CN113267790A - 基于北斗全球短报文通信的卫星轨道钟差改正数编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于北斗全球短报文通信的卫星轨道钟差改正数编码方法，在北斗全球短报文字节限制内，以提高实时精密单点定位精度和收敛速度为目标，以空间信号测距误差SISRE最小为原则实现编码，按照卫星轨道、钟差改正数的有效范围和卫星高度角对卫星数据进行判断选择卫星；卫星轨道钟差改正数的数据处理和编码，包括以空间信号测距误差SISRE最小的原则，确定卫星径向、法向、切向轨道改正数和钟差改正数的数据长度和编码尺度，将每颗卫星的径向、法向、切向轨道改正数和钟差改正数，按照编码规定的尺度取整数，最后将头文件和取整后的卫星数据转换成二进制；按照编码格式规定的顺序依次添加信息，并补0、添加计算CRC校验码，形成完整的电文。
Description
技术领域
本专利属于GNSS导航定位领域，是利用北斗全球短报文通信功能播发卫星轨道钟差改正数的编码方法，以实现实时精密定位。
背景技术
世界上目前共有GPS、BDS、Galileo和GLONASS四大全球卫星导航系统，我国的北斗卫星导航系统是唯一能够同时实现实时定位与短报文通信的系统，可为用户提供全天候高精度定位、精确授时与大范围、远距离实时短报文通信服务等。北斗实现的短报文通信能允许用户与用户、用户与地面控制中心之间进行双向数据传输。与GPRS/CDMA/3G等现有常见通信方式相比，北斗全球短报文能够实现卫星覆盖范围内的通信，在交通运输、国土资源、海事通信等领域中应用越来越广泛。
北斗系统短报文传输数据具有如下特点：数据以明文形式进行传输；数据需要基于通信传输协议设计固定的报文格式；数据取值相对集中；单条报文传输的数据量和短报文服务的频率十分有限。
GNSS实时精密定位需要的导航星历和各种卫星实时改正数据的传输都必须依赖其制定的通讯协议，通讯协议规定了数据交换的格式，以确保发送方与接收方能够正确传输数据。因此，数据编码格式是数据通讯的重要环节，只有兼容性和规范性强的数据格式标准才能确保快速、准确和可靠的数据传输。传输的格式(协议)随着传输信息内容与应用领域的不同也发生着变化。随着GNSS定位技术越来越成熟，为了满足差分数据传输的需求，国际上制定了多种差分协议应用于各种卫星数据的传输。目前，常用差分协议包括RTCM、CMR、RTCA，其中，RTCM协议的应用最为广泛。RTCM委员会于2013年提出了RTCM3.2，不但弥补了之前版本中结构设计上存在的明显缺陷，还增加和扩展了多种网络RTK信息，尤其是开始全面支持北斗卫星系统。
RTCM3.2版本采用的是SC-104公布的版本标准，使用OSI标准参考模型定义了5个层面——物理层、数据链路层、传输层、表示层以及应用层。对于编码和解码而言，最重要的是传输层和表示层。传输层定义了RTCM3.2的数据结构，以及传输协议和校验方法，并以二进制形式进行数据传输。表示层定义了整个数据结构细节上的详细规则，如数据字段、消息类型等方面，其中数据以位为存储单位，有效减少了传输数据的长度，对于没有占用的字节位用“0”补满。
RTCM3.2编码的电文有着充足的数据空间，以GPS SSR为例，其径向、切向、法向轨道和钟差改正数的单条数据长度分别为22bits、20bits、20bits、22bits，尺度分别为0.1mm、0.4mm、0.4mm、0.1mm，每颗卫星的改正信息长度为92bits。考虑到每条北斗全球短报文存在560bits的数据长度限制，为了保障卫星轨道钟差改正数精度以实现高精度定位，用户无法采用RTCM3.2的编码方案。另一方面，各项改正数影响GNSS精密单点定位精度的程度不同，各项改正数编码损失精度相同的编码方法对于GNSS定位而言并非最理想的方法。
所以，在参考RTCM格式的基础上，本专利提出了一种更适合GNSS实时精密单点定位的北斗全球短报文播发卫星轨道钟差数据编码方法。
发明内容
现有技术主要存在以下改进障碍：
1)每条短报文数据长度为560bits，对每颗卫星的改正信息长度限制很大，无法采用常规的编码方案。
2)为保障精密定位性能，在数据长度的限制下，尽可能减少精密轨道差分改正信息的编码损失及其对定位的影响，需要提出新的编码方案。
本发明提供的技术方案为一种基于北斗全球短报文通信的卫星轨道钟差改正数编码方法，在北斗全球短报文字节限制内，以提高实时精密单点定位精度和收敛速度为目标，以空间信号测距误差SISRE最小为原则，实现编码的过程包括以下步骤，
步骤1，选择播发改正数的卫星，包括按照卫星轨道、钟差改正数的有效范围和卫星高度角对卫星数据进行判断，选择满足要求的卫星；
步骤2，卫星轨道钟差改正数的数据处理和编码，实现方式如下，
首先，以空间信号测距误差SISRE最小的原则，确定卫星径向、法向、切向轨道改正数和钟差改正数的数据长度和编码尺度；然后将每颗卫星的径向、法向、切向轨道改正数和钟差改正数，按照编码规定的尺度取整数；最后，将头文件和取整后的卫星数据转换成二进制；
步骤3，按照编码格式规定的顺序，将头文件、卫星标识和卫星轨道钟差改正数信息依次添加进全球短报文电文中，并通过补0使编码后总长度为整数字节，最后计算CRC校验码，添加到电文的末尾，形成一条完整的电文。
而且，步骤1中，当判断某卫星改正数值超出有效范围时，或者卫星截至高度角低于5°时，该颗卫星不参与选星；然后按照卫星高度角由高到低的顺序选择最多10颗卫星进行编码。
而且，每条全球短报文编码一个卫星导航系统的最多10颗卫星轨道钟差改正数信息，由22bits消息头、32bits卫星标识、最大480bits轨道钟差改正数信息和24bits的CRC校验组成。
而且，对头文件的处理，采用如下表所示的格式，
头文件的组成包括8bits的同步码，标识一个数据包的开始；12bits的时间标识；2bits的系统标识，00表示播发北斗，01表示播发GPS，10表示播发GLONASS，11表示播发Galileo。
而且，对北斗短报文一条完整电文的数据处理，采用如下表所示的格式，
| 编码类型 | 单位(bits) |
| 消息头 | 22 |
| 卫星标识 | 32 |
| 10颗卫星改正信息数据 | 480 |
| CRC校验 | 24 |
| 合计 | 558<560 |
全球短报文播发的改正信息由每颗卫星的星历龄期，轨道径向、切向、法向改正数和钟差改正数组成，每条短报文的数据长度为560bits，且需要最多播发10颗卫星的改正信息，所以除去头文件和CRC校验所需的78bits，每颗卫星的改正信息长度为48bits，其中星历龄期为8bits。
而且，播发10颗卫星的改正信息时，全球短报文通信下卫星轨道钟差改正数编码格式如下表，
| 参数 | bits | 尺度 | 有效范围 | 单位 |
| 星历龄期 | 8 | 1 | 0-255 | |
| 轨道径向改正数 | 11 | 0.004 | ±4.092 | 米 |
| 轨道法向改正数 | 9 | 0.032 | ±8.160 | 米 |
| 轨道切向改正数 | 9 | 0.032 | ±8.160 | 米 |
| 钟差改正数 | 11 | 0.007 | ±7.161 | 米 |
| 1颗卫星合计 | 48 | |||
| 10颗卫星合计 | 480 |
解码时按相应方式进行。
本发明是一项基于北斗全球短报文通信功能的实时精密轨道和钟差产品编码方法，应用于Multi-GNSS实时精密单点定位领域，主要特点是更有效地利用北斗全球短报文的数据长度、进一步缩减编码带来的精度损失、提高定位的精度和收敛速度。基本方案是根据SISRE用于评估轨道钟差对定位影响的原理，通过调整卫星轨道和钟差改正数的编码尺度和数据长度使编码损失对定位精度的影响最小，且满足北斗全球短报文通信容量(560bits)。本专利特征是卫星径向、法向、切向轨道改正数和钟差改正数的编码尺度分别为0.004m、0.032m、0.032m和0.007m(比例为1：8：8：1.75)，各项改正数的数据长度分别为11bits、9bits、9bits和11bits，最后在满足卫星截至高度角大于5°和改正数在有效范围内的前提下，依据高度角由高到低的顺序选取最多10颗卫星进行编码播发。本专利的编码损失平均为0.26cm，有效降低了编码损失对定位精度的影响。
附图说明
图1为本发明实施例的编码流程图；
图2为本发明实施例不同卫星系统的编码损失精度示意图。
具体实施方式
本专利是北斗全球短报文播发实时精密轨道钟差改正数的编码方法，在北斗全球短报文字节限制(560bits)内，以提高实时精密单点定位精度和收敛速度为目标，以空间信号测距误差SISRE最小为原则，确定了卫星轨道和钟差改正数的编码尺度、有效范围和数据长度，降低了编码带来的精度损失。
参见图1，本发明实施例基于北斗全球短报文播发实时精密轨道钟差改正数的编码方法，实现流程如下：
步骤1：选择播发改正数的卫星。在选择需要播发的卫星时，需要按照卫星轨道、钟差改正数的有效范围和卫星高度角对卫星数据进行判断。
每条全球短报文编码一个卫星导航系统的最多10颗卫星轨道钟差改正数信息，由22bits消息头、32bits卫星标识、最大480bits轨道钟差改正数信息和24bits的CRC校验组成。具体实施时，如果选星后满足要求的卫星数低于10颗，则只播发满足要求的卫星相应信息。如果播发的卫星数不满10颗，则改正数信息长度为卫星数×48bits。另一方面，在编码二进制数据时，需要在CRC校验前补0，使短报文编码后总长度保持整数字节。
编码卫星轨道和钟差改正数时，需先进行改正数有效范围和卫星截至高度角的判断，改正数值超出有效范围时，或者卫星截至高度角低于5°时，该颗卫星不参与选星；然后按照卫星高度角由高到低的顺序选择最多10颗卫星进行编码。
步骤2：卫星轨道钟差改正数的数据处理和编码。首先，将每颗卫星的径向、法向、切向轨道改正数和钟差改正数，按照本专利编码规定的数据长度和编码尺度要求取整；然后，将头文件和取整后的卫星数据转换成二进制；
根据不同改正数的编码尺度求得需要编码的整数，最终编码为符合字节要求的二进制信息。该方法的编码损失符合SISRE最小的原则，更适合实时精密单点定位的需求。
实施例优选的实现方式如下：
1.对头文件的处理
头文件用于储存整个全球短报文卫星数据的全局性信息，如表1所示，每条短报文仅播发一个系统的卫星轨道和钟差改正数。
表1全球短报文通信下卫星轨道钟差改正数编码消息头
头文件的组成如下：8bits的同步码，标识一个数据包的开始；12bits的时间标识；2bits的系统标识，00表示播发北斗，01表示播发GPS，10表示播发GLONASS，11表示播发Galileo。
由于北斗全球短报文具有双向数据传输的特性，在保证卫星数目足够的基础上，系统可以基于用户传输的粗略位置信息来选择最适合用户用于定位的卫星。
2.对卫星轨道钟差改正数的数据处理
全球短报文播发的改正信息由每颗卫星的星历龄期，轨道径向、切向、法向改正数和钟差改正数组成。每条短报文的数据长度为560bits，且需要最多播发10颗卫星的改正信息，所以除去头文件和CRC校验所需的78bits，每颗卫星的改正信息长度为48bits，其中星历龄期为8bits，如表2所示。
表2全球短报文通信下卫星轨道钟差改正数编码长度统计
| 编码类型 | 单位(bits) |
| 消息头 | 22 |
| 卫星标识 | 32 |
| 10颗卫星改正信息数据 | 480 |
| CRC校验 | 24 |
| 合计 | 558<560 |
本专利采取改正数编码损失的空间信号测距误差SISRE最小的原则，其计算公式如下：
上式中R、A、C分别表示卫星轨道径向、切向、法向改正数，t表示钟差改正数，a、b为系数，不同卫星系统的a和b的取值相差不大，如果不考虑R与t的相关性，则上式可以近似表示为：
由上式可知，轨道径向和钟差的改正数误差对SISRE的影响约为轨道切向和法向误差的7倍，则轨道径向、法向、切向改正数和钟差改正数的编码尺度比例最优为1：7：7：1。
由于北斗短报文带宽容量有限，不可能播发所有卫星，可以依据SISRE最小原则播发用户的可见星轨道钟差改正数。而用户每个历元观测到的卫星都不同，以中国武汉站为例，一天之内观测到的GPS可见卫星数在7～11颗之间变化，平均值为8.93颗，当每条短报文播发10颗卫星的改正信息时，可以满足卫星可见性的要求。
通过长时间轨道和钟差改正数的统计，可以确定轨道径向、法向、切向改正数和钟差改正数的有效范围为±4m、±8m、±8m和±7m。当播发10颗卫星的改正信息时，每颗卫星的改正信息长度为48bits，其中星历龄期为8bits，4项改正数需要在40bits内编码。而二进制数据编码时，数据长度n、编码尺度s和有效范围r的关系为r≈s·2n-1，则通过具体分析和计算，本发明优选建议的单条短报文播发单系统卫星轨道钟差改正数的最优方案为：轨道径向、法向、切向改正数和钟差改正数长度为11bits、9bits、9bits、11bits时，最接近最优的编码尺度比例，此时编码尺度分别为0.004m、0.032m、0.032m和0.007m(尺度比例为1:8:8:1.75)。考虑到用户体验和编码的规范性，建议各导航系统一致采用该取值方案。
若播发11颗卫星的改正信息，则每颗卫星的4项改正数需要在35bits内编码，在尽可能满足编码尺度比例最优的条件下，编码尺度分别为0.016m、0.064m、0.064m和0.014m，编码损失为当前的2.4倍，编码损失过大。如当播发大于11颗卫星的改正信息时，编码损失将更大，不适用于实时精密单点定位。
考虑到不同卫星系统的卫星可见性、改正数有效范围和SISRE的计算表达式相差不大，为方便用户体验、提高编码文件的简洁性和规范性，不同卫星系统将采取相同的编码格式。在综合卫星可见性、改正数有效范围、编码尺度、编码损失、用户体验等因素后，确定播发10颗卫星的改正信息为最优方案，详见表3。
表3全球短报文通信下卫星轨道钟差改正数编码格式
| 参数 | bits | 尺度 | 有效范围 | 单位 |
| 星历龄期 | 8 | 1 | 0-255 | |
| 轨道径向改正数 | 11 | 0.004 | ±4.092 | 米 |
| 轨道法向改正数 | 9 | 0.032 | ±8.160 | 米 |
| 轨道切向改正数 | 9 | 0.032 | ±8.160 | 米 |
| 钟差改正数 | 11 | 0.007 | ±7.161 | 米 |
| 1颗卫星合计 | 48 | |||
| 10颗卫星合计 | 480 |
步骤3：按照编码格式规定的顺序，将二进制的头文件、卫星标识和卫星轨道钟差改正数信息依次添加进全球短报文电文中，然后计算头文件、卫星标识和卫星数据合计的长度，如果不是整数个字节长度，则在CRC校验前补0，使短报文编码后总长度为整数字节，最后计算24bits的CRC校验码，添加到电文的末尾，形成一条完整的电文。
解码时同样按照专利的要求解码，编码前和解码后的文件如(a)和(b)部分所示。
(a)
＞SSR 2021 4 18 3 7 25.0 2 25 clkdb
(b)
>SSR 2021 4 18 3 7 25.0 2 25 clkdb
各卫星系统的编码损失精度如图2所示，SISRE的精度损失平均为0.26cm。
具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。
在一些可能的实施例中，提供一种基于北斗全球短报文通信的卫星轨道钟差改正数编码系统，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于北斗全球短报文通信的卫星轨道钟差改正数编码方法。
在一些可能的实施例中，提供一种基于北斗全球短报文通信的卫星轨道钟差改正数编码系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种基于北斗全球短报文通信的卫星轨道钟差改正数编码方法。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.一种基于北斗全球短报文通信的卫星轨道钟差改正数编码方法，其特征在于：在北斗全球短报文字节限制内，以提高实时精密单点定位精度和收敛速度为目标，以空间信号测距误差SISRE最小为原则，实现编码的过程包括以下步骤，
步骤1，选择播发改正数的卫星，包括按照卫星轨道、钟差改正数的有效范围和卫星高度角对卫星数据进行判断，选择满足要求的卫星；
步骤2，卫星轨道钟差改正数的数据处理和编码，实现方式如下，
首先，以空间信号测距误差SISRE最小的原则，确定卫星径向、法向、切向轨道改正数和钟差改正数的数据长度和编码尺度；然后将每颗卫星的径向、法向、切向轨道改正数和钟差改正数，按照编码规定的尺度取整数；最后，将头文件和取整后的卫星数据转换成二进制；
步骤3，按照编码格式规定的顺序，将头文件、卫星标识和卫星轨道钟差改正数信息依次添加进全球短报文电文中，并通过补0使编码后总长度为整数字节，最后计算CRC校验码，添加到电文的末尾，形成一条完整的电文。
2.根据权利要求1所述基于北斗全球短报文通信的卫星轨道钟差改正数编码方法，其特征在于：步骤1中，当判断某卫星改正数值超出有效范围时，或者卫星截至高度角低于5°时，该颗卫星不参与选星；然后按照卫星高度角由高到低的顺序选择最多10颗卫星进行编码。
3.根据权利要求2所述基于北斗全球短报文通信的卫星轨道钟差改正数编码方法，其特征在于：每条全球短报文编码一个卫星导航系统的最多10颗卫星轨道钟差改正数信息，由22bits消息头、32bits卫星标识、最大480bits轨道钟差改正数信息和24bits的CRC校验组成。
4.根据权利要求3所述基于北斗全球短报文通信的卫星轨道钟差改正数编码方法，其特征在于：对头文件的处理，采用如下表所示的格式，
头文件的组成包括8bits的同步码，标识一个数据包的开始；12bits的时间标识；2bits的系统标识，00表示播发北斗，01表示播发GPS，10表示播发GLONASS，11表示播发Galileo。
5.根据权利要求3所述基于北斗全球短报文通信的卫星轨道钟差改正数编码方法，其特征在于：对北斗短报文一条完整电文的数据处理，采用如下表所示的格式，
全球短报文播发的改正信息由每颗卫星的星历龄期，轨道径向、切向、法向改正数和钟差改正数组成，每条短报文的数据长度为560bits，且需要最多播发10颗卫星的改正信息，所以除去头文件和CRC校验所需的78bits，每颗卫星的改正信息长度为48bits，其中星历龄期为8bits。
6.根据权利要求3所述基于北斗全球短报文通信的卫星轨道钟差改正数编码方法，其特征在于：播发10颗卫星的改正信息时，全球短报文通信下卫星轨道钟差改正数编码格式如下表，
解码时按相应方式进行。
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