CN115037418B

CN115037418B - 一种面向空基伪卫星的导航电文帧结构设计方法

Info

Publication number: CN115037418B
Application number: CN202210727010.XA
Authority: CN
Inventors: 罗瑞丹; 杨光; 袁超; 赵光耀; 葛建; 陈夏兰
Original assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Current assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Filing date: 2022-06-24
Publication date: 2024-06-11
Anticipated expiration: 2042-06-24

Abstract

本发明涉及一种面向空基伪卫星的导航电文帧结构设计方法，属无线电导航通信领域，包括：设计空基伪卫星空口导航电文帧，所述的导航电文帧依次包括：帧同步头、导航电文信息和帧校验三部分，每帧为250个比特位；所述的导航电文信息占用帧内第17位至第234位比特位，包括：信号发射的时间信息、伪卫星位置与速度信息、导航辅助信息。本发明涉及的电文帧结构设计简洁高效，电文帧结构设计具备与GNSS系统的兼容性与互操作性，电文帧结构具有可扩展性。

Description

一种面向空基伪卫星的导航电文帧结构设计方法

技术领域

本发明属无线电导航通信领域，具体涉及基于空基伪卫星的导航电文帧结构设计方法。

背景技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)，作为普适性导航定位手段，能够为军/民用户提供全球域、全天候、全天时地定位、导航和授时(Position,Navigation and Time,PNT)服务。然而，GNSS成熟的技术应用与产业推广，也使得其先天局限性暴露无遗，卫星星上功率局限使得信号落地功率较低，难以有效对抗电磁干扰与物理遮挡，典型场景，诸如：地下、室内、都市峡谷、复杂电磁空间等，系统服务能力会产生降级甚至失效。

伪卫星系统通过建立地基、空基、星基等发播站，增发GNSS信号或者类GNSS信号，对典型场景导航业务进行信号/信息增强，能够有效弥补GNSS系统信号脆弱性以及由此衍生的系统覆盖性不连续问题。其中，空基伪卫星，搭载空基机动/非机动平台，诸如：无人机、浮空器等，借助平台高覆盖、高机动、空基功率约束不苛刻等优势，进行灵活建网补网、机动选区覆盖、增强/备份GNSS系统，在实际应用中最为广泛。

伪卫星运行原理跟GNSS系统类似，基于导航电文的二进制码流形式反映卫星空间位置、工作状态、传播环境修正参数等，进行系统时空基准信息的表达与传递。但是，不同于卫星导航，GNSS卫星具有明确的轨道参数约束，而伪卫星平台具有随机机动性，这就要求其电文设计在时空信息表达上不能直接采用参数化编码；另外，由于伪卫星驻空高度不高(多为10km以内)，电文设计也不需要考虑电离层等信息发播。

目前，关于空基伪卫星电文设计相对较少，且缺乏针对性，即无法推动伪卫星系统的规模化使用，也无法保证伪卫星系统的运行有效性。因此，非常有必要，针对空基伪卫星平台机动特性、系统性误差及其修正、信息时效性、可扩展性等因素，进行综合考虑开展典型场景伪卫星电文设计。

发明内容

本发明为适应空基伪卫星平台机动无规律性、动态随机性、信号下行环境低复杂性等因素，创新性的提出一种空基伪卫星导航电文帧结构设计方法，综合伪卫星平台机动特性、系统性误差及其修正、信息时效性、可扩展性等因素，对伪卫星空间位置、空间动态、在轨工作状态及其他导航辅助信息等进行有序编排，保证终端在规范解调译码后获取系统时空基准信息完成定位解算。

本发明的技术方案为：一种面向空基伪卫星的导航电文帧结构设计方法，包括：

设计空基伪卫星空口导航电文帧，所述的导航电文帧依次包括：

帧同步头、导航电文信息和帧校验三部分，每帧为250个比特位；

所述的导航电文信息占用帧内第17位至第234位比特位，包括：信号发射的时间信息、伪卫星位置与速度信息、导航辅助信息。

有益效果：

1、本发明涉及的电文帧结构设计简洁高效

所设计伪卫星导航电文帧，充分考虑空基伪卫星平台机动不规律性、动态不确定性等因素，以1Hz频率对伪卫星的时空信息进行编排发播，同时，摒弃传统GNSS电文内的电离层模型及其修正、钟差信息等可忽略信息，相对简洁高效的电文设计，兼顾电文数据资源利用率与电文信息时效性。

2、本发明的电文帧结构设计具备与GNSS系统的兼容性与互操作性

所设计伪卫星电文帧结构，采用BDT时间系与三维位置/速度进行时空信息描述，并规范在BDT整秒进行时空信息确定与发播，保证了与GNSS系统(特别是BD卫星系统)间的系统时间、空间位置转换的准确性与低复杂性，使其具备明显的兼容性与互操作性，保证PNT业务在系统间的配合性及弹性切换。

3、本发明的电文帧结构具有可扩展性

导航电文设计需要对未知因素与不确定因素进行加载容纳，所设计导航电文帧结构，对未知内容留有导航辅助信息预留位，在保证数据资源利用率的情况下，兼顾导航信息的灵活性与可扩展性。

附图说明

图1为空基伪卫星定位系统示意图；

图2为空基伪卫星电文帧结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例，提出一种面向空基伪卫星的导航电文帧结构设计方法，如图1-2所示，包括：

所述的导航电文信息包括占用帧内第17位至第234位比特位，包括：信号发射的时间信息、伪卫星位置与速度信息、导航辅助信息。

具体设计如下：

导航电文帧结构设计：

所设计的空基伪卫星空口导航电文帧，每帧为250个比特位，传输速率为250bps，主要包括：帧同步头、导航电文信息和帧校验三部分组成，其帧结构图见图2。

导航电文帧每帧持续时间为1s，每比特时序时间为4ms，帧起始点设定为BDT整秒时刻，即：在BDT整秒时刻，信号离开信号发播设备的发射天线相位中心点。导航电文帧以比特位进行表示：

B(n),n＝1,2,...,250； (1)

其中，

B(1:16)为帧同步头，共16位，用于帧同步并识别帧起始位，优选地，固定其取值为0xEB90，对应比特流为：1110101110010000；本发明中，用括号(a：b)表示在帧结构中，第a比特到第b比特；

B(17:234)为电文信息，共218位，用于表达导航信号发射平台的时空信息和其它辅助信息；

B(235:250)为CRC校验位，共16位，是对本帧B(17:234)比特位的电文信息进行CRC校验的校验值。

导航电文信息表达：

导航电文信息，占用帧内第17位至第234位比特位，所表达的电文信息主要包括：信号发射的时间信息、伪卫星(信号发播平台)位置与速度信息、导航辅助信息等三个方面的内容。

信号发射的时间信息：

信号发射的时间信息，位于帧内B(17:46)，共占用30比特位，用于表达导航信号离开伪卫星发射端的天线相位中心的整秒时刻(BDT时刻)，具体表达方式为：

B(17:26)为BDT的周数w，取值范围0～1023，含义与BDS的定义相同。

B(27:29)为一周内的天数d，取值范围0～6，d＝0表示星期天，d＝1表示星期一，依次类推。

B(30:34)为一天内的小时数h，取值范围0～23。

B(35:40)为一小时内的分钟数m，取值范围0～59。

B(41:46)为一分钟内的秒数s，取值范围0～59。

鉴于空基伪卫星的时间信息，是利用北斗系统或者其他GNSS卫星系统，进行的接力方式所获取，其时间信息处于滞后性，那么，伪卫星当下整秒时刻的时间信息，在下一个整秒时刻发出。

设sow为BDT定义的周内秒，则：

sow＝d×86400+h×3600+m×60+s (2)

伪卫星位置与速度信息：

伪卫星位置与速度信息，位于帧内B(47:199)，共占用153比特位，用于表达伪卫星的空间位置与运动特性，更确切地说，是反映伪卫星的发射天线相位中心位置随时间变化的模型。所描述空间位置与运动特性，均是在北斗卫星导航系统(BDS)定义的ECEF坐标系(BDCS2000)下进行的表达，其中，位置P表达为(x,y,z)，速度V表达为(v_x,v_y,v_z)，v_x,v_y,v_z分别为x、y、z方向上的速度。具体表达为：

B(47:78)的二进制补码表示的整数值m_x，比例因子0.005米，用于表达位置的x坐标，x＝m_x×0.005(米)；

B(49:110)的二进制补码表示的整数值m_y，比例因子0.005米，用于表达位置的y坐标，y＝m_y×0.005(米)；

B(111:142)的二进制补码表示的整数值m_z，比例因子0.005米，用于表达位置的z坐标，z＝m_z×0.005(米)；

B(143:161)的二进制补码表示的整数值比例因子0.001米/秒，用于表达速度的x坐标，/>

B(162:180)的二进制补码表示的整数值比例因子0.001米/秒，用于表达速度的y坐标，/>

B(181:199)的二进制补码表示的整数值比例因子0.001米/秒，用于表达速度的z坐标，/>

鉴于空基伪卫星的空间信息，是利用北斗系统或者其他GNSS卫星系统，进行的接力方式所获取，其空间信息存在滞后性，那么，伪卫星在本帧时刻所表达的位置和速度，是上一帧时刻信号离开天线时对应的位置与速度。

设sow为某一帧的时间信息，P和V为该帧的位置与速度信息，则某一时刻t信号发射天线相位中心的位置P(t)为：

P(t)＝P+(t-sow)×V (3)

因为临近空间导航试验系统每秒都更新该模型，用户应尽可能选取使|t-sow|值较小的模型进行计算。

所述导航辅助信息，位于帧内B(200:234)，共占用35比特位，用于表达辅助性定位信息，诸如：高程气压信息、用户测距精度信息等，辅助提升定位能力或者精度。具体为：

B(200:202)，共3位，表示该平台当前的用户测距精度URA，URA的编码采用二进制编码；

B(203:234)，共32位，考虑预留给伪卫星平台的气压基准信息等，也可保留不用，发端全部填充0，方便接收机位同步检测。

所述帧校验，位于帧B(17:234)，共占用16个比特位，为CRC校验值，用于对帧内导航电文信息进行CRC校验。具体CRC校验获取方法为：

CRC校验的基本思想：在发射端，利用线性编码理论，对所传送k位二进制码序列数，以一定的规则产生一个校验用的r位监督码，并附在信息后边，构成一个新的二进制码序列数(共k+r位)进行发送；在接收端，则根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。

16位的CRC码产生的规则，是先将要发送的二进制序列数左移16位后，再除以一个多项式，最后所得到的余数既是CRC码：

其中：

B(x)表示n位的二进制序列数；

G(x)为多项式，生成16为码的CRC-16：G(x)＝x16+x15+x2+1；

Q(x)为整数；

R(x)是余数(CRC校验码)。

综上，本发明的设计方法具有以下技术优势：

A.导航电文帧结构设计简洁高效

B.具备与GNSS系统的兼容性与互操作性

C.电文帧结构具有可扩展性

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种面向空基伪卫星的导航电文帧结构设计方法，其特征在于，包括：

所述的导航电文信息占用帧内第17位至第234位比特位，包括：信号发射的时间信息、伪卫星位置与速度信息、导航辅助信息；

所述的导航电文帧每帧持续时间为1s，每比特时序时间为4ms，帧起始点设定为BDT整秒时刻，即：在BDT整秒时刻，信号离开信号发播设备的发射天线相位中心点，电文帧以比特位进行表示，B（a:b）表示在帧结构中第a比特到第b比特；其中，B(1:16)为帧同步头，共16位，用于帧同步并识别帧起始位，B(17:234)为导航电文信息，共218位，用于表达导航信号发射平台的时空信息和其它辅助信息；B(235:250)为CRC校验位，共16位，是对本帧B(17:234)比特位的电文信息进行CRC校验的校验值；

所述的导航电文信息中，信号发射的时间信息，位于帧内B（17:46），共占用30比特位，用于表达导航信号离开伪卫星发射端的天线相位中心的整秒时刻，即BDT时刻。

2.根据权利要求1所述的一种面向空基伪卫星的导航电文帧结构设计方法，其特征在于，所述的导航信号离开伪卫星发射端的天线相位中心的整秒时刻，具体表达方式为：

B(17:26)为BDT的周数w，取值范围0～1023，含义与BDS的定义相同；

B(27:29)为一周内的天数d，取值范围0～6，d=0表示星期天，d=1表示星期一，依次类推；

B(30:34)为一天内的小时数h，取值范围0～23；

B(35:40)为一小时内的分钟数m，取值范围0～59；

B(41:46) 为一分钟内的秒数s，取值范围0～59。

3.根据权利要求1所述的一种面向空基伪卫星的导航电文帧结构设计方法，其特征在于，所述的伪卫星位置与速度信息，位于帧内B（47:199），共占用153比特位，用于表达伪卫星的空间位置与运动特性，所描述空间位置与运动特性，均是在BDS定义的ECEF坐标系下进行的表达，其中，位置P表达为，速度V表达为/>， />分别为x、y、z方向上的速度。

4.根据权利要求1所述的一种面向空基伪卫星的导航电文帧结构设计方法，其特征在于，所述导航辅助信息，位于帧内B(200:234)，共占用35比特位，用于表达辅助性定位信息，包括高程气压信息、用户测距精度信息。

5.根据权利要求1所述的一种面向空基伪卫星的导航电文帧结构设计方法，其特征在于，所述帧校验，位于帧B(17:234)，共占用16个比特位，为CRC校验值，用于对帧内导航电文信息进行CRC校验。