CN113589327A - 一种低轨导航增强系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低轨导航增强系统，该系统在低轨导航增强卫星上，搭载GNSS监测接收机，实现精密定轨以及GNSS精密改正电文的自主与灵活生成。在高稳钟提供的时频基准控制下，生成低轨导航增强信号，播发GNSS精密改正电文以及低轨卫星自身的广播电文与精密改正电文，支持PPP、PPP‑AR，实现精度增强。下行信号播发低轨导航增强信号，播发大气改正电文，支持PPP‑RTK定位，加快收敛，同时，播发低轨L频段三频导航增强信号，实现快速模糊度固定，实现秒级收敛的高精度定位解算与授时。在播发高功率的低轨导航增强信号，实现高可用定位解算与授时；同时播发窄带信号分量，支持低能耗定位服务。采用电文认证与扩频码认证方式，实现安全增强的服务。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航领域，特别涉及一种低轨导航增强系统。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS)能够为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时(PNT)服务，在各个领域发挥着巨大的作用，满足了人们对PNT服务的基本需求。但是，随着GNSS项新兴领域的扩展，对PNT服务性能的新需求日益突出。
在定位服务方面，以无人驾驶为代表的智能交通，对实时厘米级高精度定位有强烈需求。基于GNSS的实时高精度定位，是无人驾驶采用的定位导航系统之一。传统的高精度定位，收敛时间在20～30分钟，难以满足无人驾驶要求秒级收敛的高精度应用要求，如何实现快收敛的高精度定位服务是对PNT服务的一个挑战。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对新兴用户群体对PNT服务的实时高精度需求，基于低轨卫星星座的特点，提供一种快收敛高可用低轨导航增强系统与方法，对GNSS提供的PNT服务性能的精度进行增强，实现快速收敛的高精度定位解算与授时。
本发明解决技术的方案是：一种低轨导航增强系统，该系统包括低轨导航增强卫星星座，低轨导航增强卫星星座是由多颗低轨导航增强卫星构成的低轨星座，能够实现对地面的四重及以上覆盖，即地面任意地点任一时刻可见低轨卫星数不少于四颗，低轨导航增强卫星之间具有星间链路；
低轨导航增强卫星生成并播发第一导航增强信号，所述第一导航增强信号携带低轨导航增强电文，低轨导航增强电文包括GNSS精密改正电文，精密改正电文包括轨道改正数、钟差改正数、码偏差改正数、URA、载波相位偏差改正数；这些改正数便于GNSS导航用户终端进行PPP或者PPP-AR定位解算，实现精度增强。
所述低轨导航增强电文还包括大气改正电文，便于导航用户终端进行PPP-RTK定位解算。
所述大气改正电文中的大气改正数由地面站上注或者地面授权终端上注得到。
所述GNSS精密改正电文中的轨道改正数、钟差改正数、码偏差改正数、URA、载波相位偏差改正数通过地面站上注得到，再通过星间链路，转发至其他低轨导航增强卫星。
低轨导航增强卫星上搭载GNSS监测接收机，所述GNSS精密改正电文中的轨道改正数、钟差改正数、码偏差改正数、URA、载波相位偏差改正数通过GNSS监测接收机监测GNSS导航信号得到，在低轨卫星精密定轨完成后，自主生成。
所述低轨导航增强电文还包括低轨卫星广播电文以及低轨卫星精密改正电文，且第一导航增强信号为L频段扩频测距信号，在三个频点进行播发，便于用户终端接收第一导航增强信号，并根据第一导航增强信号得到伪距和载波相位观测值，完成秒级收敛的高精度定位解算与授时。
所述低轨卫星广播电文以及低轨卫星精密改正电文中的参数由地面站上注得到。
当第一导航增强信号与GNSS导航信号位于同频段并存在相互干扰时，低频导航卫星包括射频域自干扰消除模块和数字域自干扰消除模块；
第一导航增强信号发送端耦合一路信号，记为自干扰信号；自干扰信号进入射频域自干扰消除模块，射频域自干扰消除模块调整自干扰信号的延迟、幅度和相位，生成射频域自干扰重建信号，GNSS监测接收天线接收信号sR(t)与射频域自干扰重建信号
经合路器合路，得到射频域自干扰消除后的信号
射频域自干扰消除后的信号
分为两路，一路反馈给射频域自干扰消除模块，射频域自干扰消除模块根据反馈的射频域自干扰消除后的信号，自适应调整射频域自干扰重建信号的延迟、幅度和相位，使得射频域自干扰消除后的信号功率最小；另一路射频域自干扰消除后的信号经下变频、滤波放大，模数转换后变为数字基带信号进入数字域自干扰消除模块；
数字域自干扰消除模块采用自适应滤波方法，进行信道估计，在数字域重建数字自干扰信号，数字自干扰信号与数字基带信号相减，进行数字域自干扰消除，得到数字域自干扰消除后的信号，用于GNSS监测接收处理。
所述低轨导航增强卫星配置了原子钟，原子钟秒稳～百秒稳在10-13量级，万秒稳10-14量级，提供时频基准。
所述GNSS精密改正电文格式如下：
所述GNSS精密改正电文的生成步骤如下：
1.1、根据星上GNSS监测接收机的监测结果，判断需要播发的GNSS卫星PRN号和数量，判断方法是：当GNSS卫星相对于导航用户终端可见时，播发对应GNSS卫星的GNSS精密改正数据和大气改正数据给相应的导航用户终端；
1.2、获取GNSS精密改正数据和大气改正数据，从中选出需要播发的GNSS卫星的精密改正数据和大气改正数据；
1.3、确定需要播发的GNSS卫星播发的改正数据类型、播发周期，判断方法是：对于需要播发改正数据的GNSS卫星，如果该类型改正数的变化量小于预设门限时，则不播发该类型改正数；否则，播发该类型改正数；
1.4、将需要播发的精密改正数据和大气改正数据，按照预设的电文结构组帧，生成低轨导航增强电文。
所述低轨导航增强卫星生成与播发第二导航增强信号，所述第二导航增强信号为扩频测距信号，位于UHF或者VHF频段，落地功率高于GNSS信号，便于用户终端接收第二导航增强信号，并根据得到第二导航增强信号伪距和载波相位观测值，完成高可用定位解算与授时。
第二导航增强信号包含一个窄带信号分量，该窄带信号分量为扩频测距信号，落地功率比GNSS信号高10dB量级，信号带宽在100kHz量级，便于用户终端接收该窄带信号分量，并根据该窄带信号分量得到伪距和载波相位观测值，完成低能耗定位解算与授时。
所述低轨导航增强电文为经过加密处理之后的电文，相应地，导航用户终端收到低轨导航增强电文之后进行安全认证；
低轨导航卫星对低轨导航增强电文进行加密处理过程如下：
S2.1、将低轨导航增强电文经HASH函数映射为固定比特长度的第一哈希数据hash1，然后对第一哈希数据hash1使用私钥进行加密，得到数字签名DS；
S2.2、利用数字签名DS和公钥，对低轨导航增强信号的扩频码中的一部分码片进行加密；
S2.3、将低轨导航增强电文、数字签名DS以及公钥组帧，并调制到加密了部分码片的扩频码上，进行播发；
相应地，导航用户终端进行安全认证过程如下：
S2.4、解调出低轨导航增强电文、数字签名DS以及公钥，使用公钥对数字签名DS进行解密，恢复出第一哈希数据hash1；
S2.5、将解调出的低轨电文数据，采用相同的HASH函数映射，得到第二哈希数据hash2；如果第二哈希数据hash2与第一哈希数据hash1相同，则电文认证成功，反之电文认证失败；
S2.6、电文认证成功后，进行扩频码认证，使用未加密的扩频码序列，与接收到的扩频码信号进行相关，得到第一相关值R1；
S2.7、利用数字签名DS和公钥，采用步骤S2.2相同的加密方式，生成加密后的扩频码序列，与接收到的扩频码信号进行相关，得到第二相关值R2；
S2.8、根据第一相关值R1和第二相关值R2，估计加密码片的比例为(1-R1R2)×100％，与步骤S2.2中加密码片的比例比较，差异在置信度内，则判断扩频码认证通过，否则扩频码认证失败。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明采用低轨卫星获取GNSS精密改正电文，并下发至导航用户终端，支持导航用户终端PPP、PPP-AR定位技术，实现精度增强；
(2)、本发明低轨导航增强电文还包括大气改正电文，支持导航用户终端PPP-RTK定位，加快导航用户终端进行导航定位的收敛过程；
(3)、本发明利用低轨卫星几何运动快的优势，在低轨卫星上生成并播发L频段扩频导航信号，便于用户终端根据该得到伪距和载波相位观测值，单独定位或者与GNSS信号联合定位，可以进行快速整周模糊度固定，进一步加快定位收敛过程，实现秒级收敛高精度定位。
(4)、本发明考虑导航增强信号与GNSS信号相邻和重叠时,对GNSS信号监测接收造成干扰，在低轨卫星上设置，射频域自干扰消除模块和数字域自干扰消除模块，先后在射频域和数字基带域对干扰进行自适应消除。
(5)、本发明在UHF或者VHF频段生成与播发了功率高于GNSS信号的第二导航增强信号，解决了由于城市环境下的高楼、高架桥、林荫遮挡等，造成GNSS信号衰减乃至服务中断的问题，增强了服务可用性；
(6)、本发明UHF或者VHF频段的第二导航增强信号包含一个窄带信号分量，降低了导航用户终端，例如智能穿戴设备获取PNT服务的能耗，实现低能耗定位。
(7)、本发明设计了灵活可变电文结构，根据监测接收机的结果，灵活调整播发的数据，相对于目前低轨导航增强信息的播发周期、电文结构的固定的情况，有效降低等效降低数据播发量，在同等发射功率情况下，提升Eb/N0，增强电文接收的可用性；另一方面，播发高功率窄带扩频信号，实现低能耗定位。
(8)、本发明低轨卫星配备了高稳原子钟，保证高精度，能够不完全依赖GNSS提供高精度时间基准。
(9)、现有的GNSS精密改正数据，要么是地面生成上注，要么是星上自主生成；而大气改正数据只能在地面生成。而本发明的大气改正数据可由低轨卫星自主生成。由于有上行链路，用户终端可将解算的大气改正数上传给低轨导航增强卫星，低轨导航增强卫星根据收集的大气改正数自主生成用于播发的大气改正数。
(10)、在授时服务方面，现有GNSS开放信号面临的欺骗威胁与日俱增，而以电网、电信、金融、交通运输等基础设施依赖GNSS开放信号提供的授时服务，一旦受到欺骗，将导致大的损失。本发明提供了一种高安全信号生成与认证方法，提高了GNSS欺骗环境下的开放信号安全性。
附图说明
图1为本发明实施例的快收敛高可用低轨导航增强系统组成框图；
图2(a)为本发明实施例PPP定位解算收敛结果示意图；
图2(b)为本发明实施例秒级收敛定位解算收敛结果示意图；
图3为本发明实施例星上同时同频段收发自干扰消除方法框图；
图4为本发明实施例自干扰消除仿真结果示意图；
图5为本发明实施例高安全信号结构示意图；
图6为本发明实施例高可用定能耗定位信号功率谱示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
快收敛实时高精度、高安全、高可用、低能耗，是当前PNT服务面临的主要需求，仅仅依靠GNSS难以满足。随着低轨卫星星座的快速发展，基于低轨卫星星座进行导航增强成为一种公认可行的方法。
本发明从信号体制、技术体制、系统体制层面，设计了一种快收敛高可用低轨导航增强系统与方法，对当前PNT服务性能进行增强与补充，针对不同的用户需求，实现快收敛实时高精度、高安全、高可用、低能耗的PNT服务。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参考附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示，本发明提供了一种低轨导航增强系统，该系统包括低轨导航增强卫星星座，低轨导航增强卫星星座是由多颗低轨导航增强卫星构成的低轨星座，能够实现对地面的四重及以上覆盖，即地面任意地点任一时刻可见低轨卫星数不少于四颗，所述低轨导航增强卫星具有用户下行链路和用户上行链路，低轨导航增强卫星之间具有星间链路；所述可见低轨卫星是指仰角5°以上的可见低轨卫星。
低轨导航增强卫星生成并播发第一导航增强信号，所述第一导航增强信号携带低轨导航增强电文，低轨导航增强电文包括GNSS精密改正电文，精密改正电文包括轨道改正数、钟差改正数、码偏差改正数、URA、载波相位偏差改正数；这些改正数便于GNSS导航用户终端进行PPP或者PPP-AR定位解算，实现精度增强。
上述GNSS导航用户终端为北斗、GPS、GLONASS或者伽利略导航系统的用户终端。
优选地，所述GNSS精密改正电文中的轨道改正数、钟差改正数、码偏差改正数、URA、载波相位偏差改正数可以通过以下三种方式获得：
第一方式为：通过地面站上注得到，再通过星间链路，转发至其他低轨导航增强卫星。由于地面站获得的数据精度最高，因此，这种方式优先级最高。
第二方式为：优选地，低轨导航增强卫星上搭载GNSS监测接收机，所述GNSS精密改正电文中的轨道改正数、钟差改正数、码偏差改正数、URA、载波相位偏差改正数通过GNSS监测接收机监测GNSS导航信号得到，在低轨卫星精密定轨完成后，自主生成。这种方式优先级次之。
第三种方式为：通过地面授权终端上注得到，由于地面授权终端的数据质量难以保证，因此，这种方式优先级最低。
优选地，所述低轨导航增强电文还包括大气改正电文，便于导航用户终端进行PPP-RTK定位解算。所述大气改正电文中的大气改正数由地面站上注或者地面授权终端上注得到，之后，在低轨导航增强卫星上自主生成大气改正电文。同样，优先采用地面站上注的数据。
上述PPP、PPP-AR以及PPP-RTK定位解算，方法如下：
(1)、用户终端接收GNSS三频信号得到伪距和载波相位观测值。
测量得到第n颗GNSS卫星的伪距和载波相位观测值：
式中，
和
分别表示测量得到的第n颗GNSS卫星第j个频点的伪距与载波相位观测值，j＝1、2或3。
表示第n颗GNSS卫星到用户终端的几何距离，Δtr表示接收机钟差，
表示第n颗GNSS卫星的钟差，
表示第n颗GNSS卫星电离层延迟，
表示第n颗GNSS卫星对流层延迟，
表示第n颗GNSS卫星第j个频点的码硬件延迟，
表示第n颗GNSS卫星第j个频点的载波相位硬件延迟，
为GNSS卫星第j个频点的载波波长，
表示第n颗GNSS卫星第j个频点的载波相位整周模糊度，
表示第n颗GNSS卫星第j个频点的码伪距的其他误差项，
表示第n颗GNSS卫星第j个频点的载波相位观测值中的其他误差项。
(2)、导航用户终端同时接收低轨导航增强信号，解调得到低轨导航增强电文，得到第n颗GNSS卫星的精密轨道参数、钟差、码偏差、载波相位偏差，大气延迟误差。
(3)、导航用户终端利用解调得到的精密轨道、钟差、码偏差、载波相位偏差，大气延迟误差，校正第n颗GNSS卫星的伪距和载波相位观测值，得到误差校正后第n颗GNSS卫星的伪距和载波相位观测方程。
(4)、导航用户终端测量得到四颗以上误差校正后GNSS卫星的伪距和载波相位观测方程，采用扩展卡尔曼滤波算法，迭代求解出以后终端的位置以及钟差，实现PPP、PPP-AR以及PPP-RTK定位解算。图2(a)给出了PPP定位解算的结果，三维定位误差收敛到10cm时，收敛时间约20min。
优选地，所述低轨导航增强电文还包括低轨卫星广播电文以及低轨卫星精密改正电文，且第一导航增强信号为L频段扩频测距信号，具体为L频段三频导航增强信号，便于用户终端接收第一导航增强信号，并根据第一导航增强信号得到伪距和载波相位观测值，完成秒级收敛的高精度定位解算与授时。
具体地，用户终端可以接收GNSS三频信号得到伪距和载波相位观测值，接收低轨导航增强信号播发的GNSS精密改正电文和大气改正电文，以及接收低轨L频段三频导航增强信号得到伪距和载波相位观测值，利用低轨卫星几何变化快的优势，实现秒级收敛的定位解算。
秒级收敛的高精度定位解算方法如下：
(1)、用户终端接收GNSS三频信号得到伪距和载波相位观测值。测量得到第n颗GNSS卫星的伪距和载波相位观测值。
(2)、用户终端同时接收低轨导航增强信号，解调得到低轨导航增强电文，得到第n颗GNSS卫星的精密轨道、钟差、码偏差、载波相位偏差，大气延迟误差。
(3)、用户终端测量得到第m颗低轨导航增强卫星的L频段三频导航增强信号伪距和载波相位观测值：
式中，
和
分别表示测量得到的第m颗低轨导航增强卫星第j个频点的伪距与载波相位观测值，j＝1、2或3。
表示第m颗低轨导航增强卫星到用户终端的几何距离，Δtr表示接收机钟差，
表示第m颗低轨导航增强卫星的钟差，
表示第m颗低轨导航增强卫星电离层延迟，
表示第m颗低轨导航增强卫星对流层延迟，
表示第m颗低轨导航增强卫星第j个频点的码硬件延迟，
表示第m颗低轨导航增强卫星第j个频点的载波相位硬件延迟，
为低轨导航增强卫星第j个频点的载波波长，
表示第m颗低轨导航增强卫星第j个频点的载波相位整周模糊度，
表示第m颗低轨导航增强卫星第j个频点的码伪距的其他误差项，
表示第m颗低轨导航增强卫星第j个频点的载波相位观测值中的其他误差项。
(4)、利用解调得到的精密轨道、钟差、码偏差、载波相位偏差，大气延迟误差，校正第n颗GNSS卫星的伪距和载波相位观测值，得到误差校正后第n颗GNSS卫星的伪距和载波相位观测方程。校正第m颗低轨导航增强卫星的伪距和载波相位观测值，得到误差校正后第m颗低轨导航增强卫星的伪距和载波相位观测方程。
(5)、用户终端测量得到四颗以上误差校正后GNSS卫星的伪距和载波相位观测方程，以及误差校正后低轨导航增强卫星的伪距和载波相位观测方程，采用扩展卡尔曼滤波算法，迭代求解出以后终端的位置以及钟差，实现秒级收敛的定位解算。图2(b)给出了秒级收敛的定位解算结果，三维定位误差收敛到10cm时，收敛时间约5s。
优选地，所述低轨卫星广播电文以及低轨卫星精密改正电文中的参数由地面站上注得到。
用户终端还可以将解算获得的大气改正数，通过用户上行信号，发送给低轨导航增强卫星，辅助低轨导航增强卫星大气改正数自主生成。
低轨导航增强卫星地面站包括监测站和信关站。
所述地面监测站接收GNSS下行信号和低轨导航增强卫星播发的下行导航增强信号，对信号质量进行监测，生成GNSS精密改正电文和大气改正电文、低轨卫星广播电文以及低轨卫星精密改正电文。
所述地面信关站通过馈电上行链路，与低轨导航增强卫星建立连接，将地面生成的电文上注到低轨导航增强卫星。
优选地，所述低轨导航增强卫星配置了原子钟，提供高精度的时频基准，用于低轨导航增强信号的生成，以及GNSS信号的精密改正数的自主生成；在地面站对低轨卫星不可见时，保证低轨卫星钟差预报的精度。原子钟秒稳～百秒稳在10-13量级，万秒稳10-14量级，提供时频基准。
低轨导航增强卫星播发L频段三频导航增强信号，用于实现秒级收敛实时高精度定位。由于频谱资源的稀缺，L频段三频导航增强信号频率可能与GNSS信号相邻和重叠，即位于同频段内。播发的L频段导航增强信号经空间隔离衰减后进入GNSS监测接收天线，功率远高于GNSS信号接收功率，等效于一个强自干扰信号，需要实现同时同频段收发，保证星上GNSS监测接收机正常工作。传统方式采用滤波方式实现频谱不重叠同频段信号的分离，不能满足宽带灵活可定义信号生成需求。
当第一导航增强信号与GNSS导航信号位于同频段并存在相互干扰时，低频导航卫星包括射频域自干扰消除模块和数字域自干扰消除模块；
第一导航增强信号发送端耦合一路信号，记为自干扰信号；自干扰信号进入射频域自干扰消除模块，射频域自干扰消除模块调整自干扰信号的延迟、幅度和相位，生成射频域自干扰重建信号，GNSS监测接收天线接收信号sR(t)与射频域自干扰重建信号
经合路器合路，得到射频域自干扰消除后的信号
射频域自干扰消除后的信号
分为两路，一路反馈给射频域自干扰消除模块，射频域自干扰消除模块根据反馈的射频域自干扰消除后的信号，自适应调整射频域自干扰重建信号的延迟、幅度和相位，使得射频域自干扰消除后的信号功率最小；另一路射频域自干扰消除后的信号经下变频、滤波放大，模数转换后变为数字基带信号进入数字域自干扰消除模块；
数字域自干扰消除模块采用自适应滤波方法，进行信道估计，在数字域重建数字自干扰信号，数字自干扰信号与数字基带信号相减，进行数字域自干扰消除，得到数字域自干扰消除后的信号，用于GNSS监测接收处理。
本发明某一具体实施例中，所述“射频域自干扰消除”+“数字域自干扰消除”，实现同时同频段收发的过程框图如图3所示，具体包括如下步骤：
(1)、低轨导航增强卫星生成并播发的L频段导航增强信号，表示为：sT(t)＝ATsL,b(t)cos(2πf0t+θ0)，AT为播发信号幅度，f0为载波频率，θ0为载波初相，sL,b(t)为基带信号，包括了测距码与低轨导航增强电文。
(2)、sT(t)经空间隔离衰减后，与GNSS信号，一起进入GNSS监测接收天线，表示为：
为天线接收端接收的第n条自干扰信号的幅度，
为第n条自干扰信号的传播延迟，N为自干扰信号的路径数，N≥1。
(3)、从L频段导航增强信号发送端耦合一路自干扰信号，进入射频域自干扰消除模块，调整延迟、幅度和相位，得到射频域自干扰重建信号：
为第r条自干扰重建信号的幅度，
为第r条自干扰重建信号的传播延迟，
为第r条自干扰重建信号的相位，R为自干扰重建信号的路径数，R大于等于1。
(4)、GNSS监测接收天线接收信号sR(t)与射频域自干扰重建信号
经合路器合路，进行射频域自干扰消除，得到射频域自干扰消除后的信号
(5)、
分为2路信号，1路反馈给射频域自干扰消除模块，用来自适应调整自干扰重建信号的延迟、幅度、和相位，使得自干扰消除后的信号功率最小，即目标函数是
另一路经下变频、滤波放大，ADC后变为数字基带信号
进入数字域自干扰消除模块，Ts表示采样间隔，m表示第m个采样点。
(6)、数字域自干扰消除模块采用自适应滤波方法，进行信道估计，自适应滤波器阶数为W，系数表示为[h(0),h(1),…,h(W)]。在数字域重建自干扰信号
sL,b(m·Ts)是基带信号sL,b(t)的采样。
(7)、对
进行数字域自干扰消除，得到数字域自干扰消除后的信号：
用于GNSS监测接收处理。
图4给出了采用“射频域自干扰消除”+“数字域自干扰消除”，实现自干扰消除的仿真结果，信号是BPSK(2)信号，GNSS信号载噪比45dB-Hz，干信比为90dB，射频域时延调制误差为1ns，仿真实现的射频域自干扰消除能力是42.6dB。数字域自干扰消除自适应滤波器阶数W＝40，采样率1GHz，仿真实现的数字域自干扰消除能力是33.2dB。总的自干扰消除能力是75.8dB。
优选地，所述GNSS精密改正电文格式如下：
首先，低轨导航增强卫星获取GNSS精密改正数据和大气改正数据。GNSS精密改正数据可从地面站上注获得，也可由低轨导航增强卫星自主生成。大气改正数据可从地面站上注获得，当无地面站支持时，根据用户终端上注的大气延迟数据自主生成。
其次，本发明在监测接收机监测结果的辅助下，实现低轨导航增强电文灵活生成，按照如下步骤生成GNSS精密改正电文：
1.1、根据星上GNSS监测接收机的监测结果，判断需要播发的GNSS卫星PRN号和数量，判断方法是：当GNSS卫星相对于导航用户终端可见时，播发对应GNSS卫星的GNSS精密改正数据和大气改正数据给相应的导航用户终端；
1.2、获取GNSS精密改正数据和大气改正数据，从中选出需要播发的GNSS卫星的精密改正数据和大气改正数据；
1.3、根据星上GNSS监测接收机的监测结果，确定需要播发的GNSS卫星播发的改正数据类型、播发周期，改正数据类型和播发周期可灵活调整，电文结构支持这种灵活可变播发。具体的判断方法是：对于需要播发改正数据的GNSS卫星，如果该类型改正数的变化量小于预设门限时，则不播发该类型改正数；否则，播发该类型改正数；例如，对于钟差改正数，如果钟差改正数变化量小于门限ΔTTH，则该历元的改正数据，不包含该颗GNSS卫星的钟差改正数，反之则包含。ΔTTH可以设为0.01ns。
1.4、将需要播发的精密改正数据和大气改正数据，按照预设的电文结构组帧，生成对应历元的低轨导航增强电文。
上述L频段三频导航增强信号是快收敛高精度信号，提供快收敛高精度PNT服务。
实施例2：
本发明低轨卫星生成与播发具有认证功能的高安全信号，具备电文认证和扩频码认证的特征，高安全信号结构示意图如图5所示。
低轨导航增强电文为经过加密处理之后的电文，相应地，导航用户终端收到低轨导航增强电文之后进行安全认证；
低轨导航卫星对低轨导航增强电文进行加密处理过程如下：
S2.1、将低轨导航增强电文经HASH函数映射为固定比特长度的第一哈希数据hash1，然后对第一哈希数据hash1使用私钥进行加密，得到数字签名DS；可以采用标准的非对称加密技术，如RSA加密技术，对hash1使用私钥进行加密。
S2.2、利用数字签名DS和公钥，对低轨导航增强信号的扩频码中的一部分码片进行加密；数字签名比特是不可预测的，扩频码中的加密码片也是不可预测的。扩频码加密方式可以是非公开的，只在授权终端提供，扩频码认证不影响非认证用户的使用。
S2.3、将低轨导航增强电文、数字签名DS以及公钥组帧，并调制到加密了部分码片的扩频码上，进行播发；
相应地，导航用户终端进行安全认证过程如下：
S2.4、用户终端接收到高安全信号，解调出低轨导航增强电文、数字签名DS以及公钥，使用公钥对数字签名DS进行解密，恢复出第一哈希数据hash1；
S2.5、将解调出的低轨电文数据，采用相同的HASH函数映射，得到第二哈希数据hash2；如果第二哈希数据hash2与第一哈希数据hash1相同，则电文认证成功，反之电文认证失败；
S2.6、电文认证成功后，进行扩频码认证，使用未加密的扩频码序列，与接收到的扩频码信号进行相关，得到第一相关值R1；
S2.7、利用数字签名DS和公钥，采用步骤S2.2相同的加密方式，生成加密后的扩频码序列，与接收到的扩频码信号进行相关，得到第二相关值R2；
S2.8、根据第一相关值R1和第二相关值R2，估计加密码片的比例为(1-R1R2)×100％，与步骤S2.2中加密码片的比例比较，差异在置信度内，则判断扩频码认证通过，否则扩频码认证失败。所述置信度为95％。
用户终端可以接收低轨导航增强卫星播发的高安全信号，进行信号认证，验证低轨导航增强信号的真实性。
实施例3：
在服务可用性方面，城市环境是GNSS的主要应用场景，然而，城市环境下的高楼、高架桥、林荫遮挡等，造成GNSS信号衰减乃至服务中断，极大影响服务的可用性。提升挑战性环境下的服务可用性，是PNT服务的努力方向。
优选地，所述低轨导航增强卫星还生成与播发第二导航增强信号，即：低轨导航增强卫星生成与播发L频段三频导航增强信号+UHF/VHF导航增强信号。所述第二导航增强信号为扩频测距信号，位于UHF或者VHF频段，落地功率高于GNSS信号，甚至比GNSS信号高10dB量级，便于用户终端接收第二导航增强信号，并根据得到第二导航增强信号伪距和载波相位观测值，完成高可用定位解算与授时。
实施例4：
随着网联网时代的来临，以智能穿戴设备为代表的消费电子类用户将是基于位置服务的潜在服务对象，其特点是对续航时间敏感，对定位授时精度不敏感，如何降低PNT服务的能耗，实现低能耗定位，是PNT服务的另一个挑战。
为了提供低能耗定位服务，本发明第二导航增强信号包含一个窄带信号分量，该窄带信号分量为扩频测距信号，落地功率比GNSS信号高10dB量级，信号带宽在100kHz量级，便于用户终端接收该窄带信号分量，并根据该窄带信号分量得到伪距和载波相位观测值，完成低能耗定位解算与授时。
本发明某一具体实施例中，所述高可用低能耗信号生成与接收方法，包括
(1)、低轨导航增强卫星生成一个高可用信号分量，并在VHF或者UHF播发，UHF频段可选为(463-467MHz)。
(2)、生成与播发的高可用信号分量，落地功率比GNSS信号落地功率高10dB以上，信息速率在kbps量级以上。可用于低轨导航增强电文的播发。
(3)、高可用终端同时接收GNSS信号与高可用信号，进行导航定位与授时；当GNSS信号因遮挡不可用时，高可用终端可仅使用高可用信号完成定位导航与授时。
(4)、低轨导航增强卫星同时生成一个低能耗定位信号，只播发低轨卫星的广播电文。低能耗定位信号是一个窄带扩频信号，带宽在100kHz量级。低能耗信号也可以都在UHF/VHF频段播发。
(5)、低能耗定位终端仅接收低能耗信号进行定位解算。
采样率降低，从而降低数据处理功率，实现低能耗定位。用户终端可以接收低轨导航增强卫星播发的低能耗定位信号，实现低能耗定位授时。城市挑战环境下，由于林荫、天桥等遮挡导致的GNSS信号衰减在10～20dB以上，为实现城市挑战环境下的高可用导航定位，信号的落地功率要提升10dB以上。而GNSS频段信号落地功率受限，因此，高可用信号可选择在VHF或者UHF播发。
高可用信号功率提升20dB，信息速率可进一步提升，用于低轨导航增强电文的播发，例如，信息速率提升到2kbps，播发精密改正电文。
高可用终端同时接收GNSS信号与低轨高可用信号，当GNSS信号因遮挡不可用时，高可用终端使用低轨高可用信号完成定位导航与授时。
低能耗定位信号是一个带宽较窄的高功率扩频信号，只播发低轨卫星的广播电文。
低能耗信号是窄带信号，低能耗定位终端采样率降低，从而降低数据处理功率，实现低能耗定位。
高可用低能耗信号可以都在UHF/VHF频段播发，例如在UHF(463-467MHz)频段，播发高可用信号分量和低能耗定位信号分量。低能耗信号分量带宽是L1C/A码信号的20倍，意味着处理数据量少了20倍，处理功率降低13dB以上。高可用低能耗信号参数如下表所示，高可用定能耗定位信号功率谱如图6所示。
表1高可用低能耗信号参数示意
| 信号分量 | 调制方式 | 码速率 | 信息速率 | 落地功率 |
| 高可用信号分量 | BOC(1,1) | 1.023Mcps | 2kbps | -139dBW |
| 低能耗信号分量 | BPSK(0.05) | 51.15kcps | 50bps | -139dBW |
综上，所述L频段三频导航增强信号+UHF/VHF导航增强信号可以是高安全信号，提供高安全PNT服务；所述UHF/VHF导航增强信号可以是高可用信号，提供高可用PNT服务；所述UHF/VHF导航增强信号可以低能耗定位信号，提供低能耗PNT服务。
同现有的方法相比，本发明公开的方法具有如下优点：
(1)、本发明所述导航增强信号携带了低轨导航增强电文。所述低轨导航增强电文包括GNSS精密改正电文(轨道改正数、钟差改正数、码偏差、URA、载波相位偏差)、低轨卫星的广播电文以及低轨卫星的精密改正电文，支持PPP、PPP-AR定位技术，实现精度增强；
(2)、现有的低轨导航增强系统实现实时高精度，一种技术是通过地面上注大气改正数，或者地面站辅助播发改正数，进行PPP-RTK定位加快收敛；一种是播发低轨双频导航信号利用低轨卫星运动块加快收敛，收敛时间一般在30s～1min。本发明是播发L频段三频导航增强信号，同时具有PPP-RTK和低轨三频导航信号增强的作用，进行快速整周模糊度固定，能够实现秒级收敛的高精度。
(3)、现有的GNSS精密改正数据，要么是地面生成上注，要么是星上自主生成；而大气改正数据只能在地面生成。而本发明的大气改正数据可由低轨卫星自主生成。由于有上行链路，用户终端可将解算的大气改正数上传给低轨导航增强卫星，低轨导航增强卫星根据收集的大气改正数自主生成用于播发的大气改正数。
(4)、本发明用户终端可以接收低轨导航增强卫星播发的高可用信号，该高可用信号在UHF/VHF低频段播发，落地功率高于GNSS信号。在城市挑战性环境下，因遮挡导致测量得到GNSS卫星的伪距和载波相位观测值数量少于四颗时，结合低轨高可用导航增强信号测量得到的伪距和载波相位观测值，进行定位解算，实现高可用PNT。
(5)、本发明用户终端可以接收低轨导航增强卫星播发的高安全信号，进行信号认证，验证低轨导航增强信号的真实性。
(6)、现有文献未涉及高可用低能耗方面，本发明提出在低频段UHF/VHF播发高功率的低轨导航增强信号，构成L三频+UHF/VHF信号体制。落地功率比GNSS高10dB以上，满足城市挑战性环境下的高可用，同时，设计了灵活的电文结构，支持低轨电文的灵活生成，等效降低数据播发量，在同等发射功率情况下，提升Eb/N0，增强电文接收的可用性；另一方面，播发高功率窄带扩频信号，实现低能耗定位。
(7)、现有同频收发技术，是采用时分收发的方式实现。本发明所述L频段三频导航增强信号可以与GNSS信号同频，L频段三频导航增强信号发射与GNSS信号接收同时，采用“射频域自干扰消除”+“数字域自干扰消除”，实现同时同频段收发。
(8)、本发明给出了低轨导航增强电文灵活生成方法。所述低轨导航增强电文的结构支持灵活可变播发。当某颗GNSS卫星的钟差改正数变化量小于门限时，降低该颗GNSS卫星钟差改正数的播发频度；当某颗GNSS卫星对于低轨卫星不可见时，不播发该颗GNSS卫星的精密改正电文。
(9)、本发明给出了高安全信号信号与认证方法。低轨卫星生成与播发具有认证功能的高安全信号，具备电文认证和扩频码认证的特征。用户终端接收高安全信号，进行实时信号认证，认证接收到的低轨导航增强信号的真实性。
本发明在低轨导航增强卫星上，搭载GNSS监测接收机，对GNSS信号进行接收和监测，实现精密定轨以及GNSS精密改正电文的生成。低轨导航增强卫星具有下行链路信号和上行链路信号。在高稳钟提供的时频基准控制下，生成低轨导航增强信号，播发GNSS精密改正电文以及低轨卫星自身的广播电文与精密改正电文，支持PPP、PPP-AR，实现精度增强。下行信号播发低轨导航增强信号，播发大气改正电文，支持PPP-RTK定位，加快收敛，同时，利用低轨卫星运动快的优势，播发低轨L频段三频导航增强信号，实现快速模糊度固定，实现秒级收敛的定位解算。对于可用性增强，在UHF(/VHF)播发高功率的低轨导航增强信号，提升城市挑战环境下的信号可用性；同时采用星上电文灵活生成与播发方法，降低数据播发量，在同等发射功率情况下，提升Eb/N0，增强电文接收的可用性；同时播发窄带信号分量，支持低能耗定位服务。采用电文认证+扩频码认证方式，提供具有信号认证功能的高安全信号，实现安全增强的服务。地面授权终端，可将解算出的大气改正数上传给低轨导航增强卫星，用于大气改正数的生成与播发。
本发明的快收敛高可用低轨导航增强系统，以满足新兴用户群体对PNT服务的需求为目标，在实现实时高精度的同时，还提供了安全性增强、可用性增强和，即加快高精度服务的收敛速度，改善城市挑战性环境下的可用性，GNSS欺骗环境下的安全性，同时并提供了低能耗定位功能。可以将实施例1～4的技术方案进行组合在同一个低轨导航增强系统中实现实时性、可用性、安全性、低能耗增强。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (14)
1.一种低轨导航增强系统，其特征在于包括低轨导航增强卫星星座，低轨导航增强卫星星座是由多颗低轨导航增强卫星构成的低轨星座，能够实现对地面的四重及以上覆盖，即地面任意地点任一时刻可见低轨卫星数不少于四颗，低轨导航增强卫星之间具有星间链路；
低轨导航增强卫星生成并播发第一导航增强信号，所述第一导航增强信号携带低轨导航增强电文，低轨导航增强电文包括GNSS精密改正电文，精密改正电文包括轨道改正数、钟差改正数、码偏差改正数、URA、载波相位偏差改正数；这些改正数便于GNSS导航用户终端进行PPP或者PPP-AR定位解算，实现精度增强。
2.根据权利要求1所述的一种低轨导航增强系统，其特征在于所述低轨导航增强电文还包括大气改正电文，便于导航用户终端进行PPP-RTK定位解算。
3.根据权利要求2所述的一种低轨导航增强系统，其特征在于所述大气改正电文中的大气改正数由地面站上注或者地面授权终端上注得到。
4.根据权利要求1所述的一种低轨导航增强系统，其特征在于所述GNSS精密改正电文中的轨道改正数、钟差改正数、码偏差改正数、URA、载波相位偏差改正数通过地面站上注得到，再通过星间链路，转发至其他低轨导航增强卫星。
5.根据权利要求1所述的一种低轨导航增强系统，其特征在于低轨导航增强卫星上搭载GNSS监测接收机，所述GNSS精密改正电文中的轨道改正数、钟差改正数、码偏差改正数、URA、载波相位偏差改正数通过GNSS监测接收机监测GNSS导航信号得到，在低轨卫星精密定轨完成后，自主生成。
6.根据权利要求1所述的一种低轨导航增强系统，其特征在于所述低轨导航增强电文还包括低轨卫星广播电文以及低轨卫星精密改正电文，且第一导航增强信号为L频段扩频测距信号，在三个频点进行播发，便于用户终端接收第一导航增强信号，并根据第一导航增强信号得到伪距和载波相位观测值，完成秒级收敛的高精度定位解算与授时。
7.根据权利要求6所述的一种低轨导航增强系统，其特征在于所述低轨卫星广播电文以及低轨卫星精密改正电文中的参数由地面站上注得到。
8.根据权利要求6所述的一种低轨导航增强系统，其特征在于当第一导航增强信号与GNSS导航信号位于同频段并存在相互干扰时，低频导航卫星包括射频域自干扰消除模块和数字域自干扰消除模块；
第一导航增强信号发送端耦合一路信号，记为自干扰信号；自干扰信号进入射频域自干扰消除模块，射频域自干扰消除模块调整自干扰信号的延迟、幅度和相位，生成射频域自干扰重建信号，GNSS监测接收天线接收信号sR(t)与射频域自干扰重建信号
经合路器合路，得到射频域自干扰消除后的信号
射频域自干扰消除后的信号
分为两路，一路反馈给射频域自干扰消除模块，射频域自干扰消除模块根据反馈的射频域自干扰消除后的信号，自适应调整射频域自干扰重建信号的延迟、幅度和相位，使得射频域自干扰消除后的信号功率最小；另一路射频域自干扰消除后的信号经下变频、滤波放大，模数转换后变为数字基带信号进入数字域自干扰消除模块；
数字域自干扰消除模块采用自适应滤波方法，进行信道估计，在数字域重建数字自干扰信号，数字自干扰信号与数字基带信号相减，进行数字域自干扰消除，得到数字域自干扰消除后的信号，用于GNSS监测接收处理。
9.根据权利要求1所述的一种低轨导航增强系统，其特征在于所述低轨导航增强卫星配置了原子钟，原子钟秒稳～百秒稳在10-13量级，万秒稳10-14量级，提供时频基准。
10.根据权利要求1所述的一种低轨导航增强系统，其特征在于所述GNSS精密改正电文格式如下：
11.根据权利要求1所述的一种低轨导航增强系统，其特征在于所述GNSS精密改正电文的生成步骤如下：
1.1、根据星上GNSS监测接收机的监测结果，判断需要播发的GNSS卫星PRN号和数量，判断方法是：当GNSS卫星相对于导航用户终端可见时，播发对应GNSS卫星的GNSS精密改正数据和大气改正数据给相应的导航用户终端；
1.2、获取GNSS精密改正数据和大气改正数据，从中选出需要播发的GNSS卫星的精密改正数据和大气改正数据；
1.3、确定需要播发的GNSS卫星播发的改正数据类型、播发周期，判断方法是：对于需要播发改正数据的GNSS卫星，如果该类型改正数的变化量小于预设门限时，则不播发该类型改正数；否则，播发该类型改正数；
1.4、将需要播发的精密改正数据和大气改正数据，按照预设的电文结构组帧，生成低轨导航增强电文。
12.根据权利要求1～11任一项所述的一种低轨导航增强系统，其特征在于所述低轨导航增强卫星生成与播发第二导航增强信号，所述第二导航增强信号为扩频测距信号，位于UHF或者VHF频段，落地功率高于GNSS信号，便于用户终端接收第二导航增强信号，并根据得到第二导航增强信号伪距和载波相位观测值，完成高可用定位解算与授时。
13.根据权利要求12所述的一种低轨导航增强系统，其特征在于第二导航增强信号包含一个窄带信号分量，该窄带信号分量为扩频测距信号，落地功率比GNSS信号高10dB量级，信号带宽在100kHz量级，便于用户终端接收该窄带信号分量，并根据该窄带信号分量得到伪距和载波相位观测值，完成低能耗定位解算与授时。
14.根据权利要求1所述的一种低轨导航增强系统，其特征在于所述低轨导航增强电文为经过加密处理之后的电文，相应地，导航用户终端收到低轨导航增强电文之后进行安全认证；
低轨导航卫星对低轨导航增强电文进行加密处理过程如下：
S2.1、将低轨导航增强电文经HASH函数映射为固定比特长度的第一哈希数据hash1，然后对第一哈希数据hash1使用私钥进行加密，得到数字签名DS；
S2.2、利用数字签名DS和公钥，对低轨导航增强信号的扩频码中的一部分码片进行加密；
S2.3、将低轨导航增强电文、数字签名DS以及公钥组帧，并调制到加密了部分码片的扩频码上，进行播发；
相应地，导航用户终端进行安全认证过程如下：
S2.4、解调出低轨导航增强电文、数字签名DS以及公钥，使用公钥对数字签名DS进行解密，恢复出第一哈希数据hash1；
S2.5、将解调出的低轨电文数据，采用相同的HASH函数映射，得到第二哈希数据hash2；如果第二哈希数据hash2与第一哈希数据hash1相同，则电文认证成功，反之电文认证失败；
S2.6、电文认证成功后，进行扩频码认证，使用未加密的扩频码序列，与接收到的扩频码信号进行相关，得到第一相关值R1；
S2.7、利用数字签名DS和公钥，采用步骤S2.2相同的加密方式，生成加密后的扩频码序列，与接收到的扩频码信号进行相关，得到第二相关值R2；
S2.8、根据第一相关值R1和第二相关值R2，估计加密码片的比例为(1-R1/R2)×100％，与步骤S2.2中加密码片的比例比较，差异在置信度内，则判断扩频码认证通过，否则扩频码认证失败。
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