CN109343087A - 一种监测跟踪卫星导航系统的卫星星座的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于卫星导航领域，具体涉及一种监测跟踪卫星导航系统的卫星星座的系统。该系统包括至少一个部署于陆地的监测站，以接收卫星星座的卫星发射的导航信号，获得导航电文和观测数据；至少一个动态监测站，这样的监测站部署于低于所述卫星星座高度的任意空间位置，优选地，部署于海洋上，以接收所述卫星星座的卫星发射的导航信号，获得导航电文、观测数据和其他环境数据；至少一个控制中心，控制所述监测站和接收监测站获得的监测数据，生成导航数据并将其发送给用户。本系统用来监测跟踪例如GPS、或Galileo类型的卫星导航系统的卫星星座，以提供卫星导航系统的用户进行定位测速授时所需的导航数据，包括轨道、钟差、电离层改正信息和完好性信息。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航领域，具体涉及一种监测跟踪卫星导航系统的卫星星座的系统。
背景技术
众所周知，全球或区域卫星导航系统(如GPS、Galileo、GLONASS、BDS-2/3、QZSS等)由包括部署在地面的运行控制中心、监测站和运行在地球轨道上的若干卫星构成。常见的导航卫星轨道包括MEO(高度约20000km)、GEO和IGSO(高度约36000km)轨道，也可以是其他高度的轨道。每一颗所述卫星都搭载有高稳定性和精度的原子钟，以及向用户发送导航信号的导航信号设备，所述导航信号包括用户接收机可进行测量的测距码(通常为伪随机码)和射频载波以及用户确定位置速度和时间所需的导航电文导航电文。用户接收机同时对四颗以上所述卫星进行观测就可实现定位测速或授时。所述导航电文信息包括用户进行定位测速授时所需的卫星轨道和时钟偏差(钟差)信息，通常还包括电离层改正信息。这些信息通常由所述运行控制中心收集多个监测站(装备有高性能用户接收机)所获得的观测数据(包括码伪距和载波相位)，通过精确建模和参数估计确定出卫星的轨道和钟差，以及电离层改正信息，并进行预报后上注到所述卫星。控制中心还通过将多个监测站接收的导航电文和观测数据与准确已知的坐标进行比较，通过基本统计运算，识别出可能存在的信号故障的一个或多个卫星。所述信号故障，可能是广播轨道和钟差包含过大的误差，或者导航信号设备的异常。
已知通常专门用于卫星导航系统的监测站建立在陆地上。在建设时，通过必要的措施使其与地球固联在一起，例如架设天线的观测墩通常向下延伸并连接到基岩上。这样的监测站可以认为相对于地球是静止不动的，通常被称为静态监测站。为了实现对所述卫星星座的全弧段监测跟踪，以便及时监测卫星可能的故障和获得足够精确的轨道、钟差和电离层改正信息，需要广泛布设监测站。例如GPS、Galileo系统的监测站部署于全球各大洲(除了南极洲外)，以使每颗上述卫星在尽可能长的时间内被尽可能多的监测站观测到。由于涉及各国领土和主权问题，要在陆地上某一位置建设所述监测站，必须获得所在国家的授权并获得一定的安全保障和承诺。这并不容易，因此，很常见的是，许多国家的卫星导航系统只能在所属国国内建设所述监测站，监测站的分布范围受到于所属国家国土面积的限制。例如，中国的卫星导航系统：北斗二号(BDS-2)、三号(BDS-3)的监测站只建立在中国领土之内，对MEO卫星的监测跟踪弧段平均不超过35％。下文将卫星导航系统用户进行定位测速授时所需的卫星轨道、钟差、电离层改正信息及完好性信息称为导航数据，在导航卫星系统中，这一导航数据同所述导航卫星播发的导航电文中最重要的信息。
发明内容
本发明的目的是弥补上述弊端。本发明设计一种监测跟踪系统，用来监测跟踪例如GPS、GLONASS、BDS或Galileo类型的卫星导航系统的卫星星座。以提供卫星导航系统的用户进行定位测速授时所需的导航数据，包括轨道、钟差、电离层改正信息和完好性信息。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种监测跟踪卫星导航系统的卫星星座的系统(下文简称监测跟踪系统)，包括：
至少一个静态监测站，这样的监测站，部署于地球的陆地，以接收所述卫星星座的卫星发射的导航信号，获得监测数据，所述监测数据至少包括导航电文和观测数据，可选地包括其它环境数据，如气象数据。
至少一个动态监测站，这样的监测站部署于低于所述卫星星座的高度的任意空间位置，优选地，部署于地球的海洋上，以接收所述卫星星座的卫星发射的导航信号，获得监测数据，其中至少包括导航电文和观测数据，可选地包括其它环境数据，如气象数据。
至少一个安置在地球上的控制中心，控制所述监测站和接收监测站获得的监测数据，生成导航数据，包括轨道、钟差、电离层改正信息和完好性信息，并将这样的导航数据发送给用户；
所述控制中心与两类监测站之间的数据传输链路基于常用的技术，如有限网络、无线网络或卫星通信。
进一步的，所述控制中心，至少包括如下装置：
第一装置用于分别通过链路L1和链路L2遥控静态监测站和动态监测站；
第二装置用于分别通过链路L1和链路L2接收静态监测站和动态监测站的监测数据；
第三装置用于处理接收到的监测数据生成导航数据；
第四装置用于向用户发送这样的导航数据。
进一步的，所述控制中心的第三装置用于生成导航数据，具有如下单元：
第一单元，根据监测数据生成卫星轨道和钟差信息，可选地进行预报；
第二单元，根据监测数据采用已知的方法生成电离层改正信息，其中在计算电离层改正信息时所需要的监测站的坐标可由上述第一单元提供，也可以利用导航电文和双频码伪距观测数据通过单点定位计算得到；所需要的卫星位置可以利用导航电文中的广播轨道计算，也可以由上述第一单元提供；
第三单元，根据监测数据生成完好性信息。生成完好性信息仅使用监测站获得的监测数据。首先对每个监测站的数据采用已知的接收机自主完好性监测(RAIM)算法识别出对于该监测站为不可用的卫星，如果任意一颗所述卫星星座的卫星被多个监测站识别为不可用，则将该卫星识别为故障卫星。
更进一步的，所述第一单元根据监测数据生成卫星轨道和钟差信息，同时解算每个所述卫星的轨道和钟差、每个动态监测站每个测量时刻的坐标。
根据本发明：该所述静态监测站和动态监测站至少包括如下装置：
至少一个接收机，通过相关联的天线接收所述卫星星座的卫星发射的导航信号，解析出导航电文并获得观测数据，所述观测数据至少包括两个频点的码伪距和载波相位。
至少一个通信装置，可选地借助于相关联的天线，向控制中心发送监测数据和接收控制中心遥控指令。
在一个优选的实施方式中，所述监测跟踪系统包括如上文所述多个静态监测站和动态监测站。
在一个优选的实施方式中，其中至少一个，优选地多个静态监测站具有已知的准确坐标，以提供空间基准。
优选的，至少一个监测站，优选地至少一个静态监测站具有高稳定性的原子时钟，以提供时间基准。
优选的，每一个监测站还可选地具有如下设备：
接收天线。天线被合理安装以避免所述卫星星座的卫星发射的导航信号被监测站自身结构或环境折射、反射或衍射产生多径效应。为此，如果需要，这样的天线可以配备常用的电磁屏蔽板(未示出)用来消除天线周围可能出现的非直射信号。
一个或多个接收机及其关联天线。
高稳定性的原子钟。
通信装置及其天线，其运行频率与导航信号不同以尽量减少对导航信号的干扰。
任何监测站常用装置和功能组，尤其是用于：供应需要的电力、测定气象参数和为监测站提供合理保护的装置。
优选的，所述动态监测站为漂浮于海上的浮标，所述浮标足以承载动态监测站所有设备并不至于让这些设备淹没于水中，且具有常用浮标的功能，包括：防倾倒，防侵蚀，防附着生物，水密装置以供放置有关设备。优选地，包括一个支撑装置以使与接收机关联的天线能够高于海水面，并且具有水平装置，使得天线接收面朝向天顶且安装面保持水平，具有防护罩避免海水、风浪对天线的破坏。以及电池波屏蔽板以放置不期望的信号传播进入天线。优选的所述浮标为锚泊浮标，锚泊在指定的位置，避免大范围漂移。
更近一步，有利的，所属控制中心，进一步包括用于在所述导航数据被发射给用户之前对其进行编码的装置。
本发明的有益效果包括：所述监测跟踪系统的监测站包括静态和动态监测站，而动态监测站可以部署于任何的载体上。地球表面的总面积约为5.1亿平方公里，其中陆地和海洋的面积分别为1.49和3.6亿平方公里，所占比例分别为29.2％和70.8％。按照《联合国海洋法公约》规定，扣除各国内水、领海、群岛水域和专属经济区以外的全部海域，称为公海。公海对所有国家开放，不论是沿海国或内陆国，都有在公海上从事国际法所不禁止的活动的自由。其中包括建设自由：建设国际法所容许的人工岛屿和其他设施的自由。因此，根据本发明，可充分利用国际法关于公海的无主权约定，通过浮标将动态监测站部署于国际公海，这样可以实现监测站在全球较合理地分布，达到对所述卫星星座全弧段连续监测跟踪的目的。建设这样的跟踪监测系统不受地球陆地面积的限制，任何国家，无论国土面积大小，只要具备技术和经济能力，就可建设所述监测跟踪系统。本发明的优越性还体现在：所述控制中心在生成导航数据时，不需要事先或采用额外的技术(包括所监测跟踪的卫星星座之外的其他卫星导航系统的卫星)确定动态监测站位置。因此所述监测跟踪系统可以独立运行。所述监测跟踪系统可以作为卫星导航系统的一部份，也可以独立于系统之外提供增强服务(当然要借助所述卫星星座播发的导航信号)。本方面的优越性还表现在，所述动态监测站的监测数据，可同时用于确定所述卫星的轨道、钟差，解算电离层改正信息，生成完好性信息。
附图说明
附图的图将更好地诠释如何实施本发明。在这些图中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1示意地显示了根据本发明的监测跟踪系统的结构。
图2示意地显示了根据本发明的所述控制中心的结构。
图3示意地显示了根据本发明所述控制中心装置5的结构。
图4示意地显示了根据本发明所述监测站的结构图。
图5示意地显示了本发明实施例中，静态监测站、动态监测站和控制中心的位置分布。
具体实施方式
根据本发明，本实施例中，如图1所示意结构的监测跟踪系统1，用于监测跟踪类似于GPS、GLONASS、Galileo、BDS-3、QZSS、BDS-2、NAVIC的全球或区域卫星导航系统，以及类似于EGNOS、WAAS的增强系统的卫星星座2。所述卫星星座2包括位于卫星轨道O1的多颗卫星S1(如北斗三号系统的卫星星座的卫星数可能会超过30颗)，所述轨道通常为MEO轨道、GEO轨道或IGSO轨道、也可以是LEO轨道。
本发明的监测跟踪系统1用来监测跟踪所述卫星星座2的卫星S1发射的导航信号，以提供卫星导航系统的用户进行定位测速授时所需的导航数据，包括轨道、钟差、电离层改正信息和完好性信息。
根据本发明，为实现上述目的，所述监测跟踪系统1包括：
1.多个部署于陆地(如中国境内)的静态监测站M1(如图5五角形所示，共6个)，用于接收所述卫星星座2的卫星S1发射的导航信号，获得监测数据，其中至少包括导航电文和观测数据，可选地包括其它环境数据，如气象数据。
2.多个部署于国际公海的动态监测站M2(如图5三角形所示，共15个)，用于接收所述卫星星座2的卫星S1发射的导航信号，获得监测数据，其中至少包括导航电文和观测数据，可选地包括其它环境数据，如气象数据。
3.一个控制中心C1(如建于中国西安)，控制所述监测站M1和M2，接收监测站获得的监测数据，生成导航数据，包括轨道、钟差、电离层改正信息和完好性信息，并将这样的导航数据发送给用户。控制中心与监测站之间的数据传输链路L1和L2基于常用的技术，如有限网络、无线网络或卫星通信。
因此该监测跟踪系统1能够独立地生成用户定位测速授时所需的轨道、钟差和电离层改正信息，以及帮助用户识别故障卫星的完好性信息。卫星导航系统的用户可以利用这样的轨道、钟差和电离层改正信息并可以忽略完好性信息中标识的卫星星座2中存在故障风险的卫星进行定位测速授时。
根据本发明，所述控制中心C1，包括如下装置：
●装置3，分别通过链路L1和链路L2遥控静态监测站M1和动态监测站M2。
●装置4，分别通过链路L1和链路L2接收静态监测站M1和动态监测站M2的监测数据。
●装置5，通过处理接收到的监测数据生成导航数据。
●装置6，用于向用户发送所述导航数据。
其中，监测站的监测数据包括至少两个频点的伪距和载波相位观测数据以及导航电文。链路L1可以采用有线通信网络(如电信专线)或无线通信网络；链路L2采用卫星通信。
根据本发明，所述控制中心C1的装置5用于生成导航电文，具有如下单元：
●单元7：根据监测数据生成卫星轨道和钟差信息，并进行轨道和钟差预报。
●单元8：根据监测数据采用已知的方法生成电离层改正信息，其中在计算电离层改正信息时所需要的监测站的坐标利用导航电文和双频码伪距观测数据通过单点定位计算得到；所需要的卫星轨道采用导航电文中的广播轨道计算得到。
●单元9：根据监测数据生成完好性信息。生成完好性信息仅使用监测站的监测数据。首先对每个监测站的数据采用已知的接收机自主完好性监测(RAIM)算法识别出对于该监测站为不可用的卫星，如果任意一颗所述卫星星座2的卫星S1被超过例如3个以上的监测站识别为不可用，则将该卫星识别为故障卫星。
其中，第一单元根据监测数据生成卫星轨道和钟差信息，需要同时确定每个所述卫星的轨道和钟差、每个动态监测站每个测量时刻的坐标。这其实是一个参数估计的过程，可以用公式表示如下：
L＝F(X)+v (1.1)
其中，L为监测站观测数据构成的观测值向量，在本实施例中，为双频消电离层组合的伪距和载波相位观测量；F为观测量与未知参数的函数关系；v为观测量的噪声，满足P为观测值向量的权矩阵；X为未知参数向量，在本实施例中，包括：
●每颗卫星的轨道参数：如初始时刻的位置和速度、太阳光压模型参数；
●每颗卫星的钟差参数，每个历元对应每颗卫星一个钟差参数；
●每个动态监测站的坐标参数，每个历元对应每个动态监测站三维坐标参数。这部分参数，是采用本发明监测跟踪系统的监测数据进行轨道和钟差确定时，与已知的只有静态监测站的监测数据进行轨道和钟差确定的唯一区别。
●每个非时间基准站的钟差参数，每个历元对应每个非时间基准站一个钟差参数；
●每个监测站的对流程天顶延迟参数，对各个监测站每小时时间段设置一个对流层天顶延迟参数；
●模糊度参数，每个测站对每颗卫星每个连续无周跳的数据段一个模糊度参数。
采用已知的方法，利用精确或近似的测站坐标(其中，动态监测站的近似坐标通过导航电文和伪距观测数据进行单点定位计算得到)和近似的初始轨道参数(例如，通过拟合广播轨道得到)进行，考虑各种模型改正，进行线性化。然后就可以采用已知的最优线性估计方法，如最小二乘方法，解算出所有的位置参数。即完成轨道和钟差的确定。实际实施过程中，由于钟差和动态监测站坐标参数数量多(为观测历元的倍数)，可以采用已知的参数约化和恢复技术，提高这一过程的计算效率。
根据本发明：本实施例中，该系统1的静态监测站M1包括如下装置：
●3个接收机15及相关联的天线16，用于接收所述卫星星座2的卫星S1发射的导航信号，解析出导航电文并获得观测量，所述观测量至少包括两个频点的码伪距和载波相位。所述天线16配备常用的电磁频闭板(未示出)用来消除天线16周围可能出现多径非直射信号。
●1个有线通信装置11和一个无线通信装置11借助于相关联的天线12向控制中心发送监测数据和接收控制中心的遥控指令；
采用3个接收机和2个通信装置是为了增加可靠性。
根据本发明：本实施例中，该系统1的动态监测站M2包括如下装置：
●2个接收机15及相关联的天线16，用于接收所述卫星星座2的卫星S1发射的导航信号，解析出导航电文并获得观测量，所述观测量至少包括两个频点的码伪距和载波相位。
●1个通信装置11，地借助于相关联的天线12通过通信卫星向控制中心发送监测数据和接收控制中心的遥控指令。
在本实施例中，静态监测站都具有已知的准确坐标，并且都配置有高精度的原子钟14，并任意选择一个静态监测站坐标时间基准站，优选时钟性能最优的那个静态监测站。
所述静态监测站M1和动态监测站M2还配置有功能组13：包括测定气象参数的装置、避雷保护装置以及供电装置。其中动态监测站M2采用太阳能板和蓄电池系统进行供电。
在本实施例中，动态监测站搭载于锚泊漂浮布放于指定的国际公海水域，所述浮标(未示出)足以承载动态监测站所有设备并不至于让这些设备淹没于水中，且具有常用浮标的功能，包括：防倾倒，防侵蚀，防附着生物，水密装置以供放置有关设备。优选地，包括一个支撑装置以使得与接收机15关联的天线16能够高于海水面，并且具有水平装置，使得天线接收面朝向天顶且安装面保持水平；具有防护罩避免海水、风浪对天线的破坏。
在本实施例中，所属控制中心C1，进一步包括编码装置7，用于将所述导航数据被装置6发射给用户之前对其进行编码，使只有授权或者付费的用户才能够解码导航数据，解密密钥的分配可以通过常用的安全装置进行。可按照如下方式向用户发送导航数据。
■通过互联网
■通过无线电波
■通过现有手段(无线有线电视、通讯卫星，等等。)
■如果所述系统1作为卫星导航系统的一步部分，将所述导航数据上注到所述卫星，作为导航电文的一部分广播给用户。
Claims (10)
1.一种监测跟踪卫星导航系统的卫星星座的系统，其特征在于，包括：
至少一个静态监测站，这样的监测站，部署于地球的陆地，以接收所述卫星星座的卫星发射的导航信号，获得监测数据，所述监测数据至少包括导航电文和观测数据，可选地包括其它环境数据，如气象数据；；
至少一个动态监测站，这样的监测站部署于低于所述卫星星座的高度的任意空间位置，优选地，部署于地球的海洋上，以接收所述卫星星座的卫星发射的导航信号，获得监测数据，所述监测数据至少包括导航电文和观测数据，可选地包括其它环境数据，如气象数据；；
至少一个安置在地球上的控制中心，控制所述监测站和接收监测站获得的监测数据，生成导航数据，包括轨道、钟差、电离层改正信息和完好性信息，并将这样的导航数据发送给用户；
所述控制中心与两类监测站之间的数据传输链路基于常用的技术，如有限网络、无线网络或卫星通信。
2.一种如权利要求1所述的监测跟踪卫星导航系统的卫星星座的系统，其特征在于，所述控制中心，至少包括如下装置：
第一装置用于分别通过链路L1和链路L2遥控静态监测站和动态监测站；
第二装置用于分别通过链路L1和链路L2接收静态监测站和动态监测站的监测数据；
第三装置用于处理接收到的监测数据生成导航数据；
第四装置用于向用户发送这样的导航数据。
3.一种如权利要求2所述的监测跟踪卫星导航系统的卫星星座的系统，其特征在于，所述控制中心的第三装置用于生成导航数据，具有如下单元：
第一单元，根据监测数据生成卫星轨道和钟差信息，可选地进行预报；
第二单元，根据监测数据采用已知的方法生成电离层改正信息，其中在计算电离层改正信息时所需要的监测站的坐标可由上述第一单元提供，也可以利用导航电文和双频码伪距观测数据通过单点定位计算得到；所需要的卫星位置可以利用导航电文中的广播轨道计算，也可以由上述第一单元提供；
第三单元，根据监测数据生成完好性信息。生成完好性信息仅使用监测站获得的观测数据和导航电文信息。首先对每个监测站的数据采用已知的接收机自主完好性监测(RAIM)算法识别出对于该监测站为不可用的卫星，如果任意一颗所述卫星星座的卫星被多个监测站识别为不可用，则将该卫星识别为故障卫星。
4.一种如权利要求3所述的监测跟踪卫星导航系统的卫星星座的系统，其特征在于，所述第一单元根据监测数据生成卫星轨道和钟差信息，同时解算每个所述卫星的轨道和钟差、每个动态监测站每个测量时刻的坐标。
5.一种如权利要求1所述的监测跟踪卫星导航系统的卫星星座的系统，其特征在于，该所述静态监测站和动态监测站至少包括如下装置：
至少一个接收机，通过相关联的天线接收所述卫星星座的卫星发射的导航信号，解析出导航电文信息并获得观测数据，所述观测数据至少包括两个频点的码伪距和载波相位。
至少一个通信装置，可选地借助于相关联的天线，向控制中心发送监测数据和接收控制中心遥控指令。
6.一种如权利要求1所述的监测跟踪卫星导航系统的卫星星座的系统，其特征在于，所述静态监测站具有已知的准确坐标，以提供空间基准。
7.一种如权利要求1所述的监测跟踪卫星导航系统的卫星星座的系统，其特征在于，所述静态监测站中至少一个，具有高稳定性的原子时钟，以提供时间基准。
8.一种如权利要求1所述的监测跟踪卫星导航系统的卫星星座的系统，其特征在于，所述每一个监测站还可选地具有如下设备：
接收天线，所述天线被合理安装以避免所述卫星星座的卫星发射的导航信号被监测站自身结构或环境折射、反射或衍射产生多径效应；这样的天线可以配备电磁屏蔽板；
一个或多个接收机及其关联天线；
高稳定性的原子钟；
通信装置及其天线，其运行频率与导航信号不同；
任何监测站常用装置和功能组，尤其是用于：供应需要的电力、测定气象参数和为监测站提供合理保护的装置。
9.一种如权利要求1所述的监测跟踪卫星导航系统的卫星星座的系统，其特征在于，所述所述动态监测站为漂浮于海上的浮标。
10.一种如权利要求1所述的监测跟踪卫星导航系统的卫星星座的系统，其特征在于，进一步包括所述导航数据被发射给用户之前对其进行编码的装置。
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