阅读说明：本技术 一种基于低轨星座监测gnss信号与播发gnss频段导航增强信号的导航增强系统 (Navigation enhancement system based on low-orbit constellation monitoring GNSS signal and broadcasting GNSS frequency band navigation enhancement signal ) 是由 边朗 蒙艳松 严涛 王瑛 张蓬 刘玉洁 雷文英 贾亦哲 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：一种基于低轨星座监测GNSS信号与播发GNSS频段导航增强信号的导航增强系统,包括：低轨星座、运控系统、导航终端；运控系统,对导航信号进行监测接收,获取导航信号的监测数据,并将监测得到的监测数据回传至运控系统；运控系统,根据低轨星座回传的监测数据和运控系统监测的监测数据,生成四大GNSS系统的导航卫星和低轨星座各自的轨道、钟差、码偏差(DCB)和载波相位偏差(FCB)的改正参数,进行组帧,得到导航增强数据,上注给低轨卫星,将播发数据进行调制编码后形成导航增强信号,广播给导航终端；导航终端,进行高精度的定位、测速和授时解算,解决了同频收发问题,并实现低轨导航增强。(A navigation enhancement system based on low earth orbit constellation monitoring GNSS signals and broadcasting GNSS frequency band navigation enhancement signals comprises: a low orbit constellation, an operation control system and a navigation terminal; the operation control system monitors and receives the navigation signals, acquires monitoring data of the navigation signals and transmits the monitoring data obtained by monitoring back to the operation control system; the operation control system generates correction parameters of respective orbit, clock error, code Deviation (DCB) and carrier phase deviation (FCB) of a navigation satellite and a low-orbit constellation of four GNSS systems according to the monitoring data returned by the low-orbit constellation and the monitoring data monitored by the operation control system, frames the correction parameters to obtain navigation enhancement data, and the navigation enhancement data is injected to the low-orbit satellite, and forms a navigation enhancement signal after modulation and coding the broadcast data and broadcasts the navigation enhancement signal to a navigation terminal; the navigation terminal carries out high-precision positioning, speed measurement and time service calculation, solves the problem of same-frequency receiving and transmitting and realizes low-orbit navigation enhancement.)

一种基于低轨星座监测GNSS信号与播发GNSS频段导航增强信 号的导航增强系统

技术领域

本发明涉及一种基于低轨星座监测GNSS信号与播发GNSS频段导航增强信号的导航增强系统，即一种基于多导航信号的导航增强系统，属于卫星导航增强技术领域。

背景技术

当前是北斗卫星导航系统由区域向全球过渡的关键时期，然而北斗导航信号受国际规则限制落地功率低，易被干扰和阻断，在复杂环境下应用能力不足；国土疆域限制及其他政治因素导致全球难以均匀建站，使得军民信号全球连续监测难以实现；高精度GNSS服务需求从区域向全球拓展，仅依靠卫星导航系统难以满足快速的高精度定位、测速和授时解算。在此背景下国内外多家机构提出了基于低轨通信星座或发展专用星座开展低轨导航增强系统的研究，目前绝大多数公开的专利与文章集中于对当前低轨星座DOP的分析、高中低地联合精密定轨与钟差确定、低轨星座播发双频信号加速PPP快速收敛性能分析等。低轨导航增强要走向应用，并减轻用户终端的成本，其播发的导航增强信号有必要在当前GNSS频段内，以减轻用户终端成本，因此，本质上是要建立一个同时监测GNSS信号，并播发与GNSS同频导航信号的低轨导航增强系统。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于低轨星座监测GNSS信号与播发GNSS频段导航增强信号的导航增强系统，解决了同频收发干扰问题，并解决了全球低轨卫星导航增强的问题，可应用于未来我国低轨导航增强系统。

本发明解决的技术方案为：一种基于低轨星座监测GNSS信号与播发GNSS频段导航增强信号的导航增强系统，其特征在于包括：低轨星座、运控系统、导航终端；

运控系统，对北斗导航系统、GPS、GLONASS、GALILEO这四大GNSS系统的民用导航信号进行监测，获取导航信号的监测数据，包括：伪距、载波相位、导航电文；

低轨星座配置的导航增强载荷对北斗导航系统、GPS、GLONASS和GALILEO这四大GNSS系统的民用导航信号和/或北斗导航系统B1、B3频段的军用导航信号进行监测接收，获取各导航信号的监测数据，包括：伪距、载波相位和导航电文，并将监测得到的监测数据回传至运控系统；

运控系统，根据低轨星座回传的监测数据和运控系统监测的监测数据，生成四大GNSS系统的导航卫星和低轨星座各自的轨道、钟差、码偏差(DCB)和载波相位偏差(FCB)的改正参数，将生成的四大GNSS系统的导航卫星和低轨星座各自的轨道、钟差、码偏差(DCB)和载波相位偏差(FCB)的改正参数与低轨星座的导航电文进行组帧，得到导航增强数据，上注给低轨卫星，低轨卫星将播发数据进行调制编码后形成导航增强信号，广播给导航终端；

导航终端，同时接收四大GNSS系统的民用导航信号和低轨卫星广播的导航增强信号；根据四大GNSS系统的民用导航信号和低轨卫星广播的导航增强信号，进行导航终端的高精度的定位、测速和授时解算。

优选的，低轨星座，包括多个低轨卫星，按照walker星座构型分布，保证对导航卫星的全球覆盖；进一步卫星轨道高度优选为1150km。

优选的，导航信号的监测数据，包括：导航信号的伪距、载波相位、导航电文。

优选的，导航电文，包括：钟差、轨道、卫星健康信息。

优选的，低轨星座的导航电文，是指：低轨卫星的卫星号、钟差、轨道、卫星健康信息。

优选的，低轨星座上的每个低轨卫星上设有导航增强子系统，能够监测四大GNSS系统的民用导航信号，并且播发导航增强信号。

优选的，导航增强子系统，包括GNSS天线、LNA、导航增强处理机、导航增强发射组件、导航增强发射天线；

当导航增强子系统用于接收信号时，导航增强子能够接收四大GNSS系统的民用导航信号，送至LNA进行低噪声放大后，送至导航增强处理机，由导航增强处理机进行伪距、载波相位的解算，并进行导航电文的解调，得到伪距、载波相位的测量值和导航电文，送至卫星平台(低轨卫星，包括：卫星平台、卫星载荷)，卫星平台通过星地链路，送至运控系统，实现对四大GNSS系统的民用导航信号的监测和回传；

当导航增强子系统用于发送信号时，导航增强处理机接收运控系统上注的导航增强数据，对导航增强数据进行调制编码后送至导航增强发射组件，由导航增强发射组件依次进行放大、滤波后形成导航增强信号送至导航增强发射天线，由导航增强发射天线对导航终端进行广播；

优选的，低轨卫星，包括：卫星平台、卫星载荷；卫星载荷包括导航增强子系统；卫星平台，具有星地链路，能够将在轨接收并处理的GNSS信号回传地面；卫星载荷，具有接收四大GNSS系统民用导航信号、解算伪距和载波相位、解调导航电文、接收处理并播发导航增强数据等功能；

优选的，地面运控系统位于中国境内。

优选的，运控系统，包括：国内监测站、数据处理中心、信关站，国内监测站采集低轨卫星下发的观测数据发送给数据处理中心，数据处理对观测数据进行处理生成增强信息，信关站进行增强信息的上注。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用低轨卫星在空间段接收监测GNSS信号，减少地面监测站的布设的同时实现对导航卫星的连续监测。

(2)本发明通过设计信号播发方式，实现了GNSS信号的同频收发，节约了用户终端的花费。

(3)本发明设计的低轨导航增强系统，能够实现用户端的实时高精度定位、测速和授时解算。

附图说明

图1为本发明的系统原理图；

图2为本发明的低轨导航增强子系统的原理框图；

图3为本发明能量恒定时域压缩准连续信号播发示意图；

图4为本发明低轨星座设计示意图；其中(a)表示低轨卫星数为9的低轨星座示意图；(b)表示低轨卫星数为54的低轨星座示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种基于低轨星座监测GNSS信号与播发GNSS频段导航增强信号的导航增强系统，包括：低轨星座、运控系统、导航终端；运控系统，对导航信号进行监测接收，获取导航信号的监测数据，并将监测得到的监测数据回传至运控系统；运控系统，根据低轨星座回传的监测数据和运控系统监测的监测数据，生成四大GNSS系统的导航卫星和低轨星座各自的轨道、钟差、码偏差(DCB)和载波相位偏差(FCB)的改正参数，进行组帧，得到导航增强数据，上注给低轨卫星，将播发数据进行调制编码后形成导航增强信号，广播给导航终端；导航终端，进行高精度的定位、测速和授时解算,解决了同频收发问题，并实现低轨导航增强。

北斗导航信号落地功率低，易被干扰和阻断，在复杂环境下应用能力不足；国土疆域限制及其他政治因素导致全球难以均匀建站，使得军民信号全球连续监测难以实现；现代GNSS高精度服务需求以及我国全球战略的实施需要高精度服务从区域向全球拓展。面对这样的现状，低轨增强成为解决这些问题的有效途径。然而，低轨导航增强要走向应用，并减轻用户终端的成本，其播发的导航增强信号有必要在当前GNSS频段内，以减轻用户终端成本，因此，本质上是要建立一个同时监测GNSS信号，并播发与GNSS同频导航信号的低轨导航增强系统。本发明提出了一种基于低轨星座监测GNSS信号与播发GNSS频段导航增强信号的系统与方法，并解决同频收发问题，该系统与方法可应用于未来我国低轨导航增强系统。

本发明一种基于低轨星座监测GNSS信号与播发GNSS频段导航增强信号的导航增强系统，包括：低轨星座、运控系统、导航终端；运控系统，对北斗、GPS、GLONASS、GALILEO这四大GNSS系统的民用导航信号进行监测，获取导航信号的监测数据，包括：伪距、载波相位、导航电文；低轨星座配置的导航增强载荷对北斗、GPS、GLONASS和GALILEO这四大GNSS系统的民用导航信号，和(或)北斗B1、B3频段的军用导航信号进行监测接收，获取导航信号的监测数据，包括：伪距、载波相位和导航电文，并将监测得到的监测数据回传至运控系统；运控系统，根据低轨星座回传的监测数据和运控系统监测的监测数据，生成四大GNSS系统的导航卫星和低轨星座各自的轨道、钟差、码偏差(DCB)和载波相位偏差(FCB)的改正参数，将生成的四大GNSS系统的导航卫星和低轨星座各自的轨道、钟差、码偏差(DCB)和载波相位偏差(FCB)的改正参数与低轨星座的导航电文进行组帧，得到导航增强数据，上注给低轨卫星，低轨卫星将播发数据进行调制编码后形成导航增强信号，广播给导航终端；导航终端，同时接收四大GNSS系统的民用导航信号和低轨卫星广播的导航增强信号；根据四大GNSS系统的民用导航信号和低轨卫星广播的导航增强信号，进行高精度的定位、测速和授时解算,解决了同频收发问题，并实现我国低轨导航增强。

本发明，低轨星座卫星优选方案为：轨道高度1150km，按照walker星座构型分布，保证对导航卫星的全球覆盖，低轨卫星之间具备星间链路，能够进行数据通信。低轨卫星配置的导航增强载荷主要完成北斗、GPS、GLONASS和GALILEO四系统民用信号，和(或)北斗B1、B3军用信号的监测接收，并将监测得到的伪距、载波相位等观测值信息回传地面，如图1所示；

空间段的低轨卫星为低成本实现低轨卫星的时频基准的建立与维持，采用可调谐高稳晶振作为星上的频率源，卫星配置GNSS监测接收机，并利用GNSS信号观测数据对高稳晶振进行驯服，使得晶振长期的稳定度驯服到GNSS上，在低轨卫星上通过高稳晶振+GNSS驯服等效实现原子钟性能，建立高精度时频基准。

低轨导航增强载荷主要由GNSS天线及LNA、导航增强处理机、导航增强发射组件及导航增强发射天线组成，如图2所示。其中，导航增强处理机完成GNSS信号接收处理及下行导航增强信号生成功能，导航增强发射组件主要由滤波器和功放组成，完成滤波及放大功能。导航增强载荷播发导航增强信号和导航增强信息，具体播发信号的频段在GNSS频段内可以选配，如播发军用导航增强信号需与北斗B1和B3军用信号处于同一频段。

本发明中所述的接收北斗、GPS、GLONASS和GALILEO四系统民用信号，可以是接收四系统的民用信号，也可以是接收部分系统的部分民用信号，北斗、GPS、GLONASS和GALILEO四系统民用导航信号的频段和信号分量如表1所示：

表1四大GNSS民用信号频段及其信号分量表

本发明中所述的播发导航增强信号和导航增强信息，其中至少有一个信号位于以上GNSS频段，或两个信号均位于GNSS频段。该信号为能量恒定时域压缩准连续信号体制，同时低轨卫星配置的监测接收机在不发射导航增强信号的时隙监测四大GNSS导航卫星发射的导航信号，如图3所示；

运控系统，包括地面监测站系统、数据处理中心以及信关站。地面监测站系统主要实现对四大GNSS导航信号进行监测，获取导航信号的伪距、载波相位测量值等监测数据，同时将监测数据送给数据处理中心，由数据处理中心综合处理低轨卫星回传的GNSS监测数据和地面监测站传送的GNSS监测数据，生成四大GNSS系统导航卫星和低轨卫星的轨道、钟差、码偏差(DCB)和载波相位偏差(FCB)改正参数，然后组帧通过关口站上注给低轨卫星，低轨卫星再广播给用户，如图1所示。

导航终端，包括GNSS导航信号和低轨卫星增强信号的接收和处理模块，通过联合接收GNSS导航信号和低轨卫星播发的双频导航增强信号和导航增强信息进行高精度的定位、测速和授时解算，低轨卫星具有运动快的特征，加入导航解算之后可以加速PPP的快速收敛。

运控系统，根据低轨星座回传的监测数据和运控系统监测的监测数据，生成四大GNSS系统的导航卫星和低轨星座各自的轨道、钟差、码偏差(DCB)和载波相位偏差(FCB)的改正参数，优选方案如下，但不限于以下方法：

(1)轨道改正数优选采用的计算方式为：

其中，δx、δy、δz和为地心地固坐标系下位置和速度的修正量在x、y、z三轴下的分量，t为用户观测时刻；t₀为卫星轨道改正参考时刻。

(2)钟差修正采用消电离层的非差组合相位和伪距观测值，其误差方程优选为：

其中：r为测站号，s为卫星号，i为观测历元，c为光速，dt_r(i)为接收机钟差，dt^s(i)为卫星钟差，

为对流层延迟误差，

为站星间无电离层组合实数模糊度，

为多路径、噪声等为模型化误差，

为相应卫星、测站的无电离层组合观测值，

为残差，为信号发射时刻的卫星位置到信号接收时刻接收机位置之间的几何距离。

(3)码偏差(DCB)的确定优选方案如下：

其中，

为信号频率为f_a、f_b在k时刻的平滑观测值，

VTEC_IPP为穿刺点处的天顶方向电离层总电子含量，f_a表示信号a的频率，f_b表示信号b的频率。

R为地球半径，H_ion为单层模型高度，z为测站天顶距，α＝0.9782。

(4)载波相位偏差(FCB)确定优选方案如下：

对连续观测弧段，宽巷模糊度进行平滑有：

其中，

为MW组合计算得到的实数宽巷模糊度，为原始宽巷模糊度的整数周与来自接收机和卫星端的相位偏差的整数部分之和；F_i、Fk分别为接收机端和卫星端的宽巷组合相位偏差的小数部分，即接收机端与卫星端宽巷载波相位的FCB，< >为平滑运算符号。在上式基础上进行星间差，从而消去了接收机端FCB的影响，然后使用均值法估计星间单差FCB。

导航终端，同时接收四大GNSS系统的民用导航信号和低轨卫星广播的导航增强信号；根据四大GNSS系统的民用导航信号和低轨卫星广播的导航增强信号，进行导航终端的高精度的定位、测速和授时解算，优选方案如下：

(1)定位、授时计算原理式优选为

其中，G为几何矩阵，(Δx,Δy,Δz)为地心地固坐标系下接收机在相邻两个观测时刻的坐标变化量在x、y、z三轴下的分量，Δδt_u为接收机钟差，b为测量值残余向量，进行多次迭代即可得到高精度的定位和授时结果。

(2)测速原理式优选为

其中，G为几何矩阵，(v_x,v_y,v_z)为地心地固坐标系下接收机速度在x、y、z三轴下的分量，Δf_u为接收机时钟频漂，

为变化率测量值残余向量，

为噪声。

导航增强信号采用能量恒定时域压缩准连续信号体制，从时域上看是一个脉冲信号，并在不播发导航增强信号的时隙进行四大GNSS系统导航信号的接收，通过时分复用的方法解决同频收发信号隔离的问题，如图3所示。

原始的基带扩频调制将编码后的电文与伪码调制在一起。电文d(t)∈{1,-1}，符号速率为Rs，符号宽度为Ts＝1/Rs；信号伪码生成器生成的伪码序列为{cl}，cl∈{1,-1}，l＝0,1,2,…，码速率为Rc，码片宽度为Tc＝1/Rc。

对码序列进行码片波形赋形，得到伪码波形：

将C(t)在时域上按照码片宽度T_c进行分组，每N个码片分为一组，N为1,2,…最大码片数量的任意整数，N个码片中连续有M个码片被选通，其余不被选通，M为0,1,2,…N中任意整数，后面N-M个码片的功率集中在前面M个码片上，这样就可以保证能量恒定时域压缩准连续信号体制信号与连续体制信号相比平均功率不变。

GNSS信号的捕获、跟踪、测距和解调等接收处理工作在不发送准连续信号的时隙内完成，从而通过收发分时解决同频隔离的问题。

低轨卫星通过播发地面上注的四大GNSS系统导航卫星和低轨卫星的轨道、钟差、码偏差(DCB)和载波相位偏差(FCB)改正参数帮助用户实现实时高精度定位、测速和授时解算，播发信号通过时分复用的方法解决同频收发信号隔离的问题，并且由于低轨卫星轨道高度低，落地功率大，能够实现对用户的导航信号增强。

低轨卫星的数量影响了导航增强的效果，分别设计了低轨卫星数为9、54两种场景进行导航增强收敛时间仿真计算，星座按照前文要求进行规划，如图4(a)、(b)所示，计算结果如表2所示。

对于固定位置的测站，单纯依靠北斗卫星的精密定位(30cm)收敛时间很长，加入本发明所设计的低轨增强系统后，定位收敛时间显著降低，达到了导航增强的目标，使精密定位能够进入实际应用场景。并且随着低轨卫星数目的增加，精密定位收敛时间也显著降低。

表2低轨增强北斗精密定位收敛时间(30cm)表

本发明设计了一种基于低轨星座监测GNSS信号与播发GNSS频段导航增强信号的导航增强系统，通过低轨卫星播发导航增强信息，用户终端不需要增加过多额外花费即可得到实时高精度定位、测速和授时服务，并且系统上不需要进行全球均匀设站，仅依靠国内监测站即可实现全球导航增强服务，减少了地面段花费。与北斗单系统相比，54颗低轨卫星可使精密定位收敛时间提升80％，在全球覆盖的基础上能够显著提升用户导航定位性能。

本发明系统的实现主要包括导航星座、低轨星座、地面运控系统及用户终端。导航星座包括北斗、GPS、GALILEO和GLONASS中的一个系统或一个系统以上；低轨星座可以是低轨通信星座、低轨遥感星座、低轨导航增强专用星座或其他低轨星座；低轨卫星播发GNSS频段的导航增强信号，该信号为能量恒定时域压缩准连续信号体制，同时低轨卫星配置的监测接收机在不发射导航增强信号的时隙监测四大GNSS导航卫星发射的导航信号；所述的地面监测站系统与低轨卫星配置的监测接收机构成天地一体的GNSS监测网络。为实现低轨导航增强功能，基于低轨星座监测GNSS信号与播发GNSS频段导航增强信号的导航增强系统的导航方式包括以下步骤：

步骤1：低轨卫星配置的天基监测站对北斗、GPS、GALILEO和GLONASS四系统信号进行监测，并将伪距、载波相位等观测量回传地面；

步骤2：地面数据处理中心联合接收地面监测站和天基监测站的观测数据，产生精密轨道、精密钟差等精密改正数，并将精密改正数组帧发送到低轨卫星上；

步骤3：低轨卫星接收北斗、GPS系统等信号进行时钟驯服，将本地配置的高稳晶振驯服到GNSS上，等效于本地复现原子钟性能；

步骤4：低轨卫星发射GNSS频段的导航增强信号，该信号包括了生成的GNSS卫星导航增强信息，并却播发的信号是能量恒定时域压缩准连续信号，并在不发送导航增强信号的时隙进行导航信号监测接收。

本发明的系统，能量恒定时域压缩准连续信号播发，包括以下步骤：

步骤1：导航增强处理机基带产生连续的导航增强信号；

步骤2：按导航增强信号时域压缩的要求，产生播发时隙的控制使能信号；

步骤3：利用播发时隙的控制使能信号对连续信号进行选通，同时将不播发导航增强信号时隙的能量集中到播发时隙；

本发明利用低轨卫星在空间段接收监测GNSS信号，减少地面监测站的布设的同时实现对导航卫星的连续监测，能够实现用户端的实时高精度定位、测速和授时解算，通过设计信号播发方式，实现了GNSS信号的同频收发，节约了用户终端的花费。