JP2021525373A - 航法補強方法及びシステム - Google Patents

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Abstract

本発明は航法補強方法及びシステムを提供し、当該方法は、低軌道コンステレーション衛星が航法直接信号及び航法補強情報を放送することと、ユーザ受信機が航法衛星の航法直接信号、低軌道衛星の航法直接信号、及び低軌道衛星の航法補強情報に基づいて、精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行うことと、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、２０１８年０６月０４日に中国特許庁で特許出願された、出願番号が２０１８１０５６６０４６.８である中国特許出願の優先権を主張するものであり、当該出願の全開示内容は援用により本明細書に組み合わせる。
（技術分野）
本発明は衛星航法技術分野に関し、例えば、航法が補強された測位方法及びシステムに関する。
関連する全球測位衛星システム（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ、ＧＮＳＳ）は、ＢｅｉＤｏｕ（北斗）、グローバル・ポジショニング・システム（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ、ＧＰＳ）、グロナス（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ、ＧＬＯＮＡＳＳ）、ガリレオ（Ｇａｌｉｌｅｏ）など、を含む。ユーザに１０メートルを超える航法測位サービスを提供するだけでは、高精度のユーザ要求を満たすことができない。
リアルタイム軌道と時計誤差、精密単独測位技術等のコア技術の進歩と発展に伴い、Ｎａｖｃｏｍ社のスターファイア（Ｓｔａｒ Ｆｉｒｅ）システム、Ｆｕｇｒｏ社のＯｍｎｉＳｔａｒシステムを代表とする中高軌道衛星補強システムは、差分測位システムを新しい段階に進む。しかし、上記システム方案は基本的に類似し、いずれも海事衛星上の透明トランスポンダをユーザ端末としてレンタルして航法システム補強情報を転送することで、高精度の測位サービスを提供することである。ユーザがサービス精度を取得する収束速度は航法衛星空間幾何学モデル及び幾何学モデルの変化率と密接に関わっているので、上記マルチシステム補強衛星は共に中高軌道に位置し、衛星が短時間内で天頂を走査する角度が小さく、衛星空間の幾何学モデルの変化が目立たず、精密単独測位の収束を加速する効果に限界があり、不確定性が決定した場合にその収束時間は依然として少なくとも６分間を必要とし、現在の高精度のリアルタイムに測位する要求を満たすことができない。
地盤補強システム及び精密単独測位リアルタイムキネマティック測位（Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｐｏｉｎｔ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ- Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ、ＰＰＰ＋ＲＴＫ）技術は、高精度の測位の高速収束を迅速に実現することができるが、地上局レイアウト及び通信リンクの制限に限定され、サービスのカバー性及び有用性が低く、広範囲で高精度の公衆利用の要求を満たすことができない。
以下、本明細書で詳細に説明した主題に対する概要である。本概要は、特許請求の範囲の保護範囲を限定するためではない。
本発明は、航法補強方法及びシステムを提供し、衛星航法高精度測位の収束速度を加速し、ユーザの精密測位の初期化時間を短縮し、通信リンクへの依存を解消するとともに、システムサービスの有用性、精度及び信頼性を向上させる。
本発明は、航法補強方法を提供し、ユーザの高精度測位、速度測定及びタイムスタンプの高速収束を実現する。
本発明は、航法補強システムを提供し、ユーザの高精度測位、速度測定及びタイムスタンプサービスを実現する。
本発明の一態様で航法補強方法を提供し、当該方法は、低軌道衛星が航法直接信号及び航法補強情報を放送することと、ユーザ受信機が航法衛星の航法直接信号、低軌道衛星の直接信号、及び前記低軌道衛星が放送する航法補強情報に基づいて、精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行うことと、を含む。
一実施例において、低軌道コンステレーションは複数の軌道面に分布する複数の低軌道衛星を含み、前記複数の低軌道衛星は特定のバンドにより高精度の時間周波数基準に基づく航法直接信号を放送する。前記航法補強情報は、全球測位衛星システムＧＮＳＳ航法衛星の精密軌道及び時計誤差、低軌道衛星の精密軌道及び時計誤差、航法衛星の位相偏差補正数、低軌道衛星の位相偏差補正数、及び電離層モデルパラメータ情報の少なくとも１つを含む。
一実施例において、航法衛星は、米国グローバル・ポジショニング・システムＧＰＳ、中国ＢｅｉＤｏｕ（北斗）、欧州連合ガリレオ、及びロシアグローバル・ポジショニング・システムＧＬＯＮＡＳＳ衛星航法システムのうちの少なくとも１種を含む。
一実施例において、ユーザ受信機が精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行う観測データは、航法衛星と低軌道衛星の擬似距離観測データ、航法衛星と低軌道衛星の搬送波位相観測データ、及び航法衛星と低軌道衛星のドップラー観測データの少なくとも１つを含む。
一実施例において、前記ユーザ受信機は、航法衛星の航法直接信号、低軌道衛星の航法直接信号及び前記低軌道衛星の航法補強情報に基づいて、精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行い、前記ユーザ受信機の処理モードは、低軌道衛星補強の不確定性浮動小数点演算モード及び低軌道衛星補強の不確定性決定演算モードを含む。
本発明は、複数の軌道面に分布される複数の低軌道衛星を含み、グローバル又は特定サービスエリアを安定的にカバーするように設置される低軌道コンステレーションと、業務計算処理を行い、衛星とコンステレーションを制御管理するように設置される地上演算制御システムと、航法衛星及び低軌道衛星でそれぞれ放送された航法直接信号、及び低軌道衛星で放送された航法補強情報を受信し、前記航法衛星の航法直接信号、低軌道衛星の航法直接信号及び前記低軌道衛星の航法補強情報に基づいて、精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行うように設置されるユーザ受信機と、を備える航法補強システムをさらに提供する。
一実施例において、前記低軌道コンステレーションにおける低軌道衛星に高精度の周波数基準を配置し、全球測位衛星システムＧＮＳＳ航法衛星観測情報をリアルタイムに受信し、航法補強情報付きの航法直接信号を生成放送する。
一実施例において、前記地上演算制御システムはメイン制御局、注入局及び監視局を備える。前記メイン制御局、前記注入局、前記監視局及び前記低軌道コンステレーションにおける低軌道衛星は、衛星−地上一体化システムを構成し、前記衛星−地上一体化システムの動作プロセスは下記の通りである。前記監視局はＧＮＳＳ衛星及び前記低軌道衛星観測情報を収集するとともに、収集した前記ＧＮＳＳ衛星及び低軌道衛星観測情報を前記メイン制御局に送信する。前記メイン制御局は自己位置情報及び多種類の観測情報に基づいて、精密軌道及び精密時計誤差を含む前記航法衛星の補強情報、及び前記低軌道衛星の精密軌道と精密時計誤差を生成し、ＧＮＳＳ補強情報及び低軌道衛星航法情報を編成するとともに、前記ＧＮＳＳ補強情報及び前記低軌道衛星航法情報を前記注入局に送信する。前記注入局は前記ＧＮＳＳ補強情報及び前記低軌道衛星航法情報を前記低軌道衛星に送信する。前記低軌道コンステレーションにおける低軌道衛星は前記ＧＮＳＳ補強情報及び前記低軌道衛星航法情報を受信した後、前記低軌道衛星の精密時計誤差を計算して予報し、前記低軌道衛星の精密時計誤差を編成して航法メッセージを形成し、航法直接信号を生成してユーザに放送する。ユーザ受信機は航法衛星信号及び低軌道衛星信号を受信して測定し、航法補強情報及び低軌道衛星航法メッセージを解析することで、高精度の測位、速度測定及びタイムスタンプ演算を行う。
一実施例において、一体化衛星間／衛星−地上ネットワークを構築し、複数種類の情報を包括的に伝送する。
一体化衛星間／衛星−地上ネットワークにおいて、衛星は航法衛星観測情報を受信し、メイン制御局から補強情報を受信し、衛星は遠隔測定情報を生成し、地上遠隔制御情報を受信した後、衛星間、衛星−地上リンクネットワークを介して対象衛星及び地上局に自律的に伝送する。
一実施例において、前記メイン制御局は、前記メイン制御局の位置情報、収集した低軌道衛星の衛星搭載受信機データ及び前記監視局ＧＮＳＳ衛星と低軌道衛星観測データに基づいて、ＧＮＳＳ衛星精密軌道及び時計誤差補正数を計算するように設置される第一計算手段と、自己位置情報、収集した低軌道衛星の衛星搭載受信機データ及び監視局ＧＮＳＳ衛星と低軌道衛星観測データに基づいて、システム時刻基準を計算して、前記システム時刻基準に基づいて、前記低軌道衛星精密軌道と精密時計誤差、及びＧＮＳＳ相対時計誤差を計算するように設置される第二計算手段と、前記ＧＮＳＳ衛星の精密軌道と時計誤差補正数、及び、前記低軌道衛星の精密軌道と時計誤差に基づいて、航法メッセージをそれぞれ生成するとともに、前記航法メッセージを注入局に送信して低軌道衛星に注入するように設置される情報編成手段と、を有する。
図面及び詳細な説明を読んで理解した後、他の方面を明らかにする。
図面は例示的な実施形態を示すためだけであり、本発明を限定するものであると考えられない。また、図面全体において、同一の構成要素には同一の参照符号を付している。
本発明実施例が提供する航法補強方法の概略図である。 本発明実施例が提供する航法補強方法のフローチャートである。 本発明実施例が提供するメイン制御局が航法補強情報及び低軌道衛星精密軌道と精密時計誤差を計算処理するフローチャートである。 本発明実施例が提供する航法補強システムの構造図である。 本発明実施例が提供する航法補強システムにおける地上演算制御システムの構造図である。 本発明実施例が提供する航法補強システムにおける地上演算制御システムのメイン制御局の構造図である。
以下、図面を参照しながら、本開示の例示的な実施例についてより詳細に説明する。図面には本開示の例示的な実施例が示されるが、理解されるように、ここで説明した実施例に限定されず、様々な形態で本開示を実現することができる。逆に、これらの実施例を提供することは本開示をより完全に理解するためであり、且つ本開示の範囲を当業者に完全に伝達することができる。
当業者であれば理解されるように、ここで使用される全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、別段の定義がない限り、本発明の属する分野における当業者の一般的な理解と同じ意味を有する。なお、一般的な辞書で定義されているような用語は、関連技術の文脈での意味と同義に解釈されるべきものであり、特に定義されていない限り、理論的または過剰に解釈されるべきものではない。
衛星航法測位、速度測定及びタイムスタンプの精度を向上させ、高精度のサービスの収束時間を低減させるために、本発明実施例は航法補強方法及びシステムを提供し、低軌道衛星コンステレーションを構築することにより、低軌道衛星に高精度周波数基準を配置し、ユーザに航法直接信号、ＧＮＳＳ補強情報及び高精度低軌道衛星航法メッセージを放送し、ユーザに対する低軌道衛星の高速移動特性を利用して観測幾何学構造を改善し、不確定性パラメータと位置パラメータを迅速に分離させ、これにより、高精度サービスの収束速度を加速すると同時に、航法補強信号の放送によって衛星航法サービス精度と信頼性を向上させる。ここで、低軌道衛星コンステレーションは軌道高さが６００キロメートルから１２００キロメートルの高さの衛星を指す。
本発明実施例が提供する航法補強方法及びシステムは、低軌道衛星の高速移動特性によってユーザの観測空間幾何学モデルを補強し、衛星航法高精度航法測位演算の収束速度を加速し、ユーザの精密測位初期化時間を短縮するとともに、システムサービスの有用性、精度及び信頼性を向上させる。ユーザ受信機は汎用衛星航法受信機のハードウェア構造と同じであり、単方向に航法衛星と低軌道衛星直接信号を受信するだけで迅速な精密測位を実現でき、他のデータ通信リンクを考慮する必要がなく、ユーザの高精度測位の複雑性とコストを効果的に低減する。
本発明実施例が提供する航法補強方法は、低軌道衛星が航法直接信号及び航法補強情報を放送することと、ユーザ受信機が航法衛星の航法直接信号、低軌道衛星の航法補強情報、及び前記航法補強情報に基づいて、精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行うことと、を含む。
図１は本発明実施例が提供する航法補強方法のフローチャートである。図１に示すように、前記方法はステップＳ１１０〜ステップＳ１９０を含む。
ステップＳ１１０において、低軌道衛星は衛星搭載ＧＮＳＳ受信機を利用して可視範囲の航法衛星に対して追跡観測を行い、最初の観測データと航法メッセージを取得し、続いて、衛星間リンクと衛星−地上リンクを含む一体化通信ネットワークを介して最初観測データと航法メッセージを地上演算制御システムのメイン制御局に送信する。
ステップＳ１２０において、地上演算制御システムは、監視局を利用して可視範囲の航法衛星と低軌道衛星に対して追跡観測を行い、最初の観測データと航法メッセージを取得し、続いて、地上ネットワークを介して最初の観測データと航法メッセージを地上演算制御システムのメイン制御局に送信する。
ステップＳ１３０において、地上演算制御システムのメイン制御局は、低軌道衛星信号ＧＮＳＳ受信機が取得した最初の観測データと航法メッセージ、及び、地上監視局が取得した最初の観測データと航法メッセージに基づいて計算処理して、航法衛星精密軌道と精密時計誤差、全球電離層モデルパラメータを含む航法補強情報、及び低軌道衛星精密軌道と精密時計誤差を取得する。
ステップＳ１４０において、地上演算制御システムのメイン制御局は、航法衛星の精密時計誤差に基づいて統合原子時処理を行い、統一されたシステム時刻基準を確立及び維持し、続いて、航法衛星の精密時計誤差を補正し、統一された時刻基準の航法衛星及び低軌道衛星の精密時計誤差を取得する。
ステップＳ１５０において、地上演算制御システムのメイン制御局は、全ての航法補強情報、低軌道衛星精密軌道及び精密時計誤差に対して所定のフォーマットで編成し、続いて、注入局に送信して注入する。
ステップＳ１６０において、地上演算制御システムの注入局は、衛星−地上／衛星間一体化通信ネットワークを介して航法補強情報、低軌道衛星精密軌道及び精密時計誤差を低軌道コンステレーションの全ての衛星に送信する。
ステップＳ１７０において、低軌道衛星は、衛星搭載ＧＮＳＳ受信機の観測情報、航法補強情報、及び低軌道衛星精密軌道に基づいて、上記の精密時計誤差を参照として、本衛星時計誤差の計算及び予報を行い、低軌道衛星精密時計誤差放送製品を形成する。
ステップＳ１８０において、低軌道衛星はローカル高精度時間基準に基づいて時間周波数信号を生成し、続いて、航法衛星補強情報、低軌道衛星精密軌道及び精密時計誤差を無線周波数信号に変調した後に衛星アンテナを介して地上に送信する。
ステップＳ１９０において、ユーザ受信機は可視範囲の航法衛星及び低軌道衛星に対して追跡観測を行い、航法衛星及び低軌道衛星の最初の観測データ、航法衛星の補強情報、低軌道衛星精密軌道及び精密時計誤差等を取得し、上記データに基づいて精密測位、速度測定及びタイムスタンプ処理を行う。
図２は本発明実施例が提供する高速精密測位方法の動作原理の概略図である。ここで、航法補強方法の実現は、主に航法衛星コンステレーション、低軌道コンステレーション、地上演算制御システム及びユーザ受信機を含み、そのうち、航法衛星コンステレーションは、米国ＧＰＳ 、中国ＢｅｉＤｏｕ(北斗)、欧州連合ガリレオ、ロシアＧＬＯＮＡＳＳ衛星航法システムの少なくとも１種を含み、航法衛星信号を放送するように設置される。低軌道コンステレーションは、複数の軌道面に分布する複数の低軌道衛星を含み、前記複数の低軌道衛星は特定のバンドで高精度の時間周波数基準に基づく航法直接信号を放送し、グローバル又は特定のサービスエリアに安定的にカバーし、航法直接信号及び航法補強情報を放送するように設置される。地上演算制御システムは、業務計算処理を行い、衛星とコンステレーションを制御管理する。ユーザ受信機は、航法衛星及び低軌道衛星で放送された航法直接信号、及び低軌道衛星で放送された航法補強情報を受信し、航法衛星及び低軌道衛星の航法直接信号、及び前記航法補強情報に基づいて、精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行う。
図３は本発明実施例が提供するメイン制御局が航法補強情報及び低軌道衛星精密軌道及び精密時計誤差を計算処理するフローチャートである。図３に示すように、処理プロセスは、ステップＳ３１０〜Ｓ３４０を含む。
ステップＳ３１０において、低軌道衛星の衛星搭載ＧＮＳＳ観測データ及び監視局観測データに基づいて観測モデルを構築する。
ステップＳ３２０において、低軌道衛星と監視局の位置情報と前記観測データに基づいて観測モデルに対して線形化処理を行う。
ステップＳ３３０において、状態モデルを立てる同時に、線形化観測モデルに基づいて最小二乗法又はフィルタリング方法を用いてパラメータ推定を行い、前記航法衛星精密軌道と精密時計誤差、及び低軌道衛星精密軌道と精密時計誤差を取得する。
ステップＳ３４０では、航法衛星精密軌道、精密時計誤差及び低軌道衛星精密軌道と精密時計誤差に基づいて航法衛星及び低軌道衛星の軌道予報及び時計誤差予報を行い、航法衛星補強情報、及び低軌道衛星航法メッセージを取得する。
ステップＳ３１０及びステップＳ３２０は、基準制約条件を予め配置することと、前記基準制約条件において、最小二乗法又はフィルタを用いて線形化処理後の観測モデルを算出する。
以下、一実施例によって本発明の技術案を詳細に説明する。地上局はＧＮＳＳ衛星及び低軌道衛星観測情報を収集し、多周波擬似距離ρ及び搬送波位相φ観測値を含む。ＧＮＳＳの観測情報を例として説明し、周波数ｉにおける衛星ｓから測定局ａまでの擬似距離と位相観測値は以下のように表される。
Figure 2021525373
 (１)
式(１)中、ＲＳ ａは衛星と測定局の間の幾何学的距離であり、Ｔａは測定局の天頂方向における対流圏の遅延パラメータであり、その対応するマップ関数はｍＳ ａであり、ｃは真空中光速であり、δｔＳ及びδｔａはそれぞれ衛星時計誤差と受信機時計誤差であり、γｉ＝ｆ１ ２／ｆ２ ２、式中、ｆｉは周波数ｉの搬送波周波数であり、その対応する波長はλｉ＝ｃ／ｆｉであり、ＩＳ ａは傾斜電離層遅延であり、
Figure 2021525373
 はそれぞれ受信機側の擬似距離と搬送波位相ハードウェア遅延であり、
Figure 2021525373
 は衛星側の擬似距離と搬送波位相ハードウェア遅延であり、ＮＳ ｉ，ａは全周不確定性パラメータである。
上式ではアンテナ位相偏差と変化、位相巻き、衛星時計誤差の相対論効果などの誤差補正、及びマルチパスと観測値ノイズなどの誤差が無視される。
式（１）中、天頂対流圏遅延パラメータＴａ、受信機時計誤差δｔａは、測定局のみに関わっており、衛星時計誤差δｔＳは衛星のみに関わっており、傾斜電離層遅延パラメータＩＳ ａは測定局及び衛星に関わっているが、衛星側又は受信機側での擬似距離及び搬送波位相のハードウェア遅延パラメータは主にそれぞれ測定局、衛星、観測値種類及びトラッキング周波数等に関わっている。
データ処理においては、常に必要に応じて、異なる種類の位相及び擬似距離の観測値の組み合わせを立てる必要があるが、電離層を除く組み合わせにより一次電離層の影響が除去されるため、高精度のデータ処理の観測モデルを構築するために広く用いられている。以下のように表される。
Figure 2021525373
 (２)
式中、ρＳ ＬＣ，ａ及びφＳ ＬＣ，ａはそれぞれ電離層を除く組合せ擬似距離と位相観測値であり、ｄρＬＣ，ａ及びｄφＬＣ，ａはそれぞれ受信機側電離層を除く組合せ擬似距離と位相観測値のハードウェア遅延であり、その値は以下のとおりである。
Figure 2021525373
 (３)
同様に、衛星側電離層を除く組合せ擬似距離と位相観測値ハードウェア遅延ｄＳ ρＬＣとｄＳ φＬＣはそれぞれ以下の通りである。
Figure 2021525373
 (４)
式中、
Figure 2021525373
 は電離層を除く組み合わせ観測値波長であり、ＮＳ ＬＣ，ａは対応する全周不確定性パラメータであり、その値は以下の通りである。
Figure 2021525373
 (５)
式（２）における各パラメータと、測定局、衛星及び信号周波数などとの相関を考慮したので、マルチシステム観測値に対して、式(２)は以下のように拡張される。
Figure 2021525373
 (６)
式中、ＳはＧＮＳＳシステム及び低軌道衛星システムを表す。ＧＰＳ、ＧＡＬＩＬＥＯ、ＧＬＯＮＡＳＳ及びＢｅｉＤｏｕ（北斗）等の符号分割多元接続技術を用いる航法衛星システムに対して、その異なる衛星搬送波周波数が同じであるため、受信機側の擬似距離及び搬送波位相観測値のハードウェア遅延は全ての単一システム衛星に対して同じである。しかし、ＧＬＯＮＡＳＳシステムは周波数分割多元接続技術を用いるため、その対応する受信機側の擬似距離及び位相ハードウェア遅延はさらに衛星（周波数）に関わっており、異なるＧＬＯＮＡＳＳ衛星（周波数）は異なる受信機側のハードウェア遅延に対応する。
精密軌道決定モデルにおいて、航法衛星の時計誤差の推定時に、衛星側の擬似距離ハードウェア遅延ｄＳ ρＬＣを吸収するが、受信機側の擬似距離ハードウェア遅延は受信機の時計誤差ｄρＬＣ，ａに吸収され、この時、観測モデルは以下のとおりである。
Figure 2021525373
 (７)
式中、
Figure 2021525373
 である。マルチモード航法装置が連携して処理する時、一般的に一つの受信時計誤差パラメータのみを推定する。しかし、前述から判明されるように、受信機時計誤差パラメータは受信機側における擬似距離観測値のハードウェア遅延を吸収するが、この遅延パラメータが信号周波数及び航法システムに関わっているので、異なるシステムは異なる受信機時計誤差
Figure 2021525373
 に対応することになり、ＧＰＳシステムに対応する受信機時計誤差
Figure 2021525373
 を基準とすれば、他のシステム観測モデルは以下のように書き換えてもよい。
Figure 2021525373
 (８)
式中、
Figure 2021525373
 は受信機側における２つのシステムの擬似距離ハードウェア遅延の差、すなわち符号偏差である。
異なる航法システム間の時間基準の差異を考慮する場合、このとき、定数偏差パラメータを追加導入する必要があり、これとＤＣＢパラメータはシステム間偏差（Ｉｎｔｅｒｅｒ-Ｓｙｓｔｅｍ Ｂｉａｓ、ＩＳＢ）パラメータを構成する。符号分割多元接続を採用する航法システムに対して、その全ての衛星は同じＩＳＢパラメータに対応し、ＧＬＯＮＡＳＳシステムは周波数分割多元接続技術を採用するため、その異なる衛星（周波数）は異なるＩＳＢパラメータに対応し、この時、ＩＳＢパラメータは実際には異なるシステム間の符号偏差、時間基準差及びＧＬＯＮＡＳＳシステム内の異なる衛星チャンネル間バイアス（Ｉｎｔｅｒ-Ｆｒｅｑｕｅｒｙ Ｂｉａｓ,ＩＦＢ）の組み合わせである。低軌道衛星群は衛星航法システムとして、その測位数学的モデルが関連するＧＮＳＳシステムと同じであり、新しい航法システムと見なすことができ、ＩＳＢ又はＩＦＢパラメータを追加推定すればよい。
式（８）は所定衛星軌道、時計誤差等のパラメータ初期値で線形化を行い、未知パラメータは主に、ＧＮＳＳ及び低軌道衛星軌道パラメータ、地上局位置パラメータ、地上追跡局受信機時計誤差、ＧＮＳＳ及び低軌道衛星時計誤差、搬送波位相不確定性、天頂対流圏遅延、ＩＳＢ／ＩＦＢ等のパラメータ含む。
Figure 2021525373
 (９)
ここで、
Figure 2021525373
 、
Figure 2021525373
 であり、
Figure 2021525373
 (１０)
である。
式（９）における
Figure 2021525373
 は、観測信号の方向余弦値であるが、
Figure 2021525373
 は微分方程式を解くことにより得られる。また、観測モデルは、受信機時計誤差、衛星時計誤差、ＩＳＢ／ＩＦＢに対する偏導関数が１である。観測モデルの不確定性パラメータに対する偏導関数は搬送波波長λである。観測モデルの天頂対流圏遅延パラメータに対する偏導関数はｍａ Ｓ，ｓである。
線形化された観測モデルを組み合わせて正規方程式を立てて最小二乗法法則で相関パラメータを求める。受信機時計誤差、衛星時計誤差、ＩＳＢ等のパラメータは関連であるため、解を求める時に基準制限を加える必要があり、制限監視局時計誤差が低軌道コンステレーション補強システムのシステム時間ＣＳＴである時に、全ての衛星及び受信機がこのシステムでの時計誤差及び対応するＩＳＢ／ＩＦＢパラメータを取得することができる。衛星軌道パラメータ
Figure 2021525373
 を求めた後、動力学積分により連続軌道製品を得る。
実際の応用では、ユーザ端末はＧＮＳＳデータ、低軌道衛星下り放送された衛星航法システム補強情報及び低軌道衛星航法情報を受信した後、ユーザの時空基準を算出する時、航法及び低軌道衛星軌道並びに航法システム補強情報が既知であったため、推定する必要がなく、この時、式(９)を以下のように書き換えてもよい。
Figure 2021525373
 (１１)
式中、
Figure 2021525373
 及びＩＳＢ／ＩＦＢパラメータは地上ユーザの特定時空間フレームでの位置及び時計誤差であり、それは最小二乗バッチ処理により計算するか、フィルタアルゴリズムで処理することができる。
図４は本発明実施例が提供する航法補強測位システムの構成図であり、図４に示すように、該システムは、グローバル又は特定サービスエリアを安定的にカバーする低軌道コンステレーションと、業務計算処理を行い、衛星とコンステレーションを制御管理する地上演算制御システムと、航法衛星及び低軌道衛星直接信号を受信し、精密測位、タイムスタンプ及び速度測定計算処理を行うユーザ受信機と、を備える。
前記低軌道コンステレーション（６００キロメートルから１２００キロメートルの高さ）に高精度周波数基準を配置し、ＧＮＳＳ航法衛星観測情報をリアルタイムに受信し、航法補強情報付きの航法直接信号を生成及び放送する。前記地上演算制御システムは、メイン制御局、注入局及び監視局を含む。メイン制御局、注入局、監視局及び低軌道コンステレーション衛星は衛星−地上一体化システムを構成する。
図５は本発明実施例が提供する航法補強システムにおける地上演算制御システムの構造図である。図５に示すように、当該システムは、メイン制御局、注入局、及び監視局を含む。監視局は、ＧＮＳＳ衛星及び低軌道衛星観測情報を収集して、収集した前記ＧＮＳＳ衛星及び低軌道衛星観測情報をメイン制御局に送信する。メイン制御局は、低軌道衛星及び監視局の位置情報及び多種類の観測情報に基づいて、前記航法衛星の精密軌道及び精密時計誤差などの補強情報、及び前記低軌道衛星精密軌道及び精密時計誤差を生成し、編成した後にＧＮＳＳ補強情報及び低軌道衛星航法メッセージを形成して、注入局に送信する。注入局は、前記ＧＮＳＳ強化情報及び前記低軌道衛星航法メッセージを前記低軌道衛星に送信する。
図６は本発明実施例が提供する航法補強システムにおける地上演算制御システムのメイン制御局の構造図である。図６に示すように、当該システムは、自己の物理位置情報、低軌道衛星の衛星搭載受信機データが収集したＧＮＳＳデータ、前記ＧＮＳＳ衛星と低軌道衛星観測情報に基づいて、ＧＮＳＳ衛星精密軌道及び時計誤差を計算するように設置される第一計算手段６０１と、自己の物理位置情報、低軌道衛星の衛星搭載受信機が収集したＧＮＳＳデータ及び前記ＧＮＳＳ衛星と低軌道衛星観測情報に基づいて、システムの時刻基準を計算して、前記システム時刻基準に基づいて前記低軌道衛星精密軌道と精密時計誤差、及びＧＮＳＳがシステム時刻基準に対する相対時計誤差を計算するように設置される第二計算手段６０２と、前記ＧＮＳＳ衛星精密軌道及び精密時計誤差と前記低軌道衛星精密軌道及び精密時計誤差に基づいて、それぞれ前記ＧＮＳＳ補強情報及び前記低軌道衛星航法メッセージを生成して、前記ＧＮＳＳ補強情報及び前記低軌道衛星航法メッセージを注入局に送信するように設置される情報編成手段６０３と、を有する。
一実施例において、前記第一計算手段６０１は、ＧＮＳＳの観測モデルを構築し、自己の物理位置情報、低軌道衛星の衛星搭載受信機が収集したＧＮＳＳデータ及び前記ＧＮＳＳ衛星と低軌道衛星観測情報に基づいて前記観測モデルに対して線形化処理を行い、最小二乗法又はフィルタを用いて線形化処理後の観測モデルを計算し、前記航法衛星精密軌道及び精密時計誤差を得るように設置される。
前記計算手段６０１は、さらに、基準制約条件を予め配置し、前記基準制約条件において、最小二乗法又はフィルタを用いて線形化処理後の観測モデルを計算するように設置される。
なお、前記第二計算手段６０２が低軌道衛星精密軌道と精密時計誤差を計算する操作は、第一計算手段６０１がＧＮＳＳ精密軌道と精密時計誤差を計算する操作と似ている。本発明実施例が説明せず、類似箇所は第一計算手段の実現を参照すればいい。
システム実施例にとって、それは方法実施例とほぼ類似するため、説明が比較的簡単であり、関連箇所は方法実施例の一部の説明を参照すればよい。
本発明の実施例が提供する航法補強方法及びシステムは、高中低軌道の航法衛星を融合し、両者の優位性を十分に利用し、ユーザの測位、速度測定及びタイムスタンプ結果の連続、有効及び確実を確保し、大規模範囲内の高速且つ瞬時高精度のサービスを実現する。
（付記）
（付記１）
低軌道衛星は航法直接信号、及び航法補強情報を放送することと、
ユーザ受信機は、航法衛星の航法直接信号、前記低軌道衛星の航法直接信号、及び、前記低軌道衛星で放送された航法補強情報に基づいて、精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行うことと、を有する、航法補強方法。
（付記２）
低軌道コンステレーションは、複数の軌道面に分布する複数の低軌道衛星を含み、前記複数の低軌道衛星は特定のバンドで高精度の時間周波数基準に基づく航法直接信号を放送し、
前記航法補強情報は、全球測位衛星システムＧＮＳＳ航法衛星の精密軌道及び時計誤差、低軌道衛星の精密軌道及び時計誤差、航法衛星の位相偏差補正数、低軌道衛星の位相偏差補正数、及び電離層モデルパラメータ情報の少なくとも１つを含む、付記１に記載の方法。
（付記３）
前記航法衛星は、米国グローバル・ポジショニング・システムＧＰＳ、中国ＢｅｉＤｏｕ、欧州連合ガリレオ、及びロシア全球航法衛星システムＧＬＯＮＡＳＳ衛星航法システムのうちの少なくとも１種を含む、付記１に記載の方法。
（付記４）
前記ユーザ受信機が精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行う観測データは、航法衛星と低軌道衛星の擬似距離観測データ、航法衛星と低軌道衛星の搬送波位相観測データ、及び航法衛星と低軌道衛星のドップラー観測データのうちの少なくとも１つを含む、付記１に記載の方法。
（付記５）
前記ユーザ受信機は、航法衛星の航法直接信号、低軌道衛星の航法直接信号及び前記低軌道衛星の航法補強情報に基づいて、精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行い、前記ユーザ受信機の処理モードは、低軌道衛星補強の不確定性浮動小数点演算モード及び低軌道衛星補強の不確定性決定演算モードを含む、付記１に記載の方法。
（付記６）
複数の軌道面に分布する複数の低軌道衛星を含み、グローバル又は特定のサービスエリアを安定的にカバーするように設置される低軌道コンステレーションと、
業務計算処理を行い、衛星とコンステレーションを制御管理するように設置される地上演算制御システムと、
航法衛星及び低軌道衛星でそれぞれ放送された航法直接信号、及び低軌道衛星で放送された航法補強情報を受信し、前記航法衛星の航法直接信号、前記低軌道衛星の航法直接信号、及び前記低軌道衛星で放送された航法補強情報に基づいて、精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行うように設置されるユーザ受信機と、を備える、航法補強システム。
（付記７）
前記低軌道コンステレーションにおける低軌道衛星に高精度周波数基準を配置し、全球測位衛星システムＧＮＳＳ航法衛星観測情報をリアルタイムに受信し、航法補強情報付きの航法直接信号を生成放送する、付記６に記載のシステム。
（付記８）
前記地上演算制御システムは、メイン制御局、注入局及び監視局を備え、前記メイン制御局、前記注入局、前記監視局及び前記低軌道コンステレーションにおける低軌道衛星は、衛星−地上一体化システムを構成し、前記衛星−地上一体化システムの動作プロセスにおいて、
前記監視局はＧＮＳＳ衛星及び前記低軌道衛星観測情報を収集するとともに、収集した前記ＧＮＳＳ衛星及び低軌道衛星観測情報を前記メイン制御局に送信し、
前記メイン制御局は自己位置情報及び多種類の観測情報に基づいて、精密軌道及び精密時計誤差を含む前記航法衛星の補強情報、及び前記低軌道衛星の精密軌道及び精密時計誤差を生成し、ＧＮＳＳ補強情報及び低軌道衛星航法情報を編成するとともに、前記ＧＮＳＳ補強情報及び前記低軌道衛星航法情報を前記注入局に送信し、
前記注入局は前記ＧＮＳＳ補強情報及び前記低軌道衛星航法情報を前記低軌道衛星に送信し、
前記低軌道コンステレーションにおける低軌道衛星は前記ＧＮＳＳ補強情報及び前記低軌道衛星航法情報を受信した後、前記低軌道衛星の精密時計誤差を計算して予報し、前記低軌道衛星の精密時計誤差を編成して航法メッセージを形成し、航法直接信号を生成してユーザに放送し、
前記ユーザ受信機は航法衛星信号及び低軌道衛星信号を受信して測定し、航法補強情報及び低軌道衛星航法メッセージを解析することで、高精度の測位、速度測定及びタイムスタンプ演算を行う、付記６に記載のシステム。
（付記９）
前記システムは、一体化衛星間／衛星−地上ネットワークを構築し、複数種類の情報を包括的に伝送する、付記６に記載のシステム。
（付記１０）
前記メイン制御局は、前記メイン制御局の位置情報、収集した低軌道衛星の衛星搭載受信機データ及び前記監視局ＧＮＳＳ衛星と低軌道衛星観測データに基づいて、ＧＮＳＳ衛星精密軌道及び時計誤差補正数を計算するように設置される第一計算手段と、
自己位置情報、収集した低軌道衛星の衛星搭載受信機データ及び監視局ＧＮＳＳ衛星と低軌道衛星観測データに基づいて、システム時刻基準を計算して、前記システム時刻基準に基づいて前記低軌道衛星精密軌道と精密時計誤差、及びＧＮＳＳ相対時計誤差を計算するように設置される第二計算手段と、
前記ＧＮＳＳ衛星の精密軌道と時計誤差補正数、及び、前記低軌道衛星の精密軌道と時計誤差に基づいて、航法メッセージをそれぞれ生成するとともに、前記航法メッセージを注入局に送信して低軌道衛星に注入するように設置される情報編成手段と、を有する、付記８に記載のシステム。
本発明の一態様で航法補強方法を提供し、当該方法は、低軌道衛星が航法直接信号、航法補強情報及び前記低軌道衛星の精密軌道と時計誤差を放送することと、ユーザ受信機が航法衛星の航法直接信号、前記低軌道衛星の航法直接信号、前記低軌道衛星が放送する航法補強情報、及び前記低軌道衛星の精密軌道と時計誤差に基づいて、精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行うことと、を含む。
一実施例において、低軌道コンステレーションは複数の軌道面に分布する複数の低軌道衛星を含み、前記複数の低軌道衛星は特定のバンドにより高精度の時間周波数基準に基づく航法直接信号を放送する。前記航法補強情報は、全球測位衛星システムＧＮＳＳ航法衛星の精密軌道及び時計誤差、航法衛星の位相偏差補正数、低軌道衛星の位相偏差補正数、及び電離層モデルパラメータ情報の少なくとも１つを含む。
本発明は、複数の軌道面に分布される複数の低軌道衛星を含み、グローバル又は特定サービスエリアを安定的にカバーするように設置される低軌道コンステレーションと、業務計算処理を行い、衛星とコンステレーションを制御管理するように設置される地上演算制御システムと、航法衛星及び低軌道衛星でそれぞれ放送された航法直接信号、及び低軌道衛星で放送された航法補強情報を受信し、前記航法衛星の航法直接信号、低軌道衛星の航法直接信号及び前記低軌道衛星の航法補強情報に基づいて、測位、速度測定及びタイムスタンプを行うように設置されるユーザ受信機と、を備える航法補強システムをさらに提供する。
一実施例において、前記地上演算制御システムはメイン制御局、注入局及び監視局を備える。前記メイン制御局、前記注入局、前記監視局及び前記低軌道コンステレーションにおける低軌道衛星は、衛星−地上一体化システムを構成し、前記衛星−地上一体化システムの動作プロセスは下記の通りである。前記監視局は前記航法衛星及び前記低軌道衛星の観測情報を収集するとともに、収集した前記航法衛星及び前記低軌道衛星の観測情報を前記メイン制御局に送信する。前記メイン制御局は自己位置情報及び多種類の観測情報に基づいて、精密軌道及び精密時計誤差を含む前記航法衛星の補強情報、及び前記低軌道衛星の精密軌道と精密時計誤差を生成し、航法補強情報及び低軌道衛星航法情報を編成するとともに、前記航法補強情報及び前記低軌道衛星航法情報を前記注入局に送信する。前記注入局は前記航法補強情報及び前記低軌道衛星航法情報を前記低軌道衛星に送信する。前記低軌道衛星は前記航法補強情報及び前記低軌道衛星航法情報を受信した後、前記低軌道衛星の精密時計誤差を計算して予報し、前記低軌道衛星の精密時計誤差を編成して航法メッセージを形成し、航法直接信号を生成してユーザに放送する。ユーザ受信機は航法衛星信号及び低軌道衛星信号を受信して測定し、航法補強情報及び低軌道衛星航法メッセージを解析することで、高精度の測位、速度測定及びタイムスタンプ演算を行う。
一実施例において、前記メイン制御局は、前記メイン制御局の位置情報、収集した低軌道衛星の衛星搭載受信機データ及び前記監視局の航法衛星と低軌道衛星観測データに基づいて、航法衛星精密軌道及び時計誤差補正数を計算するように設置される第一計算手段と、自己位置情報、収集した低軌道衛星の衛星搭載受信機データ及び監視局の航法衛星と低軌道衛星観測データに基づいて、システム時刻基準を計算して、前記システム時刻基準に基づいて、前記低軌道衛星の精密軌道と精密時計誤差、及び航法衛星相対時計誤差を計算するように設置される第二計算手段と、前記航法衛星の精密軌道と時計誤差補正数、及び、前記低軌道衛星の精密軌道と時計誤差に基づいて、航法メッセージをそれぞれ生成するとともに、前記航法メッセージを注入局に送信して低軌道衛星に注入するように設置される情報編成手段と、を有する。

Claims (10)

  1. 低軌道衛星は航法直接信号、及び航法補強情報を放送することと、
    ユーザ受信機は、航法衛星の航法直接信号、前記低軌道衛星の航法直接信号、及び、前記低軌道衛星で放送された航法補強情報に基づいて、精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行うことと、を有する、航法補強方法。
  2. 低軌道コンステレーションは、複数の軌道面に分布する複数の低軌道衛星を含み、前記複数の低軌道衛星は特定のバンドで高精度の時間周波数基準に基づく航法直接信号を放送し、
    前記航法補強情報は、全球測位衛星システムＧＮＳＳ航法衛星の精密軌道及び時計誤差、低軌道衛星の精密軌道及び時計誤差、航法衛星の位相偏差補正数、低軌道衛星の位相偏差補正数、及び電離層モデルパラメータ情報の少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記航法衛星は、米国グローバル・ポジショニング・システムＧＰＳ、中国ＢｅｉＤｏｕ、欧州連合ガリレオ、及びロシア全球航法衛星システムＧＬＯＮＡＳＳ衛星航法システムのうちの少なくとも１種を含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記ユーザ受信機が精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行う観測データは、航法衛星と低軌道衛星の擬似距離観測データ、航法衛星と低軌道衛星の搬送波位相観測データ、及び航法衛星と低軌道衛星のドップラー観測データのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記ユーザ受信機は、航法衛星の航法直接信号、低軌道衛星の航法直接信号及び前記低軌道衛星の航法補強情報に基づいて、精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行い、前記ユーザ受信機の処理モードは、低軌道衛星補強の不確定性浮動小数点演算モード及び低軌道衛星補強の不確定性決定演算モードを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 複数の軌道面に分布する複数の低軌道衛星を含み、グローバル又は特定のサービスエリアを安定的にカバーするように設置される低軌道コンステレーションと、
    業務計算処理を行い、衛星とコンステレーションを制御管理するように設置される地上演算制御システムと、
    航法衛星及び低軌道衛星でそれぞれ放送された航法直接信号、及び低軌道衛星で放送された航法補強情報を受信し、前記航法衛星の航法直接信号、前記低軌道衛星の航法直接信号、及び前記低軌道衛星で放送された航法補強情報に基づいて、精密測位、速度測定及びタイムスタンプを行うように設置されるユーザ受信機と、を備える、航法補強システム。
  7. 前記低軌道コンステレーションにおける低軌道衛星に高精度周波数基準を配置し、全球測位衛星システムＧＮＳＳ航法衛星観測情報をリアルタイムに受信し、航法補強情報付きの航法直接信号を生成放送する、請求項６に記載のシステム。
  8. 前記地上演算制御システムは、メイン制御局、注入局及び監視局を備え、前記メイン制御局、前記注入局、前記監視局及び前記低軌道コンステレーションにおける低軌道衛星は、衛星−地上一体化システムを構成し、前記衛星−地上一体化システムの動作プロセスにおいて、
    前記監視局はＧＮＳＳ衛星及び前記低軌道衛星観測情報を収集するとともに、収集した前記ＧＮＳＳ衛星及び低軌道衛星観測情報を前記メイン制御局に送信し、
    前記メイン制御局は自己位置情報及び多種類の観測情報に基づいて、精密軌道及び精密時計誤差を含む前記航法衛星の補強情報、及び前記低軌道衛星の精密軌道及び精密時計誤差を生成し、ＧＮＳＳ補強情報及び低軌道衛星航法情報を編成するとともに、前記ＧＮＳＳ補強情報及び前記低軌道衛星航法情報を前記注入局に送信し、
    前記注入局は前記ＧＮＳＳ補強情報及び前記低軌道衛星航法情報を前記低軌道衛星に送信し、
    前記低軌道コンステレーションにおける低軌道衛星は前記ＧＮＳＳ補強情報及び前記低軌道衛星航法情報を受信した後、前記低軌道衛星の精密時計誤差を計算して予報し、前記低軌道衛星の精密時計誤差を編成して航法メッセージを形成し、航法直接信号を生成してユーザに放送し、
    前記ユーザ受信機は航法衛星信号及び低軌道衛星信号を受信して測定し、航法補強情報及び低軌道衛星航法メッセージを解析することで、高精度の測位、速度測定及びタイムスタンプ演算を行う、請求項６に記載のシステム。
  9. 前記システムは、一体化衛星間／衛星−地上ネットワークを構築し、複数種類の情報を包括的に伝送する、請求項６に記載のシステム。
  10. 前記メイン制御局は、前記メイン制御局の位置情報、収集した低軌道衛星の衛星搭載受信機データ及び前記監視局ＧＮＳＳ衛星と低軌道衛星観測データに基づいて、ＧＮＳＳ衛星精密軌道及び時計誤差補正数を計算するように設置される第一計算手段と、
    自己位置情報、収集した低軌道衛星の衛星搭載受信機データ及び監視局ＧＮＳＳ衛星と低軌道衛星観測データに基づいて、システム時刻基準を計算して、前記システム時刻基準に基づいて前記低軌道衛星精密軌道と精密時計誤差、及びＧＮＳＳ相対時計誤差を計算するように設置される第二計算手段と、
    前記ＧＮＳＳ衛星の精密軌道と時計誤差補正数、及び、前記低軌道衛星の精密軌道と時計誤差に基づいて、航法メッセージをそれぞれ生成するとともに、前記航法メッセージを注入局に送信して低軌道衛星に注入するように設置される情報編成手段と、を有する、請求項８に記載のシステム。
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