CN111596318A - 低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法 - Google Patents

低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法。该方法包括：采用正交相移键控对低轨卫星向地面导航接收机播发的导航抗干扰信号进行调制；将导航抗干扰信号划分为自身信息导航电文和转发信息导航电文；将低轨卫星状态参数、低轨卫星星历参数、低轨卫星钟差参数和定位精度评估参数从顺序编排在自身信息导航电文的数据帧；将GNSS卫星电文编排在转发信息导航电文的数据帧上；将自身信息导航电文调制在正交相移键控的I支路上，将转发信息导航电文调制在正交相移键控的Q支路上。本发明的方法能够使地面导航接收机精确获取卫星星历和钟差精度，以及可见GNSS卫星电文，便于接收机对自身定位结果精度进行评估，同时提高定位速度和抗干扰能力。

Description

低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法。
背景技术
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标、速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统，全球导航卫星系统不仅是国家安全和经济的基础设施，也是体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志，全球导航卫星系统主要包括全球定位系统(GlobalPositioning System，GPS)、北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)、格洛纳斯(GLONASS)和伽利略卫星导航系统(Galileo Satellite NavigationSystem，GALILEO)，目前卫星导航定位技术已基本取代了地基无线电导航、传统大地测量和天文测量导航定位技术，并推动了大地测量与导航定位领域的全新发展。
但由于GNSS具有信号弱易受电磁干扰等固有缺点，在实际应用中GNSS仍存在较为严重的安全隐患。具体地，由于发射功率较低，且卫星到地球表面的距离较为遥远，卫星信号到达地球表面时已十分微弱，通常约为-160dBW，而各种有意无意干扰则处于地表附近，距离地面导航接收机较近，很容易造成地面导航接收机无法正常锁定卫星信号。在实际应用过程中，各种甚高频通信设备的寄生辐射和谐波、卫星通信设备的带外辐射和寄生辐射、移动和固定的甚高频通信台站、使用GNSS频带进行的点对点无线电链接、电视台谐波、雷达系统、移动卫星通信系统、以及军用通信系统等均可对地面导航接收机造成干扰，使其性能下降或在一段时间内处于完全不可用状态。
为了提高卫星导航抗干扰能力，目前采用的方法包括如下三种：第一种方法是增强基本卫星导航系统，即为卫星增加点波束增强功能，通过缩小卫星波束的覆盖区域，可以获得20dB以上的信号功率增强；第二种方法是使用机载伪卫星技术，以此来改善局部地区的信号强度和几何布局；第三种方法是采用复杂的接收机技术，包括：用于在时域进行干扰检测与消除的时域干扰抑制技术、在变换域进行干扰信号的检测与消除的变换域干扰抑制技术、以及空域干扰抑制技术；其中，变换域干扰抑制技术包括基于DFT、基于重叠变换LT和基于时频变换的干扰抑制技术，空域干扰抑制技术包括基于自适应天线调零与波束/零陷形成的干扰抑制技术。
然而，通过点波束增强基本卫星导航系统，虽然提供了一定的功率增强，但强度受限于2万多公里的距离衰减，依然不能完全满足导航战的要求，且该方法对克服地形地物影响以及改善系统的DOP值没有帮助；使用机载伪卫星技术时，需要对整个作战区域进行长期覆盖，需要大量的无人机或飞艇，导致运行成本增加，且平台自身的安全性也不能完全保证；采用复杂的接收机技术时，时域干扰抑制技术和变换域干扰抑制技术只能抑制单频或窄带干扰，对于宽带压制干扰没有抑制效果，空域干扰抑制技术采用天线阵形式，会使接收机的复杂程度、成本和使用难度显著增加，不利于部队的大量装备和使用。
为了上述技术问题，公开号为CN110118978A、发明名称为《基于低轨卫星的导航抗干扰系统及导航抗干扰方法》的中国专利文献公开了一种基于低轨卫星的导航抗干扰系统，该系统利用低轨卫星向地面导航接收机播发包括低轨卫星自身的轨道及钟差信息、以及地面导航接收机可视的GNSS卫星电文的导航抗干扰信号，以低成本实现高信号落地功率，提高地面导航接收机在室内、遮蔽环境以及干扰环境下的灵敏度和抗干扰能力。
发明人发现现有技术至少存在以下问题：
现有的低轨卫星播发的导航抗干扰信号仅包括低轨卫星自身的轨道及钟差信息、以及地面导航接收机可视的GNSS卫星电文，虽然地面导航接收机利用现有的导航抗干扰信号能够确定自身的时间及位置信息，但无法对自身的定位精度进行计算评估，难以实现高精度定位。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法。
为此，本发明公开了一种低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法，所述方法包括：
采用正交相移键控对低轨卫星向地面导航接收机播发的导航抗干扰信号进行调制；
将导航抗干扰信号划分为自身信息导航电文和转发信息导航电文；
将低轨卫星状态参数、低轨卫星星历参数、低轨卫星钟差参数和定位精度评估参数从最高有效位开始至最低有效位顺序编排在自身信息导航电文的数据帧上；
将GNSS卫星电文编排在转发信息导航电文的数据帧上；
将自身信息导航电文调制在正交相移键控的I支路上，将转发信息导航电文调制在正交相移键控的Q支路上。
进一步地，在上述低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法中，低轨卫星状态参数包括顺序编排的下述参数：帧同步头、整周计数、周内秒计数、用于表示低轨卫星使用状态的低轨卫星健康标识、钟差参数版本号和星历参数版本号。
进一步地，在上述低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法中，低轨卫星星历参数包括顺序编排的第一类星历参数和第二类星历参数；
第一类星历参数包括顺序编排的下述参数：星历参考时刻、参考时刻对应的低轨卫星的轨道长半轴平方根、参考时刻对应的低轨卫星的轨道长半轴变化率、参考时刻对应的低轨卫星的平均运动角速率与计算值的差值、参考时刻对应的低轨卫星的平均运动角速率与计算值的差值的变化率、参考时刻对应的低轨卫星的平近点角、低轨卫星的轨道偏心率和近地点幅角；
第二类星历参数包括顺序编排的下述参数：周历元零时刻对应的升交点经度、参考时刻对应的低轨卫星的轨道倾角、升交点赤经变化率、轨道倾角变化率、轨道倾角的二正弦调和改正项的振幅、轨道倾角的二余弦调和改正项的振幅、轨道半径的二正弦调和改正项的振幅、轨道半径的二余弦调和改正项的振幅、轨道半径的三正弦调和改正项的振幅、轨道半径的三余弦调和改正项的振幅、纬度幅角的正弦调和改正项的振幅和纬度幅角的余弦调和改正项的振幅。
进一步地，在上述低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法中，低轨卫星钟差参数包括顺序编排的下述参数：钟差参数参考时刻、卫星钟时间偏差、卫星钟频偏一次项系数和卫星钟频漂二次项系数。
进一步地，在上述低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法中，定位精度评估参数包括：用于评估轨道和钟差拟合精度的轨道拟合精度和钟差拟合精度。
此外，本发明还公开了一种低轨卫星的导航抗干扰信号，所述导航抗干扰信号利用上述的低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法生成。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法及利用该方法生成的低轨卫星的导航抗干扰信号能够使地面导航接收机根据接收到的导航抗干扰信号精确获取低轨卫星的星历和钟差精度，以及可见GNSS卫星电文，便于地面导航接收机对自身定位结果精度进行评估，有效地提高地面导航接收机的抗干扰能力和定位精度，同时还能提高地面导航接收机对导航抗干扰信号的处理效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一实施例的导航抗干扰信号中自身信息导航电文的数据帧的结构示意图；
图2为本发明一实施例的自身信息导航电文的数据帧中第一类星历参数的编排格式示意图；
图3为本发明一实施例的自身信息导航电文的数据帧中第二类星历参数的编排格式示意图；
图4为本发明一实施例的自身信息导航电文的数据帧中低轨卫星钟差参数的编排格式示意图；
图5为本发明一实施例的导航抗干扰信号中转发信息导航电文的数据帧的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
本发明一实施例提供了一种低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法，该方法包括：
采用正交相移键控对低轨卫星向地面导航接收机播发的导航抗干扰信号进行调制；
将导航抗干扰信号划分为自身信息导航电文和转发信息导航电文；
将低轨卫星状态参数、低轨卫星星历参数、低轨卫星钟差参数和定位精度评估参数从最高有效位(MSB)开始至最低有效位(LSB)顺序编排在自身信息导航电文的数据帧上；
将GNSS卫星电文编排在转发信息导航电文的数据帧上；
将自身信息导航电文调制在正交相移键控的I支路上，将转发信息导航电文调制在正交相移键控的Q支路上。
以下对本发明一实施例提供的低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法的步骤及原理进行具体说明。
如附图1所示，本发明一实施例中，低轨卫星状态参数包括从最高有效位开始至最低有效位顺序编排的下述参数：帧同步头Pre、整周计数WN、周内秒计数SOW、用于表示低轨卫星使用状态的低轨卫星健康标识SatH1、钟差参数版本号IODC和星历参数版本号IODE。
具体地，本发明一实施例中，帧同步头Pre采用巴克码，为固定比特；整周计数WN和周内秒计数SOW均以北斗时为时间基准，整周计数WN以北斗时的起始历元(2006年1月1日00时00分00秒UTC)为起点从零开始计数，周内秒计数SOW在北斗时的每周日00时00分00秒从零开始计数，在每周的结束时刻被重置为零；低轨卫星健康标识SatH1用于表明低轨卫星当前是否可用；钟差参数版本号IODC用于表示低轨卫星的钟差参数版本和同一数据帧内的钟差参数龄期范围；星历参数版本号IODE用于表示低轨卫星的星历参数版本和同一数据帧内的星历参数龄期范围。
如此设置，地面导航接收机基于接收到的导航抗干扰信号能够直接获知低轨卫星的状态、钟差参数和星历参数版本信息，方便地面导航接收机对导航抗干扰信号进行处理，以实现自身定位。
进一步地，如附图1所示，本发明一实施例中，低轨卫星星历参数包括顺序编排的第一类星历参数和第二类星历参数；
其中，如附图2所示，第一类星历参数包括从最高有效位开始至最低有效位顺序编排的下述参数：星历参考时刻toe、参考时刻对应的低轨卫星的轨道长半轴平方根
Figure BDA0002453576170000051
参考时刻对应的低轨卫星的轨道长半轴变化率
Figure BDA0002453576170000052
参考时刻对应的低轨卫星的平均运动角速率与计算值的差值Δn0、参考时刻对应的低轨卫星的平均运动角速率与计算值的差值的变化率
Figure BDA0002453576170000053
参考时刻对应的低轨卫星的平近点角M0、低轨卫星的轨道偏心率e和低轨卫星的近地点幅角ω；具体地，第一类星历参数的定义如表1所示。
表1(第一类星历参数定义)
Figure BDA0002453576170000054
Figure BDA0002453576170000061
如附图3所示，第二类星历参数包括从最高有效位开始至最低有效位顺序编排的下述参数：周历元零时刻对应的升交点经度Ω0、参考时刻对应的低轨卫星的轨道倾角i0、升交点赤经变化率
Figure BDA0002453576170000062
轨道倾角变化率
Figure BDA0002453576170000063
轨道倾角的二正弦调和改正项的振幅Cis、轨道倾角的二余弦调和改正项的振幅Cic、轨道半径的二正弦调和改正项的振幅Crs、轨道半径的二余弦调和改正项的振幅Crc、轨道半径的三正弦调和改正项的振幅Crs3、轨道半径的三余弦调和改正项的振幅Crc3、纬度幅角的正弦调和改正项的振幅Cus和纬度幅角的余弦调和改正项的振幅Cuc；具体地，第二类星历参数的定义如表2所示。
表2(第二类星历参数的定义)
Figure BDA0002453576170000064
如此设置，地面导航接收机根据接收到的低轨卫星播发的导航抗干扰信号，能够准确地获取低轨卫星的轨道信息，以进行时间和位置定位。
进一步地，如附图4所示，本发明一实施例中，低轨卫星钟差参数包括从最高有效位开始至最低有效位顺序编排的下述参数：钟差参数参考时刻toc、卫星钟时间偏差a0、卫星钟频偏一次项系数a1和卫星钟频漂二次项系数a2；具体地，钟差参数的定义如表3所示。
表3(钟差参数的定义)
序号 参数 含义 单位
1 t<sub>oc</sub> 低轨卫星的钟差参数参考时刻 s
2 a<sub>0</sub> 低轨卫星的卫星钟时间偏差 s
3 a<sub>1</sub> 低轨卫星的卫星钟频偏一次项系数 s/s
4 a<sub>2</sub> 低轨卫星的卫星钟频漂二次项系数 s/s<sup>2</sup>
如此设置，地面导航接收机根据接收到的低轨卫星播发的导航抗干扰信号，能够准确地获取低轨卫星的钟差信息，以进行时间和位置定位。
进一步地，如附图1所示，本发明一实施例中，定位精度评估参数Est包括：用于评估轨道和钟差拟合精度的轨道拟合精度URE和钟差拟合精度URC。
如此设置，利用设置的轨道拟合精度URE和钟差拟合精度URC，能够方便地面导航接收机对自身的定位结果的精度进行评估，进一步地提高地面导航接收机的定位精度。
可选的，如附图1所示，本发明一实施例中，还可以在自身信息导航电文的数据帧上的低轨卫星钟差参数与定位精度评估参数之间顺序编排IQ支路的时延差ISC和星上设备时延TGD，星上设备时延TGD表示低轨卫星的时间基准到低轨卫星的发射天线相位中心的时延。
可选的，如附图1所示，本发明一实施例中，还可以在自身信息导航电文的数据帧上的定位精度评估参数于最低有效位之间顺序编排保留字Rev和校验字CRC，保留字Rev用于后期填充其他需要进行播发的参数，校验字CRC采用循环冗余校验计算。
进一步地，本发明一实施例中，转发信息导航电文的数据帧可以包括多个超帧，每个超帧包括多个主帧，每个主帧包括多个子帧，每个子帧包括多个字；其中，超帧、主帧、子帧和字的具体数目及各自包含的比特数根据实际需要转发的GNSS卫星电文进行确定。
具体地，如附图5所示，以转发北斗卫星的B1I的前三帧电文为例，转发信息导航电文的数据帧可以包括6个超帧，每个超帧为5400比特，每个超帧包括6个主帧，每个主帧为900比特，每个主帧包括3个子帧，每个子帧为300比特，每个子帧包括10个字，每个字为30比特，每个字编排设定GNSS卫星电文信息和相应的校验码。
如此设置，能够方便GNSS卫星电文的编排，同时提高地面导航接收机对接收到的导航抗干扰信号进行处理时的处理效率。
进一步地，本发明一实施例还提供了一种低轨卫星的导航抗干扰信号，该导航抗干扰信号利用上述的低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法生成。
可见，本发明一实施例提供的低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法及利用该方法生成的低轨卫星的导航抗干扰信号能够使地面导航接收机根据接收到的导航抗干扰信号精确获取低轨卫星的星历和钟差精度，以及可见GNSS卫星电文，便于地面导航接收机对自身定位结果精度进行评估，有效地提高地面导航接收机的抗干扰能力和定位精度，同时还能提高地面导航接收机对导航抗干扰信号的处理效率。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法，其特征在于，所述方法包括：
采用正交相移键控对低轨卫星向地面导航接收机播发的导航抗干扰信号进行调制；
将导航抗干扰信号划分为自身信息导航电文和转发信息导航电文；
将低轨卫星状态参数、低轨卫星星历参数、低轨卫星钟差参数和定位精度评估参数从最高有效位开始至最低有效位顺序编排在自身信息导航电文的数据帧上；
将GNSS卫星电文编排在转发信息导航电文的数据帧上；
将自身信息导航电文调制在正交相移键控的I支路上，将转发信息导航电文调制在正交相移键控的Q支路上。
2.根据权利要求1所述的低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法，其特征在于，低轨卫星状态参数包括顺序编排的下述参数：帧同步头、整周计数、周内秒计数、用于表示低轨卫星使用状态的低轨卫星健康标识、钟差参数版本号和星历参数版本号。
3.根据权利要求1或2所述的低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法，其特征在于，低轨卫星星历参数包括顺序编排的第一类星历参数和第二类星历参数；
第一类星历参数包括顺序编排的下述参数：星历参考时刻、参考时刻对应的低轨卫星的轨道长半轴平方根、参考时刻对应的低轨卫星的轨道长半轴变化率、参考时刻对应的低轨卫星的平均运动角速率与计算值的差值、参考时刻对应的低轨卫星的平均运动角速率与计算值的差值的变化率、参考时刻对应的低轨卫星的平近点角、低轨卫星的轨道偏心率和近地点幅角；
第二类星历参数包括顺序编排的下述参数：周历元零时刻对应的升交点经度、参考时刻对应的低轨卫星的轨道倾角、升交点赤经变化率、轨道倾角变化率、轨道倾角的二正弦调和改正项的振幅、轨道倾角的二余弦调和改正项的振幅、轨道半径的二正弦调和改正项的振幅、轨道半径的二余弦调和改正项的振幅、轨道半径的三正弦调和改正项的振幅、轨道半径的三余弦调和改正项的振幅、纬度幅角的正弦调和改正项的振幅和纬度幅角的余弦调和改正项的振幅。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法，其特征在于，低轨卫星钟差参数包括顺序编排的下述参数：钟差参数参考时刻、卫星钟时间偏差、卫星钟频偏一次项系数和卫星钟频漂二次项系数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法，其特征在于，定位精度评估参数包括：用于评估轨道和钟差拟合精度的轨道拟合精度和钟差拟合精度。
6.一种低轨卫星的导航抗干扰信号，其特征在于，所述导航抗干扰信号利用权利要求1至5中任一项所述的低轨卫星的导航抗干扰信号的编排设计方法生成。
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