一种低轨导航增强精密改正数据生成、上注系统及方法与流程

本发明涉及导航增强技术领域，尤其是涉及一种低轨导航增强精密改正数据生成、上注系统及方法。

背景技术：

全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem，gnss)，特别是美国的gps系统、俄罗斯的glonass系统、欧洲galileo系统和中国北斗系统，已在全球实现了广泛应用，为各领域用户提供导航定位服务。但随着应用的推广，当前高精度测绘、精密农业、交通物流运输、航空管理等领域对导航定位精度、可用性、完好性要求越来越高，传统gnss系统已不能满足需求。

在当前导航领域，igs组织利用全球400多个跟踪监测站的观测数据，解算出gnss事后/实时精密轨道和精密钟差产品，然后基于ntrip协议通过internet播发。

导航接收机通过接收gnss精密轨道和精密钟差产品，可实现导航定位精度的提高，最高单点定位精度可达厘米级，但导航接收机在很多应用场景无法通过互联网获取精密数据，比如低轨导航增强卫星系统所有卫星的星上gnss接收机，若要实现厘米级定位，则必须通过其他通信链路获取到地面的gnss精密轨道产品和精密钟差产品，一般系统采用低轨星间链路方式，通过地面站上注至其中一颗卫星，然后通过同轨间星间链路和异轨间星间链路传输至星座系统每颗卫星。

当前适用于微纳卫星的星间通信终端成熟度低，另外星间链路的加入，对低轨微纳卫星平台供电能力和承载能力的要求提高，现有技术及研究还提出了星间数据高效传输路由的需求等，极大提高了低轨星座系统的复杂度，系统建设成本增大，系统可靠性降低。此外，当前gps系统实时精密数据的产生基于全球400多个跟踪监测站，但北斗系统地面跟踪监测站数量少且无法全球分布。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低轨导航增强精密改正数据生成、上注系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种低轨导航增强精密改正数据生成、上注系统，该系统包括：gnss卫星、低轨导航增强卫星、三颗均布的地球静止轨道通信卫星以及位于地面上的gnss监测站、地面数据处理中心站、卫星测控站和三个均布在地球表面上业务数据上注站；

所述的gnss卫星用于将导航信号发送给低轨导航增强卫星及gnss监测站，所述的低轨导航增强卫星作为低轨星，其上设有星上导航监测接收机，用于接收gps、glonass、galileo、北斗系统信号，将包括相应伪码测距信息pi、载波相位测量信息li在内的原始观测数据通过数传实时传输至卫星测控站，低轨导航增强卫星上搭载有导航增强载荷，所述的地面数据处理中心站结合gnss监测站获取的监测数据和卫星测控站获取的低轨星上监测数据，处理生成ssr数据，生成的ssr数据评估后通过互联网传输至三个业务数据上注站，三个业务数据上注站分别通过上注通道传输至三颗作为高轨星的地球静止轨道通信卫星上并播发，所述的低轨导航增强卫星接收地球静止轨道通信卫星播发的ssr数据，利用导航增强载荷对上注的ssr数据进行处理，生成增强导航信号并发送，进而完成高精度定轨、低轨导航增强信息生成。

优选地，所述的ssr数据包括实时精密轨道产品数据和实时精密钟差产品数据。

优选地，所述的星上导航监测接收机为高动态多模多频接收机，所述的卫星测控站配有用以实现一个站对多颗星的同时数据接收的多个反射面天线或数字多波束天线。

一种低轨导航增强精密改正数据生成、上注方法，该方法具体包括如下步骤：

s1、地面数据处理中心站通过互联网实时获取gnss监测站的监测数据及卫星测控站接收的低轨星上监测数据；具体步骤为：

101)gnss监测站获取gnss监测数据，具体包括目标gnss系统双频/三频伪码测距信息、载波相位测量信息。

102)卫星测控站通过卫星数传链路接收星上导航监测接收机的原始监测数据，包括目标gnss系统双频/三频伪码测距信息、载波相位测量信息。

103)gnss监测站将获取gnss监测数据发送至地面数据处理中心站，卫星测控站通过互联网/专线将获取的原始监测数据传输至地面数据处理中心站。

s2、地面数据处理中心站处理生成实时ssr数据，具体包括实时精密轨道产品数据和实时精密钟差产品数据。具体包括以下步骤：

201)地面数据处理中心站对获取的所有原始监测数据进行数据预处理，实现对载波相位观测值的周跳探测。

采用mw组合及tecr探测并修复周跳，即：

利用伪距和相位构建m-w组合，从而宽巷模糊度nwl的计算式为：

式中，f1和f2为对应的载波频率，φ1和φ2分别为不同频率上的相位观测值，p1和p2分别为不同频率上的伪距观测值，lwl为宽巷组合，λwl为宽巷波长；

当nwl(k)满足下式时，则认为历元k发生了周跳：

式中，为宽巷模糊度的平均值，σ²为宽巷模糊度的方差；

利用电离层变化率探测观测值周跳，在短时间内，tecr的值为一个常数，历元k-1的电离层的计算式为：

式中，f1和f2为对应的载波频率，bi和b^p分别为接收机端和卫星端的信号频间偏差，λ1、λ2为频率f1和f2对应的波长，n1、n2为频率f1和f2对应的模糊度，历元k的电离层tec变化率tecr的计算值为：

利用历元预测k历元的tecr，则tecr预测值的表达式为：

若当前历元的tecr计算值和tecr预测值间差异值超过阈值时，则认为该历元发生了周跳。

优选地，所述的阈值为0.15tecu。

202)根据周跳探测进行原始监测数据的修复。

203)对原始载波相位观测数据和伪距观测数据利用历元间差分估计方法得秒级更新的实时gnss钟差、轨道改正数据。

s3、数据中心站将生成的ssr数据评估后通过互联网传输至三个业务数据上注站，三个业务数据上注站分别通过上注通道传输至三颗均布的地球静止轨道通信卫星；具体包括以下步骤：

301)对实时gnss钟差、轨道改正数据进行质量控制和精度校验，校验数据产品的内符合精度和外符合精度。

302)通过质量控制和精度校验的数据同步传输至三个业务数据上注站，业务上注站根据精密钟差数据产品更新周期、精密轨道数据产品更新周期，制定合理上注电文格式，通过高轨通信卫星上行链路上注至三颗地球静止轨道通信卫星，三颗地球静止轨道通信卫星播发gnss精密数据产品。

s4、三颗地球静止轨道通信卫星将实时ssr数据进行广播播发，低轨导航增强卫星接收播发信号，完成实时ssr数据的上注。具体步骤如下：

401)低轨导航增强卫星通过对天面星载接收天线接收地球静止轨道通信卫星播发的gnss精密数据产品。

402)低轨导航增强卫星利用综合解析gnss精密数据产品，通过内部数据接口发送至低轨导航增强载荷，低轨导航增强载荷根据gnss精密数据产品数据完成高精度定轨、低轨导航增强信息生成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明利用低轨卫星全球分布的优势，可获取星上导航监测接收机数据，地面的gnss监测站监测数据，结合卫星测控站获取的低轨卫星星上监测数据联合处理生成gnss精密数据产品，与现有技术只采用地面跟踪监测站处理的传统方式比，同样精度的gnss精密数据产品本发明所需的地面跟踪监测站的数量大大减少，进而减小了系统建设成本；

(2)本发明以高轨通信卫星作为数据传输节点进行传输，可使低轨导航增强系统卫星不安装低轨星间通信终端，减轻了低轨微纳卫星平台承载、功耗压力，极大减小了低轨卫星系统复杂度，提高了系统成熟度。

附图说明

图1为本发明一种低轨导航增强精密改正数据生成、上注系统的结构示意图；

图2为本发明中观测数据数据预处理流程图；

图3为本发明实施例中五个卫星测控站的测控范围示意图；

图4为任一时刻五个卫星测控站联合可见低轨卫星数示意图；

图5为地面低轨融合gnss精密定轨示意图；

图6为三个业务数据上注站与三个地球静止轨道卫星的相对关系示意图；

图7为一天内三个高轨星对低轨星的可见弧段时间示意图；

图8为三个高轨星与低轨星可见时低轨星星下点纬度带示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明涉及一种低轨导航增强精密改正数据生成、上注系统，该系统包括gnss卫星、低轨导航增强卫星、三颗均布的地球静止轨道通信卫星以及位于地面上的gnss监测站、业务数据上注站、地面数据处理中心站和卫星测控站。gnss卫星用于将导航信号发送给低轨导航增强卫星及gnss监测站。业务数据上注站设有三个，且均布在地球表面。

gnss监测站接收gnss卫星提供的gnss实时观测数据，gnss实时观测数据经地面数据处理中心站处理后生成ssr(statespacerepresentation，状态空间表示信息)数据，具体包括实时精密轨道产品数据和实时精密钟差产品数据。

gnss监测站均有其对应的基准点，基准点坐标配合接收天线相对基准点的偏差可知接收天线相位中心的基准坐标(x基准，y基准，z基准)。gnss监测站设有监测站接收机，监测站接收机为多模多频接收机，能够接收gps、glonass、galileo、北斗系统信号，提供多系统多频点导航信号的伪距观测数据pi和载波相位观测数据li。gnss监测站能够将相应伪码测距信息pi、载波相位测量信息li等原始观测数据通过数传实时传输至地面数据处理中心站。

低轨导航增强卫星设有星上导航监测接收机，用于接收星载gnss观测数据，并将gnss观测数据发送至卫星测控站。优选地，星上导航监测接收机为高动态接收机。低轨导航增强卫星上搭载有低轨导航增强载荷。卫星测控站通过配备多个反射面天线或者数字多波束天线实现一个站对多颗星的同时数据接收，获取低轨导航增强卫星的低轨星上监测数据。低轨导航增强卫星的星上导航监测接收机同样为多模多频接收机，能够接收gps、glonass、galileo、北斗系统信号，将相应伪码测距信息pi、载波相位测量信息li等原始观测数据通过数传实时传输至卫星测控站，例如当低轨星座为4轨40颗星组成，轨道高度为1100km，太阳同步轨道时，地面建设喀什、佳木斯、上海、基律纳和智利5个地面卫星监控站，5个站测控范围示意图如图3所示，经仿真，5个地面站联合任一时刻可见低轨卫星数大于15颗，具体可见星数随时间变化如图4所示。相应地，gnss监测站设立分布在北京、拉萨、乌鲁木齐、长春、昆明、上海、武汉、西安、布宜诺斯艾利斯、阿布贾10个站。

地面数据处理中心站用于将gnss监测站获取的监测数据和卫星测控站获取的低轨导航增强卫星的低轨星上监测数据联合处理生成ssr数据。生成的ssr数据评估后通过互联网传输至全球三个业务数据上注站。地面数据处理中心站设有用以进行数据处理的主份计算机和备份计算机。

三个业务数据上注站分别通过上注通道传输至三颗均布的高轨星，即地球静止轨道通信卫星上。

地球静止轨道通信卫星用于将上注的实时ssr数据进行广播播发。低轨导航增强卫星用于接收地球静止轨道通信卫星的播发信号，完成实时ssr数据的上注。

本发明还涉及一种低轨导航增强精密改正数据生成、上注方法，包括以下几个步骤：

步骤一、地面数据处理中心站通过互联网实时获取gnss监测站监测数据和卫星测控站接收的低轨星上监测数据。具体步骤包括：

101)首先从地面上的gnss监测站获取gnss监测数据，具体包括目标gnss系统双频/三频伪码测距信息、载波相位测量信息等。

102)卫星测控站通过卫星数传链路接收星上导航监测接收机的原始监测数据，同样包括目标gnss系统双频/三频伪码测距信息、载波相位测量信息。

103)卫星测控站通过互联网/专线将获取的数据传输至地面数据处理中心站。

步骤二、地面数据处理中心站处理生成实时ssr数据，具体包括实时精密轨道产品数据和实时精密钟差产品数据。具体步骤包括：

201)地面数据处理中心站对获取的原始观测数据进行数据预处理，实现对载波相位观测值的周跳探测。

地面数据处理中心站获取的原始观测数据包括gnss监测站的监测数据和星上导航监测接收机的接收数据，其中星上导航监测接收机为高动态接收机，观测数据出现周跳粗差概率较大，本发明方法采用mw组合以及电离层tec变化率(tecr)来探测并修复周跳。具体为：

利用伪距和相位构建m-w组合，从而宽巷模糊度nwl的计算式为：

式中，f1和f2为对应的载波频率，φ1和φ2分别为不同频率上的相位观测值(单位：周)，p1和p2分别为不同频率上的伪距观测值(单位：米)，lwl为宽巷组合(单位：米)，λwl为宽巷波长。

当nwl(k)满足下式时，则认为历元k发生了周跳，即满足下式：

式中，表示宽巷模糊度的平均值，σ²表示宽巷模糊度的方差。

利用电离层变化率探测观测值周跳，在短时间内，电离层(tecr)的值可认为是一个常数，历元k-1的电离层的计算式如下所示：

式中，f1和f2为对应的载波频率，bi和b^p分别为接收机端和卫星端的信号频间偏差，在一段时间内可以认为是常量；λ1、λ2为频率f1和f2对应的波长，n1、n2为频率f1和f2对应的模糊度。从而，历元k的电离层tec变化率tecr的计算值为：

另外由于在短时间内，电离层tecr的变化值是平缓的，因此可利用之前历元预测k历元的tecr，公式如下：

根据短时间内电离层tecr的变化为平缓这一特点，理论上不发生周跳的情况下当前历元的tecr计算值和tecr预测值间差异值应很小。因此当两者差异超过阈值(0.15tecu/s)时，认为该历元发生了周跳。

202)对原始观测数据进行数据预处理，载波相位观测值的周跳计算，以及对原始观测数据的修复。

当通过步骤201)探测到历元k出现周跳时，根据mw组合和tecr组合探测公式可列出以下计算方程：

其中，a为整数，b为实数。对上式求得的实数值δn1、δn2取整，可得到l1频率和l2频率上的整周跳变值，进而对观测值进行修复，具体流程图见图2。

203)对原始载波相位观测数据和伪距观测数据利用历元间差分估计方法得秒级更新的实时gnss钟差、轨道改正数据。

利用gnss监测站的观测数据综合处理可得gps、glonass、galileo三系统的精密轨道钟差数据，通过星上gnss接收设备的gps观测数据，结合gps精密轨道钟差数据可实现低轨卫星精密定轨，然后利用少数北斗系统gnss监测站的观测数据，结合低轨星上bd观测数据和低轨星精密轨道位置，综合可处理得到北斗系统精密轨道钟差产品，具体流程图如附图5所示。

步骤三、地面数据处理中心站将生成的ssr数据评估后通过互联网传输至全球三个业务数据上注站，三个业务数据上注站分别通过上注通道传输至三颗均布的地球静止轨道通信卫星。具体内容为：

301)对实时精密钟差产品和精密轨道产品进行质量控制和精度校验，重点检查校验数据产品的内符合精度和外符合精度。

地面数据处理中心站利用主份计算机和备份计算机生成的实时轨道产品和实时钟差产品进行对比，计算内符合精度，不超过阈值即可认为当前数据产品满足质量要求。

生成的实时精密轨道产品和实时精密钟差产品与igs(instrumentguidancesystem，仪表引导系统)的实时ssr数据产品进行比对，计算其外符合精度，不超过阈值即可认为当前满足质量要求。

302)通过质量控制和精度校验的数据同步传输至三个业务数据上注站，业务上注站根据精密钟差数据产品更新周期、精密轨道数据产品更新周期，制定合理上注电文格式，通过高轨通信卫星上行链路上注至三颗高轨星，即地球静止轨道通信卫星。

通过的数据传输至三个业务上注站，三个业务上注站选址与选择的三个静止轨道卫星轨位有关，例如选取inmarsat5f1、5f2、5f3三个卫星，其轨位分别位143.5°e、25°e、98°w，可选择上海、尼日利亚阿布贾、阿根廷布宜诺斯艾利斯为三个业务上注站站点，保证三个业务上注站实时可与三个静止轨道卫星相通信，其相对位置关系如图6所示。

三颗地球静止轨道通信卫星对上述4轨40颗星、轨道高度1100km、太阳同步轨道的低轨星座可通信时间占比为92.7％，在leo经过两极时不可与静止轨道通信卫星通信，具体可通信和中断时间示意图如图7所示，可通信时间低轨星下点纬度带示意图如图8所示，可知在星下点南北纬74度内可通信，考虑地面导航用户分布，可满足需求。

步骤四、三颗地球静止轨道通信卫星将实时ssr数据进行广播播发，低轨导航增强卫星利用对天面星载接收天线接收，完成实时ssr数据的上注。

401)低轨星(低轨导航增强卫星利用星)通过对天面星载接收天线接收高轨通信卫星(地球静止轨道通信卫星)转发的gnss精密数据产品。

402)低轨导航增强卫星利用星上综合电子接收解析gnss精密数据产品后通过内部数据接口发送至搭载的低轨导航增强载荷，导航增强载荷根据此数据完成高精度定轨、低轨导航增强信息生成等。

综上所述，通过本发明方法，利用低轨卫星全球分布的优势，可获取星上导航监测接收机数据，地面跟踪监测站监测数据和低轨卫星星上监测数据联合处理生成gnss精密数据产品，与只采用地面跟踪监测站处理的传统方式比，同样精度的gnss精密数据产品本方法所需的地面跟踪监测站的数量大大减少。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。