距码振幅，C(t)扩频/测距码，DC(t)为通信信息，fSC为通信信息载波频率，
为通信信息载波相位。
优选地，所述长扩频码采用Gold码，码元长度4092chip，由两个12级m序列模二和运算产生，码速率采用10.23MHz。
优选地，所述终端发送的所述通信信息包括语音数据、短信数据、报文数据、文件数据和/或图片数据；
所述的语音数据通过声音编码器模块获得，将声音编码器模块采样、编码获得的语音数据组合成系统所需的帧类型通过UART串口发送；
所述的短信数据、报文数据、文件数据、图片数据等通过人机交互界面输入、USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)接口通信、UART(Universal AsynchronousReceiver and Transmitter，通用异步串行通信)接口通信或者终端存储等方式获得。
作为本发明的再一方面，提供一种卫星导航通信的终端，包括：
存储单元，以存储扩频码、卫星频点、通信卫星转发器和功率档的资源列表；
异步收发传输器，传输附有导航信息的指令导航信息帧；
调制解调器，对所述指令导航信息帧进行调制，以及对外部的配置信息、业务通信信息进行解调；
射频组件，用于发射经调制后的指令导航信息帧和通信信息帧，
还用于接收外部配置信息帧后发送过渡信息帧，或者接收一挂机命令后停止呼叫；
还用于接收外部的命令信号；
处理器，根据所述外部命令信号进行处理控制：若所述外部命令含资源配置信息，则控制向外发送过渡信息帧；若所述外部命令含挂机命令，则控制停止发射附有导航信息的指令导航信息帧。
作为本发明的又一方面，提供一种卫星导航通信中心站的导航通信方法，包括以下步骤：
响应外部的指令导航信息帧，对指令导航信息帧来源的终端位置初解算及资源分配：
接收外部的过渡信息帧；对外接收和发送通信信息帧；
对通信信息帧来源的终端位置精解算。
优选地，所述中心站对外部的指令导航信息帧解调、解扩之后，获得原始的发送信息，其中包括导航电文、时间信息、测距码信息以及终端和中心站ID号信息，通过解算获得终端至第i颗转发式卫星的伪距ρi以及终端和中心站的ID号、业务类型等信息，中心站天线大于4面，转发式卫星大于4颗时，根据球面交汇方程可以解算出终端的初始位置坐标(x0u,y0u,z0u)以及终端时钟修正量tc，解算过程如下：
式中，
为终端到第i颗卫星的伪距测量值，(xi,yi,zi)为第i颗卫星位置坐标，(x0u,y0u,z0u)为终端初解算的位置坐标，c为光速，Δt1为终端钟差，Δt2为中心站钟差，(x0,y0,z0)为中心站的位置坐标，
为中心站到第i颗卫星的伪距测量值，ρi为终端经转发式卫星转发到中心站的伪距测量值，ΔT为终端经过卫星转发至中心站的时间差，δΣ为终端经过卫星转发至中心站的误差总和，包括电离层误差、对流层误差、时钟误差，tsv为终端导航电文发射时刻的短扩频码相位时间，t为导航通信系统的中心站修正后的时间。
当i≥4时，通过方程组联立，利用最小二乘法或者方程组线性求解的方法可以解算出终端初解算的位置坐标(x0u,y0u,z0u)；
所述中心站根据指令导航信息帧判断通信模式以及需要多少信道资源，若信道资源足够，中心站向外部发送配置信息，若无信道资源或信道资源不足，向外部发送挂机命令；配置中若要求更换卫星、转发器或频点，则将配置信息帧发三遍；
所述的配置信息包括用户码、功率档、卫星编号、转发器编号、频点编号、终端位置(x0u,y0u,z0u)和终端时间修正量tc信息。
优选地，所述中心站接收外部的确认过渡信息帧后，完成解调过程短扩频码和长扩频码的切换；所述中心站接收外部的确认过渡信息帧后，向外部发送过渡信息帧，完成中心站调制过程短扩频码和长扩频码的切换。
优选地，所述的中心站将通过短扩频码解算获得的终端初始位置坐标(x0u,y0u,z0u)作为长扩频码伪距交汇方程的初始值，进行定位方程迭代求解，进一步获得精度更高的终端实时位置坐标(xu,yu,zu)，通过中心站到达终端的通信信息帧发送给终端，定位方程迭代求解过程如下：
式中，
为终端到第i颗卫星的伪距测量值，(xi,yi,zi)为第i颗卫星位置坐标，(xu,yu,zu)为终端精解算的位置坐标，c为光速，Δt1为终端钟差，Δt2为中心站钟差，(x0,y0,z0)为中心站的位置坐标，
为中心站到第i颗卫星的伪距测量值，ρi为终端经转发式卫星转发到中心站的伪距测量值，ΔT为终端经过卫星转发至中心站的时间差，δΣ为终端经过卫星转发至中心站的误差总和，包括电离层误差、对流层误差、时钟误差，tsv为终端导航电文发射时刻的长扩频码相位时间，t为导航通信系统的中心站修正后的时间；
将上述方程组中的方程
在初解算的位置(x0u,y0u,z0u)处线性化处理为：
式中(αi,βi,γi)是终端初解算的位置指向第i颗卫星位置的单位矢量的方向余弦，(Δxu,Δyu,Δzu)是当前求解的终端位置坐标值与前次求解的位置坐标值之间的偏差，(Δρ1,Δρ2,Δρ3)是当前求解的终端位置对应的终端到通信卫星的伪距值与前次求解的终端位置相对应的终端到通信卫星的伪距值之间的误差；
初始设置Δzu＝0，由上式求得(Δxu,Δyu,Δt1)T，再由变量迭代求解得到(xu,yu)T＝(x0u,y0u)T+(Δxu,Δyu)T，将(xu,yu)T带入由初解算得到的位置(x0u,y0u,z0u)处对应的地球椭圆方程
求得zu，其中a为地球长半轴，a＝6378137，b为地球短半轴，b＝6356752.21414，两者均为常数，h由终端气压采集信息解算的高程值和初解算位置(x0u,y0u,z0u)对应的数字地图高程联合获得，根据Δzu＝z0u-zu作为下次迭代的值，重复上述计算直到(Δxu,Δyu,Δzu,Δt1)T小于误差可接受的微小量，迭代结束，获得精确的终端位置(xu,yu,zu)。
作为本发明的又一方面，提供一种卫星导航通信中心站，包括导航通信系统和射频组件，
所述导航通信系统用于通过射频组件经通信卫星转发器接收外部的指令导航信息帧，并对所述指令导航信息帧来源的终端初始位置进行解算；
还用于进行信道资源配置，并发送命令信号；
还用于接收外部的过渡信息帧和通信信息帧，并根据所述通信信息帧解算终端实时位置；
还用于向外部发送过渡信息帧和含终端实时位置信息的通信信息帧。
作为本发明的又一方面，提供一种卫星导航通信系统的通信方法，包括以下步骤：
在终端建立扩频码、卫星频点、通信卫星转发器、功率档资源列表；
所述终端对指令导航信息帧进行第一调制后向中心站发送，所述指令导航信息帧包括主叫和被叫ID号信息、包含时间参数和时间改正模型参数的时间信息、导航定位信息、终端发射频点代码、测距扩频码指令、终端气压采集信息和32位循环冗余校验数据，所述第一调制包括对所述指令导航信息帧进行第一扩频、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者其他频段的载波信号，所述第一扩频使用短扩频码；
中心站接收所述指令导航信息帧，并根据所述指令导航信息帧解算所述终端的初始位置，并判断通信模式和信道资源需求量，进行资源配置和向所述终端发送命令，若信道资源足够，则向所述终端发送的命令含资源配置信息，若信道资源不足，则向所述终端发送的命令为挂机命令；
所述终端接收中心站发出的命令，若所述命令含资源配置信息则向所述中心站发送过渡信息帧并完成配置以进入业务通信状态，若所述命令为挂机命令，则停止发射附有导航信息的指令导航信息帧；
所述终端进入业务通信状态后，将通信信息帧经第二调制后向中心站发送，所述第二调制包括对所述通信信息帧进行第二扩频、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者其他频段的载波信号，所述第二扩频使用长扩频码；
所述中心站接收所述通信信息帧，并根据所述通信信息帧对终端位置精解算，并将向所述终端发送含终端实时位置信息的通信信息帧。
优选地，当所述终端收到所述中心站的配置信息之后，向所述中心站发送过渡信息帧；当所述终端完成相应配置后，发送含自身位置信息的确认过渡信息帧至所述中心站，完成终端调制过程以及中心站解调过程短扩频码到长扩频码的切换；所述中心站接收所述确认过渡信息帧后再发出过渡信息帧至所述终端，完成中心站调制过程以及终端解调过程的短扩频码和长扩频码的切换。
作为本发明的又一方面，提供一种卫星导航通信系统，包括终端、通信卫星转发器和中心站，
所述终端包括存储单元，以存储扩频码、卫星频点、通信卫星转发器和功率档的资源列表；
异步收发传输器，将处理器发送的附有导航信息的指令导航信息帧传输至调制解调器；
调制解调器，对所述指令导航信息帧进行调制，以及对外部的配置信息、业务通信信息进行解调；
射频组件，用于发射经调制后的指令导航信息帧和通信信息帧；
还用于在接收所述中心站发出的配置信息帧后发送过渡信息帧，或者接收一挂机命令后停止呼叫；
还用于接收所述中心站的命令信号；
处理器，根据所述命令信号进行处理控制：所述命令含资源配置信息，则控制向外发送过渡信息帧；若所述命令含挂机命令，则控制停止发射附有导航信息的指令导航信息帧；
所述中心站包括导航通信系统和射频组件，
所述导航通信系统用于通过射频组件经通信卫星转发器接收所述终端的指令导航信息帧，并对所述指令导航信息帧来源的终端初始位置进行解算；
还用于进行信道资源配置，并发送命令信号；
还用于接收所述终端的过渡信息帧和通信信息帧，并根据所述通信信息帧解算终端实时位置；
还用于向所述终端发送过渡信息帧和含终端实时位置信息的通信信息帧。
(三)有益效果
基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明根据SIGSO卫星的特点，通过通信流程的控制，提供一种低信息速率的卫星导航通信一体化方法及系统，低成本模块化设计实现基于SIGSO卫星导航通信的功能；
本发明提供了一种终端与中心站之间通过扩频通信的方式，在中心站完成导航定位解算及实时通信的方法，在相关的领域有着十分重要的价值。
附图说明
图1为本发明一实施例的卫星导航通信终端的结构示意图；
图2为本发明一实施例的卫星导航通信中心站的结构示意图；
图3为本发明一实施例的卫星导航通信终端的通信方法流程示意图；
图4为本发明一实施例的卫星导航通信中心站的通信方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明在功能上实现基于通信卫星的转发式导航通信系统的控制系统，具有导航及实时低信息速率通信的系统控制功能，运用本发明专利可以实现转发式卫星导航通信一体化流程控制。
在一实施例中，提供一种卫星导航通信系统，包括终端、通信卫星转发器和中心站，
如图1所示，所述终端包括存储单元，异步收发传输器，调制解调器，射频组件和处理器，所述处理器发出指令导航信息帧或通信信息帧，经异步收发传输器传输至调制解调器进行调制，经调制后的指令导航信息帧或通信信息帧通过射频组件经通信卫星转发器发送至所述中心站；
所述射频组件还用于接收所述中心站发出的命令信号或通信信息帧，经调制解调器解调后，经异步收发传输器传输至处理器进行处理控制。
所述存储单元用于存储可供处理器调取的数据，例如扩频码、卫星频点、通信卫星转发器、功率档资源列表等。
如图2所示，所述中心站包括导航通信系统和射频组件，所述导航通信系统通过射频组件从通信卫星转发器接收所述终端发出的指令导航信息帧或通信信息帧，并对所述指令导航信息帧或通信信息帧进行解算得到终端初始位置和实时位置；
所述导航通信系统还用于为所述终端进行信道资源配置，并向所述终端发送含配置信息的命令或挂机命令，还用于向所述终端发送含终端实时位置信息的通信信息帧。
如图3-4所示，在一实施例中提供一种低信息速率的卫星导航通信系统的通信方法，包括如下步骤：
所述扩频码资源列表为建立扩频码、转发器、卫星频点、功率档资源列表，包括：
所述转发器资源列表为根据Gold扩频/测距码组数及特征，确定终端处理器的指令与扩频码之间的对应关系列表；
所述转发器资源列表为根据卫星转发器资源，建立卫星转发器的代码列表；
所述卫星频点资源列表为根据通信卫星频带的带宽，建立频带频点的代码列表，存储与控制系统之中；
所述功率档资源列表为根据系统要求的发射功率，建立发射功率档资源的代码列表；
所述的资源列表数据存储通过存储模块单元实现；
步骤S104,指令导航信息帧处理，包括：
步骤S1041，所述终端将呼叫ID(Identification)号(包括终端和中心站ID号)信息、时间信息(包括时间参数和时间改正模型参数)、导航定位信息、终端发射频点代码、测距扩频码指令、终端气压采集信息和32位循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check-32,CRC-32)校验数据组合而成的附有导航信息的指令导航信息帧，通过通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)，传输给调制器；
进一步所述的32位CRC校验码产生的规则是先将要发送的二进制序列数左移32位后，再除以一个多项式，最后所得到的余数既为CRC校验码，如式(1)所示，其中B(x)表示n位的二进制序列数，G(x)为多项式，Q(x)为整数，R(x)是余数(既CRC校验码)。
进一步所述的CRC-32校验生成多项式为：
G(x)＝x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1 (2)
其中，x的各幂次项与二进制数相对应。
步骤S1042，调制器将接收到指令数据信息帧进行扩频、调制、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者其他频段；
所述的指令导航信息帧采用短扩频码，利于快速捕获，并可引导后面的通信业务段跟踪，短扩频码采用地址数较多及易于实现的Gold码，码长1023chip，码速率采用1.023MHz；
进一步地，所述的调制方式采用频带利用率较高的QPSK，频带有效利用率能达到1.5bits/Hz，当然其余例如正交频分复用OFDM、二进制相移键控BPSK、二进制偏移载波调制BOC等调制方法也同样可以实现信息的传输；
进一步地，所述的QPSK正交I/Q之路的功率分配示例性的为1:9，为了确保在环境恶劣的条件下终端数据发送的可靠性，采取反馈功率自动调节控制技术和数据重发机制技术；
进一步地，所述的为了保证指令数据信息帧信号采样的不失真，对指令数据信息帧信号进行成型滤波处理，采用平方根升余弦滤波器处理，两个平方根升余弦函数相乘(相当于时域卷积)即可得到升余弦形式的合成的系统传输函数；
进一步地，所述的成型滤波器的输出转化为无符号型二进制数据后写入直接数字式频率综合器(Direct Digital Synthesizer,DDS)的可编程成型键控控制寄存器中，DDS将数字成型滤波转化为模拟成型滤波信号输出，获得具有中频频率的载波信号，将指令导航信息帧导航信息数据和指令信息数据调制到I之路(QPSK中的I/Q两条正交之路调制)上，I之路载波公式如式(3)所示；
其中，AN为扩频/测距码振幅，N(t)扩频/测距码，DN(t)为指令信息，fSN为指令信息载波频率，
为指令信息载波相位。
步骤S1043，L/C/Ku频段或者其他频段的载波信号通过抛物面天线、鞭状天线、平板天线等各种类型天线发送至卫星；
所述终端采用了伪随机码扩频技术，获得较好的增益，再者链路上的信息速率较低，一般小于100bps，本发明专利采用50bps的信息传输信道速率，天线尺寸可以比较小，抛物面天线可以做到25cm；
步骤S106，中心站对终端位置初解算及资源分配，包括：
步骤S1061，终端发射的I之路调制载波信息经过通信卫星转发至中心站，中心站导航通信系统(包括协议处理服务器、终端服务器、网管服务器)将I之路的信息解调、解扩之后，获得原始的发送信息，其中包括导航电文、时间信息、测距码信息以及通信终端ID号信息，通过解算获得所述终端至第i颗转发式卫星的伪距ρi以及通信主叫方呼叫被叫方的ID号、业务类型等信息。当中心站天线大于4面，转发式卫星大于4颗时，根据球面交汇方程可以解算出终端的初始位置坐标(x0u,y0u,z0u)以及终端时钟修正量tc，具体解算过程如下：
式中，
为终端到第i颗卫星的伪距测量值，(xi,yi,zi)为第i颗卫星位置坐标，(x0u,y0u,z0u)为终端初解算的位置坐标，c为光速，Δt1为终端钟差，Δt2为中心站钟差，(x0,y0,z0)为中心站的位置坐标，
中心站到第i颗卫星的伪距测量值，ρi为终端经转发式卫星转发到中心站的伪距测量值，ΔT为终端经过卫星转发至中心站的时间差，δΣ为终端经过卫星转发至中心站的误差总和，包括电离层误差、对流层误差、时钟误差，tsv为终端导航电文发射时刻的短扩频码相位时间，t为导航通信系统的中心站修正后的时间；
当i≥4时，通过方程组联立，利用最小二乘法或者方程组线性求解的方法可以解算出终端初解算的位置坐标(x0u,y0u,z0u)；
步骤S1062，所述中心站系统收到所述终端呼叫之后，根据指令导航信息帧判断通信模式以及需要多少信道资源，若信道资源足够，中心站向所述终端发送配置信息，若无信道资源(或信道资源不足)，向终端发送挂机命令，所述终端收到挂机命令后停止呼叫。配置中若要求更换卫星、转发器或频点，中心站配置帧发三遍。所述终端收到配置帧之后转移到所分配信道资源上重新呼叫；
所述的配置信息包括用户码、功率档、卫星编号、转发器编号、频点编号、终端位置(x0u,y0u,z0u)和终端时间修正量tc信息；
步骤S108，切换过渡帧处理，包括：
步骤S1081，所述终端收到所述中心站配置信息之后，发送过渡信息帧给所述中心站，此时所述终端采用的短扩频码仍然是公用的测距码；
步骤S1082，所述终端根据配置信息完成终端相关设备单元的配置，并显示自身的位置，使用长扩频码发送确认过渡信息至所述中心站，完成终端调制过程短扩频码到长扩频码的切换，所述中心站接收所述终端的确认过渡信息帧后，完成中心站解调过程短扩频码到长扩频码的切换；
步骤S1083，而后所述中心站向所述终端发送过渡信息帧，完成中心站调制过程短扩频码和长扩频码的切换，所述终端接收所述中心站发出的过渡信息帧，完成终端解调过程的短扩频码和长扩频码(用户测距码)的切换；长扩频码采用Gold码，码元长度4092chip，由两个12级m序列模二和运算产生，码速率采用10.23MHz。
步骤S110，终端业务通信信息帧处理，包括：
步骤S1101，所述终端进入业务通信状态，所述终端将所需发送的业务通信信息内容，包括语音数据、短信数据、报文数据、文件数据、图片数据等低信息速率要求的数据通过组帧发送给调制器；
所述的语音数据通过声音编码器模块获得，将声音编码器模块采样、编码获得的语音数据组合成系统所需的帧类型通过UART串口发送，示例性的低信息速率的语音编码速率为300bps、600bps、1200bps、2400bps；
进一步所述的短信数据、报文数据、文件数据、图片数据等通过人机交互界面输入、其他接口通信例如USB接口通信或者终端存储等方式获得，由于获取数据的方式是本领域内常规手段，在此不作赘述；
步骤S1102，业务通信状态下所述终端发送业务通信信息帧至调制器，调制器将接收到的业务通信信息进行扩频、调制、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者其他频段；
所述的业务通信数据进行CRC-32校验组帧；
进一步所述的带有CRC-32校验的业务通信信息帧采用长扩频码，扩频增益大，测距精度高，长扩频码采用Gold码，码元长度4092chip，由两个12级m序列模二和运算产生，码速率采用10.23MHz；
相应地，所述的调制方式采用频带利用率较高的QPSK，频带有效利用率能达到1.5bits/Hz；
进一步地，所述的QPSK正交I/Q之路的功率分配示例性的为1:9，为了确保在环境恶劣的条件下终端数据发送的可靠性，采取反馈功率自动调节控制技术和数据重发机制技术；
进一步地，所述的为了保证业务通信信息信号采样的不失真，对业务通信信息信号进行成型滤波处理，采用平方根升余弦滤波器处理，两个平方根升余弦函数相乘(相当于时域卷积)即可得到升余弦形式的合成的系统传输函数；
进一步地，所述的成型滤波器的输出转化为无符号型二进制数据后写入直接数字式频率综合器(Direct Digital Synthesizer,DDS)的可编程成型键控控制寄存器中，DDS将数字成型滤波转化为模拟成型滤波信号输出，获得具有中频频率的载波信号，将业务通信信息帧调制到Q之路(QPSK中的I/Q两条正交之路调制)上，Q之路载波公式如式(4)所示；
其中，AC为扩频/测距码振幅，C(t)扩频/测距码，DC(t)为业务通信信息，fSC为业务通信信息载波频率，
为业务通信信息载波相位。
进一步地，所述的低信息速率的信道速率为50bps～2400bps；
步骤S1103，L/C/Ku频段或者其他频段的载波信号通过抛物面天线、鞭状天线、平板天线等各种类型天线发送至卫星；
步骤S112，中心站对终端位置精解算及实时通信信息帧处理，所述包括：
所述的中心站通过Q之路长精码解算出来的伪距比I之路短码解算的伪距精度高，通过I之路解算获得的所述终端初始位置坐标(x0u,y0u,z0u)作为Q之路长精码伪距交汇方程的初始值，进行定位方程迭代求解，进一步获得精度更高的终端实时位置坐标(xu,yu,zu)，通过中心站到达终端的业务通信信息帧发送给终端，实现终端既可导航定位又可业务通信的导航通信一体化的功能。
定位方程迭代求解过程如下：
式中，
为终端到第i颗卫星的伪距测量值，(xi,yi,zi)为第i颗卫星位置坐标，(xu,yu,zu)为终端精解算的位置坐标，c为光速，Δt1为终端钟差，Δt2为中心站钟差，(x0,y0,z0)为中心站的位置坐标，
为中心站到第i颗卫星的伪距测量值，ρi为终端经转发式卫星转发到中心站的伪距测量值，ΔT为终端经过卫星转发至中心站的时间差，δΣ为终端经过卫星转发至中心站的误差总和，包括电离层误差、对流层误差、时钟误差，tsv为终端导航电文发射时刻的长扩频码相位时间，t为导航通信系统的中心站修正后的时间；
将上述方程组中的方程
在初解算的位置(x0u,y0u,z0u)处线性化处理为：
式中(αi,βi,γi)是终端初解算的位置指向第i颗卫星位置的单位矢量的方向余弦，(Δxu,Δyu,Δzu)是当前求解的终端位置坐标值与前次求解的位置坐标值之间的偏差，(Δρ1,Δρ2,Δρ3)是当前求解的终端位置对应的终端到通信卫星的伪距值与前次求解的终端位置相对应的终端到通信卫星的伪距值之间的误差；
初始设置Δzu＝0，由上式求得(Δxu,Δyu,Δt1)T，再由变量迭代求解得到(xu,yu)T＝(x0u,y0u)T+(Δxu,Δyu)T，将(xu,yu)T带入由初解算得到的位置(x0u,y0u,z0u)处对应的地球椭圆方程
求得zu，其中a为地球长半轴，a＝6378137，b为地球短半轴，b＝6356752.21414，两者均为常数，h由终端气压采集信息解算的高程值和初解算位置(x0u,y0u,z0u)对应的数字地图高程联合获得，根据Δzu＝z0u-zu作为下次迭代的值，重复上述计算直到(Δxu,Δyu,Δzu,Δt1)T小于误差可接受的微小量，迭代结束，获得精确的终端位置(xu,yu,zu)。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (19)
1.一种卫星导航通信终端的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立扩频码、卫星频点、转发器和功率档资源列表；
终端向外发送经第一调制后的指令导航信息帧，所述指令导航信息帧包括主叫和被叫ID号信息、包含时间参数和时间改正模型参数的时间信息、导航定位信息、终端发射频点代码、测距扩频码指令、终端气压采集信息和32位循环冗余校验数据，所述第一调制包括对所述指令导航信息帧进行第一扩频、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者非L/C/Ku频段的载波信号，所述第一扩频使用短扩频码；
响应一外部命令，若所述外部命令含资源配置信息则向外发送过渡信息帧并完成配置以进入业务通信状态，若所述外部命令为挂机命令，则停止发射指令导航信息帧；
进入业务通信状态后，向外发送经第二调制后的通信信息帧，并接收外部发出的含终端实时位置信息的通信信息帧，所述第二调制包括对所述通信信息帧进行第二扩频、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者非L/C/Ku频段的载波信号，所述第二扩频使用长扩频码。
2.根据权利要求1所述的终端的通信方法，其特征在于，包括：
所述扩频码资源列表为根据Gold扩频/测距码组数及特征，确定的终端处理器的指令与扩频码之间的对应关系列表；
所述转发器资源列表为根据通信卫星转发器资源，建立的卫星转发器的代码列表；
所述卫星频点资源列表为根据通信卫星频带的带宽，建立的频带频点的代码列表；
所述功率档资源列表为根据要求的发射功率，建立发射功率档资源的代码列表。
3.根据权利要求1所述的终端的通信方法，其特征在于，所述32位循环冗余校验生成多项式为：
G(x)＝x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1；
其中，x的各幂次项与二进制数相对应。
4.根据权利要求1所述的终端的通信方法，其特征在于，所述指令导航信息帧采用QPSK调制为I路信号，I/Q路的功率分配采用反馈功率自动调节控制技术和数据重发机制技术，I路载波公式如下：
其中，AN为扩频/测距码振幅，N(t)扩频/测距码，DN(t)为指令信息，fSN为指令信息载波频率，
为指令信息载波相位。
5.根据权利要求1所述的终端的通信方法，其特征在于，所述短扩频码采用Gold码，码长1023chip，码速率采用1.023MHz。
6.根据权利要求1所述的终端的通信方法，其特征在于，所述配置信息包括用户码、功率档、卫星编号、转发器编号、频点编号、终端位置和终端时间修正信息。
7.根据权利要求1所述的终端的通信方法，其特征在于，所述终端收到外部的配置信息后，向所述外部发送过渡信息帧；
当所述终端根据配置信息完成配置后，向外部发送含自身位置信息的确认过渡信息帧，完成终端调制过程短扩频码和长扩频码的切换，并接收来自外部的过渡信息帧，完成终端解调过程短扩频码和长扩频码的切换。
8.根据权利要求1所述的终端的通信方法，其特征在于，所述终端发送的所述通信信息帧包含32位循环冗余校验数据，采用QPSK调制为Q之路信号，I/Q路的功率分配采用反馈功率自动调节控制技术和数据重发机制技术，Q路载波公式如下：
其中，AC为扩频/测距码振幅，C(t)扩频/测距码，DC(t)为通信信息，fSC为通信信息载波频率，
为通信信息载波相位。
9.根据权利要求1所述的终端的通信方法，其特征在于，所述长扩频码采用Gold码，码元长度4092chip，由两个12级m序列模二和运算产生，码速率采用10.23MHz。
10.根据权利要求1所述的终端的通信方法，其特征在于，所述终端发送的所述通信信息包括语音数据、短信数据、报文数据、文件数据和/或图片数据；
所述的语音数据通过声音编码器模块获得，将声音编码器模块采样、编码获得的语音数据组合成系统所需的帧类型通过UART串口发送；
所述的短信数据、报文数据、文件数据和图片数据通过人机交互界面输入、USB接口通信、UART接口通信或者终端存储方式获得。
11.一种卫星导航通信的终端，其特征在于，包括：
存储单元，以存储扩频码、卫星频点、通信卫星转发器和功率档的资源列表；
异步收发传输器，传输附有导航信息的指令导航信息帧，以及通信信息帧；
调制解调器，对所述指令导航信息帧进行第一调制，对所述通信信息帧进行第二调制，以及对外部的配置信息、业务通信信息进行解调，其中所述第一调制包括对所述指令导航信息帧进行第一扩频、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者非L/C/Ku频段的载波信号，所述第一扩频使用短扩频码，所述第二调制包括对所述通信信息帧进行第二扩频、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者非L/C/Ku频段的载波信号，所述第二扩频使用长扩频码；
射频组件，用于发射经第一调制后的指令导航信息帧和经第二调制后的通信信息帧；
还用于接收外部配置信息帧后发送过渡信息帧，或者接收一挂机命令后停止呼叫；
还用于接收外部的命令信号；
还用于接收外部的含终端实时位置信息的通信信息帧；
处理器，根据所述外部命令信号进行处理控制：若所述外部命令含资源配置信息，则控制向外发送过渡信息帧；若所述外部命令含挂机命令，则控制停止发射附有指令导航信息帧。
12.一种卫星导航通信中心站的通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
响应外部的经第一调制的指令导航信息帧，对指令导航信息帧来源的终端位置初解算及资源分配，其中所述第一调制包括对所述指令导航信息帧进行第一扩频、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者非L/C/Ku频段的载波信号，所述第一扩频使用短扩频码；
接收外部的过渡信息帧；对外接收经第二调制的通信信息帧，其中所述第二调制包括对所述通信信息帧进行第二扩频、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者非L/C/Ku频段的载波信号，所述第二扩频使用长扩频码；
对通信信息帧来源的终端位置精解算，对外发送含终端实时位置信息的通信信息帧。
13.根据权利要求12所述的中心站的通信方法，其特征在于，
所述中心站对外部的指令导航信息帧解调、解扩之后，获得原始的发送信息，其中包括导航电文、时间信息、测距码信息以及终端和中心站ID号信息，通过解算获得终端至第i颗转发式卫星的伪距ρi以及终端和中心站的ID号、业务类型等信息，中心站天线大于4面，转发式卫星大于4颗时，根据球面交汇方程可以解算出终端的初始位置坐标(x0u,y0u,z0u)以及终端时钟修正量tc，解算过程如下：
式中，
为终端到第i颗卫星的伪距测量值，(xi,yi,zi)为第i颗卫星位置坐标，(x0u,y0u,z0u)为终端初解算的位置坐标，c为光速，Δt1为终端钟差，Δt2为中心站钟差，(x0,y0,z0)为中心站的位置坐标，
为中心站到第i颗卫星的伪距测量值，ρi为终端经转发式卫星转发到中心站的伪距测量值，ΔT为终端经过卫星转发至中心站的时间差，δΣ为终端经过卫星转发至中心站的误差总和，包括电离层误差、对流层误差、时钟误差，tsv为终端导航电文发射时刻的短扩频码相位时间，t为导航通信系统的中心站修正后的时间；
当i≥4时，通过方程组联立，利用最小二乘法或者方程组线性求解的方法可以解算出终端初解算的位置坐标(x0u,y0u,z0u)；
所述中心站根据指令导航信息帧判断通信模式以及需要多少信道资源，若信道资源足够，中心站向外部发送配置信息，若无信道资源或信道资源不足，向外部发送挂机命令；配置中若要求更换卫星、转发器或频点，则将配置信息帧发三遍；
所述的配置信息包括用户码、功率档、卫星编号、转发器编号、频点编号、终端位置(x0u,y0u,z0u)和终端时间修正量tc信息。
14.根据权利要求12所述的中心站的通信方法，其特征在于，所述中心站接收外部的确认过渡信息帧后，完成解调过程短扩频码和长扩频码的切换；所述中心站接收外部的确认过渡信息帧后，向外部发送过渡信息帧，完成中心站调制过程短扩频码和长扩频码的切换。
15.根据权利要求14所述的中心站的通信方法，其特征在于，
所述的中心站将通过短扩频码解算获得的终端初始位置坐标(x0u,y0u,z0u)作为长扩频码定位时伪距交汇测量方程的初始值，进行定位方程迭代求解，进一步获得精度更高的终端实时位置坐标(xu,yu,zu)，通过中心站到达终端的通信信息帧发送给终端，定位方程迭代求解过程如下：
式中，
为终端到第i颗卫星的伪距测量值，(xi,yi,zi)为第i颗卫星位置坐标，(xu,yu,zu)为终端精解算的位置坐标，c为光速，Δt1为终端钟差，Δt2为中心站钟差，(x0,y0,z0)为中心站的位置坐标，
为中心站到第i颗卫星的伪距测量值，ρi为终端经转发式卫星转发到中心站的伪距测量值，ΔT为终端经过卫星转发至中心站的时间差，δΣ为终端经过卫星转发至中心站的误差总和，包括电离层误差、对流层误差、时钟误差，tsv为终端导航电文发射时刻的长扩频码相位时间，t为导航通信系统的中心站修正后的时间；
将上述方程组中的方程
在初解算的位置(x0u,y0u,z0u)处线性化处理为：
式中(αi,βi,γi)是终端初解算的位置指向第i颗卫星位置的单位矢量的方向余弦，(Δxu,Δyu,Δzu)是当前求解的终端位置坐标值与前次求解的位置坐标值之间的偏差，(Δρ1,Δρ2,Δρ3)是当前求解的终端位置对应的终端到通信卫星的伪距值与前次求解的终端位置相对应的终端到通信卫星的伪距值之间的误差；
初始设置Δzu＝0，由上式求得(Δxu,Δyu,Δt1)T，再由变量迭代求解得到(xu,yu)T＝(x0u,y0u)T+(Δxu,Δyu)T，将(xu,yu)T带入由初解算得到的位置(x0u,y0u,z0u)处对应的地球椭圆方程
求得zu，其中a为地球长半轴，a＝6378137，b为地球短半轴，b＝6356752.21414，两者均为常数，h由终端气压采集信息解算的高程值和初解算位置(x0u,y0u,z0u)对应的数字地图高程联合获得，根据Δzu＝z0u-zu作为下次迭代的值，重复上述计算直到(Δxu,Δyu,Δzu,Δt1)T小于误差可接受的微小量，迭代结束，获得精确的终端位置(xu,yu,zu)。
16.一种卫星导航通信中心站，其特征在于，包括导航通信系统和射频组件，
所述导航通信系统用于通过射频组件经通信卫星转发器接收外部的经第一调制的指令导航信息帧，并对所述指令导航信息帧来源的终端初始位置进行解算，其中所述第一调制包括对所述指令导航信息帧进行第一扩频、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者非L/C/Ku频段的载波信号，所述第一扩频使用短扩频码；
还用于进行信道资源配置，并发送命令信号；
还用于接收外部的过渡信息帧和经第二调制的通信信息帧，并根据所述通信信息帧解算终端实时位置，其中所述第二调制包括对所述通信信息帧进行第二扩频、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者非L/C/Ku频段的载波信号，所述第二扩频使用长扩频码；
还用于向外部发送过渡信息帧和含终端实时位置信息的通信信息帧。
17.一种卫星导航通信系统的通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
在终端建立扩频码、卫星频点、通信卫星转发器、功率档资源列表；
所述终端对指令导航信息帧进行第一调制后向中心站发送，所述指令导航信息帧包括主叫和被叫ID号信息、包含时间参数和时间改正模型参数的时间信息、导航定位信息、终端发射频点代码、测距扩频码指令、终端气压采集信息和32位循环冗余校验数据，所述第一调制包括对所述指令导航信息帧进行第一扩频、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者非L/C/Ku频段的载波信号，所述第一扩频使用短扩频码；
中心站接收所述指令导航信息帧，并根据所述指令导航信息帧解算所述终端的初始位置，并判断通信模式和信道资源需求量，进行资源配置和向所述终端发送命令，若信道资源足够，则向所述终端发送的命令含资源配置信息，若信道资源不足，则向所述终端发送的命令为挂机命令；
所述终端接收中心站发出的命令，若所述命令含资源配置信息则向所述中心站发送过渡信息帧并完成配置以进入业务通信状态，若所述命令为挂机命令，则停止发射附有导航信息的指令导航信息帧；
所述终端进入业务通信状态后，将通信信息帧经第二调制后向中心站发送，所述第二调制包括对所述通信信息帧进行第二扩频、成型滤波处理、变频放大至L/C/Ku频段或者非L/C/Ku频段的载波信号，所述第二扩频使用长扩频码；
所述中心站接收所述通信信息帧，并根据所述通信信息帧对终端位置精解算，并将向所述终端发送含终端实时位置信息的通信信息帧。
18.根据权利要求17所述系统的通信方法，其特征在于，当所述终端收到所述中心站的配置信息之后，向所述中心站发送过渡信息帧；当所述终端完成相应配置后，发送含自身位置信息的确认过渡信息帧至所述中心站，完成终端调制过程以及中心站解调过程短扩频码到长扩频码的切换；所述中心站接收所述确认过渡信息帧后再发出过渡信息帧至所述终端，完成中心站调制过程以及终端解调过程的短扩频码和长扩频码的切换。
19.一种卫星导航通信系统，其特征在于，包括终端、通信卫星转发器和中心站，
所述终端包括存储单元，以存储扩频码、卫星频点、通信卫星转发器和功率档的资源列表；
异步收发传输器，将处理器发送的附有导航信息的指令导航信息帧传输至调制解调器；
调制解调器，对所述指令导航信息帧进行调制，以及对外部的配置信息、业务通信信息进行解调；
射频组件，用于发射经调制后的指令导航信息帧和通信信息帧；
还用于在接收所述中心站发出的配置信息帧后发送过渡信息帧，或者接收一挂机命令后停止呼叫；
还用于接收所述中心站的命令信号；
处理器，根据所述命令信号进行处理控制：所述命令含资源配置信息，则控制向外发送过渡信息帧；若所述命令含挂机命令，则控制停止发射附有指令导航信息帧；
所述中心站包括导航通信系统和射频组件，
所述导航通信系统用于通过射频组件经通信卫星转发器接收所述终端的指令导航信息帧，并对所述指令导航信息帧来源的终端初始位置进行解算；
还用于进行信道资源配置，并发送命令信号；
还用于接收所述终端的过渡信息帧和通信信息帧，并根据所述通信信息帧解算终端实时位置；
还用于向所述终端发送过渡信息帧和含终端实时位置信息的通信信息帧。
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| GR01 | Patent grant | ||
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