CN109639341A - 无星历自主接入低轨广播卫星的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种无星历自主接入低轨广播卫星的方法，旨在解决终端设备在无星历条件下无法接入低轨广播卫星的问题。本发明通过下述技术方案予以实现：在无星历或者星历失效的情况下，终端设备通过自主方式接入低轨广播卫星，自主接入分三个阶段：目标搜索阶段、目标精跟踪阶段和轨道数据接收阶段。首先是目标搜索阶段，在搜索空域内全范围遍历的方式进行目标搜索，搜索到卫星信号后转入目标精跟踪阶段；通过轨道观测和外推的方法确保终端在一定时间内能持续接收卫星信号，在进行固定时间的精跟踪后转入轨道数据接收阶段；终端接收机在接收的数据帧中解算卫星下发的轨道数据，并利用新的轨道数据完成本地星历的更新和后续圈次的接入。

Description

无星历自主接入低轨广播卫星的方法

技术领域

本发明涉及低轨广播卫星接入领域，针对无星历条件下终端设备自主接入低轨广播卫星的方法。

背景技术

卫星通信系统中的低轨卫星通信系统具有全球覆盖、低传输时延、低功耗、抗毁性强等优点。低轨卫星轨道高度约为700-1500km。由于低轨卫星通信系统存在着多星覆盖情况，按照何种准则选定接入卫星是接入策略要解决的重要问题。卫星系统中的服务器根据从卫星导航系统(GPS系统、Galileo系统、北斗系统)接收的信息经过计算处理后产生精密星历。用户终端将以文件的方式下载精密星历，随后根据精密星历得到自己的定位坐标。根据卫星星历可以计算任一时刻的卫星位置及速度；卫星星历的准确性直接决定GPS定位的准确性，预报星历(广播星历)，通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，经解码获得所需的卫星星历。广播星历存在外推误差，精度有限。星历是根据地面跟踪站所获得的精密观测资料计算而得到的星历。一般不能实时定位。首次定位时间(TTFF)是衡量GPS接收机性能的一个重要指标,其中以广播星历搜集最为耗时,预先提供广播星历可使TTFF减短至几秒,并提高接收终端灵敏度,减少功耗。GPS接收机开机启动后首次定位所用时间是衡量GPS接收机性能的一个重要指标，一般来说广播星历搜集时间可占TTFF的73％。冷启动时，用户接收一组完整的导航电文需12.5min，理想情况下(热启动且卫星通视良好)也需要18s才能完整下载广播星历，当用户处于街道或室内等复杂环境下，卫星信号的搜索及解调将受阻，若有信息未成功完整下载，就得再重复30s的子帧下载过程。若能预先提供广播星历，则可使TTFF由几分钟减至几秒钟，并提高接收终端灵敏度，减少功耗。移动终端使用广播星历实现自主轨道预报是利用终端已收集的广播星历，计算一组有效时间内的卫星位置时间序列，并将其转换至惯性系，使用动力学轨道拟合方法估计出拟合弧段的精确卫星初始轨道参数和力模型参数，再使用轨道积分进行外推，并将外推结果转换至地固系下生成预报轨道，以广播星历的形式供移动用户使用。该方法的优点是不需要移动网络支持，使移动用户在失去A-GPS支持及弱信号情况下可以充分使用已有观测资料，实时、快速地实现GPS卫星轨道预报。然而，该方法存在以下难点:已知信息仅有终端存储的广播星历，原始数据精度不高；在自主轨道预报过程中需要使用地球自转参数(EOP)，由于没有网络及其它辅助数据的支持，移动终端需具备自主预报长期EOP参数的能力。因移动终端系统资源与计算能力十分有限，为了尽可能减少系统资源的占用，缩短轨道预报耗时，需合理简化力模型，获得精确的初始轨道参数及力模型参数，以保证轨道长期预报的精度。由于低轨广播卫星运动速度快，即使搜索到目标信号，在短时间卫星就会运动超出波束指向范围，很难保证接收机对目标锁定。通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，经解码获得所需的卫星星历，用户终端可根据卫星星历和终端站址计算任一时刻的终端相对卫星的波束指向。常规工作模式下终端接收机会定期接收卫星运控系统发送的卫星星历信息，根据波束指向在可视区域第一捕获点等待，卫星进入终端接收机可视区域后，终端设备即可捕获跟踪卫星，完成卫星的接入和数据接收处理。

在某些特定场景下，存在无星历或因长时间未更新导致的星历失效等情形，终端设备无法获得星历信息导致无法计算数引文件，进而无法接入低轨广播卫星。为最大化发挥终端在此类场景下的卫星数据接收处理能力，需要设计一种新的工作模式，自主完成卫星的接入。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提供一种终端接收机在无星历条件下自主接入低轨广播卫星方法，可以有效解决终端设备在无星历条件下无法接入低轨广播卫星的问题。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种无星历自主接入低轨广播卫星的方法，其特征在于包括如下步骤：

在无星历或者星历失效的情况下，终端设备以自主方式，分目标搜索阶段、目标精跟踪阶段和轨道数据接收阶段三个阶自主接入低轨广播卫星，在目标搜索阶段，首先在搜索范围内以遍历的方式进行目标搜索，根据搜索结果设置卫星参数和波束指向，利用信号估计算法对波束指向进行信号估计，判断是否有信号，如没有信号则切换到下一个波束指向，当搜索到卫星信号则进入目标精跟踪阶段，否则重复搜索，直到外部条件控制终止搜索；在目标精跟踪阶段，持续监视目标的运动轨迹，测量目标信号，根据足够的测量数据估计待估参数与初始轨道参数，判断到达估计次数，是则进入下一阶段的轨道外推，确保波束指向在一定时间内指向目标，确保足够的时间维持接收机对目标的锁定；在目标精跟踪阶段进行固定时间后进入轨道数据接收阶段，对目标进行捕获跟踪，并进行卫星轨迹推算和波束指向设置，接收轨道数据，实现数据解调，在接收的数据帧中解算卫星下发的轨道数据，并更新轨道数据，利用新的轨道数据完成本地星历的更新；本地星历更新后，利用站址和星历计算出有效的数引文件，完成后续圈次的自动接入。

本发明相比于现有技术的有益效果是：

在无星历或者星历失效的情况下，本发明采用三阶段自主接入低轨广播卫星的方法，以扩展终端接收机的工作模式，扩展了终端接收机的工作模式和应用场景，可有效解决终端无法接入低轨广播卫星的问题，增大了终端设备的应用效能。

本发明针对低轨广播卫星运动速度快，即使搜索到目标信号，在短时间卫星就会运动超出波束指向范围，无法保证接收机对目标锁定的不足之处，通过轨道观测和外推的方式确保终端设备波束在一定时间内指向目标，维持接收机对目标的锁定。

附图说明

图1是终端接收机在无星历条件下自主接入低轨广播卫星的流程示意图。

图2是自主接入方法中精跟踪阶段的轨道观测和外推的原理示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明按如下步骤：

在无星历或者星历失效的情况下，终端设备通过自主方式接入低轨广播卫星，自主接入分三个阶段：目标搜索阶段、目标精跟踪阶段和轨道数据接收阶段。

在目标搜索阶段，终端设备在搜索范围内以全范围遍历的方式进行目标搜索，根据搜索结果设置终端的波束指向，利用信号估计算法对接收的波束进行信号估计，判断是否有信号，如没有信号则切换到下一个波束指向，当搜索到卫星信号则进入目标精跟踪阶段，否则重复搜索，直到外部条件控制终止搜索。

参阅图2。在目标精跟踪阶段，持续监视目标的运动轨迹，对接收波束的信号进行参数估计，达到预定估计次数后则进入下一阶段的轨道外推，通过轨道观测和外推的方式确保波束指向在一定时间内指向目标，确保足够的时间维持接收机对目标的锁定。

在轨道数据接收阶段，根据目标精跟踪阶段估计的参数进行轨道外推，设置波束指向卫星，终端接收机对目标进行捕获跟踪，并实现数据解调，在接收的数据帧中解算卫星下发的轨道数据，并利用新的轨道数据完成本地星历的更新。本地星历更新后，终端可利用站址和星历计算出有效的数引文件，完成后续圈次的自动接入。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，根据不同的载波频偏和频偏变化率设置不同的锁频环FLL和锁相环PLL环路滤波器的系数。在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种无星历自主接入低轨广播卫星的方法，其特征在于包括如下步骤：

在无星历或者星历失效的情况下，终端设备以自主方式，分目标搜索阶段、目标精跟踪阶段和轨道数据接收阶段三个阶自主接入低轨广播卫星；在目标搜索阶段，在搜索范围内以遍历的方式进行目标搜索，在目标精跟踪阶段根据足够的测量数据估计待估参数与初始轨道参数，确保足够的时间维持接收机对目标的锁定；在目标精跟踪阶段进行固定时间后进入轨道数据接收阶段，对目标进行捕获跟踪，在接收的数据帧中解算卫星下发的轨道数据，并更新轨道数据，利用新的轨道数据完成本地星历的更新；本地星历更新后，利用站址和星历计算出有效的数引文件，完成后续圈次的自动接入。

2.如权利要求1所述的无星历自主接入低轨广播卫星的方法，其特征在于：在目标搜索阶段，终端设备在搜索范围内以全范围遍历的方式进行目标搜索，根据搜索结果设置终端的波束指向，利用信号估计算法对接收的波束进行信号估计，判断是否有信号，如没有信号则切换到下一个波束指向，当搜索到卫星信号则进入目标精跟踪阶段，否则重复搜索，直到外部条件控制终止搜索。

3.如权利要求1所述的无星历自主接入低轨广播卫星的方法，其特征在于：在目标精跟踪阶段，持续监视目标的运动轨迹，对接收波束的信号进行参数估计，达到预定估计次数后则进入下一阶段的轨道外推，通过轨道观测和外推的方式确保波束指向在一定时间内指向目标，以足够的时间维持接收机对目标的锁定。

4.如权利要求1所述的无星历自主接入低轨广播卫星的方法，其特征在于：在轨道数据接收阶段，根据目标精跟踪阶段估计的参数进行轨道外推，设置波束指向卫星，终端接收机对目标进行捕获跟踪，并实现数据解调，在接收的数据帧中解算卫星下发的轨道数据，利用新的轨道数据完成本地星历的更新。