CN115102607B - 基于宽带码分多址通信体制的低轨导航增强信号传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于宽带码分多址通信体制的低轨导航增强信号传输方法，属于卫星导航增强领域。本发明中，待传输的导航增强信息采用固定格式成帧，导频分量和承载增强信息的数据分量采用不同正交地址码进行码分复用；卫星为LePT信号分配信道，并在BCCH信道中发送LePT信道的资源位置信息；导航融合终端监视P‑CCPCH信道并得到LePT信号信道信息；导航融合终端接收LePT信号数据分量中传输的数据，提取出安全认证信息；安全认证成功后，通过接收独立导航信息帧获得低轨卫星位置和星历信息，通过接收导航增强信息帧，获得电离层和对流层改正信息以及精密轨道和钟差信息。本发明能够在不影响***原本通信功能的前提下实现对北斗导航***基本服务能力的增强。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于宽带码分多址通信体制的低轨导航增强信号传输方法，属于卫星导航增强技术领域。
背景技术
GNSS***具有在全球范围内提供导航、定位和授时服务的能力，在产业发展中扮演着越来越重要的地位。目前，北斗***已在各个领域得到了越来越广泛的应用。
GNSS***具有覆盖范围广、部署成本低等优点，但是它也存在一些固有的缺陷：
（1）GNSS***星座一般运行在中高轨道星座上，这导致卫星距离终端很远，路径损耗严重，卫星导航信号功率水平低于噪声，易受干扰和欺骗。
（2）由于信号强度较弱，仅靠GNSS***自身定位精度不足，需要地面参考站进行辅助，提高了卫星通信***的部署成本，削弱了成本优势。
（3）导航速度较慢，导航终端对导航信号的搜索和位置解算速度慢。
（4）可靠性不够，当前的GNSS***的完好性水平还无法满足与生命安全相关的重要领域要求，随着GNSS***用于更多领域，对完好性方面的要求将越来越高。
低轨卫星具有低轨道高功率、全球覆盖、快速多普勒变化、地面监测天基化等一系列优点，可以为传统GNSS***提供有益的补充。随着低轨卫星移动通信和低轨导航增强技术的蓬勃发展，基于低轨星座的通信导航一体化的增强***设计已经提上议事日程。
扩频通信能够显著增强信号的抗干扰性能，码分多址（CDMA）技术在部分低轨卫星通信***中得到了应用，是民用卫星通信下一步发展必定会使用的技术。使用扩频码进行扩频的信号能够用于精确测量伪距，且低轨卫星可以使用较宽的频带进行长距离通信，基于WCDMA体制的通导一体化***是一种可行性非常强的GNSS导航增强方案。
国内基于低轨卫星通信***的导航增强体制研究还处于较初级的阶段，现有专利对导航增强的实现大多数处于确定一种通导融合实现步骤的阶段。例如，公开号为CN106646563A的专利“一种基于低轨卫星增强导航方法”主要是利用低轨卫星几何位置改变大的特点，通过几何关系间接实现伪距的快速高精度计算，实现导航增强的效果。申请号为201811102234.1的专利“一种通信导航一体化融合信号的生成方法及装置”给出了一种基于OFDMA体制的卫星导航通信一体化方法，将CDMA定位信号叠加在OFDMA信号上，形成通导一体化融合信号，提高了导航***性能和室内定位的定位精度。但是，到目前为止，还未有专门针对低轨宽带码分多址移动通信体制的导航增强信号传输方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于宽带码分多址通信体制的低轨导航增强信号传输方法，基于该方法设计和传输的卫星导航增强LePT（LEO enhanced Positioning andTiming）信号，可用于具有星上处理能力的低轨WCDMA通信体制的卫星通信***上，能够在不影响***原本通信功能的前提下实现对北斗导航***基本服务能力的增强。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于宽带码分多址通信体制的低轨导航增强信号传输方法，包括以下步骤：
步骤1：卫星通信终端A启动后，在卫星网络管理中心完成鉴权、入网的初始化过程，并根据导航卫星信号获得自身的速度和位置；初始化完成后，卫星通信终端A向卫星网络管理中心发起通信请求；对待传输的导航增强信息采用固定格式成帧以兼容WCDMA通信体制标准，再对导频分量和承载增强信息的数据分量采用不同正交地址码进行码分复用以形成LePT信号；
步骤2：设定LePT信号的发送周期，在发送周期内LePT信号使用固定的信道资源进行广播；
步骤3：卫星为LePT信号分配信道，并在BCCH信道中发送LePT信道的资源位置信息，所述资源位置信息被承载于P-CCPCH信道上，与WCDMA***信息一同发送；
步骤4：导航融合终端监视P-CCPCH信道并从中得到LePT信号信道信息，通过公共导频信号完成功率估计、频偏估计和时间同步，并从对应信道中接收LePT信号；
步骤5：导航融合终端接收LePT信号数据分量中传输的数据，对数据进行整合并进行完整性校验，提取出安全认证信息进行鉴权，若认证安全则执行步骤6，若鉴权失败则停止信号处理；
步骤6：安全认证成功后，通过接收独立导航信息帧获得低轨卫星位置和星历信息，通过接收导航增强信息帧，获得电离层和对流层改正信息以及精密轨道和钟差信息。
进一步地，所述LePT信号的频率符合低轨宽带码分复用***的频率结构划分，支持频分复用体制；LePT信号的数据分量信号采用时分复用体制；LePT信号使用OVSF码作为正交化码实现码分复用；LePT信号的帧结构中***完整性标识符以标记一段信息的结束，接收端通过检验信号顺序标识和完整性标识来确认是否成功接收完整的信号。
进一步地，LePT信息的数据分量中使用的帧分为三种：独立导航信息帧、安全认证信息帧、导航增强信息帧，这三种信息帧以传输格式组合表示符进行区分，以固定时序和固定周期在信道中进行广播；其中：
独立导航信息帧用于辅助完成独立定位，播发内容是卫星自身的轨道和钟差信息；地面通导融合终端接收基本导航帧信息，配合LePT导频信号分量以实现伪距测量，完成独立定位或与其他GNSS***的联合定位；
安全认证信息帧从定位可靠性角度提高导航定位性能；低轨卫星在覆盖区域内定时发送安全认证信息，终端根据该信息判断信号是否合法，从而仅使用合法卫星发送的信号进行导航增强服务，提高抗欺骗性；
导航增强信息帧搭载GNSS***卫星相关信息，并采用SSR方式表示导航增强电文信息，提高导航终端的位置解算速度与导航精度。
进一步地，卫星低轨星座直接在CPICH信道和S-CCPCH信道分别为LePT信号的导频分量和数据分量分配信道资源，将LePT信号在当前覆盖区域进行广播。
本发明具有如下优点：
1）本发明能够充分利用低轨卫星信号功率强、移动速度快的特点，能够利用导频分量和数据分量提供高精度的独立导航服务。
2）本发明能够向终端高速传输导航增强数据，提升北斗***导航精度和速度测量精度，实现导航增强。
3）本发明与北斗导航信号进行联合解算可以提高北斗导航***的服务范围，能够提供具有亚米级精度的室内导航。
4）本发明通过定时发送安全认证信息，通导融合终端通过认证信息进行鉴权，提高了导航安全性，有效降低了终端被欺骗的概率。
5）本发明采用的LePT（LEO enhanced Positioning and Timing）信号可用于具有星上处理能力的低轨WCDMA通信体制的卫星通信***上，实现对北斗导航***基本服务能力的增强，能够在不改变现有WCDMA低轨卫星通信体制、不影响通信服务质量的情况下提供导航增强和独立定位服务，为现有的GNSS***提供有效的补充。
附图说明
图1为LePT信号的复用方式示意图；
图2为LePT信号的信号结构示意图；
图3为LePT信号中数据分量信号的帧结构示意图；
图4为LePT信号中数据分量信号的编码过程示意图；
图5为本发明实施例中低轨导航增强信号传输方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的详细描述。
一种基于宽带码分多址通信体制的低轨导航增强信号传输方法，该方法设计了一种LePT信号和一种兼容于WCDMA空中接口的业务流程，有助于实现独立定位和导航增强功能。如图5所示，具体包括以下步骤：
步骤1：卫星通信终端A启动，在卫星网络管理中心完成鉴权、入网等初始化过程，同时根据导航卫星信号获得自身的速度和位置。初始化完成后，终端A向网管中心发起通信请求；对增强信息采用固定格式成帧以兼容WCDMA通信体制标准，再对导频分量和承载增强信息的数据分量采用不同正交地址码进行码分复用以形成LePT信号。
步骤2：设定一个较长的时间段作为LePT信号的发送周期，在该周期内LePT信号使用固定的信道资源进行广播。该时间长度可以由当前低轨卫星通信网络的繁忙程度决定，当通信业务繁忙时，CPICH信道和S-CCPCH信道中的空余信道资源少，LePT发送周期较短，需要通过比较频繁的资源重分配来满足通信业务需求。当通信业务不繁忙时，容易在CPICH信道和S-CCPCH信道中开辟出稳定的信道供LePT信号使用，LePT信号此时发送周期较长，一次资源分配后可以长时间按照该分配进行发送。
步骤3：卫星为LePT信号分配信道，并在BCCH信道中发送LePT信道的资源位置信息，该信息被承载于P-CCPCH信道上，与WCDMA***信息一同发送。导航融合终端不需要和低轨星座建立连接，只需接收P-CCPCH广播信道即可得知当前时间的LePT信号所在信道信息。
步骤4：导航融合终端监视P-CCPCH信道并从中得到LePT信号信道信息，通过公共导频信号完成功率估计、频偏估计和时间同步，并从对应信道中接收LePT信号。
步骤5：导航融合终端接收LePT信号数据分量中传输的数据，对数据进行整合并进行完整性校验，并特别提取出安全认证信息进行鉴权。若认证安全则利用信号进行进一步处理，若鉴权失败则停止信号处理。
步骤6：安全认证成功后，通过接收独立导航信息帧获得低轨卫星位置和星历信息，导航终端可以通过该信息和LePT导频分量完成伪距测量。通过多次伪距测量或与GNSS***信号联合解算，导航终端可以实现独立导航或增强导航。
步骤7：通过接收导航增强信息帧，终端获得电离层和对流层改正信息以及精密轨道和钟差信息。地面终端根据该信息可以大大增强GNSS***信号的解算速度和定位精度，实现GNSS***的导航增强，提升GNSS终端可用性。结合高功率LePT导频分量（相比于GNSS信号）进行联合定位可以实现室内定位并将导航精度提升至亚米级。
如图4所示，LePT信号的设计分为以下两部分：
（1）信号设计
1）导频信号设计：该信号为调制长扩频码的BPSK信号，除扩频码外不携带其他信息。导频信号码片速率低于数据信号的码片速率。导频分量发送于公共导频信道（CPICH）。为了不影响终端对公共导频信号的接收，LePT信号的导频分量采用较低功率进行传输。导频分量采用与公共导频信道区别码正交的长扩频码进行扩频，以取得更高的扩频增益。该信号使用的扩频码长度为WCDMA***中公共导频信道信号使用扩频码的整数倍，以此实现高精度的伪距测量。
2）数据信号设计：数据信号的码片速率固定，符号率根据固定的码片速率和不同的扩频因子得到。为实现导航增强信息的传输，将不同种类的导航增强信息成帧，采用对应帧结构于辅助公共控制物理信道（S-CCPCH）信道上进行发送，通过传输格式组合标识符（TFCI）的方式标注自身的功能。在***资源存在富余时可配置一个专门的S-CCPCH信道进行该类信号的传输，若不存在富余则将该信号发送在承载前向接入信道（FACH）的S-CCPCH信道上。
当前时间的位置信息、星历信息、电离层、对流层改正信息、GNSS***精密轨道和钟差信息由地面信关站构成的核心网（CN）定时传输至低轨卫星星座组成的无线接入网（RAN），并由卫星星座存储。LePT信号的数据分量编码过程与WCDMA协议中寻呼信息的编码过程类似：首先处于卫星上的数据业务模块将待发送导航增强信息传输到无线链路层控制协议实体（RLC），RLC将信息切分成信息段并传输至MAC子层的MAC-b实体进行进一步处理。传输块首先进行循环冗余校验（CRC）编码处理，增加CRC信息，接下来增加尾比特。将数据块进行1/2卷积编码，得到长度翻倍的的数据块，最后使用速率匹配形成所需长度的传输数据，映射到S-CCPCH物理信道无线帧时隙中。
LePT数据分量信号采用的单个时隙帧长度为20bit，由2bit传输格式组合表示符（TFCI）、12bit数据、1bit完整性标识和5bit信号顺序标识构成。2bit的TFCI用来区分搭载数据的类型；完整性标识用来标记一段信息的结束，若一个时隙搭载的信息为一整段信息中的最后一节，则完整性标识为1，其余情况下该bit为0；信号顺序标识用于标记该段信息在600bit长度数据块中的位置。接收端可以通过检验信号顺序标识和完整性标识来确认是否成功接收完整的信号。
（2）信息帧设计
LePT数据分量中使用的帧分为三种：独立导航信息帧、安全认证信息帧、导航增强信息帧。这三种信号以传输格式组合表示符（TFCI）进行区分，以固定时序和固定周期在信道中进行广播。
独立导航信息帧用于辅助完成独立定位，主要播发的内容是卫星自身的轨道和钟差信息。地面通导融合终端接收基本导航帧信息，配合LePT导频信号分量可实现伪距测量，从而完成独立定位或与其他GNSS***的联合定位。
安全认证信息帧从定位可靠性角度提高导航定位性能。低轨卫星在覆盖区域内定时发送安全认证信息，终端根据该信息判断信号是否合法，仅使用合法卫星发送的信号进行导航增强服务，抗欺骗性提高。
导航增强信息帧搭载GNSS***卫星相关信息，利用低轨卫星信号高速的优点将导航增强信息向终端广播，提高导航终端的位置解算速度与导航精度。导航信息采用SSR（state space representation）方式表示导航增强电文信息，符合RTCM STANDARD10403.2标准。导航增强信号中携带的信息可以被支持符合RTCM STANDARD 10403.2标准的导航终端无误差解出。
在帧结构设计中，可以通过增加传输格式组合表示符（TFCI）的类型进行功能的扩展，提供更多功能。
如图1所示，LePT信号由导航分量和数据分量两部分组成。导航分量负责完成独立导航和同步工作，能够用于多普勒频偏估计与精密伪距测量。数据分量用于传输导航增强信息。
LePT信号的信号结构图如图2所示。在本例中，低轨卫星***采用WCDMA体制进行通信。假设LePT信号数据分量在中心频率为1.9GHz的频段上发送，其码片速率为3.84Mcps，符号率根据固定码片速率和不同的扩频因子得到。用于传递LePT数据分量的下行链路上的扩频因子范围为128至512，所以调制符号率变化范围为7.5kbps-30kbps。数据分量信号的最短持续时间为10 ms，码片长度固定为38400chips，符号长度为300bit-75bit不等，更长的数据分量信号以此为基础进行整倍数的扩展。
LePT信号中的导频分量发送于公共导频信道（CPICH）上，导频信号承担导航和辅助同步功能，采用BPSK调制。为了满足与北斗***的兼容性需求，导频分量使用周期为10230的Gold码进行扩频，发送周期为1.67ms，码速率为3.069Mcps。导频分量的符号速率为300bps，发送全0信号。导频分量使用Neumann-Hoffman码进行二次编码，每个NH码码元对应1bit0数据。NH码周期为16.7ms，码长度为10bit。为了避免影响公共导频信道功能，LePT导频信道功率为公共导频信号功率的1/10。该信号为持续发送信号，长时间在卫星覆盖范围内进行广播。
LePT信号数据分量由将不同种类的信息帧组成，采用对应帧结构于S-CCPCH信道上进行发送，通过传输格式组合标识符（TFCI）的方式标注自身的功能，LePT数据分量中使用的帧分为三种：独立导航信息帧、安全认证信息帧、导航增强信息帧。在***资源存在富余时可配置一个专门的S-CCPCH信道进行该类信号的传输，若不存在富余则通过码分复用的方式将该信号复用在承载前向接入信道（FACH）的S-CCPCH信道上进行发送。
数据信号格式如图3所示，LePT数据分量信号采用的单个时隙帧长度为20bit，由2bit传输格式组合表示符（TFCI）、12bit数据、1bit完整性标识和5bit信号顺序标识构成。2bit的TFCI用来区分搭载数据的类型；完整性标识用来标记一段信息的结束，若一个时隙搭载的信息为一整段信息中的最后一节，则完整性标识为1，其余情况下该bit为0；信号顺序标识用于标记该段信息在600bit长度数据块中的位置。接收端可以通过检验信号顺序标识和完整性标识来确认是否成功接收完整的信号。
三种信息帧格式相同，但是搭载内容和功能存在差异。独立导航信息帧用于辅助完成独立定位，主要播发的内容是卫星自身的轨道和钟差信息。地面通导融合终端接收基本导航帧信息，配合LePT导频信号分量可实现伪距测量，从而完成独立定位或与其他GNSS***的联合定位。安全认证信息帧从定位可靠性角度提高导航定位性能。低轨卫星在覆盖区域内定时发送安全认证信息，终端根据该信息判断信号是否合法，仅使用合法卫星发送的信号进行导航增强服务，抗欺骗性提高。导航增强信息帧搭载GNSS***卫星相关信息，利用低轨卫星信号高速的优点将导航增强信息向终端广播，提高导航终端的位置解算速度与导航精度。导航信息采用SSR（state space representation）方式表示导航增强电文信息，符合RTCM STANDARD 10403.2标准。导航增强信号中携带的信息可以被支持符合RTCMSTANDARD 10403.2标准的导航终端无误差解出。
基于LePT信号的导航增强服务流程如下：
当前时间的位置信息、星历信息、电离层、对流层改正信息、GNSS***精密轨道和钟差信息由地面信关站构成的核心网（CN）定时传输至低轨卫星星座组成的无线接入网（RAN），并由卫星星座存储。LePT信号的数据分量编码过程与WCDMA协议中寻呼信息的编码过程类似：首先处于卫星上的数据业务模块将待发送导航增强信息传输到无线链路层控制协议实体（RLC），RLC将信息切分成长度为240bit的信息段并传输至MAC子层的MAC-b实体进行进一步处理。长为240bit的传输块首先进行循环冗余校验（CRC）编码处理，增加16bitCRC信息，接下来增加8bit尾比特。此时数据块长度为264bit，将数据块进行1/2卷积编码，得到长度为528bit的数据块，最后使用速率匹配形成长600bit的传输数据，分为30个部分，映射到S-CCPCH物理信道无线帧时隙中。
卫星根据当前通信服务的繁忙程度设定一个较长的时间段作为LePT信号的发送周期，在该周期内LePT信号使用固定的信道资源进行广播。
低轨卫星在BCCH信道中发送LePT信道的资源位置信息，该信息被承载于P-CCPCH信道上，与WCDMA***信息一同发送。
导航融合终端监视P-CCPCH信道并从中得到LePT信号信道信息，通过公共导频信号完成功率估计、频偏估计和时间同步，并从S-CCPCH信道中接收LePT信号。
导航融合终端接收LePT信号数据分量中传输的数据，对数据进行整合并进行完整性校验，并特别提取出安全认证信息进行鉴权。若认证安全则利用信号进行进一步处理，若鉴权失败则停止信号处理。
安全认证成功后，通过接收独立导航信息帧获得低轨卫星位置和星历信息，导航终端可以通过该信息和LePT导频分量完成伪距测量。终端通过多次伪距测量或与GNSS***信号联合解算，导航终端可以实现独立导航或增强导航。
通过接收导航增强信息帧，终端获得电离层和对流层改正信息以及精密轨道和钟差信息。地面终端根据该信息可以大大增强GNSS***信号的解算速度和定位精度，实现GNSS***的导航增强，提升GNSS终端可用性。结合高功率LePT导频分量（相比于GNSS信号）进行联合定位可以实现室内定位并将导航精度提升至亚米级。
总之，本发明提出了一种基于宽带码分多址通信体制的低轨导航增强信号传输方法，其采用一种经过特殊设计的LePT信号。基于该LePT信号，可以在不影响通信服务能力的情况下应用于使用WCDMA体制的低轨卫星通信***。此外，该LePT信号能够提供独立定位、安全认证和导航增强功能，并且保留功能扩展空间，具有一定功能扩展的能力。
Claims (4)
1.一种基于宽带码分多址通信体制的低轨导航增强信号传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：卫星通信终端A启动后，在卫星网络管理中心完成鉴权、入网的初始化过程，并根据导航卫星信号获得自身的速度和位置；初始化完成后，卫星通信终端A向卫星网络管理中心发起通信请求；对待传输的导航增强信息采用固定格式成帧以兼容WCDMA通信体制标准，再对导频分量和承载增强信息的数据分量采用不同正交地址码进行码分复用以形成LePT信号；
步骤2：设定LePT信号的发送周期，在发送周期内LePT信号使用固定的信道资源进行广播；
步骤3：卫星为LePT信号分配信道，并在BCCH信道中发送LePT信道的资源位置信息，所述资源位置信息被承载于P-CCPCH信道上，与WCDMA***信息一同发送；
步骤4：导航融合终端监视P-CCPCH信道并从中得到LePT信号信道信息，通过公共导频信号完成功率估计、频偏估计和时间同步，并从对应信道中接收LePT信号；
步骤5：导航融合终端接收LePT信号数据分量中传输的数据，对数据进行整合并进行完整性校验，提取出安全认证信息进行鉴权，若认证安全则执行步骤6，若鉴权失败则停止信号处理；
步骤6：安全认证成功后，通过接收独立导航信息帧获得低轨卫星位置和星历信息，通过接收导航增强信息帧，获得电离层和对流层改正信息以及精密轨道和钟差信息。
2.根据权利要求1所述的基于宽带码分多址通信体制的低轨导航增强信号传输方法，其特征在于，所述LePT信号的频率符合低轨宽带码分复用***的频率结构划分，支持频分复用体制；LePT信号的数据分量信号采用时分复用体制；LePT信号使用OVSF码作为正交化码实现码分复用；LePT信号的帧结构中***完整性标识符以标记一段信息的结束，接收端通过检验信号顺序标识和完整性标识来确认是否成功接收完整的信号。
3.根据权利要求2所述的基于宽带码分多址通信体制的低轨导航增强信号传输方法，其特征在于，LePT信息的数据分量中使用的帧分为三种：独立导航信息帧、安全认证信息帧、导航增强信息帧，这三种信息帧以传输格式组合表示符进行区分，以固定时序和固定周期在信道中进行广播；其中：
独立导航信息帧用于辅助完成独立定位，播发内容是卫星自身的轨道和钟差信息；地面通导融合终端接收基本导航帧信息，配合LePT导频信号分量以实现伪距测量，完成独立定位或与其他GNSS***的联合定位；
安全认证信息帧从定位可靠性角度提高导航定位性能；低轨卫星在覆盖区域内定时发送安全认证信息，终端根据该信息判断信号是否合法，从而仅使用合法卫星发送的信号进行导航增强服务，提高抗欺骗性；
导航增强信息帧搭载GNSS***卫星相关信息，并采用SSR方式表示导航增强电文信息，提高导航终端的位置解算速度与导航精度。
4.根据权利要求1所述的基于宽带码分多址通信体制的低轨导航增强信号传输方法，其特征在于，卫星低轨星座直接在CPICH信道和S-CCPCH信道分别为LePT信号的导频分量和数据分量分配信道资源，将LePT信号在当前覆盖区域进行广播。
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