CN117890945A - 一种基于低轨互联网星座的rtk增强信息设计方法 - Google Patents

一种基于低轨互联网星座的rtk增强信息设计方法 Download PDF

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施闯
李刘展
郭奇锴
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    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
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Abstract

本发明公开了一种基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法，包括：低轨星座进行质心位置短期预报，并且进行姿态插值与动力学预报，再对星载北斗/GNSS观测值信息进行整理，获得RTK增强信息；对所述RTK增强信息进行编排，按照定义分别生成所述RTK增强信息的帧结构；在通信链路中播发二进制的增强信息数据流，并以帧的形式进行传播，生成RTK增强信息数据包；基于消息定义和编码方式，对所述RTK增强信息的信息量进行核算。本发明能满足通信链路中播发量的指标。

Description

一种基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法
技术领域
本发明属于卫星导航定位技术领域，尤其涉及一种基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法。
背景技术
全球导航卫星系统(GNSS)可向全球用户提供全天候、高精度的定位、导航和授时(PNT)服务，在军事、民用等多个行业领域发挥着重要作用。但是，随着GNSS新兴领域的拓展，海量大众用户对位置服务的精度和时效性提出了更高的要求。
RTK技术是一种差分GNSS技术，可以纠正卫星轨道和时钟误差、大气延迟和多径效应等误差。通过增加一个或多个固定的基准站，向用户发送增强信息数据流。用户解码获取RTK增强信息后，使用基准站观测数据与流动站观测数据进行实时差分定位解算，从而解算出用户的精密位置坐标，其定位精度可达1cm-2cm。
然而，RTK技术存在众多缺陷。首先，RTK技术无法达到100％的可靠性，容易受到卫星状况、天气状况和数据链传输状况的影响。更重要的是，其基准站受地理位置限制较大，通常位于开阔且视野良好的位置。其定位精度受到基准站与流动站之间的距离限制，距离越远，精度就越差。此外，信号也会被山体，房屋或一些信号干扰源所阻挡或干扰，实际作业有效半径比其标称半径小。因此，对低轨卫星星载数据编排生成RTK增强信息，利用低轨互联网星座通信信道传输至用户终端，提供覆盖全球的精密定位服务。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法，能满足通信链路中播发量的指标。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法，包括：
低轨星座进行质心位置短期预报，并且进行姿态插值与动力学预报，再对星载北斗/GNSS观测值信息进行整理，获得RTK增强信息；
对所述RTK增强信息进行编排，按照定义分别生成所述RTK增强信息的帧结构；
在通信链路中播发二进制的增强信息数据流，并以帧的形式进行传播，生成RTK增强信息数据包；
基于消息定义和编码方式，对所述RTK增强信息的信息量进行核算。
可选的，所述RTK增强信息包括卫星质心位置信息、卫星姿态信息和星载观测值信息。
可选的，每一帧结构中包含同步码、保留字、信息长度、RTK增强信息、校验码。
可选的，实时姿态四元素获得所述姿态插值与动力学预报，低轨卫星的姿态四元素从星务计算机中获取；通过星载实时精密定轨和预报获得所述质心位置短期预报；所述星载观测值信息通过星载北斗接收机输出获得。
可选的，对所述星载观测值信息进行编排，生成所述卫星质心位置信息的方法包括：卫星质心位置信息类型，数据类型为Uint，占8位；同步标记，数据类型为char，占8位；低轨卫星ID，数据类型为Uint，占8位；历元时刻，数据类型为Uint，单位为秒，占30位；地心地固坐标系下的x质心坐标，y质心坐标，z质心坐标的数据类型均为double型，单位为米，每个坐标的信息占64位。
可选的，对所述RTK增强信息进行编排，生成所述卫星姿态信息的方法包括：卫星姿态信息类型，数据类型为Uint，占8位；同步标记，数据类型为char，占8位；低轨卫星ID，数据类型为Uint，占8位；历元时刻，数据类型为Uint，单位为秒，占30位；卫星姿态的四元素分量的数据类型均为double型，每个分量的信息占64位。
可选的，对所述RTK增强信息进行编排，生成所述星载观测值信息的方法包括：星载观测值信息类型，数据类型为Uint，占8位；同步标记，数据类型为char，占8位；低轨卫星ID，数据类型为Uint，占8位；历元时刻，数据类型为Uint，单位为秒，占30位；北斗B1，B3伪距观测值数据类型为double，单位为米，每个信息占64位；北斗B1，B3载波观测值的数据类型为double，单位为周，每个信息占64位。
可选的，RTK增强信息数据包的格式为：
同步码，占8位，设为1010 0101；
保留字，占6位，设为0000 00；
信息长度，占10位，数据信息的长度，以字节数表示；
RTK增强信息，最大1023字节，若不是整数字节，最后一个字节用0补足整数字节；
校验码使用CRC校验方法，占24位；
每帧RTK增强信息的数据头固定为1010 0101 0000 00，十六进制显示为A50。
本发明技术效果：
(1)通信链路中播发的信息量小，可以提高带宽利用率，降低延迟，减少能耗，节约资源，并且方便管理。
(2)地面用户接收到增强信息后，可以校正时钟，增强精密星历，更精确地估计卫星信号的传播路径，减小误差来源，实现定位精度增强。
(3)地面用户接收到增强信息后，可以在未部署地面基站的区域进行全天候高精度导航定位，解决了部分地区基站部署困难或信息阻挡严重的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例RTK增强信息逐帧结构图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1-2所示，本实施例中提供一种基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法，包括：RTK增强信息生成和增强信息编排，具体步骤如下：
(1)低轨星座进行质心位置进行短期预报，并且进行姿态插值与动力学预报，再对星载北斗/GNSS观测值信息进行整理，得到需要的卫星质心位置信息、卫星姿态信息和星载观测值信息，即RTK增强信息。
(2)对RTK增强信息进行编排，按照定义分别生成消息1001，1002和1003的帧结构。
(3)生成RTK增强信息数据包。在通信链路中播发二进制的增强信息数据流，并且以帧的形式进行传播。每一帧结构中包含同步码，保留字，信息长度，RTK增强信息，校验码。
(4)按照以上消息定义和编码方式，对RTK增强信息的信息量进行核算。
进一步，步骤(1)的具体方式为：
(101)卫星的姿态可以看作是卫星本体坐标系在空间参考坐标系中的位置，因此可以用姿态参数来进行描述。所述姿态插值与动力学预报由实时姿态四元素得到，低轨卫星的姿态四元素从星务计算机中获取。
(102)所述质心位置短期预报通过星载实时精密定轨和预报获得。低轨卫星的质心位置是RTK增强信息的重要组成部分，由于增强信息的生成和播发计算均具有一定的延迟，用户从通信链路接收到的RTK增强信息总是滞后的。因此，在星上生成RTK增强信息时需要对卫星的质心位置和姿态相关信息进行预报。
(103)所述星载北斗/GNSS观测值信息通过星载北斗接收机输出得到。
(104)RTK增强信息的时刻通过低轨卫星时标基准与北斗系统完成时间同步后获取。
进一步，RTK增强信息编排如下：
(201)卫星质心位置信息(消息1001)：包含消息类型(1001)，数据类型为Uint，占8位；同步标记，数据类型为char，占8位；低轨卫星ID，数据类型为Uint，占8位；历元时刻(北斗周内秒)，数据类型为Uint，单位为秒，占30位；地心地固坐标系下的x质心坐标，y质心坐标，z质心坐标的数据类型均为double型，单位为米，每个坐标的信息占64位，具体情况如表1所示。
表1
数据域 数据类型 单位 Bits Num
消息类型(1001) Uint - 8
同步标记 char - 8
低轨卫星ID Uint - 8
历元时刻(北斗周内秒) Uint 秒 30
Ecef下的x质心坐标 double 米 64
Ecef下的y质心坐标 double 米 64
Ecef下的z质心坐标 double 米 64
(202)卫星姿态信息(消息1002)：包含消息类型(1002)，数据类型为Uint，占8位；同步标记，数据类型为char，占8位；低轨卫星ID，数据类型为Uint，占8位；历元时刻(北斗周内秒)，数据类型为Uint，单位为秒，占30位；卫星姿态的四元素分量的数据类型均为double型，每个分量的信息占64位，具体情况如表2所示。
表2
(203)星载观测值信息(消息1003)：包含消息类型(1003)，数据类型为Uint，占8位；同步标记，数据类型为char，占8位；低轨卫星ID，数据类型为Uint，占8位；历元时刻(北斗周内秒)，数据类型为Uint，单位为秒，占30位；北斗B1，B3伪距观测值数据类型为double，单位为米，每个信息占64位；北斗B1，B3载波观测值的数据类型为double，单位为周，每个信息占64位，具体情况如表3所示。
表3
数据域 数据类型 单位 Bits Num
消息类型(1003) Uint - 8
同步标记 char - 8
北斗/GNSS卫星ID Uint - 8
历元时刻(北斗周内秒) Uint 秒 30
北斗B1伪距观测值 double 米 64
北斗B1载波观测值 double 周 64
北斗B3伪距观测值 double 米 64
北斗B3载波观测值 double 周 64
(204)根据数据类型不同，char类型和Uint类型可以直接按照整数编码后转换为二进制数据；针对double数据，按照精度要求转换为相应的无符号整数，再将无符号整数编码为二进制数据。随后按照消息1001，1002，1003的顺序逐次播发。
进一步，RTK增强信息数据包格式如下：
(301)同步码，占8位，设为1010 0101。
(302)保留字，占6位，设为0000 00。
(303)信息长度，占10位，数据信息的长度，以字节数表示。
(304)RTK增强信息，最大1023字节，若不是整数字节，最后一个字节用0补足整数字节。
(305)校验码使用CRC校验方法，占24位。
(306)每帧RTK增强信息的数据头固定为“1010 0101 0000 00”，十六进制显示为“A50”，具体情况如表4所示。
表4
进一步，对RTK增强信息的信息量进行核算，包括：北斗时间，低轨卫星位置，低轨卫星四元素姿态和星载北斗/GNSS观测值，具体情况如表5所示。
表5
RTK增强信息 数据类型 字节数
北斗时间 double 8
低轨卫星位置 double 8*3＝24
低轨卫星四元素姿态 double 8*4＝32
星载北斗/GNSS观测值 double 8*4*N＝32*N,N为卫星个数
(401)北斗时间的数据类型为double，字节数为8。
(402)低轨卫星位置信息的数据类型为double，字节数为8*3＝24。
(403)低轨卫星四元素姿态的数据类型为double，字节数为8*4＝32。
(404)星载北斗/GNSS观测值的数据类型为double，字节数8*4*N＝32*N，N为卫星的个数。
(405)每秒播发的信息量：(8+24+32+32*N)Byte/s，即(64+32*N)Byte/s。换算为位数单位，即为(512+256*N)b/s。
(406)增强信息需要每秒播发一次，当观测卫星个数为N＝8时，则传输的数据量为2.56kbps；当观测卫星个数为N＝20时，则传输的数据量为5.63kbps，满足通信链路播发信息量的指标。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法，其特征在于，包括：
低轨星座进行质心位置短期预报，并且进行姿态插值与动力学预报，再对星载北斗/GNSS观测值信息进行整理，获得RTK增强信息；
对所述RTK增强信息进行编排，按照定义分别生成所述RTK增强信息的帧结构；
在通信链路中播发二进制的增强信息数据流，并以帧的形式进行传播，生成RTK增强信息数据包；
基于消息定义和编码方式，对所述RTK增强信息的信息量进行核算。
2.如权利要求1所述的基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法，其特征在于，所述RTK增强信息包括卫星质心位置信息、卫星姿态信息和星载观测值信息。
3.如权利要求1所述的基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法，其特征在于，每一帧结构中包含同步码、保留字、信息长度、RTK增强信息、校验码。
4.如权利要求2所述的基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法，其特征在于，实时姿态四元素获得所述姿态插值与动力学预报，低轨卫星的姿态四元素从星务计算机中获取；通过星载实时精密定轨和预报获得所述质心位置短期预报；所述星载观测值信息通过星载北斗接收机输出获得。
5.如权利要求2所述的基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法，其特征在于，对所述星载观测值信息进行编排，生成所述卫星质心位置信息的方法包括：卫星质心位置信息类型，数据类型为Uint，占8位；同步标记，数据类型为char，占8位；低轨卫星ID，数据类型为Uint，占8位；历元时刻，数据类型为Uint，单位为秒，占30位；地心地固坐标系下的x质心坐标，y质心坐标，z质心坐标的数据类型均为double型，单位为米，每个坐标的信息占64位。
6.如权利要求2所述的基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法，其特征在于，对所述RTK增强信息进行编排，生成所述卫星姿态信息的方法包括：卫星姿态信息类型，数据类型为Uint，占8位；同步标记，数据类型为char，占8位；低轨卫星ID，数据类型为Uint，占8位；历元时刻，数据类型为Uint，单位为秒，占30位；卫星姿态的四元素分量的数据类型均为double型，每个分量的信息占64位。
7.如权利要求2所述的基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法，其特征在于，对所述RTK增强信息进行编排，生成所述星载观测值信息的方法包括：星载观测值信息类型，数据类型为Uint，占8位；同步标记，数据类型为char，占8位；低轨卫星ID，数据类型为Uint，占8位；历元时刻，数据类型为Uint，单位为秒，占30位；北斗B1，B3伪距观测值数据类型为double，单位为米，每个信息占64位；北斗B1，B3载波观测值的数据类型为double，单位为周，每个信息占64位。
8.如权利要求1所述的基于低轨互联网星座的RTK增强信息设计方法，其特征在于，RTK增强信息数据包的格式为：
同步码，占8位，设为1010 0101；
保留字，占6位，设为0000 00；
信息长度，占10位，数据信息的长度，以字节数表示；
RTK增强信息，最大1023字节，若不是整数字节，最后一个字节用0补足整数字节；
校验码使用CRC校验方法，占24位；
每帧RTK增强信息的数据头固定为1010 0101 0000 00，十六进制显示为A50。
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