CN109061677B - 利用低轨卫星进行星基导航增强的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用低轨卫星进行星基导航增强的方法，包括以下步骤：步骤一：通过互联网获取IGS精密星历星钟数据、GNSS系统完好性预警数据、电离层改正参数等，地面站通过上注通道将数据上注至低轨导航增强卫星；步骤二：完成在轨实时高精度定位及高精度授时；步骤三：低轨导航增强卫星对自身轨道参数、上注的IGS精密数据、电离层改进数据等进行下发电文内容编排；步骤四：地面高精度接收机接收GNSS信号以及低轨卫星导航信号，进行高精度导航定位。本发明通过地面上注IGS精密星历数据结合高精度动力学模型实现星上的实时高精度定轨与对地面用户的导航增强。

Description

利用低轨卫星进行星基导航增强的方法

技术领域

本发明涉及卫星领域，具体地，涉及一种利用低轨卫星进行星基导航增强的方法。

背景技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)，特别是美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲Galileo系统和中国北斗系统，已在全球实现了广泛应用，为各领域用户提供导航定位服务。但随着应用推广，当前高精度测绘、精密农业、交通物流运输、航空管理等领域对导航定位精度、可用性、完好性要求越来越高，传统GNSS系统已不能满足需求。

目前导航增强技术包括利用高轨卫星(GEO)星基增强技术和利用地面基准站的地基增强技术。

高轨卫星星基增强系统利用高轨GEO通信卫星转发差分增强信息，实现对定位精度、完好性、可用性的增强。国内外广域差分增强系统主要包括美国的WAAS系统、欧洲的EGNOS系统、日本的MSAS系统、俄罗斯的SDCM系统、印度的GAGAN系统。但当前GEO星基增强系统主要进行信息增强，不进行信号增强，增强后地面定位精度一般达到1m～3m，若想达到分米级精密单点定位，则需30分钟以上持续观测，收敛速度慢；另外GEO星基增强只能服务南北维75度，不能进行全球增强。

地基增强系统主要通过建设地基基准站，接收机与基准站间通过载波差分技术、伪距差分技术、伪卫星技术等实现高精度导航增强定位。包括利用载波差分技术的永久性连续运行参考站系统(CORS)、利用局域载波相位差分技术的陆地机场专用LAAS系统(LocalArea Augmentation System)和舰载JPALS系统(Joint Precision Approach and LandingSystem)、利用局域伪距差分技术的RBN-DGPS系统等。但地基增强系统不能解决广域性增强，不能覆盖海洋，单个基准站覆盖服务周边20km～40km，建立覆盖全国甚至全球的地基增强系统系统庞大，建设成本大。

发明内容

针对现有技术中的局限，本发明的目的是提供一种利用低轨卫星进行星基导航增强的方法，其提出利用LEO卫星进行星基导航增强，来提高高精度测绘、精密农业等领域导航接收机的定位精度、可用性、完好性、收敛速度。

根据本发明的一个方面，提供一种利用低轨卫星进行星基导航增强的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过互联网获取IGS精密星历星钟数据、GNSS系统完好性预警数据、电离层改正参数等，地面站通过上注通道将数据上注至低轨导航增强卫星；

步骤二：低轨导航增强卫星通过星载双频高精度GNSS接收机接收GNSS信号，结合地面上注的IGS精密星历星钟数据以及高精度动力学模型，完成在轨实时高精度定位，得到低轨导航卫星自身的位置速度时间数据，完成高精度定轨及时间同步；

步骤三：低轨导航增强卫星对自身轨道参数、上注的IGS精密星历数据、IGS精密钟差数据、电离层改进数据等进行下发电文内容编排，然后进行编码、调制，然后导航信号下发；

步骤四：地面高精度接收机接收GNSS信号以及LEO导航信号，进行高精度导航定位。

优选地，所述步骤一包括以下步骤：

步骤十一：首先从国际GNSS服务组织获取精密星历星钟等数据；

步骤十二：通过地面上注站上注通道上注数据至低轨导航卫星。

优选地，步骤二包括以下步骤：

步骤二十一：星载高精度GNSS接收机实现在轨高动态下的信号接收，完成导航电文提取，得到双频测码伪距、测相伪距原始观测数据；

步骤二十二：对原始观测数据进行误差修正；

步骤二十三：对原始测相伪距数据进行数据预处理，包括进行周跳的探测和修复、粗差的探测和剔除；

步骤二十四：通过低轨卫星在轨动力学模型和GNSS观测数据建立卡尔曼滤波器的状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波解算，得到低轨卫星的PVT。

优选地，所述步骤三包括以下步骤：

步骤三十一：制定低轨卫星下发导航电文数据速率；根据微纳卫星平台能力、星上发射功率能力、星载发射天线增益，尽量保证地面高精度GNSS终端设备硬件不改动前提下，考虑微纳卫星平台能力，选择合适的下发信息速率；

步骤三十二：编排下发电文内容；下发电文内容包括低轨卫星自身PVT以及轨道信息，上注的IGS精密数据、完好性数据；

步骤三十三：对下发电文数据进行编码，制定伪随机噪声码，然后进行直接序列扩频，然后通过发射机放大下发。

优选地，所述步骤四包括以下步骤：

步骤四十一：地面高精度GNSS接收机实现在轨高动态下的信号接收，完成导航电文提取，得到双频测码伪距、测相伪距原始观测数据；

步骤四十二：对原始观测数据进行误差修正；与星上高精度定位误差修正不同的是：地面进行误差修正需要多考虑对流层误差、固体潮误差两项；轨道误差和星钟误差使用LEO转发下来的IGS精密电文钟差数据进行修正，其他误差同星上类似采用模型修正；

步骤四十三：对原始测相伪距数据进行数据预处理，包括进行周跳的探测和修复、粗差的探测和剔除；因为接收机接收信号中可能存在障碍物遮挡导航信号中断、高动态下周围电离层剧烈变化等各种因素，接收机进行载波相位测量时锁相环出现失锁，将会导致测相伪距出现周跳或者粗差，需通过应用M-W组合和Geometry-free组合方法对周跳进行探测和修复，对粗差进行剔除；

步骤四十四：通过GNSS观测数据建立卡尔曼滤波器的状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波解算，得到地面用户终端的高精度定位结果。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)利用低轨卫星与地面用户相对运动快特点，结合下发一路导航信号实现对地面用户信息、信号综合增强，可提高地面用户进行精密单店定位的收敛速度。

(2)本方法以当前成熟星载小型化GNSS接收机为基础，利用本方法研制小型化星载导航增强载荷，利用我国低轨星座发展契机，实现载荷搭载发射，可实现对全球全实时覆盖，可弥补地基导航增强系统、GEO星基导航增强系统服务覆盖区域不足的缺点。

(3)本发明下发一路包含自身PVT以及IGS精密星历信息的导航信号，可提高地面用户几何构型，提高用户对导航系统的可用性监测、完好性监测。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1利用低轨卫星进行星基导航增强的系统框图；

图2为低轨卫星实时高精度定轨流程图；

图3为地面用户进行快速精密单点定位流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。

如图1至图3所示，本发明利用低轨卫星进行星基导航增强的方法包括以下步骤：

步骤一：通过互联网获取IGS精密星历星钟数据、GNSS系统完好性预警数据、电离层改正参数等，地面站通过上注通道将数据上注至低轨导航增强卫星；

步骤二：低轨导航增强卫星通过星载双频高精度GNSS接收机接收GNSS信号，结合地面上注的IGS精密星历星钟数据以及高精度动力学模型，完成在轨实时高精度定位，得到低轨导航卫星自身的位置速度时间(PVT)数据，完成高精度定轨及时间同步；

步骤三：低轨导航增强卫星对自身轨道参数、上注的IGS精密星历数据、IGS精密钟差数据、电离层改进数据等进行下发电文内容编排，然后进行编码、调制，然后导航信号下发；

步骤四：地面高精度接收机接收GNSS信号以及LEO导航信号，进行高精度导航定位，进行完好性、可用性增强。

所述步骤一包括以下步骤：

步骤十一：首先从国际GNSS服务组织获取精密星历星钟等数据；

步骤十二：通过地面上注站上注通道上注数据至低轨导航卫星。IGS是国际大地测量协会组建的一个国际协作组织，IGS主要是综合全球所有的GPS监控站对GPS卫星的监控信息，经过综合、分析后通过互联网发布很多不同采用间隔的精密轨道产品和精密钟差产品，为全球各种用户提供产品服务，本方法所用到的轨道钟差产品是实时IGS精密数据流产品，可用性信息来自超快速预报星历，实时精密数据流轨道精度优于5cm，星钟精度优于3ns，其中轨道信息每隔60s发布一组，钟差信息每隔10s发布一组，实时轨道偏差信息参考坐标系为轨道坐标系，导航定位一般在地心地固系下进行，因此需要用转换公式转换至WGS84地心地固系下。

所述步骤十一从国际GNSS服务组织获取精密星历星钟从轨道坐标系转换到地心地固系的公式为如式(1)至(2)：

δX＝[e_radial e_along e_cross]δO……(1)

式中，δO为精密星历中直接给出的GPS卫星轨道修正量，δX为转换到WGS84坐标系下的GPS轨道修正量；e_along,e_cross,e_radial分别为转换矩阵的三个轴向量；r＝X_broadcast为根据广播星历计算得来的GPS卫星位置向量；

为根据广播星历计算得出的GPS卫星的速度向量。

地面站通过遥控或者专门上注通道上注精密数据至星上，根据上行数据量、频率申请情况、不同轨道高度低轨卫星一次见站时间等因素，选择确定上行频率、数据上注速率。

步骤二包括以下步骤：

步骤二十一：星载高精度GNSS接收机实现在轨高动态下的信号接收，完成导航电文提取，得到双频测码伪距、测相伪距原始观测数据。可建立如下四个基本观测方程，如式(3)至(6)：

式中，ρ为卫星到接收机之间的几何距离，c为真空中的光速；

为载波相位观测值；Φ₁、Φ₂为测相伪距；P₁、P₂为P码伪距观测值；δt_s是GPS卫星内部的时钟在信号发射时刻t_s与GPS标准时间之间的差值；δt_r是接收机钟差，它的定义是在信号接收时刻接收机时间相对于GPS时间的时间差；

是电离层延迟误差；N₁为L₁载波相位整周模糊度；N₂为L₂载波相位整周模糊度；ε为其他需要考虑的误差，典型的如星载GPS接收机天线相位中心误差、相对论效应误差等。

步骤二十二：对原始观测数据进行误差修正；除了信号本身的测量误差，观测数据还有一些传播过程中产生的系统误差，主要包括导航卫星的轨道误差以及星钟误差修正、电离层误差修正、相对论效应修正、天线相位中心误差修正。其中轨道误差和星钟误差使用上注的IGS精密电文钟差数据进行修正，其他误差采用模型修正。

步骤二十三：对原始测相伪距数据进行数据预处理，包括进行周跳的探测和修复、粗差的探测和剔除；因为接收机接收信号中可能存在障碍物遮挡导航信号中断、高动态下周围电离层剧烈变化等各种因素，接收机进行载波相位测量时锁相环出现失锁，将会导致测相伪距出现周跳或者粗差，需通过应用M-W组合和Geometry-free组合方法对周跳进行探测和修复，对粗差进行剔除。

步骤二十四：通过低轨卫星在轨动力学模型和GNSS观测数据建立卡尔曼滤波器的状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波解算，得到低轨卫星的PVT。

所述步骤三包括以下步骤：

步骤三十一：制定低轨卫星下发导航电文数据速率；根据微纳卫星平台能力、星上发射功率能力、星载发射天线增益，尽量保证地面高精度GNSS终端设备硬件不改动前提下，考虑微纳卫星平台能力，选择合适的下发信息速率。

步骤三十二：编排下发电文内容；下发电文内容包括低轨卫星自身PVT以及轨道信息，上注的IGS精密数据、完好性数据等。

步骤三十三：对下发电文数据进行编码，制定伪随机噪声(PRN)码，然后进行直接序列扩频(DSSS)，然后通过发射机放大下发。

所述步骤四包括以下步骤：

步骤四十一：地面高精度GNSS接收机实现在轨高动态下的信号接收，完成导航电文提取，得到双频测码伪距、测相伪距原始观测数据。

步骤四十二：对原始观测数据进行误差修正；与星上高精度定位误差修正不同的是：地面进行误差修正需要多考虑对流层误差、固体潮误差两项。轨道误差和星钟误差使用低轨道卫星(Low Earth Obrit satelite)转发下来的IGS精密电文钟差数据进行修正，其他误差同星上类似采用模型修正。

步骤四十三：对原始测相伪距数据进行数据预处理，包括进行周跳的探测和修复、粗差的探测和剔除；因为接收机接收信号中可能存在障碍物遮挡导航信号中断、高动态下周围电离层剧烈变化等各种因素，接收机进行载波相位测量时锁相环出现失锁，将会导致测相伪距出现周跳或者粗差，需通过应用M-W组合和Geometry-free组合方法对周跳进行探测和修复，对粗差进行剔除。

步骤四十四：通过GNSS观测数据建立卡尔曼滤波器的状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波解算，得到地面用户终端的高精度定位结果。

本发明通过搭载部署一个低轨导航增强星座后，对全球地面用户的导航可用性有较大提高，低纬度地区用户可见导航星数增加两颗以上，高纬度地区用户可见导航星数增加4-8颗，改善导航系统可用性，对用户定位的GDOP值有较好改善，相应提高定位精度。

本发明通过地面上注IGS精密星历数据结合高精度动力学模型实现星上的实时高精度定轨与时间同步。低轨卫星发送一路类GPS的直接序列扩频导航信号，实现对地面用户的信息信号综合增强，实现定位精度、完好性、可用性的提高。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种利用低轨卫星进行星基导航增强的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过互联网获取IGS精密星历星钟数据、GNSS系统完好性预警数据、电离层改正参数等，地面站通过上注通道将数据上注至低轨导航增强卫星；

步骤二：低轨导航增强卫星通过星载双频高精度GNSS接收机接收GNSS信号，结合地面上注的IGS精密星历星钟数据以及高精度动力学模型，完成在轨实时高精度定位，得到低轨导航卫星自身的位置速度时间数据，完成高精度定轨及时间同步；

步骤三：低轨导航增强卫星对自身轨道参数、上注的IGS精密星历数据、IGS精密钟差数据、电离层改进数据等进行下发电文内容编排，然后进行编码、调制，然后导航信号下发；

步骤四：地面高精度接收机接收GNSS信号以及LEO导航信号，进行高精度导航定位；

步骤二包括以下步骤：

步骤二十一：星载高精度GNSS接收机实现在轨高动态下的信号接收，完成导航电文提取，得到双频测码伪距、测相伪距原始观测数据；

步骤二十二：对原始观测数据进行误差修正；

步骤二十三：对原始测相伪距数据进行数据预处理，包括进行周跳的探测和修复、粗差的探测和剔除；

步骤二十四：通过低轨卫星在轨动力学模型和GNSS观测数据建立卡尔曼滤波器的状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波解算，得到低轨卫星的PVT。

2.根据权利要求1所述的利用低轨卫星进行星基导航增强的方法，其特征在于，所述步骤一包括以下步骤：

步骤十一：首先从国际GNSS服务组织获取精密星历星钟等数据；

步骤十二：通过地面上注站上注通道上注数据至低轨导航卫星。

3.根据权利要求1所述的利用低轨卫星进行星基导航增强的方法，其特征在于，所述步骤三包括以下步骤：

步骤三十一：制定低轨卫星下发导航电文数据速率；根据微纳卫星平台能力、星上发射功率能力、星载发射天线增益，尽量保证地面高精度GNSS终端设备硬件不改动前提下，考虑微纳卫星平台能力，选择合适的下发信息速率；

步骤三十二：编排下发电文内容；下发电文内容包括低轨卫星自身PVT以及轨道信息，上注的IGS精密数据、完好性数据；

步骤三十三：对下发电文数据进行编码，制定伪随机噪声码，然后进行直接序列扩频，然后通过发射机放大下发。

4.根据权利要求1所述的利用低轨卫星进行星基导航增强的方法，其特征在于，所述步骤四包括以下步骤：

步骤四十一：地面高精度GNSS接收机实现在轨高动态下的信号接收，完成导航电文提取，得到双频测码伪距、测相伪距原始观测数据；

步骤四十二：对原始观测数据进行误差修正；与星上高精度定位误差修正不同的是：地面进行误差修正需要多考虑对流层误差、固体潮误差两项；轨道误差和星钟误差使用LEO转发下来的IGS精密电文钟差数据进行修正，其他误差同星上类似采用模型修正；

步骤四十三：对原始测相伪距数据进行数据预处理，包括进行周跳的探测和修复、粗差的探测和剔除；因为接收机接收信号中可能存在障碍物遮挡导航信号中断、高动态下周围电离层剧烈变化等各种因素，接收机进行载波相位测量时锁相环出现失锁，将会导致测相伪距出现周跳或者粗差，需通过应用M-W组合和Geometry-free组合方法对周跳进行探测和修复，对粗差进行剔除；

步骤四十四：通过GNSS观测数据建立卡尔曼滤波器的状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波解算，得到地面用户终端的高精度定位结果。

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