CN111970043A - 电文生成方法和装置 - Google Patents

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江金凤
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Abstract

本申请公开了一种用于低轨卫星导航增强系统的电文生成方法和装置。该方法包括以下步骤：确定低轨卫星导航增强系统下发信息的类型和信息数据量；确定下发信息的下发频次，并对低轨卫星的信道资源进行分配；确定低轨卫星的电文格式，得到下发电文的超帧、主帧格式及播发方法；对下发电文进行信道编码。通过采用不同下发频点编排不同电文，满足了地面单频用户和双频用户定位需求，并考虑兼顾了各类增强信息数据量大小、数据中心产生的周期和用户的需求，编排了合适的播发周期；并且，采用了多参数轨道状态表征方法，确保了低轨卫星外推精度，同时包含了地面非差精密单点定位所需的误差改正数据，地面用户接收后可以实现快速收敛的非差精密单点定位。

Description

电文生成方法和装置
技术领域
本申请涉及卫星导航领域，具体涉及一种用于低轨卫星导航增强系统的电文生成方法和装置。
背景技术
中高轨的全球导航卫星系统(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，将自己的瞬时位置速度通过电文广播给用户，为用户提供实时的米级定位导航服务。然而，现有的GNSS定位精度较低，无法满足无人驾驶、智能机器人、精细农业、物联网等新兴产业对定位和授时的需求。
目前，常见的导航增强系统包括地基增强系统和星基增强系统。其中，星基增强系统包括利用地球同步卫星的广域增强系统和利用低轨卫星的导航增强系统。然而，导航卫星系统的电文收发仍采用传统方式。由于低轨卫星导航增强系统与中高轨导航系统在广播星历上是不同的，因此传统的电文生成方式已不再适用于低轨卫星导航增强系统。
发明内容
为了解决上述至少一个技术问题，本申请提供了一种用于低轨卫星导航增强系统的电文生成方法，该方法包括：确定所述低轨卫星导航增强系统下发信息的类型和信息数据量；确定所述下发信息的下发频次，并对低轨卫星的信道资源进行分配；确定低轨卫星的电文格式，得到下发电文的超帧、主帧格式及播发方法；对所述下发电文进行信道编码。
在本申请的一些实施例中，所述确定所述低轨卫星导航增强系统下发信息的类型和信息数据量的步骤包括：确定所述下发信息的类型；根据地面用户的使用需求统计所述下发信息的数据量。
在本申请的一些实施例中，所述确定所述下发信息的下发频次并对低轨卫星的信道资源进行分配的步骤包括：确定地面数据中心处理生成误差数据产品时间周期；制定各误差数据及LEO-NA星历播发周期如下：LEO-NA星历的播发周期为5秒一次，GNSS SSR轨道改正的播发周期为30秒一次，GNSS SSR钟差改正的播发周期为10秒一次，网格点电离层参数的播发周期为30秒一次，地球自转参数为30秒一次，GNSS码偏差改正DCB的播发周期为30秒一次，卫星掩码的播发周期为30秒一次；以及采用双频信号播发模式，在两个信道上分配如下：在第一信道下发信息中分配LEO-NA星历、网格点电离层信息和GNSS SSR轨道改正数；在第二信道下发信息中分配卫星掩码、GGNSS状态监测、GNSS SSR钟差改正数、GNSS SSR轨道改正数、LEO-NA星历、GNSS码偏差该正数和地球自转参数。
在本申请的一些实施例中，所述确定低轨卫星的电文格式得到下发电文的超帧、主帧格式及播发方法的步骤包括：确定所述下发电文的超帧和主帧格式；根据已确定的数据播发周期确定第一信道下发信息的电文主帧和第二信道下发信息的电文主帧。
在本申请的一些实施例中，所述对所述下发电文进行信道编码的步骤包括：根据电文数据生成循环冗余校验；对所述电文数据和所述循环冗余校验进行BCH(15,11,1)纠错编码。
在本申请的一些实施例中，所述超帧包括30000个符号位，播发周期为30秒，由30个主帧组成。
在本申请的一些实施例中，所述主帧为1000个符号位，其中包括同步头16位、卫星编号7位、主帧编号4位、预留13位、电文符号960位，同步头按常规约定设置位0xEB90。
根据本申请的另一方面，还提供了一种用于低轨卫星导航增强系统的电文生成装置，该装置包括：第一确定模块，用于确定所述低轨卫星导航增强系统下发信息的类型和信息数据量；信道资源分配模块，用于确定所述下发信息的下发频次，并对低轨卫星的信道资源进行分配；第二确定模块，用于确定低轨卫星的电文格式，得到下发电文的超帧、主帧格式及播发方法；编码模块，对所述下发电文进行信道编码。
根据本申请的另一方面，还提供了一种装置，包括存储器、处理器和程序；所述程序被存储在所述存储器中，所述处理器执行所述程序以实现上述方法。
根据本申请的另一方面，还提供了一种存储介质，所述存储介质存储有程序，当所述程序被处理器执行，实现上述方法。
本申请所提供的电文生成方法和装置，通过采用不同下发频点编排不同电文，满足了地面单频用户和双频用户定位需求，并考虑兼顾了各类增强信息数据量大小、数据中心产生的周期和用户的需求，编排了合适的播发周期；并且，采用了多参数轨道状态表征方法，确保了低轨卫星外推精度，同时包含了地面非差精密单点定位所需的误差改正数据，地面用户接收后可以实现快速收敛的非差精密单点定位。
附图说明
图1本申请所提供的低轨导航增强系统的电文生成方法的流程图；
图2是本申请所提供的下发电文超帧及主帧格式示意图；
图3是本申请所提供的播发频点一下发主帧信息编排示意图；
图4是本申请所提供的播发频点二下发主帧信息编排示意图；
图5是BCH(15,11,1)编码框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本申请进行进一步的说明。所描述的实施例不应视为对本申请的限制，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
高轨导航卫星轨道高度高，卫星受到的摄动力小，星历有效期时间长，而低轨卫星轨道高度低，受到的摄动力大，另外轨道周期短，相对于中高轨导航卫星同样时间摄动加速度变化大，因此低轨导航卫星星历需要增加参数满足用户高精度推算需求。另外，中高轨增强系统通过转发各项误差数据为地面非差精密单点定位用户使用，但由于高轨卫星静止不动，地面非差精密单点定位用户收敛速度慢；而低轨卫星相对运动速度快，地面用户接收低轨导航信号综合解算可提高收敛速度，因此低轨导航系统中在播发低轨星星历信息基础上，播发中高轨导航系统轨道误差、钟差、电离层改正等各类信息，地面用户可实现快速收敛的非差精密单点定位。
为此，根据本申请的一方面，提供了一种用于低轨卫星导航增强系统的电文生成方法，如图1所示，该方法包括步骤S1、S2、S3和S4。
S1：根据地面导航用户高精度定位需求，确定低轨卫星导航增强(LEO-NA，LowEarth Orbit Navigation Augmentation)系统下发信息的类型和各类信息数据量。
为满足地面用户快速收敛的高精度导航定位需求、高精度授时的需求，低轨导航增强系统下发电文中包括低轨导航增强卫星星历、中高轨导航系统卫星轨道误差、中高轨导航系统卫星钟差、地球自转参数、电离层参数、中高轨导航系统卫星码偏差改正数。
S2：根据地面数据中心增强信息产生频次及地面定位算法需求确定每种增强信息下发频次，对低轨导航卫星的信道资源进行分配。
低轨导航增强卫星通常采用两个业务频率进行增强信息的下发，低轨导航增强卫星星历可在星上进行自主高精度定轨后生成，也可在地面数据中心生成，其余增强信息地面数据中心通过汇集GNSS监测站、天气参数等数据综合处理生成，各类信息生成的频次和用户对该信息的使用需求共同确定该信息的下发频次；然后考虑下发频次需求和各类信息的数据量在低轨导航卫星两个下发信道上进行分配。
S3：确定低轨卫星的电文格式，得到下发电文超帧、主帧格式及播发方法。
根据下发信息类型和数据量及各类信息下发频次进行下发电文格式的设计，主要包括帧格式和播发方法设计。
S4：对下发电文进行信道编码。
为了提高信息在传输过程中的抗干扰能力，对下发电文进行信道编码，本申请所提供的方法首先根据下发电文数据生成循环冗余校验(CRC)，然后对下发电文数据和CRC校验进行BCH(15,11,1)纠错编码，实现对数据正确传输的双重保障。
在本申请的一些实施例中，步骤S1进一步包括步骤S11和S12。
S11：确定下发信息的类型。
具体地，地面导航接收机在进行导航定位中，有三方面的因素将影响最终定位精度，一是与GNSS卫星有关的误差；二是与信号传输有关的误差；三是与地面接收机有关的误差。地面用户为了实现高精度的定位，需把相关误差的改正信息通过低轨导航增强系统进行广播。主要播发的误差类型有：GNSS实时轨道改正数据、GNSS实时钟差改正数据、网格点电离层参数、地球自转参数、GNSS码偏差改正数据。另外，低轨导航增强卫星需播发本身星历。
S12：根据地面用户使用需求统计每类下发信息数据量。
其中，网格点电离层信息：全球按照经纬度10°间隔进行的网格划分，每个网格点信息包括网格垂直延迟和误差指数。电离层参考高度为450km，计算公式为：
Figure BDA0002618889770000041
ωi为距离权值，分别为：
ω1＝(1-xp)(1-yp),ω2＝xp(1-yp),ω3＝xpyp,ω4＝(1-xp)yp
Figure BDA0002618889770000042
其中VTECi为网格点垂直电离层延迟，(λp，φp)为用户接收机与某颗卫星连线对应电离层穿刺点所处的地理经纬度，周围四个网格点位置为(λi，φi)。
其中GNSS轨道改正数包括当前增强GNSS系统所有卫星参考时刻点的径向、法向、切向位置偏差，用户根据该改正数进行GNSS轨道误差修正公式为：
Xorbit＝Xbroadcast-δX
其中Xorbit为改正后的GNSS卫星地固系位置，Xbroadcast为GNSS卫星广播电文计算出地固系位置，δX为地固系下改正数。
由轨道系径向切向法向改正数转为地固系下改正公式为：
δX＝[eradial ealong ecross]δO
Figure BDA0002618889770000051
Figure BDA0002618889770000052
eradial＝ealong×ecross
其中GNSS钟差改正数包括：当前增强GNSS系统所有卫星参考时刻点的钟差改正参数，用户根据该改正数进行GNSS钟差误差修正公式为：
Figure BDA0002618889770000053
δC＝C0+C1(t-t0)+C2(t-t0)2
其中tsatellite为改正后的GNSS卫星时间，tbroadcast为通过GNSS卫星广播电文计算的星上时间，t为当前时刻，t0为参考时刻，C0、C1、C2为参考时刻钟差改正系数。参考时刻与当前时刻越接近，改正精度越高。
导航系统广播星历当前有两大类，一类是基于轨道根数的广播星历，另一类是基于轨道状态型的广播星历。其中LEO-NA星历采用轨道状态表征方法，内容包括：低轨星历数据版本号、参考时刻、对应参考时刻低轨星地固系位置X、Y、Z，参考时刻低轨星地固系速度Vx、Vy、Vz，参考时刻卫星地固系下地球中心引力和J2项摄动加速度ax、ay、az，大气阻力和日月引力等摄动力地固系下摄动加速度拟合系数a1x、a1y、a1z，a2x，a2y，a2z，参考时刻卫星钟差、钟速、钟加速度。
在本申请的一些实施例中，步骤S2包括步骤S21、S22和S23。
S21：确定地面数据中心处理生成各类误差数据产品时间周期。
在一些实施例中，GNSS SSR轨道改正数据一般处理频次为1分钟一组数据，一组数据包括GNSS系统所有卫星轨道误差。GNSS SSR钟差改正数据一般处理频次为10秒一组数据，每组数据包括GNSS系统所有卫星钟差改正数。在一些实施例中，网格点电离层参数一般处理频次为1小时一组数，每组数据包括全球按等间隔划分后每个网格点的电离层垂直改正数。在一些实施例中，地球自转信息一般处理频次为1天一组数据，每组数据包括当天的地球极移数据和后一天的地球极移预报数据。在一些实施例中，码偏差改正信息一般处理频次为1天一组数据，每组数据包括当天GNSS系统内频间偏差和码间偏差。
S22：根据各地面数据中心生成误差数据及时完整播发原则和地面用户定位需求，制定各误差数据及LEO-NA星历播发周期如下：
类型 播发周期
LEO-NA星历 5秒一次
GNSS SSR轨道改正 30秒一次
GNSS SSR钟差改正 10秒一次
网格点电离层参数 30秒一次
地球自转参数 30秒一次
GNSS码偏差改正DCB 30秒一次
卫星掩码 30秒一次
S23：低轨导航增强卫星为了地面用户进行双频观测值组合处理，增强信息采用双频信号播发模式，根据上述播发频次和相应各类型信息数据量的分析统计，对上述信息在两个信道上进行合理的分配如下：
Figure BDA0002618889770000061
在本申请的一些实施例中，步骤S3包括步骤S31和S32。
S31：确定低轨卫星下发电文超帧和主帧格式如图2所示。
如图3所示，超帧包括30000个符号位组成，播发周期30秒，由30个主帧组成；主帧为1000个符号位，其中包括同步头16位、卫星编号7位、主帧编号4位、预留13位、电文符号960位，同步头按常规约定设置位0xEB90。
S32：根据前面确定的数据播发周期确定低轨卫星下发频点1(第一信道)的电文主帧组成如图3所示，频点2(第二信道)的电文主帧组成如图4所示。
在本申请的一些实施例中，步骤S4包括步骤S41和S42。
S41：根据电文数据生成循环冗余校验(CRC)，CRC生成多项式为：
Figure BDA0002618889770000071
其中，
Figure BDA0002618889770000072
g(x)可表示为：
g(x)＝(1+x)p(x)
p(x)＝x23+x17+x13+x12+x11+x9+x8+x7+x5+x3+1
长度为k的信息序列表示为以下多项式：
m(x)＝mk+mk-1x+mk-2x2+…+m1xk-1
多项式m(x)x24除以生成多项式g(x)，得到余式如下：
R(x)＝p24+p23x+p22x2+…+p1x23
式中，p1 p2.....p24依次输出构成CRC校验序列。
S42：对电文数据和CRC校验进行BCH(15,11,1)纠错编码，码长为15比特，信息位为11比特，纠错能力为1比特，生成多项式为：
g(x)＝x4+x+1
编码框图如图5所示，其中4级移位寄存器的初始状态全为0，门1开，门2关，输入11比特信息组X，然后开始移位，信息组一路经或门输出，另一路进入g(x)除法电路，经11次移位后11比特信息组全部送入电路，此时移位寄存器内保留的即为校验位，最后门1关，门2开，再经过4次移位，将移位寄存器的校验位全部输出，与原先的11比特信息组成一个长为15比特BCH码。门1开，门2关，送入下一个信息组重复上述过程。
本申请所提供的电文生成方法，通过采用不同下发频点编排不同电文，满足了地面单频用户和双频用户定位需求，并考虑兼顾了各类增强信息数据量大小、数据中心产生的周期和用户的需求，编排了合适的播发周期；并且，采用了多参数轨道状态表征方法，确保了低轨卫星外推精度，同时包含了地面非差精密单点定位所需的误差改正数据，地面用户接收后可以实现快速收敛的非差精密单点定位。
根据本申请的另一方面，还提供了一种用于低轨卫星导航增强系统的电文生成装置，该装置包括第一确定模块、信道资源分配模块、第二确定模块以及编码模块。其中，第一确定模块，用于根据地面导航用户高精度定位需求，确定低轨卫星导航增强系统下发信息的类型和各类信息数据量。信道资源分配模块，用于根据地面数据中心增强信息产生频次及地面定位算法需求确定每种增强信息下发频次，对低轨导航星信道资源进行分配。第二确定模块，用于确定低轨卫星的电文格式，得到下发电文超帧、主帧格式及播发方法。编码模块，用于对下发电文进行信道编码。
本申请所提供的电文生成装置，通过采用不同下发频点编排不同电文，满足了地面单频用户和双频用户定位需求，并考虑兼顾了各类增强信息数据量大小、数据中心产生的周期和用户的需求，编排了合适的播发周期；并且，采用了多参数轨道状态表征方法，确保了低轨卫星外推精度，同时包含了地面非差精密单点定位所需的误差改正数据，地面用户接收后可以实现快速收敛的非差精密单点定位。
以上所描述的实施例仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、装置可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于低轨卫星导航增强系统的电文生成方法，包括：
确定所述低轨卫星导航增强系统下发信息的类型和信息数据量；
确定所述下发信息的下发频次，并对低轨卫星的信道资源进行分配；
确定低轨卫星的电文格式，得到下发电文的超帧、主帧格式及播发方法；
对所述下发电文进行信道编码。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述低轨卫星导航增强系统下发信息的类型和信息数据量的步骤包括：
确定所述下发信息的类型；
根据地面用户的使用需求统计所述下发信息的数据量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述下发信息的下发频次并对低轨卫星的信道资源进行分配的步骤包括：
确定地面数据中心处理生成误差数据产品时间周期；
制定各误差数据及LEO-NA星历播发周期如下：LEO-NA星历的播发周期为5秒一次，GNSSSSR轨道改正的播发周期为30秒一次，GNSS SSR钟差改正的播发周期为10秒一次，网格点电离层参数的播发周期为30秒一次，地球自转参数为30秒一次，GNSS码偏差改正DCB的播发周期为30秒一次，卫星掩码的播发周期为30秒一次；
采用双频信号播发模式，在两个信道上分配如下：在第一信道下发信息中分配LEO-NA星历、网格点电离层信息和GNSS SSR轨道改正数；在第二信道下发信息中分配卫星掩码、GGNSS状态监测、GNSS SSR钟差改正数、GNSS SSR轨道改正数、LEO-NA星历、GNSS码偏差该正数和地球自转参数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定低轨卫星的电文格式得到下发电文的超帧、主帧格式及播发方法的步骤包括：
确定所述下发电文的超帧和主帧格式；
根据已确定的数据播发周期确定第一信道下发信息的电文主帧和第二信道下发信息的电文主帧。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述下发电文进行信道编码的步骤包括：
根据电文数据生成循环冗余校验；
对所述电文数据和所述循环冗余校验进行BCH(15,11,1)纠错编码。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述超帧包括30000个符号位，播发周期为30秒，由30个主帧组成。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述主帧为1000个符号位，其中包括同步头16位、卫星编号7位、主帧编号4位、预留13位、电文符号960位，同步头按常规约定设置位0xEB90。
8.一种用于低轨卫星导航增强系统的电文生成装置，包括：
第一确定模块，用于确定所述低轨卫星导航增强系统下发信息的类型和信息数据量；
信道资源分配模块，用于确定所述下发信息的下发频次，并对低轨卫星的信道资源进行分配；
第二确定模块，用于确定低轨卫星的电文格式，得到下发电文的超帧、主帧格式及播发方法；
编码模块，对所述下发电文进行信道编码。
9.一种装置，其特征在于，包括存储器、处理器和程序；所述程序被存储在所述存储器中，所述处理器执行所述程序以实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序，当所述程序被处理器执行，实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
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