CN107632313A - 基于相关性的卫星导航信号和sbas电文仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法，步骤如下：根据预设的卫星星历、仿真时间，仿真用户位置计算基本的卫星导航信息，具体包括卫星电文和卫星导航信号观测量；在基本的卫星导航信息基础上，增加卫星位置误差、卫星钟差以及电离层延迟误差；根据基本导航信息、卫星位置误差、卫星钟差，计算长期改正参数，快速改正数，快速改正精度衰减因子，钟‑星历协方差阵，UDREi等参数；再根据卫星导航信号观测量以及电离层延迟误差，计算格网点电离层延迟量以及GIVE等参数；最后，将基本导航信号及SBAS电文信息播发，对误差进行统计，仿真出SBAS电文参数的差分改正信息和完好性信息，并保持了导航信号和SBAS电文参数的相关性。

Description

基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，尤其涉及一种基于相关性的卫星导航信号和SBAS(Satellite Based Augment System，星基增强***)电文仿真方法。

背景技术

伴随着GNSS应用领域的不断拓展，某些高精度用户对GNSS(Globle NavigationSatellite System，全球卫星导航***)提出了更高的要求，尤其在民航领域，对精度、完好性、连续性及可用性等方面提出了苛刻的要求，与之相对应的SBAS***，逐渐兴起，并发展迅速。然而，针对SBAS终端的测试、验证技术及仿真设备发展缓慢，开展卫星导航信号和SBAS电文信息仿真技术研究显得尤为迫切和重要。

目前，国内国防科大、华丽创通等公司研发的卫星导航模拟器中具有仿真SBAS信号的功能，但其电文参数的生成由用户或外部输入，导航信号及SBAS电文无法保持相关性。

国外Spirent具有SBAS信号的仿真及生成功能，但其电文参数无法完全由统计误差再进行计算得出，而是主要由用户界面输入，包括UDRE(User differential RangeError，用户差分距离误差)、时钟-星历协方差矩阵等关键完好性信息参数，由用户通过图形界面来设置。

这样SBAS信号与导航信号相互独立，不能保持卫星导航信号、长期改正参数、快速改正参数、完好性相关参数之间的相关性，在参数相关性遭到破坏的情况下，接收机无法利用该信息提升定位精度和完好性。在这样的情况下，只能验证接收机对SBAS信息的解调，并不能用于验证接收机融合SBAS参数后的定位及完好性算法。

因此，开展基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文信息仿真方法研究尤为重要和迫切。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法。该方法在卫星星历及用户位置的基础上仿真卫星导航信号观测量，并添加适当的卫星位置误差、卫星钟差以及电离层延迟误差；对误差进行统计，仿真出SBAS电文参数的差分改正信息和完好性信息，并保持了导航信号和SBAS电文参数的相关性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法，包含如下步骤；

步骤1，根据预设的卫星星历、仿真时间、仿真用户位置获取基本的卫星导航信息；所述基本的卫星导航信息具体包括卫星导航信号电文和卫星导航信号观测量；

步骤2，在基本的卫星导航信息基础上，依据误差模型叠加卫星位置误差、卫星钟差以及电离层延迟误差；

步骤3，根据基本的卫星导航信息，以及叠加的卫星位置误差及卫星钟差，计算长期改正数，进而根据长期改正数计算快速改正数，以及UDRE值；

步骤4，根据卫星导航信号观测量以及叠加的电离层延迟误差，计算格网点电离层延迟量，以及GIVE值；

步骤5，根据监测站数量以及其对应坐标，完成导航卫星可见性的选择，及时钟-星历协方差阵的计算，进而完成快速改正精度衰减因子的计算；

步骤6，将快速改正精度衰减因子填入SBAS电文进行播发。

作为本发明的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法的进一步优选方案，在步骤2中，卫星位置误差和卫星钟差根据对IGS长期数据的分析及统计，选择周期为12小时，幅值为3的正弦变化。

作为本发明的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法的进一步优选方案，在步骤2中，电离层延迟误差选择：在Klobuchar8参数模型计算延迟量基础上，叠加系数为0.4定比例的延迟量作为误差。

作为本发明的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法的进一步优选方案，所述卫星位置误差、卫星钟差以及电离层延迟误差均包含可控误差和随机误差，所述可控误差用于仿真并计算长期及快速差分改正信息，所述随机误差用于仿真计算完好性信息。

作为本发明的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法的进一步优选方案，在步骤3中，快速改正数是由有色误差减去长期改正数的误差所得，具体如下：

xErr_i(t)＝ErrCtrlX_i(t)-(int)(ErrLongCorrX_i(t)/0.125)×0.125

yErr_i(t)＝ErrCtrlY_i(t)-(int)(ErrLongCorrY_i(t)/0.125)×0.125

zErr_i(t)＝ErrCtrlZ_i(t)-(int)(ErrLongCorrZ_i(t)/0.125)×0.125

其中，ErrCtrlX_i(t),ErrCtrlY_i(t),ErrCtrlZ_i(t)分别为有色误差，ErrLongCorrX_i(t)，ErrLongCorrY_i(t)，ErrLongCorrZ_i(t)分别为长期改正数的误差。

作为本发明的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法的进一步优选方案，在步骤3中，UDRE值的具体计算公式如下：

其中，为6s内TotalErr_i(t)平均值，σ_TE为标准差，κ(Pr)为对应置信度99.9％的分位数。

作为本发明的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法的进一步优选方案，在步骤4中，格网点电离层延迟量根据Klobuchar8模型计算。

作为本发明的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法的进一步优选方案，在步骤4中，GIVE值的具体计算公式如下：

其中为120s第i个格网点，所叠加随机误差的平均值。

作为本发明的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法的进一步优选方案，在步骤5中，快速改正精度衰减因子具体计算如下：

其中， 为修正残差，k为监测站，i为卫星，同一时刻，对于卫星i，有m个监测站可见，t＝1。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明在卫星星历及用户位置的基础上仿真卫星导航信号观测量，并添加适当的卫星位置误差、卫星钟差以及电离层延迟误差；对误差进行统计，仿真出SBAS电文参数的差分改正信息和完好性信息，并保持了导航信号和SBAS电文参数的相关性；

2、在基于广播星历仿真的卫星位置及观测量基础上，叠加卫星位置误差、卫星钟差、电离层误差，在没有外部输入的情况下，误差模型的选择根据分析精密星历于广播星历的误差得到，卫星位置误差和卫星钟差均选用周期12小时，幅值大约为3的正弦变化，电离层误差选择在Klobuchar8参数模型的基础上添加固定的百分比，且所有误差由两部分组成：可控误差和随机误差，并对误差进行计算及统计，已知误差用来计算RTCA协议中差分改正信息，随机误差用来计算完好性信息，从而得到RTCA协议中各电文参数；

3、本发明可同时仿真卫星导航信号及SBAS电文信息，可覆盖RTCA协议主要电文参数，并保持两者的相关性，适合验证导航接收机SBAS功能，该方法的实现依托于卫星导航信号模拟器。

附图说明

图1是本发明方法的流程框图；

图2是验证***示意图；

图3是本发明实施例中接收机两种工作模式下定位精度比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法步骤如下：

根据预设的卫星星历、仿真时间，仿真用户位置计算基本的卫星导航信息，具体包括卫星电文和卫星导航信号观测量；在基本的卫星导航信息基础上，增加卫星位置误差、卫星钟差以及电离层延迟误差；根据基本导航信息、卫星位置误差、卫星钟差，计算长期改正参数，快速改正数，快速改正精度衰减因子，钟-星历协方差阵，UDREi(User DifferentialRange Error indicator，用户差分距离误差表征量)等参数；再根据卫星导航信号观测量以及电离层延迟误差，计算格网点电离层延迟量以及GIVE等参数；最后，将基本导航信号及SBAS电文信息播发.

具体步骤如下：

(1)预先设定仿真所需的卫星星历E_ph、仿真时间T_sim、仿真格网点数量位N_IGP置及坐标Pos_IGP,i(i＝1,2,3…N_IGP)、用户位置坐标Pos_U监测站数量n及对应坐标Pos_M,i(i＝1,2...n)；

假设传播时间为T_tran，根据星历E_ph、仿真时间T_sim和假设传播时间T_tran，仿真卫星钟差及卫星位置误差，并根据卫星位置误差模型及卫星钟差误差模型添加误差；

由广播星历计算出卫星位置基础上，在每颗卫星轨道三向上叠加周期为12小时的正弦变化作为有色误差ErrCtrlX_i(t),ErrCtrlY_i(t),ErrCtrlZ_i(t)，再叠加随机误差ErrRandX_i(t),ErrRandY_i(t),ErrRandZ_i(t)作为残余误差，生成含有误差的轨道数据，作为真实轨道，为了保证伪距的连续性，残余误差也采用正弦变化形式，即下式中等号右边第二项，式中下表i代表不同卫星的卫星号。

ErrCtrlX_i(t)＝A_xisin(ωt+θ_xi)ErrRandX_i(t)＝λ_xisin(ωt+θ_xi)

ErrCtrlY_i(t)＝A_yisin(ωt+θ_yi)ErrRandY_i(t)＝λ_yisin(ωt+θ_yi)

ErrCtrlZ_i(t)＝A_zisin(ωt+θ_zi)ErrRandZ_i(t)＝λ_zisin(ωt+θ_zi)

ErrCtrlClock_i(t)＝A_cisin(ωt+θ_ci)ErrRandClock_i(t)＝λ_cisin(ωt+θ_ci)

ErrSatX_i(t)＝ErrCtrlX_i(t)+ErrRandX_i(t)

ErrSatY_i(t)＝ErrCtrlY_i(t)+ErrRandY_i(t)

ErrSatZ_i(t)＝ErrCtrlZ_i(t)+ErrRandZ_i(t)

ErrClock_i(t)＝ErrCtrlClock_i(t)+ErrRandClock_i(t)

式中：

A_xi＝A_yi＝A_zi＝3+guassrandom(0,0.5)

B_i＝3+guassrandom(0,0.5)

λ_xi＝λ_yi＝λ_zi＝β_i＝guassrandom(0,0.1)

以上参数，在每次仿真开始时，进行初始化，数据根据经验选取；加入的高斯噪声，来保证每个卫星的数值不一样。

(3)根据所叠加误差计算相关差分改正参数，取120s内有色误差并做平均值，将该值作为卫星轨道三向改正数在电文类型25中播发。卫星钟差同样选取120s内均值作为电文类型25中钟差修正改正数的电文播发值。

卫星位置修正钟差修正一阶量，由两个历元统计值相减并除以120，如下所示：

ErrLongCorrδX_i(T)＝(ErrLongCorrX_i(T)-ErrLongCorrX_i(T-1))/120

ErrLongCorrδY_i(T)＝(ErrLongCorrY_i(T)-ErrLongCorrY_i(T-1))/120

ErrLongCorrδZ_i(T)＝(ErrLongCorrZ_i(T)-ErrLongCorrZ_i(T-1))/120

ErrLongCorrδClock_i(T)＝(ErrLongCorrClock_i(T)-ErrLongCorrClock_i(T-1))/120/C

快速改正数，是由有色误差减去长期改正数(在卫星与用户连线上的投影)的误差所得。

xErr_i(t)＝ErrCtrlX_i(t)-(int)(ErrLongCorrX_i(t)/0.125)×0.125

yErr_i(t)＝ErrCtrlY_i(t)-(int)(ErrLongCorrY_i(t)/0.125)×0.125

zErr_i(t)＝ErrCtrlZ_i(t)-(int)(ErrLongCorrZ_i(t)/0.125)×0.125

上式中(int)取整操作，目的是将长期改正参数的量化误差影响降低到最小。

DeltaX_i ²(t)＝(SatPosX_i(t)-UserPosX(t))²

DeltaY_i ²(t)＝(SatPosY_i(t)-UserPosY(t))²

DeltaZ_i ²(t)＝(SatPosZ_i(t)-UserPosZ(t))²

由上式得到的长期改正残余误差，经过量化后，作为电文类型2-5中，各卫星的快速改正数进行播发。

(4)由叠加总误差减去可控误差在卫星和用户连线方向上的投影，来计算完好性信息。

TotalErr_i(t)＝residErrX_i(t)+residErrY_i(t)+residErrZ_i(t)

将每颗卫星6s内的TotalErr_i(t)进行统计，得到相应卫星的UDRE值，即

其中，为6s内TotalErr_i(t)平均值，σ_TE为对应的标准差，κ(Pr)为对应置信度99.9％的分位数(3.2905)。UDRE每6秒计算一次，量化后，作为电文类型2-5和电文类型6的参数进行播发。

(5)根据导航卫星位置和用户位置，进行伪距观测量仿真，仿真过程涉及电离层延迟Delay_Iono、对流层延迟，相对论效应、地球自转效应，根据以上各延迟量修正传播时间T_tran，进行迭代，直至T_tran迭代更新收敛到所需精度后，确定原始仿真观测量，根据电离层误差模型叠加电离层延迟误差，对流层延迟、相对论效应、地球自转效应等延迟量都按既定模型及参数计算；

其中Delay_Iono根据Klobuchar8模型计算，并在此延迟上增加由有色误差和随机误差两部分组成的叠加误差。

ErrCtrlIono(t)＝AUG_Ctrl×Delay_Iono

ErrRandIono(t)＝AUG_Rand×Delay_Iono

AUG_Ctrl＝0.3AUG_Rand＝0.1

ErrIono(t)＝ErrCtrlIono(t)+ErrRandIono(t)

(6)根据预设格网点数量N_IGP和相应位置Pos_IGP,i(i＝1,2,3…NIGP)计算各格网点的垂直延迟量及GIVE值。

根据Klobuchar8模型计算各格网点的垂直延迟量VerDelay_i(i＝1,2…NIGP)，并按(5)中参数叠加误差。

ErrCtrlIono_i(t)＝AUG_Ctrl×VerDelay_i

ErrRandIono_i(t)＝AUG_Rand×VerDelay_i

ErrIono_i(t)＝ErrCtrlIono_i(t)+ErrRandIono_i(t)

ErrCtrlIono_i(t)作为电文类型26中的参数直接播发。

120s内对ErrRandIono_i(t)进行统计，即可得到各格网点的GIVE值。

其中为120s第i个格网点，所叠加随机误差的平均值，σ_ERI为标准差，κ(Pr)为99％的置信分数。

(7)根据监测站数量n和pos_M,i，完成导航星可见性的选择，及时钟-星历协方差阵的计算。

对某颗卫星，根据卫星相对监测站的俯仰角判断其是否可见，如果有对任一监测站可见，则该卫星确定为可见。

监测站对其观测矩阵为H(t)，第i个卫星的观测向量为

h_i(t)＝[a_xi,a_yi,a_zi]

其中，a_xi,a_yi,a_zi为监测站i到该卫星的方向余弦矢量，时钟-星历协方差阵计算公式为：

conv(t)＝(H^TH)^-1

E₁₁＝conv[1][1],E₁₂＝conv[1][2],E₁₃＝conv[1][3],E₁₄＝0

E₂₂＝conv[2][2],E₂₃＝conv[2][3],E₂₄＝0

E₃₃＝conv[3][3],E₃₄＝0,E₄₄＝1/n

(8)根据修正残差，完成快速改正精度衰减因子的计算。

修正残差为(4)中的TotalErr_i ^k(t)，k为监测站，i为卫星，同一时刻，对于卫星i，有m个监测站可见，则

ai进行量化后，填入电文类型10，进行播发。

实施例

为了验证本发明的在SBAS信号和卫星导航信号的相关性，具有SBAS功能的导航终端与仿真信号源联合进行测试，搭建的验证***示意图如图2：

仿真信号源采用航天恒星公司的CGS 5000信号源，模拟产生卫星导航信号及SBAS信号，接收机采用华测商用接收机。

仿真用户坐标设置为东经5度，北纬30度，海拔高设置为0m，分别进行单点定位和SPP模式定位。分析两种模式下的接收机定位精度。并分析SPP模式下，导航信号，SBAS差分改正信息以及SBAS完好性信息三者之间的关系。

对接收机定位结果进行统计，并与理论数据进行对比，得到两种模式下的定位精度对比图3所示。

(1)两种工作模式下的定位精度统计数据如下表所示。表1是不同模式下定位误差比较(m)

表1

定位误差	均值
		单点模式	3.13
SPP模式	0.52

通过上表看出，由于本发明所产生导航信号，增加了卫星位置误差，卫星钟差及电离层误差，导致单点定位模式下，定位误差较大，三维定位误差均值为3.13m。而在SPP模式下，由于SBAS信息的辅助，将以上三种误差量进行了消除，使得定位精度有了较大的提升，三维定位误差的均值为0.52m，定位精度提升了85％。

综合以上分析可以看出，由于仿真误差的加入以及SBAS电文信息的辅助，使得SPP工作模式下的定位精度相比于单点定位工作模式有了较大提升，说明卫星导航信号与所产生的SBAS信号有较强的相关性，可以提升接收机的定位精度及完好性。该种发明可以用于SBAS接收机的验证。

该发明是一种基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本领域拥有良好专业背景知识的工程技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。工程技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤1，根据预设的卫星星历、仿真时间、仿真用户位置获取基本的卫星导航信息；所述基本的卫星导航信息具体包括卫星导航信号电文和卫星导航信号观测量；

步骤2，在基本的卫星导航信息基础上，依据误差模型叠加卫星位置误差、卫星钟差以及电离层延迟误差；

步骤3，根据基本的卫星导航信息，以及叠加的卫星位置误差及卫星钟差，计算长期改正数，进而根据长期改正数计算快速改正数，以及UDRE值；

步骤4，根据卫星导航信号观测量以及叠加的电离层延迟误差，计算格网点电离层延迟量，以及GIVE值；

步骤5，根据监测站数量以及其对应坐标，完成导航卫星可见性的选择，及时钟-星历协方差阵的计算，进而完成快速改正精度衰减因子的计算；

步骤6，将快速改正精度衰减因子填入SBAS电文进行播发。

2.根据权利要求1所述的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法，其特征在于，

在步骤2中，卫星位置误差和卫星钟差根据对IGS长期数据的分析及统计，选择周期为12小时，幅值为3的正弦变化。

3.根据权利要求1所述的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法，其特征在于，

在步骤2中，电离层延迟误差选择：在Klobuchar8参数模型计算延迟量基础上，叠加系数为0.4定比例的延迟量作为误差。

4.根据权利要求1所述的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法，其特征在于，

所述卫星位置误差、卫星钟差以及电离层延迟误差均包含可控误差和随机误差，所述可控误差用于仿真并计算长期及快速差分改正信息，所述随机误差用于仿真计算完好性信息。

5.根据权利要求1所述的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法，其特征在于，

在步骤3中，快速改正数是由有色误差减去长期改正数的误差所得，具体如下：

xErr_i(t)＝ErrCtrlX_i(t)-(int)(ErrLongCorrX_i(t)/0.125)×0.125

yErr_i(t)＝ErrCtrlY_i(t)-(int)(ErrLongCorrY_i(t)/0.125)×0.125

zErr_i(t)＝ErrCtrlZ_i(t)-(int)(ErrLongCorrZ_i(t)/0.125)×0.125

其中，ErrCtrlX_i(t),ErrCtrlY_i(t),ErrCtrlZ_i(t)分别为有色误差，ErrLongCorrX_i(t)，ErrLongCorrY_i(t)，ErrLongCorrZ_i(t)分别为长期改正数的误差。

6.根据权利要求1所述的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法，其特征在于：在步骤3中，UDRE值的具体计算公式如下：

<mrow> <mi>U</mi> <mi>D</mi> <mi>R</mi> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <mover> <mrow> <msub> <mi>TE</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>+</mo> <mi>&amp;kappa;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>Pr</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>E</mi> </mrow> </msub> </mrow>

其中，为6s内TotalErr_i(t)平均值，σ_TE为标准差，κ(Pr)为对应置信度99.9％的分位数。

7.根据权利要求1所述的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法，其特征在于：在步骤4中，格网点电离层延迟量根据Klobuchar8模型计算。

8.根据权利要求7所述的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法，其特征在于：在步骤4中，GIVE值的具体计算公式如下：

<mrow> <mi>G</mi> <mi>I</mi> <mi>V</mi> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <mover> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>ErrRandIono</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>+</mo> <mi>&amp;kappa;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>Pr</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>E</mi> <mi>R</mi> <mi>I</mi> </mrow> </msub> </mrow>

其中为120s第i个格网点，所叠加随机误差的平均值。

9.根据权利要求1所述的基于相关性的卫星导航信号和SBAS电文仿真方法，其特征在于：在步骤5中，快速改正精度衰减因子具体计算如下：

<mrow> <msub> <mi>ai</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>a</mi> </mfrac> <msub> <mi>l</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow>

其中，TotalErr_i ^k(t)为修正残差，k为监测站，i为卫星，同一时刻，对于卫星i，有m个监测站可见，t＝1。