CN110988934B - 多模式接收机星基增强技术装置及处理方法 - Google Patents

多模式接收机星基增强技术装置及处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多模式接收机星基增强技术装置及处理方法，GNSS接收模块接收空间GNSS信号及SBAS信号并将信号传输给卫星导航综合处理模块；导航综合处理模块使用GNSS信号及SBAS信号进行SBAS完好性监测、SBAS定位，最后完成导航引导；接口模块将导航综合处理模块中处理完成的定位结果和导航引导参数输出给外部的显控模块，用户使用显控模块采集的数据库数据和多模接收机处理完成的定位结果和导航引导参数完成引导进近。本发明对用户的数量没有限制，星基增强技术在航空领域上应用更具备优势，使用本发明的星基增强技术装置提高了全飞行阶段的导航引导能力，且简单便捷，使用方便。

Description

多模式接收机星基增强技术装置及处理方法
技术领域
本发明涉及导航领域，尤其是一种多模接收机星基增强装置及方法。
背景技术
民用机载多模导航设备主要用于向飞行器提供全飞行阶段的导航引导能力，包括航路导航和进近着陆引导功能。民用机载多模导航设备通常包括卫星导航功能、仪表着陆功能及卫星着陆功能。机载多模导航设备技术是民用飞机无线电导航系统的重要设备，支持民航飞机高安全性的使用要求，能提供高精度、高完好性的导航引导信息。由于仪表着陆等无线电导航手段需要较大固定地面台站支持，信号覆盖区域有限，且机载设备受限于重量、成本、体积和应用场景等因素，越来越多的飞机选择使用卫星导航作为主用的导航和引导手段。但现有产品的卫星导航功能大多以GPS为主用手段，配合地基增强技术(GBAS)解决卫星导航的精度与完好性问题。
地基增强的精度虽然很高，但覆盖范围却有一定限制。定位目标必须处在通信信号覆盖的范围之内，但在通信信号难以覆盖的高空、海上、沙漠和山区，则形成了大范围的定位盲区。星基增强(SBAS)技术解决了地基增强系统(GBAS)覆盖范围小的局限性，且星基增强(SBAS)技术对用户的数量没有限制。与地基增强技术相比，星基增强(SBAS)技术在航空领域上应用更具备优势。因此多模接收机可以使用星基增强技术解决全飞行阶段的导航引导能力。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种多模式接收机星基增强技术装置及处理方法，以解决目前机载多模接收机不具备处理星基增强数据的能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多模式接收机星基增强技术装置，包括GNSS接收模块、卫星导航综合处理模块、接口处理模块以及电源模块；
电源模块为GNSS接收模块、卫星导航综合处理模块和接口处理模块进行供电；GNSS接收模块接收空间GNSS信号及SBAS信号并将信号传输给卫星导航综合处理模块；导航综合处理模块使用GNSS信号及SBAS信号进行SBAS完好性监测、SBAS定位，最后完成导航引导；接口模块将导航综合处理模块中处理完成的定位结果和导航引导参数输出给外部的显控模块，用户使用显控模块采集的数据库数据和多模接收机处理完成的定位结果和导航引导参数完成引导进近。
所述GNSS接收模块对GNSS射频信号进行处理，转换成中频信号，再实现对信号的捕获、跟踪、定位及RAIM功能；其中GNSS射频信号处理采用射频芯片完成，对GNSS信号捕获、跟踪、定位、RAIM功能通过基带处理模块实现。
所述卫星导航综合处理模块是SBAS机载多模接收机设备的核心处理模块，实现导航电文解析功能、增强电文解析功能、数据预处理功能、SBAS定位解算功能、进近引导功能及数据输出功能，每项功能的具体描述如下：
导航电文解析功能为解析GNSS接收模块接收的广播星历数据和观测电文数据；
增强电文解析功能为解析SBAS增强报文，对SBAS增强报文进行检验；
预处理功能是对于载波相位的周跳探测和应用载波相位对码相位的平滑；
SBAS定位解算功能为解算卫星位置，利用电离层延迟、对流层延迟模型对伪距进行修正，并应用增强参数进行定位解算和完好性处理，得出定位结果及保护级；
进近引导功能是根据已经确定的FAS数据确定精密进近区域范围，在确定精密进近区域范围后，计算偏移量数据、飞机与LTP/FTP点之间的距离数据，进行预警判断等监测过程；
数据输出功能是以符合民机应用要求的速率输出基于平滑伪距和伪距改正量输出的差分校正位置的WGS-84椭球体的纬度、经度和高度，以及三维速度(正东、正北和上方)和时间，输出SBAS进近引导的水平、垂直偏移量等引导数据，输出保护级数据。
所述接口模块负责将定位/引导信息、完好性监测信息发送给飞机的控制系统和通信系统，支持设备状态上报。
所述显控模块完成导航信息、引导信息、飞行程序、导航性能监视及告警信息的综合显示，支持对机载多模式接收机进行调谐控制。
同时，本发明提出了机载多模接收机星基增强处理算法，分为单频SBAS处理算法及双频SBAS处理算法。本发明主要包括以下内容，
本发明还提供一种单频条件下多模式接收机星基增强技术装置的SBAS处理方法，具体步骤如下：
步骤1.接收到GNSS信号及SBAS信号后，结合GNSS信号中的导航电文完成卫星位置的计算，并利用GNSS信号中的观测数据对伪距进行载波平滑，同时使用对流层模型进行对流层解算；
步骤2.选择使用SBAS进行增强时，利用接收到的SBAS信号中所包含的增强电文进行伪距修正，当不选择使用SBAS进行增强时，跳至步骤5；单频条件下，将使用SBAS增强电文中的快变改正数对伪距校正量进行计算，使用慢变改正数对卫星位置修正量及卫星时钟修正量进行计算；同时，使用SBAS增强电文中的电离层改正数信息对电离层网格点内的延时进行计算；
步骤3.计算SBAS定位，利用步骤2计算出的伪距修正量、卫星位置修正量、卫星时钟修正量、对流层修正量及电离层修正量对伪距进行修正，利用修正后的伪距进行SBAS定位计算；
步骤4.定位完成后，使用SBAS增强电文参数并结合卫星位置和用户位置计算SBAS保护级；
步骤5.不选择使用SBAS进行增强或未接收到SBAS电文时，使用RAIM算法对卫星进行监测与排除，将故障卫星排除后，计算定位及保护级参数。
本发明还提供一种双频条件下多模式接收机星基增强技术装置的SBAS处理方法，具体步骤如下：
步骤1.接收到GNSS信号及SBAS信号后，结合GNSS信号中的导航电文完成卫星位置的计算，并利用GNSS信号中的观测数据中的双频数据组合的方式对伪距进行载波平滑，同时使用对流层模型进行对流层解算；
步骤2.选择使用SBAS进行增强时，利用接收到的SBAS信号中所包含的增强电文进行伪距修正，当不选择使用SBAS进行增强时，将跳至步骤5；双频条件下，系统使用SBAS增强电文中的星历改正数计算卫星位置修正量，使用时钟改正数计算卫星时钟修正量；同时，使用利用双频观测数据并结合I-Free的方法消除伪距中的电离层延迟；
步骤3.计算SBAS定位，利用步骤2计算出的伪距修正量、卫星位置修正量、卫星时钟修正量及对流层修正量对伪距进行修正，在双频条件下，伪距中所包含的电离层延时已经在步骤2中使用I-Free的方法消除；
步骤4.定位完成后，系统将使用SBAS增强电文参数并结合卫星位置和用户位置计算SBAS保护级；
步骤5.不选择使用SBAS进行增强或未接收到SBAS电文时，使用标准的RAIM算法对卫星进行监测与排除，将故障卫星排除后，计算定位及保护级参数。
本发明的有益效果在于使用了星基增强(SBAS)技术，对用户的数量没有限制；与地基增强技术相比，星基增强(SBAS)技术在航空领域上应用更具备优势，使用本发明的星基增强技术装置提高了全飞行阶段的导航引导能力，且简单便捷，使用方便。
附图说明
图1是本发明机载多模星基增强技术处理装置。
图2是本发明多模接收机单频SBAS定位算法程序流程图。
图3是本发明多模接收机双频SBAS定位算法程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提出了机载多模星基增强技术处理装置，包括GNSS接收模块、卫星导航综合处理模块、接口处理模块以及电源模块。
电源模块为GNSS接收模块、卫星导航综合处理模块和接口处理模块进行供电；GNSS接收模块接收空间GNSS信号及SBAS信号并将信号传输给卫星导航综合处理模块；导航综合处理模块使用GNSS信号及SBAS信号进行SBAS完好性监测、SBAS定位，最后完成导航引导；接口模块将导航综合处理模块中处理完成的定位结果和导航引导参数输出给外部的显控模块，用户使用显控模块采集的数据库数据和多模接收机处理完成的定位结果和导航引导参数完成引导进近。
其中，单频SBAS数据处理包括导航电文解算模块、SBAS增强电文解算、数据预处理及SBAS定位解算模块；双频SBAS数据处理也同样包括导航电文解算模块、SBAS增强电文解算、数据预处理及SBAS定位解算模块。
每个模块的具体功能如下：
所述GNSS接收模块实现对GNSS射频信号进行处理，转换成中频信号，再实现对信号的捕获、跟踪、定位及RAIM功能；其中GNSS射频信号处理采用射频芯片完成，对GNSS信号捕获、跟踪、定位、RAIM功能通过基带处理模块实现。
所述卫星导航综合处理模块是SBAS机载多模接收机设备的核心处理模块，实现导航电文解析功能、增强电文解析功能、数据预处理功能、SBAS定位解算功能、进近引导功能及数据输出功能，每项功能的具体内容如下：
导航电文解析功能：解析GNSS接收模块接收的广播星历数据和观测电文数据。
增强电文解析功能：解析SBAS增强报文，对SBAS增强报文进行检验。
预处理功能：实现对于载波相位的周跳探测和应用载波相位对码相位的平滑。
SBAS定位解算功能：解算卫星位置，利用电离层延迟、对流层延迟模型对伪距进行修正，并应用增强参数进行定位解算和完好性处理，得出定位结果及保护级。
进近引导功能：根据已经确定的FAS数据确定精密进近区域范围。在确定精密进近区域范围后，计算偏移量数据、飞机与LTP/FTP点之间的距离数据，进行预警判断等监测过程。
数据输出功能：以符合民机应用要求的速率输出基于平滑伪距和伪距改正量输出的差分校正位置的WGS-84椭球体的纬度、经度和高度，以及三维速度(正东、正北和上方)和时间，输出SBAS进近引导的水平、垂直偏移量等引导数据，输出保护级数据。
所述接口模块负责将定位/引导信息、完好性监测信息发送给飞机的控制系统和通信系统，支持设备状态上报。
所述显控模块完成导航信息、引导信息、飞行程序、导航性能监视及告警信息的综合显示，支持对机载多模式接收机进行调谐控制。
同时，本发明提出了机载多模接收机星基增强处理算法，分为单频SBAS处理算法及双频SBAS处理算法。本发明主要包括以下内容，
单频条件下SBAS处理算法的步骤如下：
步骤1.接收到GNSS信号及SBAS信号后，结合GNSS信号中的导航电文完成卫星位置的计算，并利用GNSS信号中的观测数据对伪距进行载波平滑，同时使用对流层模型进行对流层解算。
步骤2.选择使用SBAS进行增强时，利用接收到的SBAS信号中所包含的增强电文进行伪距修正，当系统不选择使用SBAS进行增强时，将跳至步骤5。单频条件下，系统将使用SBAS增强电文中的快变改正数对伪距校正量进行计算，使用慢变改正数对卫星位置修正量及卫星时钟修正量进行计算。同时，使用SBAS增强电文中的电离层改正数信息对电离层网格点内的延时进行计算。
步骤3.计算SBAS定位，利用步骤2计算出的伪距修正量、卫星位置修正量、卫星时钟修正量、对流层修正量及电离层修正量对伪距进行修正，利用修正后的伪距进行SBAS定位计算。
步骤4.定位完成后，系统将使用SBAS增强电文参数并结合卫星位置和用户位置计算SBAS保护级。
步骤5.机载多模星基增强技术处理装置不选择使用SBAS进行增强或未接收到SBAS电文时，使用RAIM算法对卫星进行监测与排除。将故障卫星排除后，计算定位及保护级参数。
双频条件下SBAS处理算法的步骤如下：
步骤1.接收到GNSS信号及SBAS信号后，结合GNSS信号中的导航电文完成卫星位置的计算，并利用GNSS信号中的观测数据中的双频数据组合的方式对伪距进行载波平滑，同时使用对流层模型进行对流层解算。
步骤2.选择使用SBAS进行增强时，利用接收到的SBAS信号中所包含的增强电文进行伪距修正，当系统不选择使用SBAS进行增强时，将跳至步骤5。双频条件下，系统使用SBAS增强电文中的星历改正数计算卫星位置修正量，使用时钟改正数计算卫星时钟修正量。同时，使用利用双频观测数据并结合I-Free的方法消除伪距中的电离层延迟。
步骤3.计算SBAS定位，利用步骤2计算出的伪距修正量、卫星位置修正量、卫星时钟修正量及对流层修正量对伪距进行修正。在双频条件下，伪距中所包含的电离层延时已经在步骤2中使用I-Free的方法消除。
步骤4.定位完成后，系统将使用SBAS增强电文参数并结合卫星位置和用户位置计算SBAS保护级。
步骤5.系统不选择使用SBAS进行增强或未接收到SBAS电文时，使用标准的RAIM算法对卫星进行监测与排除。将故障卫星排除后，计算定位及保护级参数。

Claims (2)

1.一种多模式接收机星基增强技术装置的单频条件下SBAS处理方法，所述多模式接收机星基增强技术装置，包括GNSS接收模块、卫星导航综合处理模块、接口处理模块以及电源模块；电源模块为GNSS接收模块、卫星导航综合处理模块和接口处理模块进行供电；GNSS接收模块接收空间GNSS信号及SBAS信号并将信号传输给卫星导航综合处理模块；卫星导航综合处理模块使用GNSS信号及SBAS信号进行SBAS完好性监测、SBAS定位，最后完成导航引导；接口处理模块将卫星导航综合处理模块中处理完成的定位结果和导航引导参数输出给外部的显控模块，用户使用显控模块采集的数据库数据和多模接收机处理完成的定位结果和导航引导参数完成引导进近；所述GNSS接收模块对GNSS射频信号进行处理，转换成中频信号，再实现对信号的捕获、跟踪、定位及RAIM功能；其中GNSS射频信号处理采用射频芯片完成，对GNSS信号捕获、跟踪、定位、RAIM功能通过基带处理模块实现；所述卫星导航综合处理模块是SBAS机载多模接收机设备的核心处理模块，实现导航电文解析功能、增强电文解析功能、数据预处理功能、SBAS定位解算功能、进近引导功能及数据输出功能，每项功能的具体描述如下：导航电文解析功能为解析GNSS接收模块接收的广播星历数据和观测电文数据；增强电文解析功能为解析SBAS增强报文，对SBAS增强报文进行检验；预处理功能是对于载波相位的周跳探测和应用载波相位对码相位的平滑；SBAS定位解算功能为解算卫星位置，利用电离层延迟、对流层延迟模型对伪距进行修正，并应用增强参数进行定位解算和完好性处理，得出定位结果及保护级；进近引导功能是根据已经确定的FAS数据确定精密进近区域范围，在确定精密进近区域范围后，计算偏移量数据、飞机与LTP/FTP点之间的距离数据，进行预警判断监测过程；数据输出功能是以符合民机应用要求的速率输出基于平滑伪距和伪距改正量输出的差分校正位置的WGS-84椭球体的纬度、经度和高度，以及正东、正北和上方三维速度和时间，输出SBAS进近引导的水平、垂直偏移量引导数据，输出保护级数据；所述接口处理模块负责将定位/引导信息、完好性监测信息发送给飞机的控制系统和通信系统，支持设备状态上报；所述显控模块完成导航信息、引导信息、飞行程序、导航性能监视及告警信息的综合显示，支持对机载多模式接收机进行调谐控制，其特征在于包括下述步骤：
步骤1.接收到GNSS信号及SBAS信号后，结合GNSS信号中的导航电文完成卫星位置的计算，并利用GNSS信号中的观测数据对伪距进行载波平滑，同时使用对流层模型进行对流层解算；
步骤2.选择使用SBAS进行增强时，利用接收到的SBAS信号中所包含的增强电文进行伪距修正，当不选择使用SBAS进行增强时，跳至步骤5；单频条件下，将使用SBAS增强电文中的快变改正数对伪距校正量进行计算，使用慢变改正数对卫星位置修正量及卫星时钟修正量进行计算；同时，使用SBAS增强电文中的电离层改正数信息对电离层网格点内的延时进行计算；
步骤3.计算SBAS定位，利用步骤2计算出的伪距修正量、卫星位置修正量、卫星时钟修正量、对流层修正量及电离层修正量对伪距进行修正，利用修正后的伪距进行SBAS定位计算；
步骤4.定位完成后，使用SBAS增强电文参数并结合卫星位置和用户位置计算SBAS保护级；
步骤5.不选择使用SBAS进行增强或未接收到SBAS电文时，使用RAIM算法对卫星进行监测与排除，将故障卫星排除后，计算定位及保护级参数。
2.一种多模式接收机星基增强技术装置的双频条件下SBAS处理方法，所述多模式接收机星基增强技术装置，包括GNSS接收模块、卫星导航综合处理模块、接口处理模块以及电源模块；电源模块为GNSS接收模块、卫星导航综合处理模块和接口处理模块进行供电；GNSS接收模块接收空间GNSS信号及SBAS信号并将信号传输给卫星导航综合处理模块；卫星导航综合处理模块使用GNSS信号及SBAS信号进行SBAS完好性监测、SBAS定位，最后完成导航引导；接口处理模块将卫星导航综合处理模块中处理完成的定位结果和导航引导参数输出给外部的显控模块，用户使用显控模块采集的数据库数据和多模接收机处理完成的定位结果和导航引导参数完成引导进近；所述GNSS接收模块对GNSS射频信号进行处理，转换成中频信号，再实现对信号的捕获、跟踪、定位及RAIM功能；其中GNSS射频信号处理采用射频芯片完成，对GNSS信号捕获、跟踪、定位、RAIM功能通过基带处理模块实现；所述卫星导航综合处理模块是SBAS机载多模接收机设备的核心处理模块，实现导航电文解析功能、增强电文解析功能、数据预处理功能、SBAS定位解算功能、进近引导功能及数据输出功能，每项功能的具体描述如下：导航电文解析功能为解析GNSS接收模块接收的广播星历数据和观测电文数据；增强电文解析功能为解析SBAS增强报文，对SBAS增强报文进行检验；预处理功能是对于载波相位的周跳探测和应用载波相位对码相位的平滑；SBAS定位解算功能为解算卫星位置，利用电离层延迟、对流层延迟模型对伪距进行修正，并应用增强参数进行定位解算和完好性处理，得出定位结果及保护级；进近引导功能是根据已经确定的FAS数据确定精密进近区域范围，在确定精密进近区域范围后，计算偏移量数据、飞机与LTP/FTP点之间的距离数据，进行预警判断监测过程；数据输出功能是以符合民机应用要求的速率输出基于平滑伪距和伪距改正量输出的差分校正位置的WGS-84椭球体的纬度、经度和高度，以及正东、正北和上方三维速度和时间，输出SBAS进近引导的水平、垂直偏移量引导数据，输出保护级数据；所述接口处理模块负责将定位/引导信息、完好性监测信息发送给飞机的控制系统和通信系统，支持设备状态上报；所述显控模块完成导航信息、引导信息、飞行程序、导航性能监视及告警信息的综合显示，支持对机载多模式接收机进行调谐控制，其特征在于包括下述步骤：
步骤1.接收到GNSS信号及SBAS信号后，结合GNSS信号中的导航电文完成卫星位置的计算，并利用GNSS信号中的观测数据中的双频数据组合的方式对伪距进行载波平滑，同时使用对流层模型进行对流层解算；
步骤2.选择使用SBAS进行增强时，利用接收到的SBAS信号中所包含的增强电文进行伪距修正，当不选择使用SBAS进行增强时，将跳至步骤5；双频条件下，系统使用SBAS增强电文中的星历改正数计算卫星位置修正量，使用时钟改正数计算卫星时钟修正量；同时，使用利用双频观测数据并结合I-Free的方法消除伪距中的电离层延迟；
步骤3.计算SBAS定位，利用步骤2计算出的伪距修正量、卫星位置修正量、卫星时钟修正量及对流层修正量对伪距进行修正，在双频条件下，伪距中所包含的电离层延时已经在步骤2中使用I-Free的方法消除；
步骤4.定位完成后，系统将使用SBAS增强电文参数并结合卫星位置和用户位置计算SBAS保护级；
步骤5.不选择使用SBAS进行增强或未接收到SBAS电文时，使用标准的RAIM算法对卫星进行监测与排除，将故障卫星排除后，计算定位及保护级参数。
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