CN111641972B - 卫星导航星基增强电文的多星轮播方法 - Google Patents

卫星导航星基增强电文的多星轮播方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种卫星导航星基增强电文的多星轮播方法，包括步骤：a.确定所需播发的增强电文基本帧结构；b.根据所述增强电文基本帧结构，设计需要通过卫星播发的增强电文消息类型；c.为各颗卫星规划所需要播发的所述增强电文消息类型及其顺序，各颗卫星据此于同一时刻开始逐帧播发所述增强电文，直至完成所有增强电文的第一轮播发；d.轮换或调整各颗卫星的电文消息类型顺序并逐帧播发，直至完成所有增强电文的第二轮播发；e.按照所述c步骤和d步骤中的方式，循环轮换或调整各颗卫星的所述增强电文消息类型的顺序并进行播发；f.用户同时接收来自各颗卫星的所述增强电文，并进行解调和使用。根据本发明的方案，通过多颗卫星播发策略之间的交替和变化，以实现增强电文信息大范围的有效播发和覆盖，从而降低和减轻对卫星带宽资源的要求。

Description

卫星导航星基增强电文的多星轮播方法
技术领域
本发明涉及卫星导航、导航增强、精密单点定位(PPP)、PPP与地基网络高精度实时动态(RTK)融合等技术领域。具体地，涉及一种卫星导航星基增强电文的多星轮播方法。
背景技术
上世纪80年代中期，网络RTK的理论雏形——“主动控制系统(Active ControlSystem)”概念被提出。进入21世纪，随着大量连续运行参考站的建立，网络RTK技术日益成熟并得到广泛应用，但存在着覆盖范围局限于参考网内部、数据通信负担较大等缺陷。1997年，Zumberge首次提出精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)概念。PPP利用精密卫星轨道与钟差数据，利用单台接收机即可在广域范围内实现厘米级别的静态定位和分米级别的动态定位，突破了传统RTK的服务范围限制。然而，由于PPP非差观测值中未校准硬件延迟的影响，PPP非差观测值的模糊度为浮点解，这使得其收敛时间比较长(包括开机首次收敛和信号失锁后的再收敛)，一般需要30～60min才能收敛至10cm左右的定位精度。从而，导致PPP难以充分满足高时效性应用的需求。
为此，Wubbena于2005年提出PPP-RTK概念，提出利用区域参考站坐标精确已知的优势，通过广域参考网所提供的实时状态域参数和各类误差模型，解算出影响非差观测值模糊度固定的改正信息并播发给用户。用户在精密轨道和钟差数据基础上，利用上述改正信息可以恢复模糊度的整周特性，从而实现模糊度的整周解、缩短定位解的收敛时间。这种处理方式融合了网络RTK和PPP技术的优点，既实现了广域范围内的单点精度增强，也大幅提高了传统PPP技术的精度和收敛速度。然而，由于需要播发球谐电离层模型、电离层延迟模型残余以及格网点对流层延迟等大气延迟改正参数，因此PPP-RTK技术需要播发大量的电文数据。例如，日本准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)即在其L6信号上采用了高达2000bps的播发速率，以实现基于PPP-RTK技术的厘米级增强服务(Centimeter Level Augmentation Service，CLAS)。
相比日本，我国幅员辽阔，采用PPP-RTK技术所需要播发的增强电文数据量更大，因此对卫星带宽的要求更高。这对于有限和宝贵的卫星带宽资源而言，是一个巨大挑战。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种卫星导航星基增强电文的多星轮播方法。
为实现上述目的，本发明提供一种卫星导航星基增强电文的多星轮播方法，包括以下步骤：
a.确定所需播发的增强电文基本帧结构；
b.根据所述增强电文基本帧结构，设计需要通过卫星播发的增强电文消息类型；
c.为各颗卫星规划所需要播发的所述增强电文消息类型及其顺序，各颗卫星据此于同一时刻开始逐帧播发所述增强电文，直至完成所有增强电文的第一轮播发；
d.轮换或调整各颗卫星的电文消息类型顺序并逐帧播发，直至完成所有增强电文的第二轮播发；
e.按照所述c步骤和d步骤中的方式，循环轮换或调整各颗卫星的所述增强电文消息类型的顺序并进行播发；
f.用户同时接收来自各颗卫星的所述增强电文，并进行解调和使用。
根据本发明的一个方面，在所述b步骤中，共设计有n条需要通过卫星播发的增强电文消息类型MTi，其中i＝1,2,…,n。
根据本发明的一个方面，在所述c步骤中，共有m颗卫星，于同一时刻共同开始所述增强电文的第一轮播发，其中m＝1,2,…；
其中，第1颗卫星按照MT1,MT1+m,MT1+2m,…的电文消息类型顺序逐帧播发，第2颗卫星按照MT2,MT2+m,MT2+2m,…的电文消息类型顺序逐帧播发；以此类推，第j颗卫星j＝1,2,…,m按照MTj,MTj+m,MTj+2m,…的电文消息类型顺序播发，直至完成所有所述n条增强电文消息类型的第一轮完整播发。
根据本发明的一个方面，在所述d步骤中，第1颗卫星调整为原第2颗卫星的电文消息类型顺序逐帧播发，第2颗卫星调整为原第3颗卫星的电文消息类型顺序逐帧播发；以此类推，第m颗卫星调整为原第1颗卫星的电文消息类型顺序逐帧播发，直至完成所有所述n条增强电文消息类型的第二轮完整播发。
根据本发明的一个方面，所述增强电文基本帧结构包括同步头、校验位和有效电文数据。
根据本发明的一个方面，在所述c步骤中，若n不能被m整除，则在最后一条所述增强电文消息类型MTn被播完后，下一颗卫星可以播发空电文以进行补零，也可以接着从头开始播发第一条所述增强电文消息类型MT1。
根据本发明的方案，通过多颗卫星播发策略之间的交替和变化，以实现增强电文信息大范围的有效播发和覆盖，从而降低和减轻对卫星带宽资源的要求。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的卫星导航星基增强电文的多星轮播方法的流程图；
图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的3星/15条播发增强电文信息类型情况下的轮播策略图；
图3示意性表示根据本发明的一种实施方式的3星情况下的不同覆盖区域图；
图4示意性表示根据本发明的一种实施方式的3星/14条播发增强电文信息类型情况下的轮播策略之一；
图5示意性表示根据本发明的一种实施方式的3星/14条播发增强电文信息类型情况下的轮播策略之二。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
图1示意性表示根据本发明的卫星导航星基增强电文的多星轮播方法的流程图。如图1所示，根据本发明的卫星导航星基增强电文的多星轮播方法，包括以下步骤：
a.确定所需播发的增强电文基本帧结构；
b.根据所述增强电文基本帧结构，设计需要通过卫星播发的增强电文消息类型；
c.为各颗卫星规划所需要播发的所述增强电文消息类型及其顺序，各颗卫星据此于同一时刻开始逐帧播发所述增强电文，直至完成所有增强电文的第一轮播发；
d.轮换或调整各颗卫星的电文消息类型顺序并逐帧播发，直至完成所有增强电文的第二轮播发；
e.按照所述c步骤和d步骤中的方式，循环轮换或调整各颗卫星的所述增强电文消息类型的顺序并进行播发；
f.用户同时接收来自各颗卫星的所述增强电文，并进行解调和使用。
在本发明中，上述增强电文基本帧结构包括同步头、校验位和有效电文数据。
在上述b步骤中，共设计有n条需要通过卫星播发的增强电文消息类型MTi，其中i＝1,2,…,n。
在上述c步骤中，共有m颗卫星，于同一时刻共同开始所述增强电文的第一轮播发，其中m＝1,2,…；
其中，第1颗卫星按照MT1,MT1+m,MT1+2m,…的电文消息类型顺序逐帧播发，第2颗卫星按照MT2,MT2+m,MT2+2m,…的电文消息类型顺序逐帧播发；以此类推，第j颗卫星j＝1,2,…,m按照MTj,MTj+m,MTj+2m,…的电文消息类型顺序播发，直至完成所有所述n条增强电文消息类型的第一轮完整播发。
在上述d步骤中，第1颗卫星调整为原第2颗卫星的电文消息类型顺序后逐帧播发，第2颗卫星调整为原第3颗卫星的电文消息类型顺序后逐帧播发；以此类推，第m颗卫星调整为原第1颗卫星的电文消息类型顺序后逐帧播发，直至完成所有所述n条增强电文消息类型的第二轮完整播发。
进一步地，在上述c步骤中，若n不能被m整除，则在最后一条所述增强电文消息类型MTn被播完后，下一颗卫星可以播发空电文以进行补零，也可以接着从头开始播发第一条所述增强电文消息类型MT1。
下面以一种具体实施例结合附图对本发明的上述方案进一步详细说明。
1.当所需要播发的电文消息类型数m能够被播发卫星数n整除时：
假设共有3颗地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)卫星A、B、C，共需播发15条增强电文消息类型(MT1至MT15)。则轮播策略与方法如表1及说明书附图2所示。
表1当播发电文消息类型数能够被播发卫星数整除时的轮播策略示意
Figure GDA0004113041570000061
从表1可以看出，由于增强电文消息类型数量15刚好可以被播发卫星数量3整除，因此在第二轮播发中，卫星A可以完全按原卫星B的电文帧顺序、卫星B可以完全按原卫星C的电文帧顺序、卫星C可以完全按原卫星A的电文帧顺序播发。
三颗GEO卫星相互轮换和改变电文帧播发顺序的最大好处在于可以实现最大的服务范围。具体如附图3所示，在三颗GEO卫星同时播发无线电信号时，地面将存在着“三重覆盖”、“二重覆盖”和“一重覆盖”三类不同区域。若三颗卫星不轮换电文帧播发顺序，那么只有位于三重覆盖区域内的用户才能收到全部完整电文信息；而当三颗卫星轮换电文帧播发顺序时，所有地面用户都能收到全部完整电文信息，只是不同覆盖区域内的用户所需的接收时间不同而已(具体地，三重覆盖区域内的用户仅需要经过一轮播发即可接收获得全部完整电文信息，二重覆盖区域内的用户需要经过二轮播发，一重覆盖区域内的用户需要经过三轮播发)。
2.当所需要播发的电文消息类型数m不能够被播发卫星数n整除时：
假设共有3颗GEO卫星A、B、C，共需播发14条增强电文消息类型(MT1至MT14)，则这种情况下，所需要播发的电文消息类型数不能够被播发卫星数整除。
此时，一种处理方法是当最后一条增强电文消息类型MT14被播完后，下一颗卫星接着播发空电文以进行补零，然后从下下颗卫星开始进行有效消息类型的正常播发。具体轮播策略与方法如表2及说明书附图4所示。
表2当播发电文消息类型数不能够被播发卫星数整除时的第一种轮播策略示意
Figure GDA0004113041570000071
另一种处理方法是从下一颗卫星，直接接着开始从头播发第一条电文消息类型。具体轮播策略与方法如表3及说明书附图5所示。
表3当播发电文消息类型数不能够被播发卫星数整除时的第二种轮播策略示意
Figure GDA0004113041570000072
两种播发策略均可顺利实现电文的播发和用户的接收使用。其中，第一种处理方式可以保持上一轮电文帧播发顺序不变；第二种处理方式可以进一步提高卫星播发带宽利用效率，但会改变上一轮电文帧播发顺序。
根据本发明的上述方案，通过多颗卫星播发策略之间的交替和变化，以实现增强电文信息大范围的有效播发和覆盖，从而降低和减轻对卫星带宽资源的要求。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种卫星导航星基增强电文的多星轮播方法，包括以下步骤：
a.确定所需播发的增强电文基本帧结构；
b.根据所述增强电文基本帧结构，设计需要通过卫星播发的增强电文消息类型；
c.为各颗卫星规划所需要播发的所述增强电文消息类型及其顺序，各颗卫星据此于同一时刻开始逐帧播发所述增强电文，直至完成所有增强电文的第一轮播发；
d.轮换或调整各颗卫星的电文消息类型顺序并逐帧播发，直至完成所有增强电文的第二轮播发；
e.按照所述c步骤和d步骤中的方式，循环轮换或调整各颗卫星的所述增强电文消息类型的顺序并进行播发；
f.用户同时接收来自各颗卫星的所述增强电文，并进行解调和使用。
2.根据权利要求1所述的卫星导航星基增强电文的多星轮播方法，其特征在于，在所述b步骤中，共设计有n条需要通过卫星播发的增强电文消息类型MTi，其中i＝1,2,…,n。
3.根据权利要求2所述的卫星导航星基增强电文的多星轮播方法，其特征在于，在所述c步骤中，共有m颗卫星，于同一时刻共同开始所述增强电文的第一轮播发，其中m＝1,2,…；
其中，第1颗卫星按照MT1,MT1+m,MT1+2m,…的电文消息类型顺序逐帧播发，第2颗卫星按照MT2,MT2+m,MT2+2m,…的电文消息类型顺序逐帧播发；以此类推，第j颗卫星j＝1,2,…,m按照MTj,MTj+m,MTj+2m,…的电文消息类型顺序播发，直至完成所有所述n条增强电文消息类型的第一轮完整播发。
4.根据权利要求2所述的卫星导航星基增强电文的多星轮播方法，其特征在于，在所述d步骤中，第1颗卫星调整为原第2颗卫星的电文消息类型顺序逐帧播发，第2颗卫星调整为原第3颗卫星的电文消息类型顺序逐帧播发；以此类推，第m颗卫星调整为原第1颗卫星的电文消息类型顺序逐帧播发，直至完成所有所述n条增强电文消息类型的第二轮完整播发。
5.根据权利要求1所述的卫星导航星基增强电文的多星轮播方法，其特征在于，所述增强电文基本帧结构包括同步头、校验位和有效电文数据。
6.根据权利要求3所述的卫星导航星基增强电文的多星轮播方法，其特征在于，在所述c步骤中，若n不能被m整除，则在最后一条所述增强电文消息类型MTn被播完后，下一颗卫星可以播发空电文以进行补零，也可以接着从头开始播发第一条所述增强电文消息类型MT1。
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