一种低轨卫星广播星历参数表达方法与流程

本发明涉及一种导航卫星轨道参数表达技术，尤其涉及一种低轨卫星广播星历参数表达方法。

背景技术

导航卫星进行导航和定位时，必须首先计算出导航卫星的瞬间位置和速度。卫星在轨道上的位置和速度用星历表示，卫星通过发布星历参数，为用户提供实时定位、精确导航等服务，用户根据提供的参数按固定公式计算出卫星位置和速度，称之为导航星历。

导航星历是由导航卫星向用户播发的一组包括系统时间、星历、卫星时钟的修正参数、导航卫星健康状况和电离层延时模型参数等信息的二进制代码。导航系统的监测站对卫星进行数据采集，并将采集的数据传输给主控站进行处理，得到卫星预报轨道和卫星钟改正数，对这些卫星位置和钟差改正数等信息进行编码，再由注入站将其编码信息注入给导航卫星，最终由在轨运行正常的导航卫星全天候不间断向可视用户进行播发。

广播星历是通过卫星导航系统的测轨分系统外推轨道得到，随着时间的推移，预报轨道会偏离实际轨道，导航和定位的精度降低，所以只能保证一定时间段内的精度要求。中高轨广播星历的数据每2小时更新一次，在更新历元的前后各一小时范围内，卫星位置可达到米级精度。

在基于低轨星座的导航增强系统中，低轨卫星也将作为导航定位基准，广播导航星历。然而，现有的传统导航卫星广播星历对低轨卫星轨道存在较大的表示误差，并不适用于低轨卫星。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提出一种兼容传统中高轨导航卫星星历的低轨卫星广播星历参数表达方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种低轨卫星广播星历参数表达方法，包括：

步骤1，基于低轨卫星精密轨道进行广播星历参数拟合，广播星历参数采用兼容导航卫星广播星历的表达方法，在原有参数基础上增加卫星轨道长半轴变率、平均运动角速度变率、纬度幅角三分之一周正弦和余弦调和改正系数，以吸收低轨卫星轨道周期性摄动；

步骤2，采用导航卫星导航电文编排格式中保留位置进行轨道长半轴变率、平均运动角速度变率、纬度幅角三分之一周正弦和余弦调和改正系数表达。

根据一种实施方式，导航卫星广播星历参数包括星历参考时间、参考时刻的平近点角、偏心率、半长轴的平方根、参考时刻的升交点经度、参考时刻的轨道倾角、近地点角距、平均角速度改正、升交点赤经变化率、倾角的变化率、纬度幅角的正弦和余弦调和改正系数、轨道向径的正弦和余弦调和改正系数、以及轨道倾角的正弦和余弦调和改正系数。

根据一种实施方式，卫星轨道长半轴变率、平均运动角速度变率、纬度幅角的三分之一周正弦和余弦调和改正系数可利用导航卫星电文不同保留位置进行表示。

同时，对低轨卫星的导航星历采用bch(15,11,1)方式进行纠错编码，与中高轨导航卫星电文保持一致。

与现有技术相比，本发明技术方案主要的优点如下：

1)针对低轨卫星的拟合轨道误差规律，增加了卫星轨道长半轴变率、平均运动角速度变率、纬度幅角三分之一周正弦和余弦调和改正系数，吸收低轨卫星轨道误差；

2)充分顾及了现有适合中高轨导航卫星(美国gps、中国北斗bds、欧盟galileo、日本qzss)的星历格式，只需要增加额外的4个参数即可与中高轨卫星星历实现兼容；

3)在电文编排方面，利用了中高轨导航卫星星历中的保留字段，简单方便，对低轨卫星的导航星历采用bch(15,11,1)方式进行纠错编码，使描述低轨卫星轨道的星历电文结构与描述中高轨卫星轨道的星历电文结构保持一致。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的低轨卫星广播星历参数表达方法的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的导航星历的电文帧格式；

图3为本发明实施例提供的新增星历参数在电文中的编排位置示意图；

图4示为本发明实施例提供的对低轨卫星的导航星历进行纠错编码的方法流程图；

图5为本发明实施例提供的纠错编码方式中bch编码的方法流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本发明一个实施例的低轨卫星广播星历参数表达方法包括如下步骤：

步骤s1，基于低轨卫星精密轨道进行广播星历参数拟合，所述广播星历参数采用兼容导航卫星广播星历的表达方法，在原有参数基础上增加卫星轨道长半轴变率、平均运动角速度变率、纬度幅角三分之一周正弦和余弦调和改正系数，以吸收低轨卫星轨道周期性摄动；

具体的，在所述步骤s1之前还包括附图中未示出的步骤s0；

步骤s0，计算出一个低轨道卫星的轨迹。

由于低轨道卫星所处的空间环境十分复杂，除了受到通常在二体问题中所考虑的地心引力外，还要受地球的非球形引力、大气阻力、日月引力、太阳光压等多种摄动因素的影响，因而低轨卫星运动轨迹实际上是很复杂的空间曲线，这决定了低轨道卫星定轨问题的复杂性。本发明提取其中主要的摄动力影响因素，是低轨卫星导航电文轨道精确表述的基础。

其中，基于低轨卫星精密轨道进行广播星历参数拟合的具体实现为：根据低轨道卫星的轨迹，计算出描述低轨道卫星轨道的模型的各个参数，其中包括长半轴变率、平均运动角速度变率、纬度幅角的三分之一周正弦和余弦调和改正系数。

针对传统导航卫星的16个参数的广播星历对低轨卫星的轨道拟合残差，得知在卫星轨道的切向存在较大的拟合误差，且拟合残差具有一定的周期性摄动，因此需要额外增加参数吸收其轨道误差。进而考虑增加长半轴变率、平均运动角速度变率两个参数、并在升交距角方向增加两个三分之一周的周期项摄动吸收上述误差，将低轨卫星的拟合参数设置为20个。

利用导航卫星的导航星历对低轨卫星的拟合轨道误差规律，创造性地增加纬度幅角的三分之一周正弦和余弦调和改正系数，吸收低轨卫星轨道误差在升交距角方向增加两个三分之一周的周期项摄动。因此，描述低轨道卫星的轨道的各个模型参数包括星历参考时间te0、参考时刻的平近点角m0、偏心率e、半长轴的平方根参考时刻的升交点经度ω0、参考时刻的轨道倾角i0、近地点角距ω、平均角速度改正δn、升交点赤经变化率倾角的变化率di/dt、长半轴变率平均运动角速度变率纬度幅角的正弦和余弦调和改正系数cus,cuc、轨道向径的正弦和余弦调和改正系数crs,crc、轨道倾角的正弦和余弦调和改正系数cis,cic、以及纬度幅角的三分之一周正弦和余弦调和改正系数cus2,cus2。

其中，参考时刻的平近点角m0、偏心率e、半长轴的平方根参考时刻的升交点经度ω0、参考时刻的轨道倾角i0、以及近地点角距ω这6个参数是基本轨道参数，即开普勒轨道根数；平均角速度改正δn、升交点赤经变化率倾角的变化率di/dt、长半轴变率平均运动角速度变率纬度幅角的正弦和余弦调和改正系数cus,cuc、轨道向径的正弦和余弦调和改正系数crs,crc、轨道倾角的正弦和余弦调和改正系数cis,cic、以及纬度幅角的三分之一周正弦和余弦调和改正系数cus2,cus2这13个参数是摄动改正量。

针对中高轨卫星16个参数的广播星历，其计算轨道长半轴、平均运动角速度、升交距角的摄动项公式为：

δu＝cuccos2u+cussin2u

针对低轨卫星，新设计的20个参数的广播星历，其计算轨道长半轴、平均运动角速度、升交距角的摄动项公式为：

δu＝cuccos2u+cussin2u+cuc2cos6u+cussin6u

步骤s2，采用导航卫星导航电文编排格式中保留位置进行轨道长半轴变率、平均运动角速度变率、纬度幅角三分之一周正弦和余弦调和改正系数表达。

增加的4个参数可以充分利用现有中高轨导航星历中预留字段，无需修改现有的导航星历格式，对用户来说解析方便，具有很好的兼容性。现有的导航系统仍然生成16个参数的导航星历并通过导航卫星广播，低轨卫星生成如上所述的20个参数的导航星历并通过低轨卫星广播，接收机如果接收到现有中高轨导航卫星的广播星历可以解得现有导航卫星的较准确位置和速度，如果接收到低轨卫星的广播星历也可以解得低轨卫星的较准确位置和速度，从而用于接收机定位和测速。

本发明采用兼容导航卫星广播星历表达方法，利用卫星轨道长半轴变率、平均运动角速度变率、纬度幅角三分之一周正弦和余弦调和改正系数吸收低轨卫星轨道周期性摄动；以及采用导航卫星导航电文编排格式中保留位置进行轨道长半轴变率、平均运动角速度变率、纬度幅角三分之一周正弦和余弦调和改正系数表达，不改变电文结构和原有内容。充分利用现有中高轨导航卫星星历设计和表达方法，实现低轨卫星星历与中高轨卫星导航星历的参数兼容和表达方式统一，降低用户综合使用中高轨导航卫星和低轨卫星星历的复杂性

导航电文的播发遵循严谨的电文结构，本发明一个实施例的导航电文由超帧、主帧和子帧组成。每个超帧为36000比特，历时12分钟，每个超帧由24个主帧组成；每个主帧为1500比特，历时30秒，每个主帧由5个子帧组成；每个子帧为300比特，历时6秒，每个子帧由10个字组成；每个字为30比特，历时0.6秒。每个字由导航电文数据及校验码两部分组成。导航星历包含在导航电文的两个子帧中，其电文帧格式如图2所示。每个子帧第1个字的前15比特信息不进行纠错编码，后11比特信息采用bch(15,11,1)方式进行纠错，第1个字的信息位共26比特；其他9个字均采用bch(15,11,1)加交织方式进行纠错编码，其他9个字每个字的信息位共22比特。对于新增加的4个星历参数，可以利用子帧5的预留页面进行编排播发，其具体编排位置参见图3。

如图4所示，对低轨卫星的导航星历进行纠错编码的方法包括如下步骤：

步骤1，确定bch(15,11,1)的生成多项式：g(x)＝x⁴+x+1；

步骤2，将导航星历数据码按照11比特顺序分组；

步骤3，对步骤42中的前后两组数据码分别进行bch(15,11,1)的纠错编码；

步骤4，对步骤43中的前后两组bch码按1比特顺序进行交织输出，组成30比特码长的交织码。其中步骤43中的bch编码，可按照图5的流程进行，其具体流程为：

(1)初始化编码器，将4级移位寄存器d0、d1、d2和d3设置为全0，门1开，门2关；

(2)位移输入11比特的信息组，信息组分成两路，一路经过或门直接输出，另一路进入g(x)除法电路；

(3)经11次移位后11比特信息组全部送入电路，此时移位寄存器内保留的即为校验位；

(4)门1关，门2开；

(5)再进行4次移位，将移位寄存器的校验位全部输出，与原先的11比特信息组成一个长为15比特bch码。

(1)～(5)即为完整的bch(15，11，1)编码流程，重复该流程即可实现对导航星历数据码的bch编码。

本发明在全面分析和考察现有中高轨导航星历轨道表述的基础上，创造性地提出了针对低轨卫星的导航星历及其编排方法，新的导航星历将兼顾高中低轨道卫星，在计算导航卫星位置的应用上用户可以非常方便的实现从现有的中高轨导航卫星系统过渡到中高低轨导航卫星系统。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。