KR20210008385A - 항법 강화 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 항법 강화 방법 및 시스템을 제공하고, 해당 방법은 저궤도 군집 위성의 위성이 항법 직발송 신호 및 항법 강화 정보를 브로드캐스팅하는 단계, 유저 수신기가 항법 위성의 항법 직발송 신호, 저궤도 위성의 항법 직발송 신호 및 저궤도 위성의 항법 강화 정보에 근거하여, 정밀 측위, 속도 측정 및 시보를 진행하는 단계를 포함한다.

Description

항법 강화 방법 및 시스템
본 출원은 2018년 06월 04일자로 중국 특허청에 제출한 출원 번호가 201810566046.8인 중국 특허 출원의 우선권을 주장하고, 해당 출원의 모든 내용은 참조로 본 출원에 원용된다.
본 출원은 위성 항법 기술에 관한 것이고, 예를 들어 항법 강화 측위 방법 및 시스템에 관한 것이다.
관련 글로벌 위성 항법 시스템(Global Navigation Satellite System, GNSS)으로서 북두, 글로벌 포지셔닝 시스템(Global Positioning System, GPS), 글로나스(Global Navigation Satellite System, GLONASS), 갈릴레이(Galileo) 등이 포함되고, 단 유저에게 10미터 이내의 항법 측위 서비스를 제공하는데 이는 고정확도 유저 필요를 만족시킬 수 없다.
실시간 궤도, 클록 오프셋, 정밀 단독 측위 기술 등 핵심 기술의 진보 및 발전에 따라, Navcom사의 스타파이어(Star Fire) 시스템, Fugro사의 OmniStar 시스템을 비롯한 중, 고 궤더 위성 강화 시스템은, 차분 측위 시스템으로 하여금 새로운 단계에 진입하도록 하였다. 그러나 상술한 시스템 방안과 기본적으로 유사하게, 모두 해사 위성 상의 리피터를 통해 유저 단말기에 항법 시스템 강화 정보를 전달하여, 고정확도 측위 서비스를 제공한다. 유저가 획득하는 서비스의 정확도의 수렴 속도는 항법 위성 공간 기하학적 구조 및 기하학적 구조 변화율과 밀접하게 관계되기에, 상술한 복수의 시스템 강화 위성은 모두 중, 고 궤도에 위치하고, 위성이 짧은 시간 내에 천정을 스캐닝하는 각도가 비교적 작으며, 위성 공간 기하학적 구조 변화가 현저하지 않아, 정밀 단독 측위 수렴을 촉진하는 효과가 한정적이고, 모호성 결정 상황에서 그 수렴 시간은 여전히 적어도 6분간이 소요되어, 현재 고정확도 실시간 측위의 필요를 만족시킬 수 없다.
지반 강화 시스템 및 정밀 단독 측위 실시간 키네마틱 측위(Precise Point Positioning - Real Time Kinematic, PPP+RTK)기술은 고정확도 측위의 쾌속 수렴을 빠르게 실현할 수 있으나, 지상국 배치, 통신 링크의 제한을 받아, 서비스 도달성 및 사용 가능성이 비교적 낮아 넓은 범위의 고정확도 공용 응용의 필요를 만족시킬 수 없다.
이하 본 명세서에서 설명하는 주제에 대한 개요를 설명하고, 개요 설명은 특허 청구 범위의 보호 범위를 한정하고자 하는 것이 아니다.
본 출원은 항법 강화 방법 및 시스템을 제안하여, 위성 항법의 고정확도 측위의 수렴 속도를 가속화하고, 유저 정밀 측위의 초기화 시간을 단축하며, 통신 링크에 대한 의존을 해소하고, 동시에 시스템 서비스의 사용 가능성, 정확도 및 신뢰성를 향상시킨다.
본 출원은 항법 강화 방법을 제공하여, 유저 고정확도 측위, 속도 측정 및 시보 쾌속 수렴을 실현한다.
본 출원은 항법 강화 시스템을 제공하여, 유저 쾌속 고정확도 측위, 속도 측정 및 시보 서비스를 제공한다.
본 출원의 일 측면은 항법 강화 방법을 제공하고, 해당 방법은 저궤도 위성이 항법 직발송 신호 및 항법 강화 정보를 브로드캐스팅하는 단계, 유저 수신기가 항법 위성의 항법 직발송 신호, 저궤도 위성의 항법 직발송 신호 및 상기 저궤도 위성에서 브로드캐스팅하는 항법 강화 정보에 근거하여, 정밀 측위, 속도 측정 및 시보를 진행하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 저궤도 군집 위성은 복수의 궤도면에 분포된 복수의 저궤도 위성을 포함하고, 상기 복수의 저궤도 위성은 특정 주파수 구간 브로드캐스팅을 통해 고정확도 시간 및 빈도 기준의 항법 직발송 신호를 기반으로 하며, 상기 항법 강화 정보는 글로벌 위성 항법 시스템 GNSS 항법 위성의 정밀 궤도 및 클록 오프셋, 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 클록 오프셋, 항법 위성 위상 편차 보정수, 저궤도 위성 위상 편차 보정수 및 전리층 모델 파라미터 정보 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에서, 항법 위성은 미국 글로벌 포지셔닝 시스템 GPS, 중국 북두, 유럽 연합 갈릴레이 및 러시아 글로벌 항법 위성 시스템 GLONASS 위성 항법 시스템 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에서, 유저 수신기가 정밀 측위, 속도 측정 및 시보를 진행하는 관측 데이터는 항법 위성 및 저궤도 위성의 의사 거리 관측 데이터, 항법 위성 및 저궤도 위성의 반송파 위상 관측 데이터 및 항법 위성 및 저궤도 위성의 도플러 관측 데이터 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 유저 수신기가 항법 위성의 항법 직발송 신호, 저궤도 위성의 항법 직발송 신호 및 상기 저궤도 위성의 항법 강화 정보에 근거하여 정밀 측위, 속도 측정 및 시보를 진행할 경우, 상기 유저 수신기의 처리모드는 저궤도 위성 강화의 모호성 플로트 솔루션 모드 또는 저궤도 위성 강화의 모호성 결정 전산 모드를 포함한다.
본 출원은 항법 강화 시스템을 더 포함하고, 해당 시스템은 복수의 궤도면에 분포된 복수의 저궤도 위성을 포함하고, 글로벌 또는 특정 서비스 구역에 안정적으로 도달되도록 설정되는 저궤도 군집 위성, 업무 산출 처리를 진행하고, 위성 및 군집 위성을 제어 관리하도록 설정되는 지면 작동 제어 시스템, 및 항법 위성 및 저궤도 위성에서 각각 브로드캐스팅하는 항법 직발송 신호 및 저궤도 위성에서 브로드캐스팅하는 항법 강화 정보를 수신하고, 상기 항법 위성의 항법 직발송 신호, 저궤도 위성의 항법 직발송 신호 및 상기 저궤도 위성의 항법 강화 정보에 근거하여, 정밀 측위, 속도 측정 및 시보를 진행하도록 설정되는 유저 수신기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 저궤도 군집 위성 중의 저궤도 위성에 고정확도 주파수 기준이 배치되어, 실시간으로 글로벌 위성 항법 시스템 GNSS 항법 위성 관측 정보를 수신하고, 항법 강화 정보를 휴대하는 항법 직발송 신호를 생성하고 브로드캐스팅한다.
일 실시예에서, 상기 지면 작동 제어 시스템은 중앙 제어국, 송신국 및 감시국을 포함하고, 상기 중앙 제어국, 상기 송신국, 상기 감시국 및 상기 저궤도 군집 위성 중의 저궤도 위성은 위성과 지상국 간의 일체화 시스템을 구성하고, 상기 위성과 지상국 간의 일체화 시스템의 작동 과정은 이하와 같다. 상기 감시국에서 GNSS 위성 및 상기 저궤도 위성 관측 정보를 수집하고, 수집한 상기 GNSS 위성 및 저궤도 위성의 관측 정보를 상기 중앙 제어국에 전송하며, 상기 중앙 제어국은 자체 위치 정보 및 여러 종류의 관측 정보에 근거하여, 상기 항법 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋 강화 정보 및 상기 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋을 생성하고, GNSS 강화 정보 및 저궤도 위성 항법 정보를 편성 형성하며, 상기 GNSS 강화 정보 및 상기 저궤도 위성 항법 정보를 상기 송신국에 전송하고, 상기 송신국은 상기 GNSS 강화 정보 및 상기 저궤도 위성 항법 정보를 상기 저궤도 위성에 전송하며, 상기 저궤도 군집 위성 중의 저궤도 위성은 상기 GNSS 강화 정보 및 상기 저궤도 위성 항법 정보를 수신한 후, 상기 저궤도 위성 정밀 클록 오프셋을 산출 및 예보하고, 상기 저궤도 위성 정밀 클록 오프셋을 편성하여 항법 메시지를 형성하며, 항법 직발송 신호를 유저에게 브로드캐스팅하고, 유저 수신기가 항법 위성 신호 및 저궤도 위성 신호를 수신하여 계측을 진행하며, 고정확도 측위, 속도 측정 및 시보 전산을 진행하도록 항법 강화 정보 및 저궤도 위성 항법 메시지를 해석한다.
일 실시예에서, 일체화의 위성 간 네트워크(Interplanetary network)를 구축하고, 여러 종류의 정보를 통일적으로 전송한다.
일체화의 위성 간 네트워크에서, 위성이 항법 위성 관측 정보를 수신하고, 중앙 제어국에서 상행 주입한 강화 정보를 수신하며, 위성에서 텔레미터링 정보를 생성하고, 지면 원격 조종 정보를 수신한 후, 위성 간, 위성과 지상국 간 링크 네트워크를 통해 자주적으로 목표 위성 및 지상국에 전송한다.
일 실시예에서, 상기 중앙 제어국은 상기 중앙 제어국 자체 위치 정보, 수집한 저궤도 위성의 위성 탑재 수신기 데이터 및 상기 감시국 GNSS 위성 및 저궤도 위성의 관측 데이터에 근거하여, GNSS 위성의 정밀 궤도 및 클록 오프셋 보정수를 산출하도록 설정되는 제1 산출유닛, 자체 위치 정보, 수집한 저궤도 위성의 위성 탑재 수신기 데이터 및 감시국 GNSS 위성 및 저궤도 위성의 관측 데이터에 근거하여, 시스템 시간 기준을 산출하고, 상기 시스템 시간 기준에 근거하여 상기 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋 및 GNSS 상대 클록 오프셋을 산출하도록 설정되는 제2 산출유닛, 및 상기 GNSS 위성의 정밀 궤도 및 클록 오프셋 보정수 및 상기 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋에 근거하여, 각각 항법 메시지를 생성하고, 상기 항법 메시지를 송신국에 전송하여 저궤도 위성에 주입하도록 설정되는 정보 편성유닛을 포함한다.
첨부 도면 및 상세한 설명을 열독하고 이해하여 다른 방면도 이해할 수 있다.
첨부 도면은 예시 실시형태를 보여주기 위한 것이고, 본 출원에 대해 한정하는 것으로 간주해서는 아니된다. 첨부 도면 전반에서 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. 첨부 도면에서,
도 1은 본 출원의 실시예에서 제공하는 항법 강화 방법 개략도이다.
도 2는 본 출원의 실시예에서 제공하는 항법 강화 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 출원의 실시예에서 제공하는 중앙 제어국에서 항법 강화 정보 및 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋을 산출 처리하는 흐름도이다.
도 4는 본 출원의 실시예에서 제공하는 항법 강화 측위 시스템의 구조도이다.
도 5는 본 출원의 실시예에서 제공하는 항법 강화 측위 시스템 중 지면 작동 제어 시스템의 구조도이다.
도 6은 본 출원의 실시예에서 제공하는 항법 강화 측위 시스템 중 지면 작동 제어 시스템 중앙 제어국의 구조도이다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 출원의 예시적 실시예를 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 첨부 도면에서 본 개시의 예시적인 실시예를 보여주나, 여러 형식으로 본 개시를 실현할 수 있으며, 여기에서 설명한 실시예에 의해 한정되지 않는 것을 이해해야 한다. 반대로, 본 개시를 더욱 명백하게 이해시키고, 본 개시의 범위를 완전하게 본 기술 분야의 기술자에게 전달될 수 있도록 하기 위해 이러한 실시예를 제공한다.
본 기술 분야의 기술자는 별도로 정의하지 않는 한, 여기에서 사용되는 모든 용어(기술 용어 및 과학 용어를 포함)는 본 출원이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자가 일반적으로 이해하는 동일한 의미를 가지는 것을 이해할 수 있다. 예를 들어 통용 자전에서 정의하는 이러한 용어는 관련 기술의 문맥에서 일치한 의미를 가지는 것으로 이해할 수 있으며, 특정하여 정의하지 않는 한 이상적이거나 너무 정식적인 의미로 해석되지 않는 것도 이해할 수 있다.
위성 항법 측위, 속도 측정 및 시보 정확도를 향상시키고, 고정확도 서비스 수렴 시간을 줄이기 위해, 본 출원의 실시예는 항법 강화 방법 및 시스템을 제공하고, 저궤도 위성 군집 위성을 구축하여, 저궤도 위성에 고정확도 주파수 기준을 배치하고, 유저에게 항법 직발송 신호, GNSS 강화 정보 및 고정확도 저궤도 위성 항법 메시지를 브로드캐스팅하며, 저궤도 위성이 유저에 대해 쾌속으로 이동하는 특성을 이용하여 관측 기하학적 구조를 개선하여, 모호성 파라미터와 위치 파라미터를 쾌속으로 분리시킴으로써, 고정확도 서비스의 수렴 속도를 촉진하는 동시에, 항법 강화 신호의 브로드캐스팅을 통해 위성 항법 서비스의 정확도 및 신뢰도를 향상시킨다. 여기서, 저궤도 위성 군집 위성는 궤도 높이가 600킬로미터 내지 1200킬로미터 높이의 위성을 가르킨다.
본 출원의 실시예에서 제공하는 항법 강화 방법 및 시스템에 있어서, 저궤도 위성이 쾌속으로 이동하는 특성을 이용하여 유저 관측 공간 기하학적 구조를 강화하고, 위성 항법 고정확도 항법 측위 전산의 수렴 속도를 촉진하며, 유저 정밀 측위 초기화 시간을 단축하는 동시에, 시스템 서비스의 사용 가능성, 정확도 및 신뢰도를 향상시킨다. 유저 수신기는 통용 위성 항법 수신기 하드웨어 구조와 같고, 단일 방향으로 항법 위성 및 저궤도 위성 직발송 신호를 수신할 수 있기만 하면 쾌속 정밀 측위를 실현할 수 있고, 다른 데이터 통신 링크를 고려할 필요가 없어, 유저 고정확도 측위의 복잡성 및 대가를 효과적으로 줄인다.
본 출원의 실시예에서 제공하는 항법 강화 방법에 있어서, 저궤도 위성이 항법 직발송 신호 및 항법 강화 정보를 브로드캐스팅하는 단계 및 유저 수신기가 항법 위성의 항법 직발송 신호 및 저궤도 위성의 항법 직발송 신호 및 상기 항법 강화 정보에 근거하여 정밀 측위, 속도 측정 및 시보를 진행하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 출원의 실시예에서 제공하는 항법 강화 방법의 흐름도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 방법은 단계 S110 내지 단계 S190을 포함한다.
단계 S110에서, 저궤도 위성은 위성 탑재 GNSS 수신기로 가시 범위 항법 위성을 추적 관측하여, 최초 관측 데이터 및 항법 메시지를 획득한 후 위성 간 링크 및 위성과 지상국 간 링크(satellite-ground links)를 포함하는 일체화 통신 네트워크를 통해 최초 관측 데이터 및 항법 메시지를 지면 작동 제어 시스템의 중앙 제어국에 전송한다.
단계 S120에서, 지면 작동 제어 시스템은 감시국을 이용하여 가시 범위의 항법 위성 및 저궤도 위성을 추적 관측하여, 최초 관측 데이터 및 항법 메시지를 획득한 후 지면 네크워크를 통해 최초 관측 데이터 및 항법 메시지를 지면 작동 제어 시스템의 중앙 제어국에 전송한다.
단계 S130에서, 지면 작동 제어 시스템의 중앙 제어국은 저궤도 위성의 위성 탑재 GNSS 수신기를 통해 획득한 최초 관측 데이터 및 항법 메시지 및 지면 감시국에서 획득한 최초 관측 데이터 및 항법 메시지에 근거하여 항법 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋, 글로벌 전리층 모델 파라미터를 포함하는 항법 강화 정보 및 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋을 산출 처리하여 획득한다.
단계 S140에서, 지면 작동 제어 시스템의 중앙 제어국은 항법 위성 정밀 클록 오프셋에 근거하여 종합 원자 시처리를 진행하고, 통일된 시스템 시간 기준을 건립 및 유지한 후, 항법 위성 정밀 클록 오프셋을 보정하여, 통일 시간 기준의 항법 위성 및 저궤도 위성 정밀 클록 오프셋을 획득한다.
단계 S150에서, 지면 작동 제어 시스템의 중앙 제어국은 모든 항법 강화 정보 및 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋에 대해 소정 양식에 따라 편성한 후 송신국에 전송하여 상행 주입한다.
단계 S160에서, 지면 작동 제어 시스템의 송신국은 위성과 지상국 간 및 위성 간 일체화 통신 네크워크를 통해 항법 강화 정보 및 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋을 저궤도 군집 위성의 모든 위성에 전송한다.
단계 S170에서, 저궤도 위성은 위성 탑재 GNSS 수신기의 관측 정보, 항법 강화 정보 및 저궤도 위성의 정밀 궤도에 근거하여, 상행 주입된 저궤도 위성 정밀 클록 오프셋을 참조로, 국부 클록 오프셋 산출 및 예보를 진행하여, 저궤도 위성 정밀 클록 오프셋 브로드캐스팅 제품을 형성한다.
단계 S180에서, 저궤도 위성은 로컬 고정확도 시간 기준을 기반으로 시간 주파수 신호을 생성한 후, 항법 위성 강화 정보, 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋을 주파수 신호에 변조한 후 위성 안테나를 통해 발사한다.
단계 S190에서, 유저 수신기는 가시 범위의 항법 위성 및 저궤도 위성을 추적 관측하여, 항법 위성 및 저궤도 위성의 최초 관측 데이터 및 항법 위성 강화 정보, 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋 등을 획득하고, 상술한 데이터에 근거하여 정밀 측위, 속도 측정 및 시보 처리를 진행한다.
도 2는 본 출원의 실시예에서 제공하는 항법 강화 방법의 작동 원리 개략도이다. 여기서, 항법 강화 방법의 실현은 주로 항법 위성 군집 위성, 저궤도 군집 위성, 지면 작동 제어 시스템 및 유저 수신기를 포함하고, 여기서 항법 위성 군집 위성은 미국 GPS, 중국 북두, 유럽 연합 갈릴레이, 러시아 GLONASS 위성 항법 시스템 중 적어도 하나를 포함하고, 항법 위성 신호를 브로드캐스팅하도록 설정된다. 저궤도 군집 위성은 복수의 궤도면에 분포된 복수의 저궤도 위성을 포함하고, 상기 복수의 저궤도 위성은 특정 주파수 구간을 통해 고정확도 시간 및 빈도 기준 기반의 항법 직발송 신호를 브로드캐스팅하여, 글로벌 또는 특정 서비스 구역에 안정적으로 도달하며, 항법 직발송 신호 및 항법 강화 정보를 브로드캐스팅하도록 설정된다. 지면 작동 제어 시스템은 업무 산출 처리를 진행하여, 위성 및 군집 위성을 제어 관리한다. 유저 수신기는 항법 위성 및 저궤도 위성에서 브로드캐스팅하는 항법 직발송 신호 및 저궤도 위성에서 브로드캐스팅하는 항법 강화 정보를 수신하고, 항법 위성 및 저궤도 위성의 항법 직발송 신호 및 상기 항법 강화 정보에 근거하여 정밀 측위, 속도 측정 및 시보를 진행한다.
도 3은 본 출원의 실시예에서 제공하는 중앙 제어국에서 항법 강화 정보 및 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋을 산출 처리하는 흐름도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 처리 과정은 단계 S310 내지 단계 S340을 포함한다.
단계 S310에서, 저궤도 위성의 위성 기반 GNSS관측 데이터 및 감시국 관측 데이터에 근거하여 관측 모델을 구축한다.
단계 S320에서, 저궤도 위성 및 감시국의 위치 정보 및 상기 관측 데이터에 근거하여 관측 모델에 대해 선형화 처리를 진행한다.
단계 S330에서, 상태 모델을 구축하는 동시에, 선형화 관측 모델을 기반으로 최소 제곱법 또는 필터링 방법을 적용하여 파라미터 추정을 진행하여, 상기 항법 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋 및 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋을 획득한다.
단계 S340에서, 항법 위성의 정밀 궤도, 정밀 클록 오프셋 및 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋에 기초하여 항법 위성 및 저궤도 위성의 궤도 예보 및 클록 오프셋 예보를 진행하여, 항법 위성 강화 정보 및 저궤도 위성 항법 메시지를 획득한다.
단계 S310 및 단계 S320은 이하의 단계를 포함한다. 기준 제약 조건을 미리 배치하고, 상기 기준 제약 조건하에서 최소 제곱법 또는 필터링을 적용하여 선형화 처리 후의 관측 모델을 산출한다.
이하 하나의 실시예를 통해 본 출원의 기술 방안을 상세하게 설명하도록 한다. 지상국은 다중 주파수 포인트 의사 거리(
Figure pct00001
) 및 반송파 위상(
Figure pct00002
) 관측치를 포함하는 GNSS 위성 및 저궤도 위성의 관측 정보를 수집한다. GNSS 관측 정보를 예로 들어 설명하면, 주파수 포인트(
Figure pct00003
)에서 위성(
Figure pct00004
)에서 관측소(
Figure pct00005
)까지의 의사 거리 및 위상 관측치는 이하와 같이 표시할 수 있다.
Figure pct00006
(1)
식 (1)에서,
Figure pct00007
는 위성 및 관측소 사이의 기하학적 거리이고,
Figure pct00008
는 관측소 천정 방향 대류권 지연 파라미터이며, 그 상응한 사상 함수는
Figure pct00009
이고,
Figure pct00010
는 진공 중 광속이며,
Figure pct00011
및
Figure pct00012
는 각각 위성 및 수신기 클록 오프셋이고,
Figure pct00013
, 여기서
Figure pct00014
는 주파수 포인트(
Figure pct00015
)의 반송파 주파수이고, 그 상응 파장은
Figure pct00016
이며;
Figure pct00017
는 경사 전리층 지연이며,
Figure pct00018
및
Figure pct00019
는 각각 수신기단 의사 거리 및 반송파 위상 하드웨어 지연이고,
Figure pct00020
및
Figure pct00021
는 위성단 의사 거리 및 반송파 위상 하드웨어 지연이며,
Figure pct00022
는 모호 정수 파라미터이다.
상술한 식에서 안테나 위상 편차 및 변화, 위상 트위스티드, 위성 클록 오프셋의 상대론적 효과 등 오차 보정 및 멀티 경로 및 관측치 노이즈 등 오차를 생략한다.
식 (1)에서, 천정 대류권 지연 파라미터(
Figure pct00023
), 수신기 클록 오프셋(
Figure pct00024
)는 관측소에만 관계되고, 위성클록 오프셋(
Figure pct00025
)은 위성에만 관계되며, 경사 전리층 지연 파라미터(
Figure pct00026
)는 관측소 및 위성에 관계되나, 의사 거리 및 반송파 위상이 위성단 또는 수신기단에서의 하드웨어 지연 파라미터는 주로 각각 관측소, 위성, 관측치 유형 및 추적 주파수 등에 관계된다.
데이터 처리에 있어서, 흔히 필요에 따라 여러 유형의 위성 및 의사 거리 관측지 조합을 구축하게 되는 바, 여기서 전리층 프리 조합이 1차 전리층 영향을 해소하기에, 고정확도 데이터 처리의 관측 모델을 구축하는데 광범위하게 사용되고, 상기 관측 모델은 이하와 같이 표시할 수 있다.
Figure pct00027
(2)
식에서,
Figure pct00028
및
Figure pct00029
는 각각 전리층 프리 조합 의사 거리 및 위상 관측치이고,
Figure pct00030
및
Figure pct00031
는 각각 수신기단 전리층 프리 조합 의사 거리 및 위상 관측치 하드웨어 지연이며, 그 값은 이하와 같다.
Figure pct00032
(3)
유사하게, 위성단 전리층 프리 조합 의사 거리 및 위상 관측치 하드웨어 지연(
Figure pct00033
및
Figure pct00034
)은 각각 이하와 같다.
Figure pct00035
(4)
식에서,
Figure pct00036
는 전리층 프리 조합 관측치 파장이고,
Figure pct00037
는 상응한 모호 정수 파라미터이며, 그 값은 이하와 같다.
Figure pct00038
(5)
식 (2) 중 각각의 파라미터와 관측소, 위성 및 신호 주파수 등의 관련성을 고려하여, 멀티 시스템 관측치에 대해, 식 (2)는 이하와 같이 확장할 수 있다.
Figure pct00039
(6)
식에서, S는 GNSS 시스템 및 저궤도 위성 시스템을 표시한다. GPS, GALILEO, GLONASS 및 북두 등 코드 분할 다중 접속 기술을 적용하는 항법 위성 시스템에 있어서, 다른 위성 반송파 주파수는 서로 같기에, 수신기단의 의사 거리 및 반송파 위상 관측치 하드웨어 지연은 모든 싱글 시스템 위성에 대해 서로 같다. 그러나 GLONASS 시스템은 주파수 분할 다중 접속 기술을 적용하기에, 상응한 수신기단 의사 거리 및 위상 하드웨어 지연은 위성(주파수)에도 관계되고, 다른 GLONASS 위성(주파수)은 다른 수신기단 하드웨어 지연에 대응된다.
정밀 궤도 결정 모델에서, 항법 위성 클록 오프셋디 추정 시 위성단 의사 거리 하드웨어 지연(
Figure pct00040
)을 흡수하고, 수신기단의 의사 거리 하드웨어 지연은 수신기 클록 오프셋(
Figure pct00041
)에 의해 흡수되기에, 이때 관측 모델은 이하와 같다.
Figure pct00042
(7)
식에서,
Figure pct00043
Figure pct00044
다중 모드 항법 시스템 연합 처리 시, 일반적으로 하나의 수신기 클록 오프셋 파라미터만 추정하나, 전술한 설명에서 수신기 클록 오프셋 파라미터는 수신기단에서의 의사 거리 관측치의 하드웨어 지연을 흡수하고, 해당 지연 파라미터는 신호 주파수 및 항법 시스템에 관계되기에, 다른 시스템은 다른 수신기 클록 오프셋(
Figure pct00045
)에 대응되고, GPS 시스템이 대응되는 수신기 클록 오프셋(
Figure pct00046
)을 기준으로 하면, 다른 시스템 관측 모델은 이하와 같이 변경할 수 있다.
Figure pct00047
(8)
식에서,
Figure pct00048
는 두개 시스템이 수신기단에서의 의사 거리 하드웨어 지연 차이이고, 다시 말해서 코드 편차이다.
다른 항법 시스템 사이의 시간 기준 차이를 고려하면, 이 때 별도로 하나의 상수 편차 파라미터를 인입해야 하고, 이와 DCB 파라미터는 시스템 사이 편차(Inter-System Bias, ISB) 파라미터를 구성하게 된다. 코드 분할 다중 접속을 적용하는 항법 시스템에 있어서, 그 모든 위성은 동일한 ISB 파라미터에 대응되고, GLONASS시스템은 주파수 분할 다중 접속 기술을 적용하기에, 그 다른 위성(주파수)는 다른 ISB 파라미터에 대응되며, 이 때 ISB파라미터는 실제로 다른 시스템 사이 코드 편차, 시간 기준차 및 GLONASS 시스템 내 다른 위성 주파수 사이 편차(Inter-Frequency Bias, IFB)의 조합이다. 저궤도 강화 위성 그룹은 위성 항법 시스템으로서, 그 측위 수학 모델은 관련 GNSS시스템과 같다. 저궤도 강화 위성 항법 시스템은 새로운 항법 시스템으로 간주될 수 있고, 별도로 ISB 또는 IFB 파라미터를 추정하기만 하면 된다.
식 (8)에서 위성 궤도, 클록 오프셋 등 파라미터 처음값을 지정하고 선형화를 진행한다, 미지 파라미터는 주로 GNSS 및 저궤도 위성 궤도 파라미터, 지상국 위치 파라미터, 지면 추적국 수신기 클록 오프셋, GNSS 및 저궤도 위성 클록 오프셋, 반송파 위상 모호성, 천정 대류권 지연, ISB/IFB 등 파라미터를 포함한다.
Figure pct00049
(9)
여기서,
Figure pct00050
,
Figure pct00051
는 GNSS 또는 저궤도 위성 위치(
Figure pct00052
) 및 감시국 위치(
Figure pct00053
) 처음값 산출 위성관 지면 사이의 거리이고,
Figure pct00054
는 이하와 같이 표시할 수 있다.
Figure pct00055
(10)
식에서,
Figure pct00056
는 궤도 결정 아치 구역 내 위성 궤도 파라미터(
Figure pct00057
)의 함수이다.
식 (9)에서,
Figure pct00058
및
Figure pct00059
는 관측 신호의 방향 코사인값이고,
Figure pct00060
기술 방정식을 풀어 얻는다. 여기서 관측 모델이 수신기 클록 오프셋, 위성 클록 오프셋, ISB/IFB에 대한 편도 함수는 1이고, 관측 모델이 모호성 파라미터에 대한 편도 함수는 반송파 파장(
Figure pct00061
)이며, 관측 모델이 천정 대류권 지연 파라미터에 대한 편도 함수는
Figure pct00062
이다.
연합 선형화 후의 관측 모델 정규 방정식을 구축하고 최소 제곱법 준칙 하에서 관련 파라미터를 구한다. 수신기 클록 오프셋, 위성 클록 오프셋, ISB 등 파라미터에 관련하여, 전산 시 기준 제약을 추가해야 하기에, 저궤도 군집 위성 강화 시스템에서의 감시국 클록 오프셋의 시스템 시간 CST를 제약 시, 해당 시스템 하에서의 모든 위성 및 수신기의 클록 오프셋 및 상응한 ISB/IFB 파라미터를 획득할 수 있다. 위성 궤도 파라미터(
Figure pct00063
)를 구한 후, 동력한 적분을 통해 연속 궤도 제품을 획득한다.
실제 응용에서, 유저 단말기가 GNSS 데이터, 저궤도 위성 하행 브로드캐스팅 위성 항법 시스템 강화 정보 및 저궤도 위성 항법 정보를 수신한 후, 유저 시공간 기준을 산출 시, 항법 및 저궤도 위성 궤도 및 항법 시스템 강화 정보는 이미 알기에 추정할 필요가 없고, 이 때 식 (9)는 이하와 같이 변경할 수 있다.
Figure pct00064
(11)
식에서
Figure pct00065
,
Figure pct00066
및 ISB/IFB 파라미터는 지면 유저가 특정 시공간 프레임 하의 위치 및 클록 오프셋이고, 최소 제곱법 처리 전산 또는 필터링을 적용하여 산법 처리를 진행할 수 있다.
도 4는 본 출원의 실시예에서 제공하는 항법 강화 측위 시스템의 구조도이고, 도 4에 나타낸 바와 같이, 해당 시스템은 글로벌 또는 특정 서비스 구역에 안정적으로 도달하는 저궤도 군집 위성 및 업부 산출 처리를 진행하여, 위성 및 군집 위성을 제어 관리하는 지면 작동 제어 시스템 및 항법 위성 및 저궤도 위성 직발송 신호를 수신하여, 정밀 측위, 시보 및 속도 측정 산출 처리를 진행하는 유저 수신기를 포함한다.
상기 저궤도 위성 군집 위성(600킬로미터 내지 1200킬로미터 높이)에 고정확도 주파수 기준을 배치하고, 실시간으로 GNSS 항법 위성 관측 정보를 수신하여, 항법 강화 정보를 휴대하는 항법 직발송 신호를 생성하고 브로드캐스팅하며, 상기 지면 작동 제어 시스템은 중앙 제어국, 송신국 및 감시국을 포함하고, 중앙 제어국, 송신국, 감시국 및 저궤도 군집 위성의 위성은 위성과 지상국 간의 일체화 시스템을 구성한다.
도 5는 본 출원의 실시예에서 제공하는 항법 강화 시스템 중 지면 작동 제어 시스템의 구조도이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 해당 시스템은 중앙 제어국, 송신국 및 감시국을 포함한다. 감시국은 GNSS 위성 및 저궤도 위성의 관측 정보를 수집하고, 수집한 상기 GNSS 위성 및 저궤도 위성의 관측 정보를 중앙 제어국에 전송하며, 중앙 제어국은 저궤도 위성 및 감시국의 위치 정보 및 여러 종류의 관측 정보에 근거하여, 상기 항법 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋 등 강화 정보 및 상기 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋을 생성하고, 편성 후 GNSS 강화 정보 및 저궤도 위성 항법 메시지를 형성하며, 송신국에 발송하고, 송신국은 상기 GNSS 강화 정보 및 상기 저궤도 위성 항법 메시지를 상기 저궤도 위성에 전송한다.
도 6은 본 출원의 실시예에서 제공하는 항법 강화 시스템 중 지면 작동 제어 시스템의 중앙 제어국의 구조도이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 해당 시스템은 제1 산출유닛(601), 제2 산출유닛(602) 및 정보 편성유닛(603)을 포함하고, 여기서, 상기 제1 산출유닛(601)은 자체의 물리적 위치 정보, 저궤도 위성의 위성 탑재 수신기가 수집한 GNSS 데이터 및 상기 GNSS 위성 및 저궤도 위성의 관측 정보에 근거하여, GNSS 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋을 산출하도록 설정되고, 상기 제2 산출유닛(602)은 자체의 물리적 위치 정보, 저궤도 위성의 위성 탑재 수신기가 수집한 GNSS 데이터 및 상기 GNSS 위성 및 저궤도 위성의 관측 정보에 근거하여, 시스템의 시간 기준을 산출하고, 상기 시스템 시간 기준에 근거하여 상기 저궤도 위성의 정밀 궤도 정밀 클록 오프셋 및 GNSS 상대 시스템 시간 기준의 상대 클록 오프셋을 산출하도록 설정되며, 상기 정보 편성유닛(603)은 상기 GNSS 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋 및 상기 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋에 근거하여, 각각 상기 GNSS 강화 정보 및 상기 저궤도 위성 항법 메시지를 생성하고, 상기 GNSS 강화 정보 및 상기 저궤도 위성 항법 메시지를 송신국에 전송하도록 설정된다.
일 실시예에서, 상기 제1 산출유닛(601)은 GNSS의 관측 모델을 구축하고, 자체의 물리적 위치 정보, 저궤도 위성의 위성 탑재 수신기가 수집한 GNSS 데이터 및 상기 GNSS 위성 및 저궤도 위성의 관측 정보에 근거하여 상기 관측 모델에 대해 선형화 처리를 진행하며, 최소 제곱법 또는 필터링 산출 선형화 처리 후의 관측 모델을 이용하여, 상기 항법 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋을 얻는다.
상기 산출유닛(601)은 기준 제약 조건을 미리 배치하고, 상기 기준 제약 조건 하에서, 최소 제곱법 또는 필터링 산출 선형화 처리 후의 관측 모델을 이용하도록 추가로 설정된다.
유의해야 할 점은, 상기 제2 산출유닛(602)이 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋을 산출하는 조작과 제1 산출유닛(601)이 GNSS 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋을 산출하는 조작과 유사하고, 본 출원의 실시예에 대해 설명하지 않으며, 유사한 부분은 제1 산출유닛의 실현을 참조할 수 있다.
시스템 실시예에 있어서, 방법 실시예과 기본적으로 유사하기에, 서술을 비교적 간단하게 하고, 관련된 부분은 방법 실시예의 부분 설명을 참조하면 된다.
본 출원의 실시예에서 제공하는 항법 강화 방법 및 시스템은 고 중 저궤도 항법 위성을 융합하여, 양자의 우세를 충분히 이용하여, 유저 측위, 속도 측정 및 시보 결과가 연속적이고, 유효하며, 신뢰적이도록 확보하여 큰 스케일 범위 내의 쾌속 심지어 순시 고정확도 서비스를 실현한다.

Claims (10)

  1. 저궤도 위성이 항법 직발송 신호 및 항법 강화 정보를 브로드캐스팅하는 단계,
    유저 수신기가 항법 위성의 항법 직발송 신호, 상기 저궤도 위성의 항법 직발송 신호 및 상기 저궤도 위성에서 브로드캐스팅하는 항법 강화 정보에 근거하여, 정밀 측위, 속도 측정 및 시보를 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항법 강화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    저궤도 군집 위성은 복수의 궤도면에 분포되고 특정 주파수 구간 브로드캐스팅을 통해 고정확도 시간 및 빈도 기준의 항법 직발송 신호를 기반으로 하는 복수의 저궤도 위성을 포함하고,
    상기 항법 강화 정보는 글로벌 위성 항법 시스템 GNSS 항법 위성의 정밀 궤도 및 클록 오프셋, 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 클록 오프셋, 항법 위성 위상 편차 보정수, 저궤도 위성 위상 편차 보정수 및 전리층 모델 파라미터 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 항법 위성은 미국 글로벌 포지셔닝 시스템 GPS, 중국 북두, 유럽 연합 갈릴레이 및 러시아 글로벌 항법 위성 시스템 GLONASS 위성 항법 시스템 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유저 수신기가 정밀 측위, 속도 측정 및 시보를 진행하는 관측 데이터는 항법 위성 및 저궤도 위성의 의사 거리 관측 데이터, 항법 위성 및 저궤도 위성의 반송파 위상 관측 데이터 및 항법 위성 및 저궤도 위성의 도플러 관측 데이터 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유저 수신기가 항법 위성의 항법 직발송 신호, 저궤도 위성의 항법 직발송 신호 및 상기 저궤도 위성의 항법 강화 정보에 근거하여, 정밀 측위, 속도 측정 및 시보를 진행할 경우, 상기 유저 수신기의 처리모드는 저궤도 위성 강화의 모호성 플로트 솔루션 모드 또는 저궤도 위성 강화의 모호성 결정 전산 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 복수의 궤도면에 분포되고 글로벌 또는 특정 서비스 구역에 안정적으로 도달되도록 설정되는 복수의 저궤도 위성을 포함하는 저궤도 군집 위성,
    업무 산출 처리를 진행하고, 위성 및 군집 위성을 제어 관리하도록 설정되는 지면 작동 제어 시스템, 및
    항법 위성 및 저궤도 위성에서 각각 브로드캐스팅하는 항법 직발송 신호 및 저궤도 위성에서 브로드캐스팅하는 항법 강화 정보를 수신하고, 상기 항법 위성의 항법 직발송 신호, 저궤도 위성의 항법 직발송 신호 및 상기 저궤도 위성의 항법 강화 정보에 근거하여, 정밀 측위, 속도 측정 및 시보를 진행하도록 설정되는 유저 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 항법 강화 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 저궤도 군집 위성 중의 저궤도 위성에 고정확도 주파수 기준이 배치되어, 실시간으로 글로벌 항법 위성 시스템 GNSS 항법 위성 관측 정보를 수신하고, 항법 강화 정보를 휴대하는 항법 직발송 신호를 생성하고 브로드캐스팅하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 지면 작동 제어 시스템은 중앙 제어국, 송신국 및 감시국을 포함하고, 상기 중앙 제어국, 상기 송신국, 상기 감시국 및 상기 저궤도 군집 위성 중의 저궤도 위성은 위성과 지상국 간의 일체화 시스템을 구성하며, 상기 위성과 지상국 간의 일체화 시스템의 작동 과정은 이하와 같고,
    상기 감시국에서 GNSS 위성 및 상기 저궤도 위성 관측 정보를 수집하고, 수집한 상기 GNSS 위성 및 저궤도 위성 관측 정보를 상기 중앙 제어국에 전송하며,
    상기 중앙 제어국은 자체 위치 정보 및 여러 종류의 관측 정보에 근거하여, 상기 항법 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋 강화 정보 및 상기 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋을 생성하고, GNSS 강화 정보 및 저궤도 위성 항법 정보를 편성 형성하며, 상기 GNSS 강화 정보 및 상기 저궤도 위성 항법 정보를 상기 송신국에 전송하고,
    상기 송신국은 상기 GNSS 강화 정보 및 상기 저궤도 위성 항법 정보를 상기 저궤도 위성에 전송하며,
    상기 저궤도 군집 위성 중의 저궤도 위성은 상기 GNSS 강화 정보 및 상기 저궤도 위성 항법 정보를 수신한 후, 상기 저궤도 위성 정밀 클록 오프셋을 산출 및 예보하고, 상기 저궤도 위성 정밀 클록 오프셋을 편성하여 항법 메시지를 형성하며, 항법 직발송 신호를 유저에게 브로드캐스팅하고,
    유저 수신기가 항법 위성 신호 및 저궤도 위성 신호를 수신하여 계측을 진행하며, 고정확도 측위, 속도 측정 및 시보 전산을 진행하도록 항법 강화 정보 및 저궤도 위성 항법 메시지를 해석하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 시스템은 일체화의 위성 간 네트워크를 구축하고, 여러 종류의 정보를 통일적으로 전송하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 중앙 제어국은,
    상기 중앙 제어국 자체 위치 정보, 수집한 저궤도 위성의 위성 탑재 수신기 데이터 및 상기 감시국 GNSS 위성 및 저궤도 위성의 관측 데이터에 근거하여, GNSS 위성의 정밀 궤도 및 클록 오프셋 보정수를 산출하도록 설정되는 제1 산출유닛,
    자체 위치 정보, 수집한 저궤도 위성의 위성 탑재 수신기 데이터 및 감시국 GNSS 위성 및 저궤도 위성의 관측 데이터에 근거하여, 시스템 시간 기준을 산출하고, 상기 시스템 시간 기준에 근거하여 상기 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋 및 GNSS 상대 클록 오프셋을 산출하도록 설정되는 제2 산출유닛, 및
    상기 GNSS 위성의 정밀 궤도 및 클록 오프셋 보정수 및 상기 저궤도 위성의 정밀 궤도 및 정밀 클록 오프셋에 근거하여, 각각 항법 메시지를 생성하고, 상기 항법 메시지를 송신국에 전송하여 저궤도 위성에 주입하도록 설정되는 정보 편성유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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