CN109799518B - 利用低轨导航增强卫星的广播电文编排播发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用低轨导航增强卫星的广播电文编排播发方法，包括以下步骤：确定下发增强信息内容类别及单时刻数据量；地面进行定位时，根据精度要求选用合适的拉格朗日插值阶数对几个时刻点的精密钟差、精密星历采用进行内插；根据低轨卫星轨道高度，确定一次过境能够提供信息信号增强时间，以俯仰角五度为起始，根据低轨卫星轨道高度，确定一次过境时间；根据拉格朗日插值阶数要求和一次过境时间，确定下发电文信息速率，并确定每个时刻点精密数据及全球电离层改正数所占字节数，计算出下发电文信息速率；确定下发电文主帧格式、子帧格式、页码数，以及不同页码播发顺序。本发明为低轨导航增强卫星播发增强电文提供编排规则依据。

Description

利用低轨导航增强卫星的广播电文编排播发方法

技术领域

本发明涉及卫星领域，具体地，涉及一种利用低轨导航增强卫星的广播电文编排播发方法。

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。

为了消除卫星轨道误差、电离层折射等引起的误差，在卫星定位中，广泛采用导航增强技术实现定位精度提高，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。

地基增强和GEO星基增强两类增强方法主要是通过向用户播发已知参考站点的导航星星历误差改正数、钟差改正数、电离层改正数等，地面播发规则当前是由国际海运事业无线电技术委员会(Radio Technical Commission for Maritime Serivices，RTCM)指令的RTCM协议。

当前地基增强系统服务能力为单个基准站覆盖服务周边20km～40km，实现全国甚至全球服务系统庞大建设成本巨大，另外无法服务海洋。GEO星基增强系统由于时延大、只做信息增强定位精度差等缺点，针对上述地基增强系统和GEO星基增强系统的缺点，当前利用低轨卫星进行导航增强成为发展趋势，低轨导航增强系统覆盖范围广、实现厘米级定位精度、提高导航可用性完好性和收敛时间。

当前参考站利用地面网络播发或通过GEO播发增强信息的RTCM协议均是稳定网络，具备持续传输接收能力，但低轨卫星由于轨道特点，一次过境只有十分钟左右，地面设备要在一次过境时间内收到足够增强信息才能实现定位增强，因此低轨增强播发信息不能沿用RTCM协议，需制定新的广播增强电文编排播发方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用低轨导航增强卫星的广播电文编排播发方法。

本发明的目的可由以下技术方案完成：

一种利用低轨导航增强卫星的广播电文编排播发方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定下发增强信息内容类别及单时刻数据量，比如考虑GPS精密星历、GPS精密钟差、GPS差分信息、BD精密星历、BD精密星钟、BD差分信息等；

S2：地面增强算法确定使用拉格朗日插值阶数，地面进行定位时，根据精度要求选用合适的拉格朗日插值阶数对几个时刻点的精密钟差、精密星历采用进行内插，选用五阶、七阶、九阶拉格朗日所需的精密星历、精密星钟信息数据量要求不同，分别需求前后五个时刻点、前后七个时刻点和前后九个时刻点，能够实现的精度也不同；

S3：根据低轨卫星轨道高度，确定一次过境能够提供信息信号增强时间，以俯仰角五度为起始，根据低轨卫星轨道高度，确定一次过境时间；

S4：根据拉格朗日插值阶数要求和一次过境时间，确定下发电文信息速率，由拉格朗日插值阶数所需的时刻点数，根据数据精度要求确定每个时刻点精密数据及全球电离层改正数所占字节数，然后根据一次过境时间计算出下发电文信息速率；

S5：确定下发电文主帧格式、子帧格式、页码数，以及不同页码播发顺序。

进一步地，所述步骤S1具体体包括以下步骤：

S11：确定增强目标系统，确定下发增强信息内容，包括精密星历、精密星钟、差分信息、电离层改正数等；

S12：根据每类数据中每个值数据范围及精度，确定其所占比特数，统计得出单时刻精密增强信息数据量大小。

进一步地，步骤S2包括以下步骤：

S12：采用拉格朗日7～15阶内插处理数据，分析对比处理精度；

S22：分析地面精度定位对数据精度要求，选用合适阶数；

进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：

S31：根据低轨导航增强卫星轨道高度，计算卫星一次过境时间；

S32：增加俯仰角约束条件，统计一段时间多次过境情况，计算平均过境时长。

进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：

S41：根据拉格朗日插值阶数所需的时刻点数，以及数据精度要求确定每个时刻点精密数据及全球电离层改正数所占字节数；

S42：通过地面精密定位计算所需总数据量，以及平均过境时间计算出下发电文信息速率。

进一步地，所述步骤S5包括以下步骤：

S51：确定下发信息内容的主帧格式、子帧格式、页码情况；

S52：根据下发信息速率及各增强内容需求频次确定页码播发规则。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)地面导航接收机接收低轨卫星下发广播增强信息，提高了高精度定位收敛速度，可在5分钟内实现快速cm级定位。

(2)扩大了地面导航接收机应用范围，不止于地面基准站周边20km范围，与高轨增强系统南北维70°范围，可实现在全球的应用。

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为一个时刻点精密星历星钟数据示意图。

图2为7阶到15阶拉格朗日内插插值结果与真值的差值。

图3为1000km低轨卫星一次过境时间统计曲线。

图4为下发电文主帧子帧格式。

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，本发明的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：

S1：确定下发增强信息内容类别及单时刻数据量，考虑GPS精密星历、GPS精密钟差、GPS差分信息、BD精密星历、BD精密星钟、BD差分信息等；

S2：地面增强算法确定使用拉格朗日插值阶数，地面进行定位时需对几个时刻点的精密钟差、精密星历采用拉格朗日插值进行内插，选用五阶、七阶、九阶拉格朗日所需的精密星历、精密星钟信息数据量要求不同，分别需求前后五个时刻点、前后七个时刻点和前后九个时刻点，能够实现的精度也不同，根据精度要求选用合适的插值阶数；

S3：根据低轨卫星轨道高度，确定一次过境能够提供信息信号增强时间，以俯仰角五度为起始，根据低轨卫星轨道高度，确定一次过境时间；

S4：根据拉格朗日插值阶数要求和一次过境时间，确定下发电文信息速率，由拉格朗日插值阶数所需的时刻点数，根据数据精度要求确定每个时刻点精密数据及全球电离层改正数所占字节数，然后根据一次过境时间计算出下发电文信息速率。

S5：确定下发电文主帧格式、子帧格式、页码数，以及不同页码播发顺序。

步骤S1包括以下步骤：

S11：确定增强目标系统为GPS+BD，确定增强信息内容：GPS&BD精密星历、GPS&BD精密星钟、GPS&BD差分信息、电离层改正数等；

S12：根据每类数据中每个值数据范围及精度，确定其所占比特数，统计得出单时刻精密增强信息数据量大小。

一个时刻点精密星历星钟数据如附图1所示，其中根据GPS、BD卫星轨道高度，可知X、Y、Z取值范围在[-32768.000000km，32767.000000km]，整数部分可15比特表示，小数部分用20比特表示；精密钟差范围[-1024.000000us，1023.000000us]，可用32比特表示。PRN代号范围[1～32]，可用5个比特表示。可用每个时刻点包含GPS系统32颗星、BD系统32颗星精密星历、精密星钟，因此每个时刻点精密数据量为2*32*(35bit*3+32bit+5bit)＝9088bit；

步骤S2包括以下步骤：

S21：采用拉格朗日7～13阶内插处理数据，分析对比处理精度；

假设已知y＝f(x)的函数表(x_i,f(x_i))(i＝0,1,...,n,x_i≠x_j,当i≠j),[a,b]为包含所有x_i的区间，则存在唯一多项式

使

f(x_i)＝P_n(x_i),(i＝0,1,...,n)

已知区间[x_k,x_k+1]的端点处的函数值y_k＝f(x_k),y_k+1＝f(x_k+1)，使其线性插值多项式L₁(x)满足

L₁(x_k)＝y_k,L₁(x_k+1)＝y_k+1

其中：

称为Lagrange线形插值基函数。

选用2002-10-27的IGS精密星历，选取PRN编号为1的GPS卫星在，取01：00：00至05：45：00的坐标值做分析对象，采用7～15阶拉格朗日内插03：15：00时刻值，与真值对比，得误差随内插阶数变化曲线如图2。可知当内插阶数为9时精度最高，为毫米级，满足精密定位要求。

S22：分析地面精度定位对数据精度要求，选用合适阶数；根据不同阶数拉格朗日插值分析，当采用九阶拉格朗日插值时精度最高，为毫米级，满足精密单点定位对GPS星历要求，因此采用九阶拉格朗日插值对数据进行处理。

所述步骤S3包括以下步骤：

S31：根据低轨导航增强卫星轨道高度，计算卫星一次过境时间；

假定卫星轨道高度H公里，计算最长过境时间，最长过境时间为过顶弧段，取地球半径为R＝6378km，轨道高度H公里对应卫星轨道周期为T分钟。

则最长过境时间

S32：增加俯仰角约束条件，统计一段时间多次过境情况，计算平均过境时长；

通过STK仿真，增加地面接收机接收起始俯仰角5度约束，卫星轨道高度设定为1000km太阳同步轨道，统计多次经过可通信时长，如图3所示，得平均服务时长为825s。

所述步骤S4包括以下步骤：

S41：由拉格朗日插值阶数所需的时刻点数，根据数据精度要求确定每个时刻点精密数据及全球电离层改正数所占字节数；

假定全球分为200个区域，每个区域电离层改正数精确到cm，范围[-64.00m，63.00m]，可用14个比特表示。区域代号范围[1～200]，可用8个比特表示，电离层改正数总数据量为200*(14bit+8bit)＝4400bit；

由上知单时刻点精密星历星钟数据量为9088bit；

S42：然后地面精密定位计算所需总数据量，以及平均过境时间计算出下发电文信息速率；

拉格朗日内插分析知进行精密单点定位需九个时刻点数据，则总数据量为9*9088+4400＝86192bit。一次过境时间825s，最低信息速率为86192/825＝104bps，考虑数据包头、包尾、校验区、卷积/RS编码效率及后续内容扩展，设定下发电文信息速率500bps。

所述步骤S5包括以下步骤：

S51：下发信息内容类别确定主帧格式、子帧格式、页码情况；

如附图4所示，设定下发电文主帧为1500bit，包含5个子帧，每子帧为300bit，页数24页，子帧1为LEO星历信息，1-8页子帧2、子帧3、子帧4、子帧5为一个时刻点的GPS精密星历星钟数据，9-16页子帧2、子帧3、子帧4、子帧5为一个时刻点BD精密星历星钟数据，17-20页子帧2、子帧3、子帧4、子帧5为电离层改正数，21-24页子帧2、子帧3、子帧4、子帧5预留。

S52：根据下发信息速率及各增强内容需求频次确定页码播发规则；

电文播发按照子帧顺序和页码顺序一次播发，根据下发信息速率500bps知，一个主帧1500bit传输需3s，24页传输需24*3＝72s，即72s完成一个时刻点的GPS精密星历星钟数据、一个时刻点的BD精密星历星钟数据、电离层改正数的下发。9个时刻点需9*72s＝648s时间，符合低轨卫星一次过境时长要求。

以上对本发明的具体实施进行了描述。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 (6)

1.一种利用低轨导航增强卫星的广播电文编排播发方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定下发增强信息内容类别及单时刻数据量；

S2：地面进行定位时，根据精度要求选用合适的拉格朗日插值阶数对几个时刻点的精密钟差、精密星历采用进行内插；

S3：根据低轨卫星轨道高度，确定一次过境能够提供信息信号增强时间，以俯仰角五度为起始，根据低轨卫星轨道高度，确定一次过境时间；

S4：根据拉格朗日插值阶数要求和一次过境时间，确定下发电文信息速率，由拉格朗日插值阶数所需的时刻点数，根据数据精度要求确定每个时刻点精密数据及全球电离层改正数所占字节数，然后根据一次过境时间计算出下发电文信息速率；

S5：确定下发电文主帧格式、子帧格式、页码数，以及不同页码播发顺序。

2.根据权利要求1所述的利用低轨导航增强卫星的广播电文编排播发方法，其特征在于，所述步骤S1具体体包括以下步骤：

S11：确定增强目标系统，确定下发增强信息内容，包括精密星历、精密星钟、差分信息、电离层改正数；

S12：根据每类数据中每个值数据范围及精度，确定其所占比特数，统计得出单时刻精密增强信息数据量大小。

3.根据权利要求1所述的利用低轨导航增强卫星的广播电文编排播发方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：

S12：采用拉格朗日7～15阶内插处理数据，分析对比处理精度；

S22：分析地面精度定位对数据精度要求，选用合适阶数。

4.根据权利要求1所述的利用低轨导航增强卫星的广播电文编排播发方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S31：根据低轨导航增强卫星轨道高度，计算卫星一次过境时间；

S32：增加俯仰角约束条件，统计一段时间多次过境情况，计算平均过境时长。

5.根据权利要求1所述的利用低轨导航增强卫星的广播电文编排播发方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

S41：根据拉格朗日插值阶数所需的时刻点数，以及数据精度要求确定每个时刻点精密数据及全球电离层改正数所占字节数；

S42：通过地面精密定位计算所需总数据量，以及平均过境时间计算出下发电文信息速率。

6.根据权利要求1所述的利用低轨导航增强卫星的广播电文编排播发方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：

S51：确定下发信息内容的主帧格式、子帧格式、页码情况；

S52：根据下发信息速率及各增强内容需求频次确定页码播发规则。

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