CN115390108B - 一种联合低轨卫星和地面站的导航信号功率增强监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种联合低轨卫星和地面站的导航信号功率增强监测方法，包括：计算导航卫星可见性，得到每颗导航卫星覆盖的低轨卫星监测站和地面监测站；计算低轨卫星监测站和地面监测站的功率变化值，判断是否发生功率异常变化；统计功率异常变化，并将境内低轨卫星监测站接收到的导航卫星功率增强信息传输至地面监测站；对地面监测站接收到的导航卫星功率增强信息进行数据处理，判定信号功率是否增强。突破了传统地面站监测方法受限于国土范围内布站的限制，能够有效扩展导航信号监测的观测范围，可以准确、及时地检测出导航信号功率是否发生功率增强，提高了导航信号功率增强结果的准确性和覆盖性，对导航信号实时监测预警具有重要作用。

Description

一种联合低轨卫星和地面站的导航信号功率增强监测方法
技术领域
本发明涉及全球卫星导航系统信号监测领域，特别涉及一种联合低轨卫星和地面站的导航信号功率增强监测方法。
背景技术
卫星导航信号是导航卫星和地面用户之间相互联系的工作纽带，其信号质量关系到用户定位、授时、测速等基本功能，也直接影响到精度、抗干扰能力等关键性能指标。但导航信号易受干扰，通过提高卫星导航信号发射功率，可以使覆盖区域内的导航信号强度大幅度提高，从而恢复干扰对抗环境下的导航定位服务。导航信号功率增强是提升下行信号抗干扰能力的有力措施，也是导航战发起的先兆。卫星导航信号功率增强监测既能够监测本国卫星导航系统信号质量，发现异常现象，指导卫星在轨操作；也能够监测他国卫星导航系统在轨卫星信号特点及其变化情况，为分析其信号质量、感知战场态势提供参考。
传统基于地面站监测卫星导航信号功率增强的方法受限于地面站布局，通常只有当导航卫星过境时才能接收到导航信号，无法实时获取境外卫星功率增强情况。将传统地面监测站的信号监测功能搬到低轨卫星上作为天基监测站，是扩展中高轨导航卫星观测弧段的方法之一。随着国家卫星互联网方案的战略落地，亟需要探索一种基于低轨卫星观测数据感知战场态势的方法，在有限条件下进一步提升低轨卫星系统的载荷功能与任务定位。
经过对现有技术的检索，中国发明专利（公开号：CN 107329146 A），发明名称为一种导航卫星低轨监测星座的优化设计方法，提供了一种面向地面站覆盖的、以低轨星座为设计元素的导航卫星低轨监测星座的优化设计方法，设计重点在于低轨星座自身的几何构型。
中国发明专利（公开号：CN 113038498 A），发明名称为一种通过低轨卫星波位设计实现波束对地覆盖的方法，通过设计低轨卫星波位和轨道相关参数，实现指定点波束对地覆盖的方法，也主要是考虑低轨卫星自身对地面的覆盖情况。
中国发明专利（公开号：CN 113281792 A），发明名称为一种GPS P(Y)信号功率增强监测方法，详细介绍了一种基于地面观测站监测GPS P(Y)信号功率增强的方法，并不能直接扩展应用到现代化的GPS M码信号上，也并非基于低轨卫星来设计的。
总结起来，目前针对卫星导航信号功率增强的监测方法主要是依托于地面站的监测数据，而由于受限于单一国家地面监测站的布局，无法实时获取任意时刻任意卫星的功率增强情况。
发明内容
为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种联合低轨卫星和地面站的导航信号功率增强监测方法，利用全球覆盖的低轨卫星作为监测站点，并结合不同轨道高度卫星运动特性，获取低轨卫星对全球卫星导航系统中导航卫星的观测窗口，将境外导航卫星的信号增强监测结果回传至境内低轨卫星监测站，并结合地面监测站数据统一进行判决，突破了传统地面站监测方法受限于国土范围内布站的限制，能够有效扩展导航信号监测的观测范围，可以准确、及时地检测出导航信号功率是否发生功率增强，提高了导航信号功率增强结果的准确性和覆盖性，对导航信号实时监测预警具有重要作用。
一方面，为了实现上述技术目的，本发明提供了一种联合低轨卫星和地面站的导航信号功率增强监测方法，包括以下步骤：
S1，计算全球卫星导航系统中导航卫星的可见性，得到每颗导航卫星覆盖的低轨卫星监测站和地面监测站；
S2，计算所述低轨卫星监测站和所述地面监测站的功率变化值，判断导航卫星是否发生功率异常变化；
S3，统计所述功率异常变化，得到导航卫星功率增强信息，并将境内所述低轨卫星监测站接收到的所述导航卫星功率增强信息传输至所述地面监测站；
S4，对所述地面监测站接收到的所述导航卫星功率增强信息进行数据处理，判定信号功率是否增强。
可选地，所述地面监测站的仰角下限为30度。
可选地，所述低轨卫星监测站和所述地面监测站的获取过程为：
根据不同轨道高度导航卫星的运行周期特征，得到每颗导航卫星覆盖的低轨卫星监测站和地面监测站。
可选地，所述S4具体包括：
对所述地面监测站接收到的所述导航卫星功率增强信息进行数据处理，进行多站联合判决，基于最大投票原则，对于同一颗导航卫星的信号，若超50%的所述地面监测站监测到所述信号分量存在导航卫星功率增强，则判定所述导航卫星的信号功率增强。
本发明具有如下技术效果：
利用全球覆盖的低轨卫星作为监测站点，并结合不同轨道高度卫星运动特性，获取低轨卫星对全球卫星导航系统中导航卫星的观测窗口，将境外导航卫星的信号增强监测结果回传至境内低轨卫星监测站，并结合地面监测站数据统一进行判决，突破了传统地面站监测方法受限于国土范围内布站的限制，能够有效扩展导航信号监测的观测范围，可以准确、及时地检测出导航信号功率是否发生功率增强，提高了导航信号功率增强结果的准确性和覆盖性，对导航信号实时监测预警具有重要作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一的联合低轨卫星和地面站的导航信号功率增强监测方法流程框图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例主要针对高仰角导航卫星观测量进行监测，因为当俯仰角较低时，载噪比以及导航卫星可见性变换速度较快其不确定性较大。对于地面监测站，仰角最低门限通常取30度。
如图1所示，本发明公开一种联合低轨卫星和地面站的导航信号功率增强监测方法，包括：
S1，计算全球卫星导航系统中导航卫星的可见性，得到每颗导航卫星覆盖的低轨卫星监测站和地面监测站；
根据不同轨道高度导航卫星的运行周期特征，采用卫星工具包仿真软件工具（STK软件工具），分析全球卫星导航系统中每一颗导航卫星对低轨卫星监测站和地面监测站的覆盖性，得到卫星覆盖性列表。以GPS卫星为例，运行周期为11小时58分钟，分析每一颗GPS卫星在一个星座周期内，分别对哪些地面监测站和低轨卫星监测站保持可见，给出每颗导航卫星在一个星座周期内可覆盖的天基、地基监测站列表。其中，不同轨道高度导航卫星的运行周期特征是指同时考虑中高轨道的导航卫星（GNSS卫星）和低轨LEO监测卫星的运动周期，取整体星座/星群的运行周期。
在本实施例中，对于北斗三号卫星和GPS IIIF卫星等具备点波束功率增强能力的卫星，根据星载天线波束角宽度和波束指向计算卫星覆盖范围，找出该覆盖范围内的所有地面监测站和低轨卫星监测站；对于GPS IIM、GPS IIF、GPS III等不具备点波束功率增强功能的卫星，默认其星载天线为覆球波束天线，在整个天线覆盖范围内均视为可见。
S2，计算低轨卫星监测站和地面监测站的功率变化值，判断导航卫星是否发生功率异常变化；
利用覆盖范围内所有地面监测站和低轨卫星监测站上星载接收机的历史数据（指地面监测站或低轨卫星监测站星载接收机上的历史载噪比数据，或者天基、地基监测站上的历史功率信息），判断当前监测站点可见的导航卫星信号功率是否发生了变化。对于授权信号分量，若某颗导航卫星的载噪比/功率变化值超过了门限值，则初步判定这颗导航卫星开启了功率增强。
在本实施例中，对于地面监测站，利用历史数据获得的平均载噪比或平均功率计算当前时刻每颗导航卫星可见的导航卫星功率变化值，对于GPS P码、M码等授权信号分量，如果某颗导航卫星的载噪比/功率变化值超过了门限值，则初步判定这颗卫星开启了功率增强。对于低轨卫星监测站，同样利用星载接收机的历史数据计算当前时刻每颗导航卫星的功率变化值，初步判定每颗导航卫星的功率增强情况。
S3，统计功率异常变化，得到导航卫星功率增强信息，并将境内低轨卫星监测站接收到的导航卫星功率增强信息传输至地面监测站；
统计功率异常变化。对于地面监测站，利用历史数据获得的平均载噪比或平均功率计算当前时刻每颗导航卫星可见的导航卫星功率变化值，得到导航卫星功率增强信息。对于低轨卫星监测站，同样利用星载接收机的历史数据计算当前时刻每颗导航卫星的功率变化值，初步判定每颗导航卫星的功率增强情况，得到导航卫星功率增强信息。并根据S1获得的可见性情况判断当前导航卫星是否为境内卫星，如果为境外卫星，则通过低轨卫星星间链路将导航卫星功率增强信息传回境内卫星，如果是境内卫星，则准备直接下传地面监测站。
S4，对地面监测站接收到的导航卫星功率增强信息进行数据处理，判定信号功率是否增强；
对地面监测站接收到的导航卫星功率增强信息传输至地面监测站的综合数据处理中心进行数据处理，进行多站联合判决，基于最大投票原则，对于同一颗导航卫星的信号，若超50%的地面监测站监测到信号分量存在导航卫星功率增强，则判定导航卫星的信号功率增强。
在本实施例中，进行多站联合判决时，对于每一个测站都需要进行步骤S1至S3的判断，最后可根据多个观测站的地理位置与判决结果，可得出该导航卫星的信号分量增强地区范围。针对同一颗导航卫星的某个分量，若检测到的存在导航卫星功率增强的站点其地理位置较为集中，则可判定该导航卫星在特定信号分量上进行区域增强；若检测到的存在导航卫星功率增强的站点分布在世界各地，则可判定该导航卫星在特定信号分量上进行全球增强。
确定最终的导航信号增强情况。根据地面监测站综合数据处理中心获得的增强卫星列表，结合各地面监测站和低轨卫星监测站数据，获得最终的导航卫星信号增强数值、增强频点和增强区域覆盖范围等信息。
实施例二
本实施例主要针对高仰角导航卫星观测量进行监测，因为当俯仰角较低时，载噪比以及导航卫星可见性变换速度较快其不确定性较大。对于地面监测站，仰角最低门限通常取30度。
本发明还公开了联合低轨卫星和地站的导航信号功率增强监测系统，包括：可见性模块、功率变化计算模块、功率增强信息传输模块、判定模块和确定模块。
可见性模块用于计算全球卫星导航系统中导航卫星的可见性，得到每颗导航卫星覆盖的低轨卫星监测站和地面监测站；
在本实施例中，可见性模块根据不同轨道高度导航卫星的运行周期特征，采用卫星工具包仿真软件工具，分析全球卫星导航系统中每一颗导航卫星对低轨卫星监测站和地面监测站的覆盖性，得到卫星覆盖性列表。对于北斗三号卫星和GPS IIIF卫星等具备点波束功率增强能力的卫星，根据星载天线波束角宽度和波束指向计算卫星覆盖范围，找出该覆盖范围内的所有地面监测站和低轨卫星监测站；对于GPS IIM、GPS IIF、GPS III等不具备点波束功率增强功能的卫星，默认其星载天线为覆球波束天线，在整个天线覆盖范围内均视为可见。
功率变化计算模块用于计算低轨卫星监测站和地面监测站的功率变化值，判断导航卫星是否发生功率异常变化；
功率变化计算模块利用覆盖范围内所有地面监测站和低轨卫星监测站上星载接收机的历史数据（指地面监测站或低轨卫星监测站星载接收机上的历史载噪比数据，或者天基、地基监测站上的历史功率信息），判断当前监测站点可见的导航卫星信号功率是否发生了变化。对于授权信号分量，若某颗导航卫星的载噪比/功率变化值超过了门限值，则初步判定这颗导航卫星开启了功率增强。
在本实施例中，对于地面监测站，功率变化计算模块利用历史数据获得的平均载噪比或平均功率计算当前时刻每颗导航卫星可见的导航卫星功率变化值，对于GPS P码、M码等授权信号分量，如果某颗导航卫星的载噪比/功率变化值超过了门限值，则初步判定这颗卫星开启了功率增强。对于低轨卫星监测站，功率变化计算模块同样利用星载接收机的历史数据计算当前时刻每颗导航卫星的功率变化值，初步判定每颗导航卫星的功率增强情况。
功率增强信息传输模块用于统计功率异常变化，得到导航卫星功率增强信息，并将境内低轨卫星监测站接收到的导航卫星功率增强信息传输至地面监测站；
功率增强信息传输模块统计功率异常变化。对于地面监测站，功率变化计算模块利用历史数据获得的平均载噪比或平均功率计算当前时刻每颗导航卫星可见的导航卫星功率变化值，得到导航卫星功率增强信息。对于低轨卫星监测站，功率变化计算模块同样利用星载接收机的历史数据计算当前时刻每颗导航卫星的功率变化值，初步判定每颗导航卫星的功率增强情况，得到导航卫星功率增强信息。并根据可见性模块获得的可见性情况判断当前导航卫星是否为境内卫星，如果为境外卫星，功率增强信息传输模块则通过低轨卫星星间链路将导航卫星功率增强信息传回境内卫星，如果是境内卫星，功率增强信息传输模块则准备直接下传地面监测站。
判定模块用于对地面监测站接收到的导航卫星功率增强信息进行数据处理，判定信号功率是否增强；
在本实施例中，判定模块包括：数据处理单元、联合判决单元；
数据处理单元用于对地面监测站接收到的导航卫星功率进行数据处理；
联合判决单元用于基于数据处理后的导航卫星功率增强信息，进行多站联合判决，基于最大投票原则，对于同一颗导航卫星的信号，若超50%的地面监测站监测到信号分量存在导航卫星功率增强，则判定导航卫星的信号功率增强。在本实施例中，联合判决单元进行多站联合判决时，对于每一个测站都需要进行可见性模块、功率变化计算模块和功率增强信息传输模块的判断，最后可根据多个观测站的地理位置与判决结果，可得出该导航卫星的信号分量增强地区范围。针对同一颗导航卫星的某个分量，若检测到的存在导航卫星功率增强的站点其地理位置较为集中，则可判定该导航卫星在特定信号分量上进行区域增强；若检测到的存在导航卫星功率增强的站点分布在世界各地，则可判定该导航卫星在特定信号分量上进行全球增强。
确定模块用于确定最终的导航信号增强情况。根据判定模块中数据处理单元获得的增强卫星列表，结合各地面监测站和低轨卫星监测站数据，获得最终的导航卫星信号增强数值、增强频点和增强区域覆盖范围等信息。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种联合低轨卫星和地面站的导航信号功率增强监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，计算全球卫星导航系统中导航卫星的可见性，得到每颗导航卫星覆盖的低轨卫星监测站和地面监测站；
S2，计算所述低轨卫星监测站和所述地面监测站的功率变化值，判断导航卫星是否发生功率异常变化；
S3，统计所述功率异常变化，得到导航卫星功率增强信息，并将境内所述低轨卫星监测站接收到的所述导航卫星功率增强信息传输至所述地面监测站；
S4，对所述地面监测站接收到的所述导航卫星功率增强信息进行数据处理，判定信号功率是否增强。
2.根据权利要求1所述的联合低轨卫星和地面站的导航信号功率增强监测方法，其特征在于，所述地面监测站的仰角下限为30度。
3.根据权利要求1所述的联合低轨卫星和地面站的导航信号功率增强监测方法，其特征在于，所述低轨卫星监测站和所述地面监测站的获取过程为：
根据不同轨道高度导航卫星的运行周期特征，得到每颗导航卫星覆盖的低轨卫星监测站和地面监测站。
4.根据权利要求1所述的联合低轨卫星和地面站的导航信号功率增强监测方法，其特征在于，所述S4具体包括：
对所述地面监测站接收到的所述导航卫星功率增强信息进行数据处理，进行多站联合判决，基于最大投票原则，对于同一颗导航卫星的信号，若超50%的所述地面监测站监测到所述信号的分量存在导航卫星功率增强，则判定所述导航卫星的信号功率增强。
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