CN117595915A - 一种低轨卫星用户位置快速获取的终端处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低轨卫星用户位置快速获取的终端处理方法；该算方法包括如下步骤：通过终端接收通信物理层协议包，根据UW+CW、时隙和频点等因素识别出SPT子帧；对SPT包进行在载波同步、定时同步；对载波同步、定时同步后得到的数据进行译码，得到卫星播发的SPT导航电文；通过导航电文信息进行伪距测量值；通过导航电文信息进行多普勒测量，得到多普勒测量值；多普勒定位时，以伪距测量值为初始位置偏差，利用多普勒测量值的观测量，进行定位方程的求解和迭代；通过多普勒定位结果能得出终端晶振的频率漂移数，将该值进行积分后，得到终端晶振的钟差，并修正测量结果，从而精度的用户授时。
Description
技术领域
本发明涉及低轨卫星通信技术领域，具体涉及一种低轨卫星用户位置快速获取的终端处理方法。
背景技术
低轨卫星运动速度快，时延、功率、多普勒频移变化大，通信网同步精度低。加快用户位置获取，有助于减少网络延迟，提高同步精度，提升系统服务性能。若采用GNSS导航信号，由于其脆弱性，易受干扰且无法支持室内定位。采用卫星通信信道播发高功率码和载波测量信号，提升位置获取时抗衰减和抗电磁干扰能力。采用低轨卫星通信和导航一体设计，能减少对GNSS的依赖，提高系统独立自主运行的能力，降低终端的成本。
低轨卫星用户位置快速获取中，完成定位技术体制和SPT信号体制设计后，需通过终端进行信号解调、同步、编译码、测距和载波值提取的仿真，进行定位仿真，但目前终端处理方法复杂，不够精确。
发明内容
针对用户位置难以快速获取和时间同步的缺陷，本发明提供一种低轨卫星用户位置快速获取的终端处理方法。
本发明提供了一种低轨卫星用户位置快速获取的终端处理方法，所述方法包括如下述步骤：
S1：终端接收通信物理层协议包，根据UW+CW、时隙和频点等因素识别出SPT子帧；
S2：终端对SPT包进行在载波同步、定时同步；
S3：对载波同步、定时同步后得到的数据进行译码，得到卫星播发的SPT导航电文；
S4：通过导航电文信息进行伪距测量值；
S5：通过导航电文信息进行多普勒测量，得到多普勒测量值；
S6：多普勒定位时，以伪距测量值为初始位置偏差，利用多普勒测量值的观测量，进行定位方程的求解和迭代；其中等伪距测量值在地面投影为圆型，等多普勒曲线在地面为双曲线，通过二者的交点区域，能缩小终端的初始位置范围，进而通过多普勒定位解算来提高多普勒定位的精度，减少收敛的时间；
S7：通过多普勒定位结果能得出终端晶振的频率漂移数，将该值进行积分后，得到终端晶振的钟差，修正伪距测量结果，进行精度的用户授时。
可选的，所述终端对SPT包进行在载波同步、定时同步的步骤包括：载波同步需要采用数字锁相环的方式，复制本地载波，对接收载波进行精确的跟踪；定时同步需要采用延时锁定环路，对接收的测距码进行解扩频，并进行精确的定时同步；PLL、DLL环路交叉进行，相互辅助，通过DLL准确剥离测距码，再通过PLL进行载波同步；通过PLL进行载波同步后，提升DLL剥离测距码的定时精度。
可选的，所述导航电文中包括低轨卫星的位置、钟差及对应的版本号信息，包括卫星号、波束号、子帧计数器等信息。
可选的，所述通过导航电文信息进行伪距测量值的步骤包括：通过卫星播发的导航电文、子帧定时同步结果，得到SPT子帧信号的播发时间，播发时间为子帧计数器值*90ms；通过接收机本地时钟计数可得到SPT子帧信号的接收时间，二者做差乘以光速得到伪距测量值。
可选的，所述通过导航电文信息进行多普勒测量，得到多普勒测量值的步骤包括：通过卫星播发的导航电文、子帧载波同步结果，得到SPT子帧的精确多普勒值，精度由于1Hz；结合电文中卫星钟漂得到接收机的多普勒测量值。
本发明的有益效果体现在：本发明通过终端接收通信物理层协议包，根据UW+CW、时隙和频点等因素识别出SPT子帧；对SPT包进行在载波同步、定时同步；对载波同步、定时同步后得到的数据进行译码，得到卫星播发的SPT导航电文；通过导航电文信息进行伪距测量值；通过导航电文信息进行多普勒测量，得到多普勒测量值；多普勒定位时，以伪距测量值为初始位置偏差，利用多普勒测量值的观测量，进行定位方程的求解和迭代；其中等伪距测量值在地面投影为圆型，等多普勒曲线在地面为双曲线，通过二者的交点区域，能缩小终端的初始位置范围，进而通过多普勒定位解算来提高多普勒定位的精度，减少收敛的时间；通过多普勒定位结果能得出终端晶振的频率漂移数，将该值进行积分后，得到终端晶振的钟差，并修正测量结果，从而精度的用户授时。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是本发明低轨卫星用户位置快速获取的终端处理方法的流程示意图；
图2是本发明低轨卫星用户位置快速获取的终端处理方法的流程框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例与其它实施例相结合。
目前低轨卫星用户位置快速获取中，完成定位技术体制和SPT信号体制设计后，需通过终端进行信号解调、同步、编译码、测距和载波值提取的仿真，进行定位仿真，但目前终端处理方法复杂，不够精确，所以有必要，研制一种低轨卫星用户位置快速获取的终端处理方法。
本发明具体实施方式提供一种低轨卫星用户位置快速获取的终端处理方法，该方法如图1-2所示，包括如下步骤：
在步骤S1中，终端接收通信物理层协议包，根据UW+CW、时隙和频点等因素识别出SPT子帧。
在步骤S2中，终端对SPT包进行在载波同步、定时同步。
在本实施例中，终端对SPT包进行在载波同步、定时同步的步骤包括：载波同步需要采用数字锁相环的方式，复制本地载波，对接收载波进行精确的跟踪；定时同步需要采用延时锁定环路，对接收的测距码进行解扩频，并进行精确的定时同步；PLL、DLL环路交叉进行，相互辅助，通过DLL准确剥离测距码，再通过PLL进行载波同步；通过PLL进行载波同步后，提升DLL剥离测距码的定时精度。
在步骤S3中，对载波同步、定时同步后得到的数据进行译码，得到卫星播发的SPT导航电文。
在本实施例中，导航电文中包括低轨卫星的位置、钟差及对应的版本号信息，包括卫星号、波束号、子帧计数器等信息。
在步骤S4中，通过导航电文信息进行伪距测量值。
在本实施例中，所述通过导航电文信息进行伪距测量值的步骤包括：通过卫星播发的导航电文、子帧定时同步结果，得到SPT子帧信号的播发时间，播发时间为子帧计数器值*90ms；通过接收机本地时钟计数可得到SPT子帧信号的接收时间，二者做差乘以光速得到伪距测量值。
在步骤S5中，通过导航电文信息进行多普勒测量，得到多普勒测量值。
在本实施例中，所述通过导航电文信息进行多普勒测量，得到多普勒测量值的步骤包括：通过卫星播发的导航电文、子帧载波同步结果，得到SPT子帧的精确多普勒值，精度由于1Hz；结合电文中卫星钟漂得到接收机的多普勒测量值。
在步骤S6中，多普勒定位时，以伪距测量值为初始位置偏差，利用多普勒测量值的观测量，进行定位方程的求解和迭代；其中等伪距测量值在地面投影为圆型，等多普勒曲线在地面为双曲线，通过二者的交点区域，能缩小终端的初始位置范围，进而通过多普勒定位解算来提高多普勒定位的精度，减少收敛的时间。
在步骤S7中，通过多普勒定位结果能得出终端晶振的频率漂移数，将该值进行积分后，得到终端晶振的钟差，修正伪距测量结果，进行精度的用户授时。
本发明设计了一种低轨卫星通信网用户位置快速获取方法，主要包括SPT信号体制设计、用户位置快速获取方法技术体制、终端技术三部分组成。其中，SPT信号体制设计包括SPT协议包信号体制、信息电文编排和SPT定位技术三部分内容。
SPT技术体制设计中，卫星通信信道播发功率高，信号采取扩频和高增益编码的方式，终端具有较高的解调增益，快速、精确完成定时同步、载波同步，实现较强电磁干扰、衰减情况下的定位；
在SPT技术体制设计中，为防止转发式等欺骗式干扰，SPT信号体制设计在时域、频域和码域上都需有所考虑，提升了SPT信号系统的安全性。在时域上，采用TDMA方式，用户信号播发时隙灵活可配；在频域上，低轨卫星播发多波束信号，采用12色复用，因此终端接收频率切换较为复杂；在码域上，调制测距码生成多项式由地面运控生成，灵活调整。
在SPT技术体制设计中，通过设计特定的通信协议包，具备测量功能，辅助终端快速高精度定位；加快终端的启动时间和抗干扰能力。
在SPT协议包信号体制设计中包括UW独特字，取固定值。CW为连续波，二者组合用来检测SPT子帧，进行快速捕获、频偏精确估计。通过测距码来进行载波、码相位高精度跟踪；精简导航电文，在保证定位精度的情况下，对导航电文进行裁剪，终端需要较少时间获取完整电文。具体播发电文包括低轨卫星自身的星历、钟差信息，SPT信号播发的卫星号、波束号，子帧技术器等信息。低轨卫星将播发信息组合成电文帧，将电文平均分布到各子帧去播发，子帧间隔为90ms。
在SPT协议包信号体制设计中，通过降低电文播发速率，来提升电文解调的增益，再通过高增益编码，提升电文在衰减和复杂干扰条件下的解调效果。
在SPT定位原理方面，采用多普勒定位是利用卫星前后不同历元的多普勒观测量进行解算，相当于利用多颗卫星的观测量同时定位。需要接收机粗略位置，误差大于100km时解算不能收敛。需要较多次观测历元，才能提高定位精度。SPT终端软件采用扩展卡尔曼滤波(EKF)实现。对EKF的测量更新由多普勒测量和距离测量组成。距离测量提供沿卫星视线的位置的可观测性，多普勒测量提供了卫星视线变化方向上位置的可观测性。对于动态用户，需要额外的状态来模拟用户速度，通过惯性测量单元(IMU)测辅助。方程形式为定速方程：
其中ρk为伪距率、是卫星的速度、/>是接收机速度、lk测站到卫星的单位矢量、δt是接收机钟的偏移率、εk为卫星钟测量间隔期间的组合误差、待估计量为[rb，δt]。
在实际计算中，认为测站速度为零，则：
在定位解算中，定位方程中对待估参数的偏导数矩阵为：
根据公式(3)中偏导数矩阵以及牛顿迭代最小二乘法原理，即可得到偏导数矩阵G(公式(4)所示)和偏差输出量矩阵b(公式(5)所示):
利用最小二乘法求解得(公式(6)所示):
[rb，δt]＝(GTG)-1GTb (6)
给定初值条件rb、δt；并计算观察矩阵G、观测量残差b，利用最小二乘法求出位置更正量Δrb、和接收机钟的偏移率改正量Δt；利用修正量Δrb、Δt修正rb和δt，然后重复计算矩阵G、观测量残差b、位置改正量Δrb和接收机钟的偏移率改正量Δt，如果修正量满足一定精度的需求或者迭代次数达到迭代上限则输出测站坐标rb和接收机钟的偏移率改正量δt。
当接收机位于地面时，与接收获得相同多普勒的点在三维空间中构成一个圆锥面，即等多普勒圆锥面。等多普勒圆锥面与地球表面相交得到等多普勒曲线，地面上不同位置接收机对应的等多普勒圆锥面与地球表面相交线。
用户终端位置快速获取分为两步，首先利用SPT包的多普勒测量值和距离测量值，结合所处波束位置，快速获取终端大体位置；再利用SPT包精简电文和其他通信包辅助信息，再辅以第一步快速获得的粗略位置，得到用户终端精确位置。
完成定位技术体制和SPT信号体制设计后，进行信号解调、同步、编译码、测距和载波值提取的仿真，进行定位仿真。通过安捷伦5182B信号源模拟卫星信号，评估载波和码测量精度、误码率和定位收敛情况。信号处理流程如图2所示。通过通用射频采集鸿雁试验星信号，进行SPT信号体制验证和终端定位技术验证。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (5)
1.一种低轨卫星用户位置快速获取的终端处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：终端接收通信物理层协议包，根据UW+CW、时隙和频点等因素识别出SPT子帧；
S2：终端对SPT包进行在载波同步、定时同步；
S3：对载波同步、定时同步后得到的数据进行译码，得到卫星播发的SPT导航电文；
S4：通过导航电文信息进行伪距测量值；
S5：通过导航电文信息进行多普勒测量，得到多普勒测量值；
S6：多普勒定位时，以伪距测量值为初始位置偏差，利用多普勒测量值的观测量，进行定位方程的求解和迭代；其中等伪距测量值在地面投影为圆型，等多普勒曲线在地面为双曲线，通过二者的交点区域，能缩小终端的初始位置范围，进而通过多普勒定位解算来提高多普勒定位的精度，减少收敛的时间；
S7：通过多普勒定位结果能得出终端晶振的频率漂移数，将该值进行积分后，得到终端晶振的钟差，修正伪距测量结果，进行精度的用户授时。
2.根据权利要求1所述的低轨卫星用户位置快速获取的终端处理方法，其特征在于，所述终端对SPT包进行在载波同步、定时同步的步骤包括：载波同步需要采用数字锁相环的方式，复制本地载波，对接收载波进行精确的跟踪；定时同步需要采用延时锁定环路，对接收的测距码进行解扩频，并进行精确的定时同步；PLL、DLL环路交叉进行，相互辅助，通过DLL准确剥离测距码，再通过PLL进行载波同步；通过PLL进行载波同步后，提升DLL剥离测距码的定时精度。
3.根据权利要求1所述的低轨卫星用户位置快速获取的终端处理方法，其特征在于，所述导航电文中包括低轨卫星的位置、钟差及对应的版本号信息，包括卫星号、波束号、子帧计数器等信息。
4.根据权利要求3所述的低轨卫星用户位置快速获取的终端处理方法，其特征在于，所述通过导航电文信息进行伪距测量值的步骤包括：通过卫星播发的导航电文、子帧定时同步结果，得到SPT子帧信号的播发时间，播发时间为子帧计数器值*90ms；通过接收机本地时钟计数可得到SPT子帧信号的接收时间，二者做差乘以光速得到伪距测量值。
5.根据权利要求1所述的低轨卫星用户位置快速获取的终端处理方法，其特征在于，所述通过导航电文信息进行多普勒测量，得到多普勒测量值的步骤包括：通过卫星播发的导航电文、子帧载波同步结果，得到SPT子帧的精确多普勒值，精度由于1Hz；结合电文中卫星钟漂得到接收机的多普勒测量值。
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